Azotirovanie.ru

Инженерные системы и решения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как определяется теплота выделяющаяся проводником с током

Как определяется теплота выделяющаяся проводником с током

Войти

Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal

Сверхпроводимость

Чудо сверхпроводимости (авт. Валерий Старощук)

Немного теории

Уже первые опыты с электричеством показали, что серебро, медь и алюминий хорошо проводят электрический ток, а фарфор, стекло, резина и шелк его практически не проводят. Соответственно, из первых материалов люди стали делать проводники, а из вторых – изоляцию для проводов и защиту от поражения электрическим током. На фото вы видите современный сетевой двужильный провод. Каждая жила состоит из семи медных проволочек заключенных в пластиковую изоляцию. Учитывая, что провод работает при опасном напряжении 220В, две изолированные жилы покрыты еще одним общим слоем пластиковой изоляции.

01

Когда по проводнику проходит электрический ток, он разогревается. Это свойство используют в нагревательных приборах, таких как утюг, чайник, в электробатареях, а также в лампах накаливания. На фото вы видите вольфрамовую нить, которая так разогрелась под действием тока, что начала излучать свет.

02

Сейчас все чаще применяют энергосберегающие люминесцентные лампы, но и в них есть маленькая нить накала для излучения электронов.

Если по проводнику идет ток, он не только нагревается, но и создает вокруг себя магнитное поле. Это свойство первым заметил и описал в 1820 году датский ученый Ганс Христиан Эрстед. На фото вы видите, как под действием магнитного поля железные опилки выстраиваются вокруг медного проводника с током.

03

Магнитное поле тока используют в работе электродвигателя, генератора и электромагнита.

Итак, если по проводнику идет ток, то энергия источника тока превращается в тепловую и энергию электромагнитного поля. Иногда это нужно и полезно, а иногда просто вредно. Например, зачем нам нагревание и магнитное поле провода, которым мы подключили утюг к розетке? Греются также провода, по которым электрический ток от электростанции идет к нашим домам. Чтобы уменьшить эти потери энергии, сопротивление проводника стараются сделать как можно меньше.

Так как электрическое сопротивление образца сильно зависит от материала, из которого он сделан, температуры и геометрических размеров, решили измерять удельное сопротивление, то есть сопротивление образца из данного материала длиной 1м, площадью поперечного сечения 1мм 2 при 20 0 С. Например, удельное сопротивление меди равно r = 0,0125 Ом·мм 2 /м. Это значит, что если вы возьмете проводник из меди (Cu) длинной 1 м и площадью сечения 1мм 2 , то его сопротивление электрическому току будет 0,0125 Ом. Сопротивление дает возможность узнать, какой ток пройдет по проводнику для данного напряжения. Например, если напряжение на концах нашего образца будет равно 0,1В, то через него пойдет ток I = U/R= 0,1/0,0125 = 8A. Для наглядности представим электроны в виде бегущих синих человечков.

04

Тогда при токе 8А за одну секунду их забежит в проводник 5·10 19 (50 миллиард миллиардов!). Это почти в 70 миллиардов раз больше, чем людей на планете Земля. Обратите внимание, что выбежит из проводника их за секунду столько же. Договорились, что направление тока определяют по движению положительно заряженных частиц. Но в металлах ток проводят отрицательные электроны, поэтому направление тока показано противоположно скорости электронов. В проводнике находятся положительные ионы меди, с которыми наши электроны-человечки играются, хватая руками. Ведь между отрицательными электронами и положительными ионами существуют силы притяжения. Забрать ион с собой человечку-электрону не удастся, так как ионы намного тяжелее электронов и крепко связаны силами между собой в кристаллической решетке. А вот раскачать ионы нашим «человечкам» будет под силу. При этом электроны теряют свою скорость, а значит и энергию движения, а проводник соответственно нагревается.

История открытия

05

Голландский ученый Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes) (на фото справа) решил первым в мире достичь в своих экспериментах абсолютный ноль по шкале Кельвина (примерно минус 273 градуса по Цельсию). Как вы знаете, в природе не существует температуры ниже. Сорокалетний ученый, используя свои связи с голландскими промышленниками в 1893 году начинает строительство в Лейденском университете одной из лучших лабораторий в мире, которую оснастил самым современным оборудованием. Первый успех пришел 10 июля 1908 года, когда удалось получить жидкий гелий при 5К (это минус 268 градусов Цельсия!). Через 2 года напряженного труда они получают температуру 1К! И тут ученый понимает, что это предел, который можно достичь на данном оборудовании, поэтому принимается решение изменить направление научной работы. Теперь все силы были направлены на изучение физических свойств разных материалов при низких температурах. Естественно, один из пунктов программы включал измерение удельного электрического сопротивления материала. Многие ученые того времени высказывали предположение, что при очень низких температурах металлы должны стать диэлектриками. Якобы свободные электроны настолько замедлят свое движение, что «приклеятся» к ионам и не смогут переносить электричество. Но физика – наука, прежде всего экспериментальная! Опыты Хейке Камерлинг Оннеса показали, что у платины с понижением температуры сопротивление не растет, а падает, и после 4К остается постоянным. Ученый сделал предположение, что сопротивление должно стремиться к нулю, потому что ионы прекращают колебательное движение и «не мешают» двигаться свободным электронам. Понимая, что в платине есть малые примеси, он решил проверить ртуть, самый очищенный металл, который у него был.

8 апреля 1911 года группа Хейке Камерлинг Оннес, с ассистентами Корнелисом Дорсманом (Cornelis Dorsman) и Гиллесом Хольстом (Gilles Holst) проверяли работу нового криостастата (устройство для поддержания низких температур в данном объеме). Сначала думали только заправить жидким гелием, но потом установили газовый термометр и два образца из золота и ртути, чтобы измерить их удельное сопротивление. Измерив сопротивление металлов при 4,3К, решили уменьшить давление в криостате над гелием. Гелий начал быстро испаряться, и температура упала до 3К. Эксперимент длился уже 9 часов! При повторном измерении сопротивление ртути оказалось равным нулю! Так была открыта сверхпроводимость!

На фото вы видите историческую запись ученого, сделанную в тот день. В рамку взята голландская фраза Kwik nagenoeg nul — «Сопротивление ртути практически нулевое» (3 К). Следующее предложение Herhaald met goud означает «Повторено с золотом».

06

Критическая температура перехода ртути в сверхпроводящее состояние в тот день не была определена, да такой задачи и не ставилось. Ее выяснили в следующем эксперименте, проведенном 11 мая. Камерлинг-Оннес тогда пришел к выводу, что ртуть делается сверхпроводником при охлаждении до 4,2 К.

07

В дальнейшем открытия пошли одно за другим. В 1912 году открыли еще два сверхпроводника – свинец и олово. В 1914 понимают, что сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. В том же году проводят эффектный эксперимент со сверхпроводящим кольцом из свинца. В нем кратковременно индуцировали ток, а потом наблюдали его циркуляцию на протяжении нескольких часов без малейшего затухания. Само кольцо становится магнитом.

Читайте так же:
Тяговый электродвигатель постоянного тока для тепловоза

В 1919 году из Лейдена пришла весть, что сверхпроводниками становятся также таллий и уран.

Объяснение сверхпроводимости

Объяснить явление сверхпроводимости с точки зрения классической электродинамики невозможно. Только с развитием квантовой физики в 1957 году (спустя 46 лет после открытия!) три американских физика — Бардин, Купер и Шриффер, объяснили сверхпроводимость спариванием электронов, то есть образованием куперовских пар, которое осуществляется за счет обмена колебаниями кристаллической ячейки – фононами.

Чтобы понять, как образуются куперовские пары, рассмотрим очень упрощенную модель прохождения тока в сверхпроводнике.

Красными кружками обозначены положительные ионы кристаллической решетки.

08

Когда электрон А под действием электрического поля движется в пространстве решетки, он немного искривляет её. В результате концентрация положительных ионов за ним возрастает. Скопление положительных ионов притягивает отрицательный электрон В с силой F. В результате энергия, которую потратил электрон А на прохождение ионной кристаллической решетки, передается через колебания решетки электрону В. Получается, что электроны А и В связаны между собой через ионную решетку, образуют пару и вместе не тратят энергии при движении. Сопротивление току в этом случае равно нулю.

Применение сверхпроводников

Современная наука уже получила материалы, которые обладают сверхпроводимостью при 165К (минус 107 0 С). Если будут получены материалы обладающие сверхпроводимостью при комнатной температуре, это будет огромный скачок в развитии человечества. Ведь одну треть электроэнергии мы тратим во время её передачи от источника потребителю. Пока же сверхпроводники приходится охлаждать жидким азотом.

С другой стороны, без них уже трудно представить работу Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, и строительство термоядерного реактора ITER в Кадараше.

Сверхпроводимость характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. В результате образец, как видно на фото, зависает над магнитом.

09

На основе этого явления уже созданы поезда на магнитной подушке, которые могут разгоняться до скорости 500 км/ч.

10

Мощные магниты на сверхпроводниках используют в медицине при создании томографов, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Сканирование тканей человека позволяет врачам увидеть на экране компьютера срез внутренностей, не оперируя больного. Такой метод позволяет быстро поставить правильный диагноз, а значит быстрее вылечить пациента.

Современная квантовая теория сверхпроводимости принципиально не ограничивает значение температуры, при которой наблюдается этот эффект. Значит дело за созданием новых материалов и соединений, которые, возможно, в скором будущем откроете вы.

Тепловые явления. Часть 2

Работа и теплообмен (теплопередача) – два пути, изменяющих внутреннюю энергию. В преодолении этих путей внутренняя энергия изменяется или на величину совершенной работы А или на величину Q – количество переданной (может быть и отданной) теплоты.

(В седьмом классе было введена буква Δ для обозначения изменения какой-нибудь физической величины. Это использование прописной греческой буквы общепринято).

Пусть через ΔU обозначается изменение внутренней энергии. Тогда ΔU = U2 – U1. Здесь U2 – конечная, а U1 – начальная внутренняя энергия.

В зависимости от пути изменения ΔU можно определить следующими способами:

ΔU = А (если совершается работа) или ΔU = Q (если произошел теплообмен). Изменение ΔU может одновременно пройти двумя способами. И тогда для общего случая:

Согласно уравнению ΔU = Q + A,

Величина ΔU находится математическими расчетами. Результат вычислений бывает как отрицательной, так и положительной:

  • U2 ˃ U1, то есть энергия растет, тогда ΔU ˃ 0;
  • U2 ˂ U1, то есть энергия убывает, тогда ΔU˂ 0.

Слагаемые работа и количество теплоты в равенстве ΔU = Q + A так же могут обладать разными знаками:

  • работает внешняя сила, значит, А˃ 0;
  • работает само тело — А˂ 0;
  • тело получает тепло – Q ˃ 0;
  • тело отдает тепло – Q ˂ 0.

На примере это выглядит так.

Внимательно изучив уравнение ΔU = Q + A, можно заметить следующее: если систему рассматриваемых тел изолировать, то есть не выполнять работу, и не дать возможности обмена теплом с внешней средой, то внутренняя энергия тела не сможет изменяться. Это утверждение определяет закон сохранения внутренней энергии и означает, что тепловое движение постоянно.

Еще один важный вывод следует для двух тел, находящихся в изолированном состоянии. При плотном контакте этих тел, начинается процесс теплообмена, что будет продолжаться до той поры, пока температура не выровняется у обоих тел.

Тела изолированы, а значит, изменяется только их внутренняя энергия, причем на величину тепла (ΔU = Q). Тело холодное получило тепло, а теплое — это тепло отдало.

Почему в нем присутствует знак модуля? Дело в том, что получение тепла имеет положительное значение, а отдача тепла – отрицательное. Но модули этих чисел равны (модуль – это абсолютное числовое значение величины).

Что означает удельная теплоемкость?

Удельное княжество, удельные земли, удел, как судьба или участь, конечно же, не имеют никакого отношения к физике. Но все же они обозначают что-то отдельное, часть, долю. Вот и в случае с теплотой используется понятие удельной теплоемкости вещества, как величины, связанной с частью, а вернее, с единицей объема этого вещества.

Такой простой опыт можно провести в домашних условиях. В равные емкости налить молока и воды одной массы. Нагревать на одинаковых горелках. Термометром для жидкостей следить за температурой обоих веществ. Не пройдет и минуты, станет заметно, что молоко нагревается быстрее.

Это значит, что для нагрева воды до той же температуры, что и молоко, нужно тепла больше.

Величина, которая характеризует степень поглощения (или выделения) тепла веществом в физике называется удельной теплоемкостью. Чтобы выяснить, что она означает, надо взять единицу массы вещества (1 кг) нагреть его на 1 о С. То количество джоулей тепла, которое поглотится телом при этом и является удельной теплоемкостью данного вещества. Или наоборот, то количество тепла, которое выделится при охлаждении 1 кг вещества на 1 о С — это та же самая удельная теплоемкость. Обозначают эту величину буквой c.

Теперь объяснима разница в нагревании молока и воды. Удельные теплоемкости этих веществ различны: вода – 4200 Дж/кг∙ о С, молоко – 4020 (нежирное) и 3875 Дж/кг∙ о С (жирное). Это значит, что нагреть молоко легче, чем воду. Из веществ, приведенных в таблице, вода – самое теплоемкое вещество.

Стоит обратить внимание, что в разных агрегатных состояниях, удельная теплоемкость одного и того же вещества различна. Это зависит от того, что структура вещества в разных состояниях различна.

Какое количество тепла выделяется или поглощается?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо выяснить от чего зависит количество теплоты. Зависимость от рода вещества показана на примере нагревания молока и воды. Но этого недостаточно.

Нетрудно догадаться, что тепла понадобится больше, если нужно нагреть воду до горячего состояния, а не сделать ее только теплой. В процессе охлаждения тепла выделится больше от горячей воды, чем от теплой. А характеризует степень нагретости тела температура. Значит, чем больше разница в начальной и конечной температуре, тем большее количество тепла выделяется или поглощается телом.

Читайте так же:
Тепловое действие тока примеры из жизни

Разность температур – это Δt = tкон — tнач .

Теперь еще одна зависимость. Даже младший школьник мог наблюдать у себя на кухне, что целая кастрюля воды нагреваться будет намного дольше, чем половина кастрюли, если ее греть.

Это значит, количество тепла, потребляемого телом или выделяемого им, зависит от массы тела.

Получается прямая зависимость тепла от трех величин:

  • характеристики вещества (удельной теплоемкости);
  • величины, на которую изменится температура;
  • количественной характеристики тела (массы).

Следует обратить внимание на Δt. Если tкон ˃ tнач, разность температур положительна, значит тело нагревается, идет процесс потребления тепла. Если tкон ˂ tнач, разность температур отрицательна, тело охлаждается, происходит выделение тепла.

Термос. Сосуд Дьюара. Калориметр

Достаточно часто требуется остановить или задержать процесс остывания. В бытовых целях для этого используются термосы. Устройство их несложно. Главную роль здесь играет прослойка с низкой теплопроводностью между стенками двойного стеклянного (бывает и из другого вещества) сосуда.

Для сохранения повышенных или пониженных температур веществ в промышленности, медицине, ветеринарии, косметологии, лабораториях используют теплонепроницаемый сосуд, который носит название своего изобретателя – сосуд Дьюара.

Состоит сосуд из двух основных резервуаров, изготовленных из термостойкого алюминия. Меньший резервуар находится внутри большего и скреплен с ним небольшими прочными перемычками. Внешний резервуар покрыт защитным веществом, а внутренний очень хорошо отполирован. Сосуд закрыт непроводящей тепло пенопластиковой крышкой. Устройство сосуда Дьюара аналогично строению обычного бытового термоса, но термос – это упрощенный вариант дьюаровского изобретения.

Изначально сосуды Дьюара применялись для легко испаряющихся жидкостей. Теперь же эти сосуды используют для поддержания и сохранения свойств веществ при необходимых температурах. Чаще других в таких сосудах хранят жидкий азот, применение которого очень разнообразно:

  • удаление недоброкачественных и доброкачественных опухолей в медицине;
  • удаление бородавок и папиллом в косметологии;
  • транспортировка биоматериалов для искусственного оплодотворения животных в ветеринарии;
  • научные исследования в лабораториях;
  • достижение прочности металлов в машиностроении;
  • шоу, развлечения.

приготовление мороженого, заморозка сметаны или фруктов в кулинарии

Шоу Источник Заморозка фруктов Источник

При исследованиях в школе и проведении опытов вместо сосудов Дьюара и термосов используют более простой прибор, который называют калориметром

Такое приспособление не может исключить полную связь содержимого внутреннего сосуда с внешней средой. Чтобы потеря тепла во внешнюю среду была минимальной, нужно опыты проводить достаточно быстро.

Используя калориметр, в условиях учебного класса можно проверить справедливость уравнения теплового баланса. Для этого понадобится одинаковое количество (например, 50 г) холодной и горячей воды, калориметр и термометр.

Пусть в первом калориметре температура горячей воды 80 о С, а во втором — комнатная температура, равная 20 о С.

Нужно аккуратно холодную воду перелить в калориметр с горячей водой. Полученную смесь осторожно перемешать термометром (трубочку или ложку для смешивания брать не стоит, чтобы лишний раз не нарушать выбранную изолированную систему тел).

Начальные температуры воды и температуру смеси записать и использовать в дальнейших расчетах. Учитывая табличное значение удельной теплоемкости воды (4200 Дэ/кг о С), взятую массу (50 г = 0, 05 кг), вычисления будут следующими:

Конечно, такой результат может получиться лишь теоретически. В опыте с калориметром есть недостаток в том, что существует недостаточная изоляция системы рассматриваемых тел. Тепло горячей воды попадает во внешнюю среду, так как калориметр с горячей водой не закрыт. Нельзя забывать, что измерения проводятся с определенной долей погрешности.

Но суть проделанных набольших исследований понятна и подтверждает уравнение теплового баланса.

Где взять тепло?

Ответ прост. При сгорании топлива, виды которого разнообразны.

Отопительная ценность, например, каменного угля определяется количеством тепла, выделяющегося в процессе сгорания одного его килограмма.

Откуда в угле берется тепло? По одной из теорий топливные материалы, такие как уголь и торф, образовались из растений.

Некогда почти вся земля была покрыта растительностью, главным образом гигантскими лесными чащами. На месте сваленных бурей деревьев вырастали новые. С течением времени образовался толстый слой гниющего дерева. Некоторые пространства земного шара были опустошены буйными ураганами или сползающими ледниками. Пространства эти со временем покрыл ил, нанесенный волнами рек и морей. Или же землю засыпал песок пустынь. В таких условиях бревна, находящиеся под большим давлением и без доступа воздуха, образовали слой вещества, которое теперь называют каменным углем.

Долгое время тепло от сгорания топлива измерялось в калориях (1 кал) – это количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1 о С. Большая калория – килокалория (1 ккал) – количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 килограмма воды на 1 о С.

Сейчас вместо калорий и килокалорий используются Джоули и единицы, производные от 1 Джоуля.

Эта величина тепла называется удельной теплотой сгорания топлива и обозначается буквой q.

Например, табличное значение для природного газа, который сейчас очень широко применяется, q = 4,4 ∙ 10 7 Дж/кг означает: при сгорании 1 кг природного газа выделяется 4,4 ∙ 10 7 Джоулей тепла.

Если сгорает не один килограмм топлива, то полученное количество выделившегося тепла определяется формулой Q = qm.

Само тепло получается, как результат изменения опять же внутренней энергии сгорающего топлива. Горение происходит всегда с участием кислорода. При этом атомы кислорода, соединившись с атомами углерода (содержится и в древесном угле, и в каменном, и в нефти, и бензине), образуют продукт горения – это углекислый газ. Его молекулы обладают кинетической энергией большей, чем молекулы кислорода и углерода, отдельно взятые. Следовательно, внутренняя энергия становится больше и проявляется в виде выделения тепла.

Процесс увеличения энергии во время горения называют выделением энергии, то есть выделением тепла.

Чтобы можно было использовать тепло от сгоревшего топлива, человеком с давних пор применяются и простые, и сложные приспособления. Это костер, свеча, печь, газовая горелка, спиртовка, тепловые машины, двигатели.

На службе человека находятся и такие мощные преобразователи тепла, как тепловые электростанции.

Закон Ома

Электрическое сопротивление проводника не зависит от поданного на него напряжения.

Что такое электрическое сопротивление? Проще всего объяснить это по аналогии с водопроводной трубой. Представьте себе, что вода — некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение — аналог давления (напора) воды. Сопротивление — это та сила противодействия среды их движению, которую электронам или воде приходится преодолевать, в результате чего производится работа и выделяется теплота. Именно такая модель представлялась в 1820-е годы Георгу Ому, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях.

В водопроводной трубе всё обстоит так, что чем выше давление воды, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления в трубах, поскольку в них усиливается турбулентность потока. Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. И очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для отдельного участка цепи) записывается очень просто:

Читайте так же:
Тепловой ток транзистора это

где V — напряжение, приложенное к участку цепи, I — сила тока, а R — электрическое сопротивление участка цепи.

Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных электронов, а сопротивление — столкновением этих электронов с атомами кристаллической решетки (см. Электронная теория проводимости). При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому, который, в результате, начинает колебаться более интенсивно, и в результате мы наблюдаем нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока остается постоянным.

Однако, когда Георг Ом экспериментально открыл свой закон, атомная теория строения вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона оставалось несколько десятилетий. Таким образом, для него формула V = IR была чисто экспериментальным результатом. Сегодня мы имеем достаточно стройную и, одновременно, сложную теорию электропроводности и понимаем, что закон Ома в его первозданном виде — всего лишь грубое приближение. Однако это не мешает нам с успехом использовать его для расчета самых сложных электрических цепей, использующихся в промышленности и быту. Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом в честь этого выдающегося ученого.

Георг Симон ОМ

Немецкий физик. Родился в Эрлангене в 1789 году (по другим источникам — в 1787-м). Окончил местный университет. Преподавал математику и естественные науки. Признание в академических кругах получил достаточно поздно, лишь в 1849 году став профессором Мюнхенского университета, хотя уже в 1827 году опубликовал закон, который теперь носит его имя. Помимо электричества занимался акустикой и изучением человеческого слуха.

kent10000 alt=»|» />27.05.2005 alt=»|» />19:41 Ответить
Kiber-Kot >kent10000 |25.10.2006 |20:37 Ответить
sanyok9228 >kent10000 |27.10.2006 |17:57 Ответить
BTC alt=»|» />08.11.2005 alt=»|» />22:32 Ответить
ydm1 >BTC |14.07.2007 |06:28 Ответить
Power alt=»|» />28.01.2006 alt=»|» />11:15 Ответить
Dimon_vdl alt=»|» />11.06.2008 alt=»|» />22:07 Ответить

А нам в школе говорили что закон Ома звучит так:
"Сила электрического тока в проводнике прямо пропорциональна приложенной к его концам разности потенциалов (напряжению). Коэффициент пропорциональности есть проводимость — свойство характеризующее проводник. Величина, обратная проводимости, называется сопротивлением проводника электрическому току."

И еще нам говорили что "Говорить, что закон Ома это U=I*R — неправильно, т.к. это не закон , а просто уравнение. Ом не ходил и никому не говорил U=IR.". Нам наверно сильно голову морочили .

Metajamm alt=»|» />09.11.2008 alt=»|» />09:42 Ответить
xfv78 alt=»|» />26.01.2009 alt=»|» />18:30 Ответить

Урок физики в 9-м классе по теме:
‘Закон Ома’.
Цель урока: знакомство с законом Ома и применение его при решении задач. Развитие межпредметных связей между математикой и физикой.
Оборудование: вольтметр, амперметр, резистор, реостат, источник питания, соединительные провода.

План урока.
1. организационный момент. (подготовка класса к уроку).
2. проверка домашнего задания. Рассказать про резисторы.
3. выступление математика по темам: прямая пропорциональность, график, обратная пропорциональность, график.
Как нам уже давно известно, математика зародилась тысячи лет назад и создавалась для решения многочисленных практических задач, возникавших и в жизни каждого человека, и в жизни человеческих сообществ. Особый интерес для практики представляют формулы, то есть верные равенства, описывающие зависимости между величинами.
Зависимость между величинами бывают разные: 1) если две величины изменяются таким образом, что отношение соответствующих значений этих величин остается числом постоянным, то такие величины называются прямо пропорциональными. Пример: зависимость расстояния и времени равномерного движения является прямой пропорциональностью: s = υ*t.
Прямо пропорциональные величины можно охарактеризовать еще и так: с увеличением ( уменьшением) одной величины в несколько раз другая величина увеличивается ( уменьшается) во столько же раз.
2). Если две величины изменяются так, что произведение соответствующих значений этих величин остается числом постоянным, то такие величины называются обратно пропорциональными. Обратно пропорциональные величины можно охарактеризовать так: с увеличением ( уменьшением) одной величины в несколько раз другая величина уменьшается ( увеличивается) во столько же раз.
Мы с вами знаем график зависимости прямой пропорциональности y = x, обратной пропорциональности y=1/x. Давайте повторим их и поработаем по графикам.
Два ученика строят графики функций: y=6/x; y=12/x; y=24/x; y=36/x — первый.
y=x; y=2x; y=4x; y=5x- второй.
Остальные работают с учителем по карточкам:
Постройте формулу, описывающую зависимости между величинами. Какая это зависимость?
1) Лыжник идет со скоростью 6 км/ч какое расстояние он пройдет за 2,5 ч? за какое время он пройдет 27 км?
2) Килограмм картошки стоит 6 руб. Сколько надо заплатить за 2,5 кг картошки? Сколько картошки можно купить на 27 руб?
3) Через кран поступает в минуту 6 л воды. Сколько воды поступит через кран за 2,5 мин? За сколько времени через кран поступит 27 л воды?
4) Минутная стрелка поворачивается за 1 мин на угол 6°. На какой угол повернется она за 2,5 мин? За сколько времени повернется минутная стрелка на угол 27°?
На чертежах представлены графики( графики построенные двумя учениками). Определите по ним коэффициенты пропорциональности и их формулы. Как зависит расположение графика функции от коэффициента пропорциональности? Теперь полученные знания применим на уроке физики.

Работа класса с учителем физики.
4. вольт-амперная характеристика проводника.
a) Опыт выясняющий зависимость силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении: I

b) Опыт выясняющий зависимость силы тока от сопротивления при постоянном напряжении: I

1/R I=U/R.
Сила тока в участке цепи прямо пропорционально напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению.

5. короткое замыкание — соединение 2 точек электрической цепи, находящимся под напряжением, коротким проводником, обладающим очень малым сопротивлением.
6. решение задач . на рисунке изображены графики 1,2 зависимости I от U для 2 проводников. Какой из этих проводников обладает большим сопротивлением?
I,А

U,В
7. домашнее задание 12 ?45,47,50.
8. закрепление 1. как изменится сила тока на участке цепи, если при неизменном сопротивлении увеличить напряжение на его концах?
2. как изменится сила тока на участке цепи, если при неизменном напряжении увеличить сопротивление участка цепи?
3. по какой формуле находится напряжение, если известны сила тока и сопротивление данного участка.
4. что называют коротким замыканием? Почему при этом увеличивается сила тока?

Условия существования электрического тока в металлах

Электрический ток в металлах — это упорядоченное (направленное) движение электронов под действием электрического поля.

Особенность металлических проводников состоит в том, что заряд электричества переносят свободные электроны. Они перемещаются в одном направлении под влиянием внешнего электрического поля, создавая электрический ток.

Природа электрической проводимости у металлов обусловлена наличием кристаллической решётки, в узлах которой расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны. Свободные электроны не связаны с ядрами своих атомов. Отрицательный заряд всех свободных электронов по модулю равен положительному заряду всех ионов решетки, таким образом проводник считается электрически нейтральным.

Читайте так же:
Сила тока генератора тепловоза

Кто открыл, опыт Мандельштама и Папалекси

Первые опыты по изучению электрической проводимости металлов провел немецкий ученый Карл Виктор Эдуард Рикке в 1901 году. Суть эксперимента сводилась к следующему. Три отполированных цилиндра плотно прижали друг к другу, расположив в таком порядке: медь–алюминий–медь. В течение года через них пропускали ток в одном и том же направлении.

Суммарный заряд, прошедший через этот проводник за все время составил более 3,5 МКл. После завершения опыта цилиндры взвесили и выяснилось, что их массы не изменились. Это исследование стало доказательством того, что прохождение тока в металлах не связано с химическими процессами и переносом вещества, а заряд создается частицами, которые имеются у всех металлов, т.е. электронами.

Опыты по изучению электропроводимости в 1916 году продолжили русские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Они задались целью узнать, имеется ли масса у электрона. Если электрон обладает массой, то должен подчиняться законам механики, в том числе, закону инерции. К примеру, если движущийся проводник резко остановить, то электроны еще какое-то время будут двигаться в том же направлении по инерции.

Была собрана следующая установка: катушка на стержне со скользящими контактами, которые присоединены к гальванометру. Катушка вращалась с большой скоростью, затем резко останавливалась, при этом фиксировали отклонение стрелки гальванометра. В ходе эксперимента ученые установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли, опыт был только качественным.

Спустя три года физики Р. Толмен и Б. Стюарт предложили свой вариант подобного эксперимента, что позволило произвести количественные измерения. Им удалось вычислить массу электрона. Для этого они измерили заряд на выходах катушки, образующийся при торможении. После внезапной остановки катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов.

С помощью баллистического гальванометра ученые измерили суммарный заряд, проходящий по цепи, и вычислили отношение заряда одной частицы к ее массе — q / m . Оно оказалось близким по значению к отношению e / m для электрона = 1 , 8 × 1011 К л / к г , которое на тот момент уже было известно.

Какие частицы его создают, скорость распространения тока

Хорошая электропроводность металлов обусловлена высокой концентрацией свободных электронов. Каждый атом металла, находящийся в узле кристаллической решетки, имеет один или несколько валентных (свободных) электронов. Валентные электроны находятся на внешней электронной оболочке и слабо связаны с ядром, поэтому атом легко с ними расстается.

Они совершают тепловое движение в различных направлениях по всему кристаллу. Положительные ионы остаются в узлах кристаллической решетки, а пространство между ними заполняется свободными электронами или так называемым электронным газом.

Если металлический проводник присоединить к источнику тока и замкнуть цепь, валентные электроны продолжают совершать хаотическое движение, но под действием возникшего внешнего электрического поля они также начинают перемещаться в одном направлении. Это упорядоченное течение электронного газа, совмещенное с тепловым движением электронов, и есть электрический ток в металле.

Скорость упорядоченного движения (дрейфовая скорость) любого электрона в проводнике не превышает 1 мм/с.

Скорость распространения электрического тока близка к скорости света в вакууме (300 000 км/с).

Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника.

Закон Ома и Джоуля-Ленца, формулы

Классическая электронная теория металлов берет за основу, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. При этом не учитывают взаимодействие электронов между собой. Предполагается также, что при каждом столкновении с положительными ионами электрон передает решетке всю полученную в электрическом поле энергию, а затем начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.

Несмотря на эти особенности, законы электрического тока в металлических проводниках — Ома и Джоуля–Ленца — находятся в рамках классической электронной теорией.

Закон Ома

В 1827 году немецкий физик Георг Ом установил, что связь таких физических характеристик, как сила тока, напряжение и сопротивление определяется следующей зависимостью: для определенного участка цепи сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R.

Закон Джоуля–Ленца

Так как проводник нагревается при протекании по нему электрического тока, то выделяется теплота. В 1841–1842 годах сразу два ученых независимо друг от друга Дж. Джоуль (Англия) и Э. Х. Ленц (Россия) экспериментально доказали, что количество выделяющейся теплоты Q прямо пропорционально квадрату тока I2, сопротивлению проводника R и времени t, в течение которого ток протекал по проводнику.

Q=I2Rt.

Проводник нагревается за счет работы сил электрического поля над носителями заряда. Эта работа A также равна Q: A=Q=I2Rt.

Применив закон Ома для участка однородной цепи и определение силы тока, можно получить следующие варианты формулы:

Удельная теплота плавления

Рассматривая график плавления и отвердевания льда в прошлом уроке, мы выяснили, что во время процесса плавления температура льда не меняется. Температура продолжит расти только тогда, когда лед полностью перейдет в жидкость. То же самое мы наблюдали и при кристаллизации воды.

Но, когда лёд плавится, он все равно получает энергию. Ведь во время плавления мы не выключаем горелку – лёд получает какое-то количество теплоты от сгорающего в спиртовке (или другом нагревателе) топлива. Куда уходит эта энергия? Вы уже знаете закон сохранения энергии – энергия не может исчезнуть.

В данном уроке мы подробно рассмотрим, что происходит во время процесса плавления, как изменяется энергия и температура. Это позволит нам перейти к новому определению – удельной теплоте плавления.

Изменение внутренней энергии и температуры при плавлении

Так на что же уходит энергия, которую мы сообщаем телу, при плавлении?

Вы знаете, что в кристаллических твердых телах атомы (или молекулы) расположены в строгом порядке (рисунок 1). Они не двигаются так активно, как в газах или жидкостях. Тем не менее, они также находятся в тепловом движении – колеблются.

Взгляните еще раз на график плавления и отвердевания льда (рисунок 2).

Нагревание льда идет на участке AB. В это время увеличивается средняя скорость движения его молекул. Значит, возрастает и их средняя кинетическая энергия и температура. Размах колебаний атомов (или молекул) увеличивается.

Так происходит то того момента, пока нагреваемое тело не достигнет температуры плавления.

При температуре плавления нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах.

Так вещество начинает переход из твердого состояния в жидкое.

Значит, энергия, которую получает тело после достижения температуры плавления, расходуется на разрушение кристаллической решетки. Поэтому температура тела не повышается – участок графика BC.

Читайте так же:
Сила тока формулы через количество теплоты

Изменение внутренней энергии и температуры при отвердевании

При отвердевании происходит обратное.

Средняя скорость движения молекул и их средняя кинетическая энергия в жидкости (расплавленном веществе) уменьшается при охлаждении. Этому соответствует участок графика DE на рисунке 2.

Теперь силы притяжения между молекулами могут удерживать их друг около друга. Расположение частиц становится упорядоченным – образуется кристалл (участок графика EF).

Куда расходуется энергия, которая выделяется при кристаллизации? Температура тела остается постоянной во время этого процесса. Значит, энергия расходуется на поддержание этой температуры, пока тело полностью не отвердеет.

Теперь мы можем сказать, что

При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.

Эта избыточная энергия выделяется при кристаллизации и поддерживает температуру тела на одном уровне во время всего процесса отвердевания.

Удельная теплота плавления

Опытным путем доказано, что для превращения твердых кристаллических тел одинаковой массы в жидкость необходимо разное количество теплоты. Тела при этом рассматриваются при их температурах плавления.

Удельная теплота плавления – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1 space кг$, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние.

  • обозначается буквой $lambda$
  • единица измерения – $1 frac<Дж><кг>$

Удельная теплота плавления некоторых веществ

В таблице 1 представлены экспериментально полученные величины удельной теплоты плавления для некоторых веществ.

Вещество$lambda, frac<Дж><кг>$Вещество$lambda, frac<Дж><кг>$
Алюминий$8.9 cdot 10^5$Сталь$0.84 cdot 10^5$
Лёд$3.4 cdot 10^5$Золото$0.67 cdot 10^5$
Железо$2.7 cdot 10^5$Водород$0.59 cdot 10^5$
Медь$2.1 cdot 10^5$Олово$0.59 cdot 10^5$
Парафин$1.5 cdot 10^5$Свинец$0.25 cdot 10^5$
Спирт$1.1 cdot 10^5$Кислород$0.14 cdot 10^5$
Серебро$0.87 cdot 10^5$Ртуть$0.12 cdot 10^5$

Таблица 1. Удельная теплота плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)

Удельная теплота плавления золота составляет $0.67 cdot 10^5 frac<Дж><кг>$. Что это означает?

Для того, чтобы расплавить кусок золота массой $1 space кг$, взятого при температуре $1064 degree C$ (температура плавления золота), до жидкого состояния, нам потребуется затратить $0.67 cdot 10^5 space Дж$ энергии.

Опытным путём доказано, что

при отвердевании кристаллического вещества выделяется точно такое же количество теплоты, которое поглощается при его плавлении.

То есть, при кристаллизации расплавленного золота массой $1 space кг$ выделится $0.67 cdot 10^5 space Дж$ энергии.

Расчет количества теплоты, необходимого для плавления или отвердевания вещества

Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для плавления кристаллического тела массой $m$, взятого при его температуре плавления и нормальном атмосферном давлении, нужно удельную теплоту плавления $lambda$ умножить на массу тела $m$:
$Q = lambda m$.

Мы можем выразить из этой формулы массу $m$ и удельную теплоту плавления $lambda$:

Количество теплоты, которое выделится при отвердевании, рассчитывается по этой же формуле. Но при этом необходимо помнить, что внутренняя энергия тела будет уменьшаться.

Примеры задач

  1. В кастрюлю положили лёд массой $2 space кг$. Его температура была равна $0 degree C$. Рассчитайте количество энергии, которое понадобилось, чтобы полностью растопить лёд и превратить его в кипяток с температурой $100 degree C$. Количество теплоты, затраченное на нагревание кастрюли не учитывать.
    Рассчитайте количество энергии, которое понадобится для превращения в кипяток ледяной воде той же массы и температуры, что и лёд.

Для расчёта нам понадобится значение удельный теплоемкости воды $c$, которое можно посмотреть в таблице.

Дано:
$m = 2 space кг$
$t_1 = 0 degree C$
$t_2 = 100 degree C$
$lambda = 3.4 cdot 10^5 frac<Дж><кг>$
$с = 4.2 cdot 10^3 frac<Дж><кг cdot degree C>$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Чтобы рассчитать количество теплоты, которое понадобиться, чтобы превратить лёд в кипящую воду, нам понадобиться сначала его расплавить. Количество теплоты $Q_1$, затраченное на плавление льда, рассчитаем по формуле $Q_1 = lambda m$.
$Q_1 = 3.4 cdot 10^5 frac<Дж> <кг>cdot 2 space кг = 6.8 cdot 10^5 space Дж$

Теперь у нас есть вода с температурой $0 degree C$. Для расчёта количества теплоты $Q_2$, необходимого для нагревания воды используем формулу $Q_2 = cm(t_2 – t_1)$.
$Q_2 = 4.2 cdot 10^3 frac<Дж> <кг cdot degree C>cdot 2 space кг cdot (100 degree C – 0 degree C) = 8.4 cdot 10^3 frac<Дж> <кг>cdot 100 degree C = 8.4 cdot 10^5 space Дж$.

Тогда, для превращения куска льда в кипяток нам потребуется количество теплоты:
$Q = Q_1 + Q_2 = 6.8 cdot 10^5 space Дж + 8.4 cdot 10^5 space Дж = 15.2 cdot 10^5 space Дж$.

Если теперь мы возьмем вместо льда воду при $0 degree C$, то для ее превращения в кипяток, нужно просто ее нагреть. Это количество теплоты мы уже рассчитали:
$Q_2 = 8.4 cdot 10^5 space Дж$.

Ответ: $Q = 15.2 cdot 10^5 space Дж$, $Q_2 = 8.4 cdot 10^5 space Дж$.

  1. Сколько энергии потребуется для того, чтобы расплавить железо массой $10 space кг$ с начальной температурой $29 degree C$?
    Удельная теплоемкость железа – $460 frac<Дж><кг cdot degree C>$, температура плавления – $1539 degree C$.

Дано:
$m = 10 space кг$
$t_1 = 29 degree C$
$t_2 = 1539 degree C$
$c = 460 frac<Дж><кг cdot degree C>$
$lambda = 2.7 cdot 10^5 frac<Дж><кг>$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Чтобы рассчитать общее затраченное количество теплоты $Q = Q_1 + Q_2$, нужно рассчитать отдельно количество теплоты $Q_1$, затраченное на нагревание железа до температуры плавления, и количество теплоты $Q_2$, затраченное на его плавление.

$Q_1 = cm(t_2 – t_1)$.
$Q_1 = 460 frac<Дж> <кг cdot degree C>cdot 10 space кг cdot (1539 degree C – 19 degree C) = 4600 frac<Дж> cdot 1510 degree C = 6 space 946 space 000 space Дж approx 69 cdot 10^5 space Дж$.

$Q_2 = lambda m$.
$Q_2 = 2.7 cdot 10^5 frac<Дж> <кг>cdot 10 space кг = 27 cdot 10^5 space Дж$.

$Q = Q_1 + Q_2 = 69 cdot 10^5 space Дж + 27 cdot 10^5 space Дж = 96 cdot 10^5 space Дж$.

Ответ: $Q = 96 cdot 10^5 space Дж$.

  1. На заводе охлаждают стальную деталь от $800 degree C$ до $0 degree C$. При этом она растопила лёд массой $3 space кг$, взятый при $0 degree C$. Определите массу детали, если вся выделенная ей энергия пошла на растопку льда.
    Удельная теплоемкость стали – $500 frac<Дж><кг cdot degree C>$.

Дано:
$m_1 = 3 space кг$
$lambda_1 = 3.4 cdot 10^5 frac<Дж><кг>$
$c_2 = 500 frac<Дж><кг cdot degree C>$
$t_1 = 800 degree C$
$t_2 = 0 degree C$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

При плавлении лёд поглотит количество теплоты $Q_1 = lambda_1 m_1$.

При охлаждении стальная деталь выделит количество теплоты $Q_2 = c_2m_2(t_2 – t_1)$.

По закону сохранения энергии эти энергии будут равны:
$Q_1 = Q_2$.
Т.е., $lambda_1 m_1 = c_2m_2(t_2 – t_1)$.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector