uabooks.top

Napjainkban az elektromos áramot szinte mindenütt használják. A különféle háztartási eszközök, gépkocsik elektromos berendezései, vegyipar, orvostudomány, kommunikációs eszközök... Közületek bárki azonnal felsorolna több tucat, elektromos energiával működő eszközt, amelyekben az elektromos energia más energiává alakul át. Közben az elektromos tér munkát végez, amelyet az elektromos áram munkájának neveznek. Felidézzük, hogyan lehet meghatározni ezt a munkát.

Hogyan határozható meg az elektromos áram munkája és teljesítménye?

Megvizsgáljuk az áramkör egy olyan szakaszát, melyen U feszültségű és I erősségű áram halad át. Ez bármilyen vezető lehet: villanymotor tekercse, nappali fénycsőben lévő ionizált gázoszlop, vasaló izzószála. Ha tetszőleges t idő alatt a vezető keresztmetszetén q töltés halad át, akkor az elektromos tér A=qU munkát végez.

Az I áramerősség és t idő segítségével kifejezzük a q töltést (q =It), és megkapjuk az elektromos áramnak az áramkör adott szakaszán végzett munkáját:

Az áram munkájának mértékegysége a Sí rendszerben - jóul:

Az elektrotechnikában gyakran használjak a munka Sí rendszeren kívüli mértékegységét is — a kilowatt-órát: 1 kW -h=3,6 -10⁶ J. Ezekben az egységekben határozza meg az áram munkáját az elektromos fogyasztásmérő (villanyóra) (3.1. ábra).

A fogyasztásmérőn még három fizikai mennyiség értéke található. Az egyik azt mutatja, hogy mekkora feszültségű rendszerhez kapcsolható az adott műszer, a másik — a műszer maximális áramerősségét, a harmadik — a váltóáram frekvenciáját a rendszerben (lásd a 19. §-t). Az első két mutató alapján számítják ki a fogyasztásmérőhöz kapcsolható fogyasztók megengedett

teljesítményét.

Az áram P teljesítménye - az áram által t időegység alatt végzett munka:

ahol A - az áram által t idő alatt végzett munka.

Figyelembe véve, hogy A = Ült, a következőt kapjuk:

ahol U — az áramkör azon része, amelyben meg kell határozni az áram teljesítményét; I — áramerősség az adott szakaszon.

Az áram teljesítményének mértékegysége a Sí rendszerben — watt:

Jegyezzétek meg! A fenti képletek egyenáram esetén mindig igazak, váltóáram esetében viszont részben teljesülnek (lásd a 20. §-t).

Mekkora maximális teljesítményre van kiszámítva a 3.1. ábrán látható fogyasztás-

/ //n

merő

Joule-Lenz törvénye

Bármely áramjárta vezető felmelegszik (3.2. ábra). Ez azért történik, mert a töltéssel rendelkező részecskék felgyorsulnak az elektromos térben és a többi részecskékkel ütközve átadják azoknak mozgási energiájuk egy részét. Ennek következtében megnő a vezető belső energiája - a vezető felmelegszik.

Érthető, hogy az áramjárta vezető hőmérséklete nem növekedhet a végtelenségig, mivel hőátadás útján a kapott energia egy részét átadja a környező testeknek. Minél nagyobb a vezető hőmérséklete, annál több energiát ad át. Idővel a felszabaduló hőmeny-nyiség kiegyenlítődik a leadott hőmennyiséggel és a vezető nem melegszik tovább.

Az áramjárta vezetőben felszabaduló hőmennyiséget meghatározó törvényt egymástól függetlenül állította fel James Prescott Joule (1818-1889) angol és Emilij Hrisztiano-vics Lenz (.Heinrich Lenz) (1804—1865) német származású orosz fizikus. Idővel a törvényt Joule-Lenz törvényének nevezték el:

Az áramjárta vezetőben keletkezett Q hőmennyiség egyenesen arányos az I áramerősség négyzetével, a vezető R ellenállásával és az áram t áthaladási idejével:

Elemezve Joule-Lenz törvényét, arra a következtetésre jutunk, hogy amennyiben az áramkör különböző szakaszain az áramerősség azonos, akkor a nagyobb ellenállással

rendelkező szakaszban nagyobb hőmennyiség szabadul fel. Tehát megnövelve az áramkör egyes szakaszainak ellenállását, elérhető, hogy szinte az összes hőmennyiség azon a szakaszon szabaduljon fel. Ezen az elven működnek az elektromos hősugárzók (3.3. ábra), melyek izzószála kis keresztmetszetű és nagy fajlagos ellenállású anyagból (nikróm, konstantan) készül. A fővezetékek épp ellenkezőleg, viszonylag nagy kereszt-metszetűek és kis fajlagos ellenállású anyagból (réz, alumínium, acél) készülnek. Ennek eredményeként a fővezetékek ellenállása jóval kisebb, mint a fűtőszálaké, ezért szinte alig melegszenek fel.

Miért állítható, hogy az elektromos fűtőkészülékek csatlakozó kábeleiben az áramerősség megegyezik a fűtőszálon lévő áramerősséggel?

Gyakoroljuk a feladatok megoldását

Feladat. A gyerekautó motorjának áramellátását egy 12 V állandó feszültségű akkumulátor biztosítja. A motor tekercsében az áramerősség 6 A. Határozzátok meg a tekercs ellenállását, ha a hajtómű hatásfoka 80%! A súrlódás során fellépő energiaveszteséget ne vegyétek figyelembe!

A fizikai probléma elemzése. A feladat megoldásához a hatásfok képletét alkalmazzuk. A súrlódás közbeni energiaveszteséget figyelmen kívül hagyjuk, ezért az elektromos energia (ami megegyezik az áram munkájával) hasznos (mechanikai) munkára és a villanymotor tekercsének a felmelegítésére fordítódik:

Összegezés

Az áram munkája az adott szakaszon egyenlő a szakaszon lévő feszültség, áramerősség és a munkavégzés idejének a szorzatával: A = UIt.

Az áram teljesítménye számszerűleg egyenlő az áram időegység alatt

elvégzett munkájával:

Az áramjárta vezetőben felszabaduló Q hőmennyiség egyenesen arányos az áramerősség négyzetével, a vezető ellenállásával és az áram áthaladási idejével:

Ellenőrző kérdések

1. Milyen képlet segítségével határozható meg az áram munkája? Mi a mérték-egysége? 2. Bizonyítsátok be, hogy 1 kWh=3,6-10⁶ J! 3. Fogalmazzátok meg Joule—Lenz törvényét! Miért nevezték el így az adott törvényt? 4. Milyen képlet segítségével számítható ki az áramjárta vezetőben felszabaduló hőmennyiség? Minden esetben alkalmazható-e az adott képlet? 5. Jellemezzétek az áram teljesítményét mint fizikai mennyiséget!

3. gyakorlat

1. Két izzót párhuzamosan hozzákapcsoltak egy 220 V feszültségű áramforráshoz. Az izzók valós teljesítménye 6 és 10 W. Határozzátok meg: a) mindkét izzó ellenállását; b) az áramerősséget az izzókon; c) a két izzó által 2 óra alatt összesen elhasznált energiát!

2. Hogyan változik az elektromos izzó fényessége, ha a reosztát csúszkáját balra mozdítják el (1. ábra)? Válaszotokat magyarázzátok meg!

A 2. ábra adatai alapján határozzátok meg: a) a villanybojler fűtőszálának ellenállását; b) a fűtőszálon lévő áramerősséget; c) azt az időt, ami alatt a bojler 10 1 vizet 20 C°-ról 70 C°-ra melegít fel! A bojler hatásfoka 90%; a víz fajhője 4200 J/(kg · °С).

Mekkora az áramerősség az emelő villanymotorjának tekercsében, ha a 240 kg össztömegű platformot 5 s alatt emeli 6 m magasba? Az emelő hatásfoka 60%, a csatlakozóin mért feszültség 48 V.

5. Azonos ellenállású fűtőszállal rendelkező két elektromos tűzhelyet először sorosan, majd párhuzamosan csatlakoztattak a villamos hálózathoz. Melyik esetben volt nagyobb a tűzhelyek fogyasztása, és hányszorosan?

6. Tanulmányozzátok egy modern vízmelegítő bojler felépítését! Szerkezetének milyen sajátosságai segítik elő a gyors vízmelegítést, a víz melegen tartását, az áram idejében történő ki- és bekapcsolását? Állítsatok fel 2-3 feladatot az adott berendezéssel kapcsolatban, és oldjátok meg őket!

Kísérleti feladat

Határozzátok meg az általatok használt vízforraló (teafőző) hatásfokát!

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev