39. Джоуль-Ленц заңы. Тоқтың жұмысы мен қуаты

Электр тогы металл өткізгіштер арқылы өткенде электрондар бірде нейтраль молекулалармен, бірде электрондарынан айрылған молекулалармен соқтығысады. Қозғалыстағы электрон өзінің кинетикалық энергиясын жоғалта отырып, нейтраль молекуладан жаңа электронды бөліп алады, да жаңа оң ион түзеді, немесе электронынан айрылған молекуламен (оң ионмен) қосылып нейтраль молекула кұрады. Электрондар молекулалармен соқтыққанда энергия жұмсалады, cол энергия жылуға айналады. Кедергіні жеңе отырып жүретін кез-келген қозғалыс белгілі энергия жұмсалуын қажет етеді. Мысалы, қайсы бір денені орнынан қозғалту үшін үйкеліс кедергісін жеңу керек. Оған жұмсалатын жұмыс жылуға айналады. Өткізгіштің электр кедергісінің маңызы да үйкеліс кедергісі сияқты болады. Сөйтіп, өткізгіштен ток өткізу үшін ток көзі біраз энергия жұмсайды, cол энергия жылуға айналады. Электр энерғиясының жылу энергиясына өтуі Ленц — Джоуль заңымен анықталады. Бұл заңды токтың жылулық әсер заңы деп те атайды.

Орыс ғалымы және ағылшын физигі Джоуль бір мезгілде және бір-бірінен тәуелсіз электр тогы өткізгіш арқылы өткенде, өткізгіште бөлінетін жылу мөлшері ток квадратына, өткізгіш кедергісіне және токтың өткізгіштен өту мерзіміне тура пропорционал болатындығын анықтады. Бұл ереже Ленц — Джоуль заңы деп аталады. Егер ток әрекеті жасалған жылу мљлшерін Q әрпімен өткізгіштен өтетін ток күшін I әрпімен, өткізгіш кедергісін R әрпімен және, токтың өткізгіштен ағып өту уақытын t әрпімен белгілесек, онда Ленц — Джоуль заңының өрнегін былай жазуға болады:

мұндағы - тізбектің учаскесіндеуақыт ішінде бөлініп шығатын жылу мөлшері.

I=U/R және R=U/t, болғандықтан: Q = UІt = U²t/R.

    Тогы бар тізбектегі электр энергиясының энергияның басқа түрлеріне айналуының өлшеуіші ток жұмысының, яғни өрістегі зарядтарды орын ауыстырғандағы электр күші атқаратын жұмыстың шамасы болып табылады.                            A=q·U

  мұндағы А - электр өрісіндегі зарядты орын ауыстырғандағы жұмыс, q-заряд. Осы формуладан тұрақты токтың істеген жұмысын да анықтауға болады. t уақытта өткізгіштің көлденең қимасы арқылы       q=It заряд өтсін. Сонда    A=I·Ut    болады.

Электр тогының жұмысы – ток күші, кернеу және жұмысты істеуге кеткен уақыттың көбейтіндісіне тең.

    SI  жүйесінде джоульмен (Дж) өлшенеді.   1Дж=1A·1B·1c

    Тізбектің бөлігіне арналған Ом заңы    және U=I·R негізінде келесі формулаларды аламыз.                                               A=I²·Rt,    

   Уақыт бірлігіндегі өндірілген токтың жұмысы электр тогының қуаты болып табылады. Электр қуаты P әрпімен белгіленеді.Қуат мынаған тең: P =I U

Токтың қуаты табу үшін өткізгіштегі ток күші және кернеуді өлшеп, олардың көбейтіндісін табу керек.

     Сонымен қатар токтың қуаты үшін мына өрнектер дұрыс: P = I²R

Халықаралық бірліктер жүйесінде қуат  бірлігіне ватт алынған: 1Вт

  1ватт (1Вт) қуат бірлігіне 1В кернеуі бар тізбек бөлінгендегі  1А ток күшінің қуатын алады:  

  1Вт=1А·1В.    1ватт=1ампер·1вольт.

      1 Ватт онша көп қуат емес.Тәжірибеде ватқа еселік болып келетін бірліктерді қолданады: гектоватт  1гВт=10² Вт;  киловатт 1кВт=10³  Вт; мегаватт 1МВт=10⁶ Вт.

       Токтың қуатын – өлшеуге арналған аспапты ваттметр деп атайды.Токтың жұмысын өлшеуге арналған құрал электр санауыш деп аталады.Электр санауышында ток жұмысының  1кВ·сағ=3,6·10⁶ Дж   екенін есептеу қиын емес.