El trabajo de la corriente bajo la influencia de fuerzas eléctricas. ¿Cómo se mide el trabajo de la corriente?

¿Se calcula la potencia del dispositivo? ¿O tal vez esto último pueda medirse? ¿Y cómo aplicar los conocimientos adquiridos a la hora de resolver problemas?

Estas preguntas surgen para muchos estudiantes de octavo grado cuando estudian el tema "Electricidad". La respuesta es bastante simple. Y no tendrás que memorizar las fórmulas durante mucho tiempo. Porque son muy similares entre sí o utilizan otros que ya han sido estudiados anteriormente.

Primera cantidad: trabajo actual

Primero debemos ponernos de acuerdo sobre la notación. Porque puede haber diferencias en ellos.

Cada uno crea un campo eléctrico que hace que los electrones libres se muevan. Es decir, surge una corriente. En este momento dicen que el campo eléctrico sí funciona. Esto es lo que comúnmente se llama trabajo actual.

El campo eléctrico creado por una fuente de corriente se caracteriza por el voltaje. Afecta la cantidad de trabajo que realiza una corriente eléctrica cuando mueve una unidad de carga. Por lo tanto, se introduce una fórmula para el voltaje:

Es fácil derivar la fórmula de trabajo a partir de ahí:

Ahora vale la pena recordar la igualdad que se introduce para la fuerza actual. Es igual a la relación entre la carga transferida y el tiempo de su movimiento:

Por tanto q = I * t. Reemplazando la letra q en la fórmula de trabajo por la última expresión, obtenemos la siguiente fórmula:

Ésta es una forma general de igualdad mediante la cual se puede calcular el trabajo de una corriente eléctrica. La fórmula cambia ligeramente si se aplica la ley de Ohm. Según él, el voltaje es igual al producto de la corriente y la resistencia. Entonces se cumplirá la siguiente igualdad:

A = yo 2 * R * t.

Puede reemplazar no el voltaje, sino la corriente. Es igual al cociente de U y R. Entonces la fórmula de trabajo quedará así:

A = (U 2 * t)/R.

Segunda cantidad: potencia actual

La fórmula general es la misma que en mecánica. Es decir, se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo.

Esto muestra que el trabajo y la potencia de la corriente eléctrica están interconectados. Para obtener una igualdad más específica, necesitarás reemplazar el numerador usando la fórmula general con la que trabajar. Entonces queda claro cómo determinar la potencia, conociendo la intensidad de la corriente y el voltaje del circuito.

Además, se puede medir la potencia. Para ello, existe un dispositivo especial llamado vatímetro.

Ley de Joule-Lenz

El fenómeno del calentamiento de conductores fue descubierto por el científico francés A. Fourquois. Esto sucedió allá por 1880. 41 años después fue descrita por el físico inglés J.P. Joule y un año después confirmada experimentalmente por el físico ruso E.H. Lenz. Fue por los nombres de los dos últimos científicos que comenzaron a llamar al patrón descubierto.

Se trata de dos cantidades: la cantidad de calor y el trabajo de la corriente eléctrica. La ley de Joule-Lenz establece que todo el trabajo en un conductor estacionario se destina a calentarlo. Es decir, un conductor que transporta corriente emite una cantidad de calor igual al producto de su resistencia, el tiempo y el cuadrado de la corriente. La fórmula es la misma que la dada para trabajar:

Q = yo 2 * R * t.

Tarea de definición de trabajo

Condición. La resistencia de la bombilla de una linterna es de 14 ohmios. El voltaje que suministra la batería es de 3,5 V. ¿Cuál será el trabajo realizado por la corriente si la linterna funcionó durante 2 minutos?

Solución. Como se conocen el voltaje, la resistencia y el tiempo, es necesario utilizar la siguiente fórmula: A = (U 2 * t)/R. Primero necesitas convertir el tiempo a unidades SI, es decir, segundos. Por lo tanto, no es necesario sustituir 2 minutos en la fórmula, sino 120 segundos.

Cálculos simples conducen al siguiente valor para el trabajo actual: 105 J.

Respuesta. El trabajo es 105 J.

problema de energía

Condición. Es necesario determinar a qué equivalen el trabajo y la potencia de la corriente eléctrica en el devanado del motor eléctrico. Se sabe que la corriente en él es de 90 A a un voltaje de 450 V. El motor eléctrico permanece encendido durante una hora.

Luego de sustituir los valores y realizar operaciones aritméticas simples se obtiene el siguiente valor de trabajo: 145800000 J. Es más conveniente escribirlo en la respuesta en unidades mayores. Por ejemplo, megajulios. Para ello, el resultado debe dividirse por un millón. El trabajo resulta ser 145,8 MJ.

Ahora necesitas calcular la potencia del motor eléctrico. Los cálculos se realizarán según la fórmula: P = U * I. Después de la multiplicación, el número obtenido es: 40500 W. Para escribirlo en kilovatios, debes dividir el resultado entre mil.

Respuesta. A = 145,8 MJ, P = 40,5 kW.

Problema de cálculo de voltaje.

Condición. La cocina eléctrica ha estado enchufada durante 20 minutos. ¿Cuál es el voltaje en la red si, a una corriente de 4 A, el trabajo es igual a 480 kJ?

Solución. Dado que se conocen el trabajo y la intensidad actual, es necesario utilizar la siguiente fórmula: A = U * I * t. Aquí el voltaje es un factor desconocido. Se debe calcular como el cociente del producto y un factor conocido, es decir: U = A / (I * t).

Antes de realizar cálculos, es necesario convertir los valores a unidades SI. Es decir, trabajo en julios y tiempo en segundos. Serán 480.000 J y 1200 s. Ahora solo queda contarlo todo.

Respuesta. El voltaje es de 100 V.

Cada uno de nosotros tiene un contador en casa, según el cual pagamos la electricidad mensualmente. Pagamos por una determinada cantidad de kilovatios-hora. ¿Cuáles son estos kilovatios hora? ¿Qué estamos pagando exactamente? Vamos a resolverlo :)

Usamos la electricidad para propósitos específicos. La corriente eléctrica realiza algún trabajo y, como resultado, nuestros aparatos eléctricos funcionan. ¿Cuál es el trabajo de la corriente eléctrica? Se sabe que el trabajo realizado por la corriente para mover una carga eléctrica en una determinada sección del circuito es numéricamente igual al voltaje en esta sección. Si la carga difiere, por ejemplo, en una dirección mayor, entonces, en consecuencia, se realizará más trabajo.

Trabajo de corriente en una sección de un circuito: fórmula

Entonces, llegamos a la conclusión de que el trabajo realizado por la corriente es igual al producto del voltaje en una sección del circuito eléctrico por la cantidad de carga. La carga, como se sabe, se puede encontrar multiplicando la intensidad de la corriente y el tiempo que pasa la corriente. Entonces, obtenemos la fórmula para determinar el trabajo de la corriente:

A=Uq, q=It, obtenemos A=UIt;

donde A es trabajo, U es voltaje, I es corriente, q es carga, t es tiempo.

El trabajo actual se mide en julios (1 J). 1 J = 1 V * 1 A * 1 s. Es decir, para medir el trabajo realizado por la corriente necesitamos tres instrumentos: amperímetro, voltímetro y reloj. Los contadores de electricidad instalados en los apartamentos parecen combinar todos estos dispositivos en uno. Miden el trabajo realizado por la corriente. El trabajo de la corriente en nuestro departamento es la energía que gastó en todos los dispositivos conectados a la red del departamento. Esto es por lo que pagamos. Sin embargo, no pagamos por julios, sino por kilovatios-hora. ¿De dónde vienen estas unidades?

potencia de corriente electrica

Para comprender esta cuestión, debemos considerar otro concepto: la potencia de la corriente eléctrica. La potencia actual es el trabajo realizado por la corriente por unidad de tiempo. Es decir, el poder se puede encontrar dividiendo el trabajo por el tiempo. Y el trabajo, como ya sabemos, es producto de la corriente, el voltaje y el tiempo. Así, el tiempo se reducirá y obtendremos el producto de corriente y voltaje. Para la potencia actual, la fórmula será la siguiente:

P=A/t , A=UIt , obtenemos P=UIt/t , es decir, P=UI ;

donde P es la potencia actual. La potencia se mide en vatios (1 W). Se utilizan múltiples cantidades: kilovatios, megavatios.

El trabajo y la potencia de la corriente eléctrica están estrechamente relacionados. De hecho, el trabajo es la potencia actual en cada momento del tiempo, tomada durante un período de tiempo determinado. Es por eso que los medidores en los apartamentos miden el trabajo actual no en julios, sino en kilovatios-hora. Lo que pasa es que 1 vatio de potencia es muy poca potencia, y si pagáramos por vatios por segundo, pagaríamos por decenas y cientos de miles de esas unidades. Para simplificar los cálculos, se adoptó la unidad "kilovatio-hora".

La corriente eléctrica se genera con el fin de ser utilizada en el futuro para determinados fines, para realizar algún tipo de trabajo. Gracias a la electricidad, todos los dispositivos, aparatos y equipos funcionan. El trabajo en sí representa un cierto esfuerzo aplicado para mover una carga eléctrica a lo largo de una distancia determinada. Convencionalmente, dicho trabajo dentro de una sección del circuito será igual al valor numérico del voltaje en esta sección.

Para realizar los cálculos necesarios, necesita saber cómo se mide el trabajo de la corriente. Todos los cálculos se realizan sobre la base de datos iniciales obtenidos utilizando instrumentos de medición. Cuanto mayor sea la carga, más esfuerzo se requerirá para moverla y más trabajo se realizará.

¿Cómo se llama el trabajo de la corriente?

La corriente eléctrica, como magnitud física, en sí misma no tiene importancia práctica. El factor más importante es el efecto de la corriente, caracterizado por el trabajo que realiza. El trabajo en sí representa determinadas acciones durante las cuales un tipo de energía se transforma en otro. Por ejemplo, la energía eléctrica se convierte en energía mecánica al girar el eje del motor. El trabajo de la corriente eléctrica en sí es el movimiento de cargas en un conductor bajo la influencia de un campo eléctrico. De hecho, todo el trabajo de mover partículas cargadas lo realiza el campo eléctrico.

Para realizar cálculos, se debe derivar una fórmula para el funcionamiento de la corriente eléctrica. Para compilar fórmulas, necesitará parámetros como la fuerza actual y. Dado que el trabajo realizado por una corriente eléctrica y el trabajo realizado por un campo eléctrico son el mismo, se expresará como el producto del voltaje y la carga que fluye en el conductor. Es decir: A = Uq. Esta fórmula se derivó de la relación que determina el voltaje en el conductor: U = A/q. De ello se deduce que el voltaje representa el trabajo realizado por el campo eléctrico A para transportar una partícula cargada q.

La partícula cargada o la carga en sí se representa como el producto de la intensidad de la corriente y el tiempo empleado en mover esta carga a lo largo del conductor: q = It. En esta fórmula se utilizó la relación para la intensidad de corriente en el conductor: I = q/t. Es decir, es la relación entre la carga y el período de tiempo durante el cual la carga pasa a través de la sección transversal del conductor. En su forma final, la fórmula para el trabajo de la corriente eléctrica se verá como el producto de cantidades conocidas: A = UIt.

¿En qué unidades se mide el trabajo de la corriente eléctrica?

Antes de abordar directamente la cuestión de cómo se mide el trabajo de una corriente eléctrica, es necesario recopilar las unidades de medida de todas las cantidades físicas con las que se calcula este parámetro. En cualquier trabajo, por tanto, la unidad de medida de esta cantidad será 1 Julio (1 J). El voltaje se mide en voltios, la corriente en amperios y el tiempo en segundos. Esto significa que la unidad de medida se verá así: 1 J = 1V x 1A x 1s.

Con base en las unidades de medida obtenidas, el trabajo de la corriente eléctrica se determinará como el producto de la intensidad de la corriente en una sección del circuito, el voltaje en los extremos de la sección y el período de tiempo durante el cual la corriente fluye a través del conductor.

Las medidas se realizan mediante un voltímetro y un reloj. Estos dispositivos le permiten resolver eficazmente el problema de cómo encontrar el valor exacto de un parámetro determinado. Al conectar un amperímetro y un voltímetro a un circuito, es necesario controlar sus lecturas durante un período de tiempo específico. Los datos obtenidos se insertan en la fórmula, después de lo cual se muestra el resultado final.

Las funciones de los tres dispositivos se combinan en contadores eléctricos que tienen en cuenta la energía consumida y, de hecho, el trabajo realizado por la corriente eléctrica. Aquí se utiliza otra unidad: 1 kW x h, lo que también significa cuánto trabajo se realizó durante una unidad de tiempo.

El trabajo realizado por una corriente eléctrica muestra cuánto trabajo realizó el campo eléctrico al mover cargas a lo largo de un conductor.

Conociendo dos fórmulas:

yo = q/t..... Y..... U = A/q
Puede derivar una fórmula para calcular el trabajo de la corriente eléctrica:

El trabajo de una corriente eléctrica es igual al producto de la intensidad de la corriente por el voltaje y el tiempo que la corriente fluye en el circuito.

Unidad de medida del trabajo de corriente eléctrica en el sistema SI:

[A] = 1 J = 1ABc

APRENDE QUE SERÁ ÚTIL

Al calcular el trabajo de la corriente eléctrica, a menudo se utiliza.
Unidad múltiple fuera del sistema de trabajo de corriente eléctrica: 1 kWh (kilovatio-hora).

INTERESANTE

En un momento, J. Watt propuso una unidad como "caballos de fuerza" como unidad de potencia. Esta unidad de medida ha sobrevivido hasta nuestros días. Pero en Inglaterra, en 1882, la Asociación Británica de Ingenieros decidió asignar el nombre de J. Watt a una unidad de potencia. Ahora el nombre James Watt se puede leer en cualquier bombilla.
Esta fue la primera vez en la historia de la tecnología que una unidad de medida recibió su propio nombre.
A partir de este incidente comenzó la tradición de asignar nombres propios a las unidades de medida.

Dicen que...
Un cervecero compró una de las máquinas de vapor de Watt para reemplazar el caballo que impulsaba la bomba de agua. Al elegir la potencia requerida de una máquina de vapor, el cervecero definió la fuerza laboral del caballo como ocho horas de trabajo ininterrumpido hasta que el caballo quedó completamente exhausto. El cálculo mostró que cada segundo el caballo elevaba 75 kg de agua a una altura de 1 metro, lo que se tomó como unidad de potencia de 1 caballo de fuerza.

SABÍAS

La corriente que fluye por las bobinas de las lámparas eléctricas las calienta a una temperatura muy alta.
Por lo tanto, para que las espirales duren más, se encierran en cilindros de vidrio llenos de gas inerte en lámparas de alta potencia.

En los cilindros de lámparas de baja potencia (hasta 40 W) hay vacío. Para que la lámpara funcione por más tiempo, la temperatura del filamento de dichas lámparas es más baja y la luz tiene un tinte amarillo.

La electricidad atmosférica es peligrosa porque se manifiesta en forma de descargas lineales (rayos), que ocurren en nuestro planeta aproximadamente 100 veces por segundo. Las cargas eléctricas atmosféricas pueden tener un voltaje de hasta mil millones de voltios y la corriente del rayo puede alcanzar los 200 mil amperios. La vida útil de un rayo se estima entre 0,1 y 1 segundo.
La temperatura alcanza los 6-10 mil grados centígrados.
Y si asumimos que la energía eléctrica de un rayo puede ser de 2500 kW/hora, y una familia de tres personas consume 250 kW/hora de electricidad al mes, entonces la energía de un rayo sería suficiente para satisfacer las necesidades de esta familia. durante 10 meses.

¿PUEDES DECIDIR?

Dos lámparas eléctricas, cuya potencia es de 40 y 100 W, están diseñadas para el mismo voltaje.
Compare las resistencias de los filamentos de ambas lámparas.

La sala está iluminada por 40 lámparas eléctricas de una linterna, conectadas en serie y alimentadas por la red de la ciudad. Después de que una lámpara se quemó, las 39 restantes se conectaron nuevamente en serie y se enchufaron a la red.
¿Cuándo fue más luminosa la habitación: con 40 o 39 lámparas?

A la batería se conectan cables de cobre y hierro conectados en serie de la misma longitud y sección transversal. ¿Cuál liberará más calor en el mismo tiempo?

Dos conductores de diferente longitud, pero de la misma sección y material, están conectados en paralelo entre sí en un circuito de corriente eléctrica. ¿Cuál liberará más calor?

Energía eléctrica. En la naturaleza y la tecnología, ocurren continuamente procesos de conversión de energía de un tipo a otro (Fig. 30). En las fuentes de energía eléctrica, varios tipos de energía se convierten en energía eléctrica. Por ejemplo, en los generadores eléctricos 1, accionados por algún mecanismo, la energía mecánica se convierte en energía eléctrica, en los termogeneradores 2 - térmica, en las baterías 9 cuando se descargan y en las celdas galvánicas 10 - química, en las fotocélulas 11 - radiante.
Los receptores de energía eléctrica, por el contrario, convierten la energía eléctrica en otros tipos de energía: térmica, mecánica, química, radiante, etc. Por ejemplo, en los motores eléctricos 3 la energía eléctrica se convierte en energía mecánica, en los dispositivos de calefacción eléctrica 5 en térmica energía, en baños electrolíticos 8 y baterías 7 cuando están cargadas - en química, en lámparas eléctricas 6 - en radiante y térmica, en las antenas de 4 transmisores de radio - en radiante.

La medida de la energía es el trabajo. El trabajo W realizado por una corriente eléctrica durante un tiempo t a un voltaje U y corriente I conocidos es igual al producto del voltaje por la corriente y la duración de su acción:

W=UIt (29)

El trabajo realizado por una corriente eléctrica de 1 A a un voltaje de 1 V durante 1 s se toma como unidad de energía eléctrica. Esta unidad se llama julio (J). El julio, también llamado vatio-segundo (W*s), es una unidad de medida muy pequeña, por lo que en la práctica se utilizan unidades más grandes para medir la energía eléctrica: vatio-hora (1 Wh = 3600 J), kilovatio- hora (1 kW*h = 1000 W*h = 3,6*10 6 J), megavatio-hora (1 MW*h=1000 kW*h=3,6*10 9 J).

Energía eléctrica. La energía recibida por el receptor o suministrada por la fuente de corriente en 1 s se llama potencia. La potencia P a valores constantes de U e I es igual al producto del voltaje U y la corriente I:

P=IU(30)

Utilizando la ley de Ohm para determinar la corriente y el voltaje en función de la resistencia R y la conductividad G, se pueden obtener otras expresiones para la potencia. Si reemplazamos el voltaje U=IR o la corriente I=U/R=UG en la fórmula (30), obtenemos

P = yo 2 R (31)

P = U 2 /R = U 2 G (32)

Por tanto, la potencia eléctrica es igual al cuadrado de la corriente y la resistencia, o al cuadrado del voltaje dividido por la resistencia, o al cuadrado del voltaje multiplicado por la conductividad.

La potencia creada por una corriente de 1 A a un voltaje de 1 V se toma como unidad de potencia y se llama vatio (W). En tecnología, la potencia se mide en unidades mayores: kilovatios (1 kW = 1000 W) y megavatios (1 MW = 1.000.000 W).

Pérdidas y eficiencia energética. Al convertir la energía eléctrica en otros tipos de energía, o viceversa, no toda la energía se convierte en el tipo de energía requerido; parte de ella se gasta (pierde) improductivamente para superar la fricción en los cojinetes de las máquinas, los cables calefactores, etc. Las pérdidas son inevitables en cualquier máquina y cualquier aparato.
La relación entre la potencia suministrada por una fuente o receptor de energía eléctrica y la potencia que recibe se denomina eficiencia de la fuente o receptor. Eficiencia (eficiencia)

? = P 2 /P 1 = P 2 /(P 2 + ?P) (33)

P 2 - potencia de salida (útil);
P 1 - potencia recibida;
?P - pérdida de potencia.

La eficiencia es siempre menor que la unidad, ya que en cualquier máquina y aparato hay pérdidas de energía. A veces la eficiencia se expresa como porcentaje. Así, los motores de tracción de locomotoras eléctricas y diésel tienen una eficiencia del 86-92%, los transformadores potentes - 96-98%, las subestaciones de tracción - 94-96%, las redes de contacto de ferrocarriles electrificados - alrededor del 90%, los generadores de locomotoras diésel - 92 - 94%.
Consideremos, como ejemplo, la distribución de energía en un circuito eléctrico (Fig. 31). El generador 1, que alimenta este circuito, recibe del motor primario 2 (por ejemplo, un motor diésel) potencia mecánica P mx = 28,9 kW y entrega potencia eléctrica P el = 26 kW (2,9 kW es la pérdida de potencia en el generador). ¿Tiene entonces eficiencia?

gen = R el / R mx = 26/28.9 = 0.9.

En cada receptor de energía eléctrica también se producen pérdidas de potencia. En el motor eléctrico 3, la pérdida de potencia es de 0,8 kW (recibe 10,8 kW de potencia de la red y entrega sólo 10 kW), por lo que la eficiencia ?motor = 10/10,8 = 0,925. De los 6 kW de potencia que reciben las lámparas, sólo una pequeña parte se utiliza para crear energía radiante; la mayor parte se disipa inútilmente en forma de calor. En una cocina eléctrica no toda la potencia de 7,2 kW recibida se utiliza para calentar alimentos, ya que parte del calor que genera se disipa en el espacio circundante. Al considerar circuitos eléctricos, además de determinar las corrientes y voltajes que actúan en secciones individuales, también es necesario determinar la potencia transmitida a través de ellos. En este caso, se debe observar el llamado balance energético de capacidades. Esto significa que la potencia que recibe cualquier dispositivo (fuente de corriente o consumidor) o sección del circuito eléctrico debe ser igual a la suma de la potencia que suministra y las pérdidas de potencia que se producen en este dispositivo o sección del circuito.