Закон Джоуля — Ленца в 8 классе объясняет, почему провода и спирали нагреваются от тока: выделяемая теплота равна Q = I²Rt. Вместе с формулами работы A = UIt и мощности P = UI он составляет основу темы «Работа и мощность тока». Ниже: что значит каждая формула, как переводить киловатт-часы и как решить задачу про электроприбор.
Суть простыми словами
Электрический ток несёт энергию, как река несёт лодки. Приборы её тратят: лампа светит, чайник кипятит воду, мотор вращает вал. Вопрос «сколько энергии потратили» — это вопрос о работе тока, а «как быстро тратят» — о мощности.
Работа тока — энергия, которую ток передал прибору: A = U · I · t. U — напряжение (В), I — сила тока (А), t — время (с). Единица работы — джоуль (Дж). В быту используют киловатт-час (кВт·ч): 1 кВт·ч = 3 600 000 Дж. Именно по нему считает счётчик электроэнергии.
Мощность тока — работа за единицу времени: P = A / t = U · I. Единица — ватт (Вт); 1 Вт = 1 Дж/с. Чайник на 2000 Вт тратит 2000 Дж каждую секунду.
Закон Джоуля — Ленца. Проводник с током нагревается, и выделившаяся в нём теплота равна Q = I² · R · t. В спирали чайника или обогревателя вся работа тока уходит в тепло, тогда Q = A. Чем больше сила тока и сопротивление, тем сильнее нагрев. Квадрат силы тока означает: ток вдвое больше даёт нагрев вчетверо больше. Поэтому тонкий провод с большим током может раскалиться, и поэтому ставят предохранители.
Эти формулы связаны законом Ома (U = I·R), поэтому одну и ту же мощность можно записать как P = I²R или P = U²/R. Выбирай ту форму, для которой есть данные.
Разобранная задача. Лампа включена в сеть 220 В, сила тока в ней 0,5 А. Найти мощность и работу тока за 1 час. P = U·I = 220 · 0,5 = 110 Вт. За час t = 3600 с: A = P·t = 110 · 3600 = 396 000 Дж ≈ 396 кДж. В киловатт-часах: 0,11 кВт · 1 ч = 0,11 кВт·ч. Ответ: 110 Вт; 396 кДж (0,11 кВт·ч).
Где встречается на экзамене
Закон Джоуля — Ленца и формулы A = UIt, P = UI прямо указаны в кодификаторе ОГЭ 2027 («Работа и мощность электрического тока», «Закон Джоуля — Ленца»). В демо задания 22 спираль сопротивлением 2 Ом при 12 В греет воду в калориметре 5 минут, и энергия считается как U²t/R = 12²·300/2 = 21 600 Дж. В демо задания 13 к холодильнику подключают мясорубку. Приборы в розетках соединены параллельно, поэтому общее сопротивление уменьшается, а общая мощность растёт, ответ 21. Измерение мощности и работы тока входит в опыты комплекта № 3, на котором собирают лабораторное задание 17. Мощность может понадобиться и в базовом расчётном задании 9 по электромагнитным явлениям. Счётчик электрической энергии кодификатор называет среди технических устройств.
Где ошибаются
- Не переводят время в секунды. Минуты и часы нужно превратить в секунды: в демо 5 минут — это 300 с.
- Отвечают ваттами на вопрос «сколько энергии». «Лампа на 60 Вт» говорит, как быстро она тратит энергию, а не сколько потратит: за минуту это 3600 Дж, за час — 216 000 Дж.
- Забывают про квадрат. В Q = I²Rt ток возводят в квадрат; если подставить I вместо I², ответ не сойдётся.
- Берут не ту форму для P. Если известны U и R, не гоняйся за I: P = U²/R.
- Теряют киловатт-часы. 1 кВт·ч — это 3,6 миллиона джоулей, а не 1000.
Шпаргалка за 30 секунд
U, I, t
- Что найти
- работа тока
- Формула
- A = UIt
U, I
- Что найти
- мощность
- Формула
- P = UI
I, R, t
- Что найти
- теплота в проводнике
- Формула
- Q = I²Rt
U, R, t
- Что найти
- теплота при постоянном U
- Формула
- Q = U²t/R
мощность прибора и время
- Что найти
- расход по счётчику
- Формула
- кВт × ч = кВт·ч
Следующий шаг: собери цепь и измерь ток и напряжение в тренажёре «Электрические цепи» — по этим двум числам мощность считается за секунду. Потом разберись, как подбирать провода, в теме сопротивление проводника. Счётчики, чайники и лампы ждут тебя в главе про ток сборника задач по физике 8 класса. Задачу, где ток греет воду, как в №22, разберём по шагам на пробном занятии по физике.