Постоянный ток. Работа и мощность. Закон Джоуля – Ленца

Работа электрического поля по перемещению заряда ∆ q из одной точки в другую равна произведению напряжения U между этими точками на величину заряда Dq: A=DqU

Учитывая, что Dq = IDt получаем: A= IUDt = I²RDt = Dt

При прохождении тока через проводник происходит его нагревание, значит электрическая энергия переходит в тепловую.

Закон Джоуля – Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени.

Q = I² R t – закон Джоуля – Ленца.

Закон открыт экспериментально независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Х.Ленцем. Q = А – по закону сохранения энергии.

Мощность электрического тока равна работе, которая совершается током за единицу времени.

 

Сила тока

Главной физической величиной, характеризующей ток, является сила тока.

Определение. Сила тока – физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени, за который этот заряд прошел. Обозначение: Единица измерения: А – ампер (в честь французского физика Андре-Мари Ампера)

Иначе говоря, сила тока определяет скорость прохождения зарядов сквозь проводник.

Прибором для измерения силы тока является амперметр.

 

Скорость электронов в проводнике

Рассмотрим случай протекания постоянного тока в цилиндрическом проводнике и выведем формулу определяющую скорость упорядоченного движения электронов (а именно они движутся в металлах).

 

Запишем определение силы тока:

 

За время поперечное сечение успели пересечь все те электроны, находящиеся в пространстве проводника, ограниченном длиной (расстояние, которое прошли электроны за время ). Поэтому можно посчитать как:

Здесь: – заряд одного электрона; – концентрация электронов в проводнике.

Подставив это равенство в определение силы тока:

и учтя, что Получаем формулу:

То есть сила тока и скорость движения электронов – прямо пропорциональные величины.

Для определения концентрации электронов необходимо применить формулы из курса молекулярной физики. Если сделать предположение, что на каждый атом вещества проводника приходится один электрон, то тогда справедливо:

Зная, что Подставив и

Получим:

То есть при нашем допущении концентрация свободных электронов зависит только от материала проводника (плотности и молярной массы).

Для оценки порядка искомой скорости направленного движения электронов рассмотрим ток в 1 А, текущий по медному проводнику сечением 1 . Согласно формулам: