Դաս 18-20։ Հոսանքի աշխատանքը և հզորությունը։ Ջոուլ-Լենցի օրենք

Էլեկտրական հոսանքն օժտված է էներգիայով, որի հաշվին նա կարող է աշխատանք կատարել: Հոսանքի կատարած աշխատանքի շնորհիվ էլեկտրական էներգիան փոխակերպվում է էներգիայի այլ տեսակների:

Օրինակ՝ ջեռուցիչ սարքերում էլեկտրաէներգիան փոխակերպվում է ջերմային էներգիայի, էլեկտրաշարժիչում՝ մեխանիկական էներգիայի, էլեկտրոլիզի ժամանակ՝ քիմիական էներգիայի և այլն:

Ենթադրենք սպառիչ (լամպ, ջերմատաքացուիչ, էլեկտրաշարժիչ) պարունակող շղթայի տեղամասում լարումը U է, հոսանքի ուժը I և t ժամանակամիջոցում նրանով անցել է q լիցք: Լարման սահմանումից հետևում է, որ A=q⋅U, իսկ քանի որ հաստատուն հոսանքի դեպքում q=I⋅t , ապա՝ A=U⋅I⋅t (1): Այսինքն. Հաստատուն հոսանքի աշխատանքը շղթայի տղամասում հավասար է հոսանքի ուժի, լարման և այն ժամանակամիջոցի արտադրյալին, որի ընթացքւմ կատարվել է այդ աշխատանքը: Աշխատանքի այս (1) բանաձևը թույլ է տալիս որոշել հոսանքի կատարած աշխատանքը, անկախ այն բանից, թե այդ հոսանքի էներգիան էներգիայի ի՞նչ տեսակների է փոխակերպվել՝ ջերմային, մեխանիկական, թե քիմիական: Միավորների ՄՀ-ում հոսանքի աշխատանքը արտահայտում են ջոուլով (Ջ):

Էլեկտրական շղթայում հոսանքի՝ աշխատանք կատարելու արագությունը բնութագրող մեծությունը անվանում են հոսանքի հզորություն և նշանակում ՝ P տառով: Եթե t ժամանակում հոսանքը կատարում է A աշխատանք, ապա P=A/t (2): Հաշվի առնելով աշխատանքի (1) բանաձևը կստանանք P=U⋅I (3): Հաստատուն հոսանքի հզորությունը շղթայի տվյալ տեղամասում հավասար է հոսանքի ուժի և տեղամասի ծայրերին կիրառված լարման արտադրյալին: Օգտվելով Օհմի օրենքից (3) բանաձևը կարելի է ներկայացնել հետևյալ տեսքով P=U²/R և P=I²⋅R:

Միավորների ՄՀ-ում հզորությունն արտահայտվում է վատտով (Վտ). 1 Վտ=1 Ջ/վ: Հզորությունը հավասար է 1Վտ — ի, եթե 1վ — ում կատարվում է 1Ջ աշխատանք: Կիրառվում են նաև 1 կՎտ (կիլովատ), 1 ՄՎտ (մեգավատ), 1 մՎտ (միլիվատ) միավորները: 1մՎտ=0.001Վտ; 1 ՄՎտ=1000000 Վտ; 1 կՎտ=1000 Վտ: Հզորությունը չափող սարքը կոչվում է Վատտմետր: Կենցաղում հոսանքի աշխատանքը չափում են: Էլեկտրական հաշվիչ կոչվող հատուկ սարքով: Այս դեպքում գործածվում է հոսանքի աշխատանքի արտահամակարգային միավորը՝ 1ԿՎտ·ժ: 1ԿՎտ*Ժ=1000 Վտ*3600 վ=3600000 Ջ:

Փորձը ցույց է տալիս, որ հաղորդիչները տաքանում են, երբ նրանցով էլեկտրական հոսանք է անցնում: Հոսանքի ջերմային ազդեցությունը ուսումնասիրեցին անգլիացի ֆիզիկոս Ջ. Ջոուլը, իսկ ևս մեկ տարի անց՝ ռուս գիտնական Է. Լենցը: Նրանք միմյանցից անկախ սահմանեցին օրենք՝ Ջոուլ-Լենցի օրենքը, որը բացահայտում է, թե ի՞նչ մեծություններից և ինչպե՞ս է կախված հաղորդչում անջատված ջերմաքանակը:

Ջոուլ-Լենցի օրենքը հայտնագործվել է փորձնական ճանապարհով, սակայն դրան կարելի է նաև տեսական հիմնավորում տալ: Եթե շղթայի տեղամասում մեխանիկական աշխատանք չի կատարվում, նրանում քիմիական ռեակցիա տեղի չի ունենում, ապա հոսանքի ամբողջ աշխատանքը ուղղված է հաղորդչի ներքին էներգիայի մեծացմանը: Ընդ որում, հաղորդչի շրջապատի տրված Q ջերմաքանակը, համաձայն էներգիայի պահպանման օրենքի հավասար է հաղորդչի ներքին էներգիայի փոփոխությանը, այսինքն՝ հոսանքի աշխատանքին՝ A=Q Քանի որ էլեկտրական հոսանքի կատարած աշխատանքը հավասար է A=U⋅I⋅T հետևաբար և Q=U⋅I⋅T Օգտվելով Օհմի օրենքից, բանաձևը կարելի է ներկայացնել նաև այլ տեսքով՝ Q=U² ⋅t /R կամ Q=I²⋅R⋅t Այս վերջին բանաձևն էլ արտահայտում է Ջոուլ-Լենցի օրենքը: Հոսանքակիր հաղորդչում անջատված ջերմաքանակը հավասար է հոսանքի ուժի քառակուսու, հաղորդչի դիմադրության և նրանով հոսանքի անցման ժամանակի արտադրյալին:

Թեմատիկ հարցեր և խնդիրներ՝

1. Բնակարանի տաքացման համար օգտագործվող 140 Օմ դիմադրություն ունեցող էլեկտրական ջերմատաքացուցիչը նախատեսված է 3.5 Ա հոսանքի ուժի համար: Որքա՞ն էներգիա կծախսի այդ ջերմատաքացուցիչը 8 ժամ անընդհատ աշխատելու դեպքում:

R=140 Օմ

I=3.5 Ա

t=8 ժ=28.800 վ

A=? (Ջ)

—————

U=I*R=3.5 Ա*140 Օմ=490 Վ

A=I*U*t=3.5 Ա*490 Վ*28800 վ=49392000 Ջ=49392 կՋ

Պատ՝․ 49392 կՋ

2. Ավտոտնակում էլեկտրական լամպը մոռացել էին անջատել: Որքա՞ն աշխատանք էր իզուր կատարվել 24 ժամում, եթե լամպը միացված էր 110 Վ լարման ցանցին և նրանով անցնող հոսանքի ուժը 0.8 Ա էր:

t=24 ժ=86400 վ

U=110 Վ

I=0.8 Ա

A=? (Ջ)

—————

A=I*U*t=0.8 Ա*110Վ*86400 վ=7603200 Ջ=7603.2 կՋ

Պատ՝․ 7603.2 կՋ

3. 50 Օմ դիմադրություն ունեցող էլեկտրական վարսահարդարիչը միացրեցին 127 Վ լարման ցանցին: Որքա՞ն աշխատանք կկատարի նրանում հոսանքը 15 րոպեի ընթացքում:

R=50 Օմ

U=127 Վ

t=15 ր=900 վ

A=? (Ջ)

—————

I=U/R=127 Վ/50 Օմ=2.54 Ա

A=I*U*t=2.54 Ա*127 Վ*900 վ=290322 Ջ

Պատ՝․ 290322 Ջ

4. 6 Վ լարման և 2 Ա հոսանքի ուժի դեպքում համակարգչի մարտկոցի լիցքավորումը տևեց 1.5 ժամ: Որոշե՛ք հոսանքի կատարած աշխատանքը այդ ընթացքում:

U=6

I=2

t=1.5=5400

A=? (Ջ)

—————

A=I*U*t=2 Ա*6 Վ*5400 վ=64800 Ջ

Պատ՝․ 64800 Ջ

5. 450 Վտ հզորություն ունեցող հեռուստացույցը, ըստ հաշվիչի ցուցմունքի, ծախսել է 360 կՋ էներգիա: Որքա՞ն ժամանակ է միացված եղել հեռուստացույցը:

P=450 Վտ

A=360 կՋ=360000 Ջ

t=? (վ)

—————

t=A/P=360000 Ջ/450 Վտ=800 վ

Պատ՝․ 800 վ

6. Ճեպընթաց էլեկտրագնացքը, որի շարժիչների ընդհանուր հզորությունը 200 կՎտ է, շարժվում է 180 կմ/ժ միջին արագությամբ: Որքա՞ն աշխատանք են կատարում նրա էլեկտրաշարժիչները 560 կմ ճանապարհ անցնելիս:

P=200 կՎտ=200000 Վտ

V=180 կմ/ժ

S=560 կմ

A=? (Ջ)

—————

t=S/V=560 կմ/180 կմ/ժ=3.1 ժ*3600=11160 վ

A=P*t=200*11160=2320000 Ջ=2320 կՋ

Պատ՝․ 2320 կՋ

7. Ի՞նչ ջերմաքանակ կանջատվի 80 վ-ում 40 Օմ դիմադրություն ունեցող ջեռուցիչ տարրում, եթե այն միացված է 120 Վ լարման ցանցին:

t=80 վ

R=40 Օմ

U=120 Վ

Q=? (Ջ)

—————

Q=U²*t/R=14400 Վ*80 վ/40 Օմ=28800 Ջ=28.8 կՋ

Պատ՝․ 28.8 կՋ

8. Հաղորդչի դիմադրությունը 150 Օմ է, նրանով անցնող հոսանքի ուժը՝ 1.6 Ա: Ի՞նչ ջերմաքանակ կանջատվի նրանում 10 վ-ի ընթացքում:

R=150 Օմ

I=1.6 Ա

t=10 վ

Q=? (Ջ)

—————

Q=I²*R*t=2.08 Ա*150 Օմ*10 վ=3120 Ջ

Պատ՝․ 3120 Ջ

9. Շղթայի տեղամասում միմյանց հաջորդաբար միացված են R₁=40 Օմ և R₂ =60 Օմ դիմադրություններով ռեզիստորներ: Տեղամասի ծայրերում լարումը 100 Վ է: 2 րոպեի ընթացքում ի՞նչ ջերմաքանակ կանջատվի հաղորդիչներից յուրաքանչյուրում: Պատասխանը գրել ամբողջ թվի ճշտությամբ:

R₁=40 Օմ

R₂=60 Օմ

U=100 Վ

t=2 ր=120 վ

Q=? (Ջ)

—————

R=R₁+R₂=40 Օմ+60 Օմ=100 Օմ

Q=U²*t/R=10000 Վ*120 վ/100 Օմ=12000 Ջ=12 կՋ

Պատ՝․ 12 կՋ

10. Էլեկտրական ջեռուցչի 0.017 Օմ⋅մմ² /մ տեսակարար դիմադրությամբ պղնձե սնուցող հաղորդալարի երկարությունը 1.5 մ է, լայնական հատույթի մակերեսը՝ 2 մմ² : Որքա՞ն ջերմաքանակ կանջատվի այդ հաղորդալարում 25 րոպեի ընթացքում, եթե շղթայում հոսանքի ուժը 4 Ա է: