Azotirovanie.ru

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

Как зависит количество теплоты выделяемой проводником от силы тока

Как зависит количество теплоты выделяемой проводником от силы тока

§3. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводники

С увеличением температуры сопротивление проводника возрастает по линейному закону

где R — сопротивление при t =0° С; R — сопротивление при температуре t , α — термический коэффициент сопротивления, показывает как меняется сопротивление проводника при изменении температуры на 1 градус. Для чистых металлов при не очень низких температурах Термический коэффициент сопротивления для чистых металлов, т.е. можно записать

При определенных температурах (0,14-20 К), называемых «критическими» сопротивление проводника резко уменьшается до 0 и металл переходит в сверхпроводящее состояние. Впервые в 1911 г. Это обнаружил Камерлинг-Оннес для ртути. В 1987 г. разработаны керамики, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах превышающих 100 К, так называемые высокотемпературные сверхпроводники — ВТСП.

§4 Элементарная классическая теория электропроводности металлов

Описание: C:UsersAPAppDataLocalTempFineReader11mediaimage2.jpegНосителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Наличие свободных электронов объясняется тем, что при образовании кристаллической решетки металла при сближении изолированных атомов валентные электроны, слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атома металла, становятся "свободными", обобществленными, принадлежащими не отдельному атому, а всему веществу, и могут перемещаться по всему объему. В классической электронной теории эти электроны рассматриваются как электронный газ, обладающий свойствами одноатомного идеального газа.

Электроны проводимости в отсутствии электрического поля внутри металла хаотически двигаются и сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может, привести к возникновению тока. Средняя скорость теплового движения электронов

при Т = 300 К.

2. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Выразим силу и плотность тока через скорость v упорядоченного движения электронов в проводнике.

Описание: C:UsersAPAppDataLocalTempFineReader11mediaimage3.jpegЗа время dt через поперечное сечение S проводника пройдет N электронов

, ;

следовательно, даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов , обуславливавшего электрический ток, значительно меньше их скорости теплового движения .

3. Электрический ток в цепи устанавливается за время , где L

длина цепи, с = 3·10 8 м/с — скорость света в вакууме. Электрический ток возникает в цепи практически одновременно с ее замыканием.

4. Средняя длина свободного пробега электронов λ по порядку величины должна быть равна периоду кристаллической решетки металла λ ≈ 10 -10 м.

5. С ростов температуры увеличивается амплитуда колебаний ионов кристаллической решетки и электрон чаше сталкивается с колеблющимися ионами, поэтому его длина свободного пробега уменьшается, а сопротивление металла растет,

Недостатки классической теории электропроводности металлов:

1. (1)

т.к.

, n и λ ≠ f ( T ) ρ

,

т.е. из классической теории электропроводности следует, что удельное сопротивление пропорционально корню квадратному из температуры, а из опыта следует, что оно линейно зависит от температуры, ρ

2. Дает неправильное значение молярной теплоемкости металлов. Согласно закону Дюлонга и Пти Сμ = 3 R , а по классической теории С = 9 / 2 R = С μ ионной решетки = 3 R + С μ дноатомного электронного газа = 3/2 R .

3. Средняя длина свободного пробега электронов из формулы (1) при подстановке экспериментального значения ρ и теоретического значения дает 10 -8 , что на два порядка больше средней длины пробега принимаемой в теории (10 -10 ).

§5. Работа и мощность тока. Закон Джоуля -Ленца

Т.к. заряд переносится в проводнике под действием электростатического поля, то его работа равна

МОЩНОСТЬ — работа, совершаемая в единицу времени

Если ток проходит по неподвижному проводнику, то вся работа тока идет на нагревание металлического проводника, и по закону сохранения энергии

Читайте так же:
Как соединить провода теплого пола между собой

УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ тока называется количество теплоты, выделенное в единице объема, проводника за единицу времени.

— Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

§5 Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Любая точка разветвленной цепи, в которой сходится не менее трех проводников, с током называется УЗЛОМ. При этом ток, входящий в узел, считается положительным, а выходящий — отрицательный,

ПЕРВОЕ ПРАВИЛО КИРХГОФА: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.

Первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения заряда (заряд, вошедший в узел, равен вышедшему заряду).

ВТОРОЕ ПРАВИЛО КИРХГОФА: в любом замкнутом контуре произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС. встречающихся в контуре.

При расчете сложных цепей пстоянного тока с применением правил Кирхгофа необходимо:

  1. Выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи; действительное направление токов определится при решении задачи; если искомый ток получился положительным, то направление выбрано правильно, если отрицательным, то его истинное направление противоположно выбранному.
  2. Выбрать направление обхода контура. Произведение положительно, если ток на данном участке совпадает с направлением обхода, и наоборот. ЭДС положительны, если они создают ток направленный в сторону обхода контура, против — отрицательны.
  3. Записывается первое правило для N -1 узла.
  4. Записать второе правило Кирхгофа для замкнутых контуров, которые могут быть выделены в цепи. Каждый рассматриваемый контур должен содержать хотя бы один элемент, не содержащийся в предыдущих контурах.

Число независимых уравнений, составленных в соответствии с первым и вторым правилом Кирхгофа, оказывается равным числу различных токов, текущих в разветвленной цепи. Поэтому, если заданы ЭДС и сопротивления для всех неразветвленных участков, то могут быть вычислены все токи.

Как зависит теплота выделяющая в проводнике от силы тока?

Как зависит теплота выделяющая в проводнике от силы тока.

Закон джоуля — ленца Q = I²Rt.

. Во сколько раз изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, если силу тока в проводнике увеличить в 2 раза?

. Во сколько раз изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, если силу тока в проводнике увеличить в 2 раза?

Если увеличить в два раза силу тока в цепи, а время прохождения тока по проводнику уменьшить в два раза, то колличество теплоты, выделяемая проводником?

Если увеличить в два раза силу тока в цепи, а время прохождения тока по проводнику уменьшить в два раза, то колличество теплоты, выделяемая проводником.

Как найти количество теплоты , выделяемое выделяемое в проводнике прохождение электрического тока?

Как найти количество теплоты , выделяемое выделяемое в проводнике прохождение электрического тока!

Как изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, если при той же силе тока напряжение на проводнике уменьшить в 2 раза?

Как изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, если при той же силе тока напряжение на проводнике уменьшить в 2 раза?

Напишите ответ с объяснением пожалуйста((.

Определить количество теплоты , выделяемое в проводнике за 3 мин , если сила тока в цепи 5 А , напряжение на концах проводника 200 В?

Определить количество теплоты , выделяемое в проводнике за 3 мин , если сила тока в цепи 5 А , напряжение на концах проводника 200 В.

Вычислите количество теплоты, выделяемое проводником сопротивлением 100 Ом за 10 минут за силы тока в проводнике 10 А?

Вычислите количество теплоты, выделяемое проводником сопротивлением 100 Ом за 10 минут за силы тока в проводнике 10 А.

Читайте так же:
Выделившееся теплота постоянный ток

Какая сила тока в проводники зависит от его сопротевления?

Какая сила тока в проводники зависит от его сопротевления.

Если силу тока в проводнике уменьшить в 2 раза, то количество теплоты, выделяемое проводником с током?

Если силу тока в проводнике уменьшить в 2 раза, то количество теплоты, выделяемое проводником с током.

Опишите, как зависит действующая на проводник сила Ампера от силы тока в этом проводнике?

Опишите, как зависит действующая на проводник сила Ампера от силы тока в этом проводнике.

Через проводник с сопровождением 20 Ом проходит сила тока 5 А какое количество теплоты выделяется в проводнике за 10 минут?

Через проводник с сопровождением 20 Ом проходит сила тока 5 А какое количество теплоты выделяется в проводнике за 10 минут?

На этой странице находится вопрос Как зависит теплота выделяющая в проводнике от силы тока?, относящийся к категории Физика. По уровню сложности данный вопрос соответствует знаниям учащихся 1 — 4 классов. Здесь вы найдете правильный ответ, сможете обсудить и сверить свой вариант ответа с мнениями пользователями сайта. С помощью автоматического поиска на этой же странице можно найти похожие вопросы и ответы на них в категории Физика. Если ответы вызывают сомнение, сформулируйте вопрос иначе. Для этого нажмите кнопку вверху.

L(длинна) = 20м p(уд. Сопрот) = 1, 1 Ом·мм² / м s(сечение) = 0, 1мм² R = p * (l / s) = 1, 1 * (20 / 0, 1) = 220 Ом. U = I * R = 1, 6 * 220 = 352 B P = U * I = 352 * 1, 6 = 563, 2 Bт (ток при соединении плиток не изменится) (сопротивление увеличится..

Правило правой рукиЕсли расположить большой палец правой руки по направлению тока, то направление обхвата проводника четырьмя пальцами покажет направлениелиний магнитной индукции.

P = W / t (W — работа эл. Тока) t = 120c W = P * t = U * I * t = 6 * 0. 6 * 120 = 432Дж.

как зависит теплота выделяющаяся в проводнике от силы тока

кВт? Как далеко он смог бы уплыть при средней скорости 50 км/ ч.?

Читайте также

охлаждении железной заклепки массой

100 г на 900 0С?

Какое количество теплоты выделится при полном сгорании 400 г спирта? Какое количество теплоты воды можно нагреть от 15 0С до кипения, затратив 714

Какое количество теплоты потребуется для нагревания 200 г спирта от 18 0С до 48

0С в стеклянной колбе массой 50 г?

Сколько надо сжечь керосина, чтобы вскипятить 22 кг воды, взятой при 20 0С?

Считать, что вся теплота, полученная при сгорании керосина, пойдет на нагревание воды.

Сколько нужно влить холодной воды при температуре 10 0С в 50 кг кипятка для

получения смеси с температурой 45 0С?

Для определения удельной теплоемкости вещества испытуемое тело массой 150 г и

нагретое до 100 0С опустили в латунный калориметр массой 120 г, в котором находилось 200 г воды при температуре 16 0С. После этого температура воды в калориметре стала 22 0С. Определить удельную теплоемкость вещества.

Какое количество дров потребуется, чтобы вскипятить 50 кг воды, имеющей

температуру 10 0С, если КПД кипятильника 25%?

Б*. Смешали 20 кг воды при температуре 90 0С и 150 кг воды при 23 0С. 15 % тепла, отданного горячей водой, пошло на нагревание окружающей среды. Определить конечную температуру воды.

в) I = U R; г) I = U/R.

11. Напряжение в цепи уменьшится, если:
а) сила тока увеличится;
б) сила тока уменьшится;
в) сопротивление уменьшится;
г) напряжение изменить невозможно.

Электрический самовар потребляет силу тока 10 А. Какое количество теплоты выделится из его спирали за 0,5 часа, если он включен в цепь напряжением 220 В?

Читайте так же:
Количество теплоты выделяемое проводником с током решение задач

а) 110 000 Дж; б) 22 000 Дж;

в) 3 960 000 Дж; г) 396 000 Дж.

Как изменится количество теплоты, выделившееся из проводника, если силу тока уменьшить в 3 раза?

а) увеличится в 3 раза;

б) уменьшится в 3 раза;

в) уменьшится в 9 раз;

г) увеличится в 9 раз.

А первый;
Б второй;
В третий.

2)На рисунке изображена модель…лития .

А атома;
Б иона;
В ядра.

3)Исследуя зависимость силы тока от напряжения на концах резистора, ученик получил изображенный на рисунке график. По этому графику он рассчитал значение сопротивления резистора, которое оказалось равным…

А 0,5 Ом;
Б 1 Ом;
В 1,5 Ом;
Г 2 Ом.

4)Какие из перечисленных ниже явлений служат примером магнитного действия тока?

А Накаливание спирали в электрических лампах под действием тока.
Б Взаимное притяжение проводников с током.
В Получение при помощи электрического тока из руд алюминия, меди.

5)Какое из устройств используют для плавного регулирования силы тока?

А ключ;
Б предохранитель;
В реостат.

пройдёт через его спираль за 10 минут?

3)Какое сопротивление имеет медный провод, если при силе тока 20 А напряжение на его концах равно 5 В?

4)Определите напряжение на концах проводника, если сопротивление его равно 1,5 Ом, а сила тока, питающего цепь, равна 3А.?

5)Определите силу тока в цепи при напряжении 22,5 В, если сопротивление проводника 5 Ом.?

2. Найдите количество теплоты, выделяемое в проводнике сопротивлением 20кОм за 2 мин, если сила тока в нём 2А.
3. Выразите в джоулях работу тока 2 МВт-ч.
4. Как и во сколько раз отличается мощность тока, в первом и втором проводнике? R1=200 Ом, R2=50 Ом.

Закон Джоуля-Ленца: определение, формулы

Мы ежедневно пользуемся электронагревательными приборами, не задумываясь, откуда берётся тепло. Разумеется, вы знаете, что тепловую энергию вырабатывает электричество. Но как это происходит, а тем более, как оценить количество выделяемого тепла, знают не все. На данный вопрос отвечает закон Джоуля-Ленца, обнародованный в позапрошлом столетии.

В 1841 году усилия английского физика Джоуля, а в 1842 г. исследования русского учёного Ленца увенчались открытием закона, применение которого позволяет количественно оценить результаты теплового действия электрического тока [ 1 ]. С тех пор изобретено множество приборов, в основе которых лежит тепловое действие тока. Некоторые из них, изображены на рис. 1.

Тепловые приборы

Рис. 1. Тепловые приборы

Определение и формула

Тепловой закон можно сформулировать и записать в следующей редакции: «Количество тепла, выработанного током, прямо пропорционально квадрату приложенного к данному участку цепи тока, сопротивления проводника и промежутка времени, в течение которого электричество действовало на проводник».

Обозначим символом Q количество выделяемого тепла, а символами I, R и Δt – силу тока, сопротивление и промежуток времени, соответственно. Тогда формула закона Джоуля-Ленца будет иметь вид: Q = I 2 *R*Δt

Согласно законам Ома I=U/R, откуда R = U/I. Подставляя выражения в формулу Джоуля-Ленца получим: Q = U 2 /R * Δt ⇒ Q = U*I*Δt.

Выведенные нами формулы – различные формы записи закона Джоуля-Ленца. Зная такие параметры как напряжение или силу тока, можно легко рассчитать количество тепла, выделяемого на участке цепи, обладающем сопротивлением R.

Дифференциальная форма

Чтобы перейти к дифференциальной форме закона, проанализируем утверждение Джоуля-Ленца применительно к электронной теории. Приращение энергии электрона ΔW за счёт работы электрических сил поля равно разности энергий электрона в конце пробега (m/2)*(u=υmax) 2 и в начале пробега (mu 2 )/2 , то есть

Читайте так же:
Пример использования теплового действия электрического тока в быту

формула приращение энергии электрона

Здесь u скорость хаотического движение (векторная величина), а υmax – максимальная скорость электрического заряда в данный момент времени.

Поскольку установлено, что скорость хаотического движения с одинаковой вероятностью совпадает с максимальной (по направлению и в противоположном направлении), то выражение 2*u*υmax в среднем равно нулю. Тогда полная энергия, выделяющаяся при столкновениях электронов с атомами, образующими узлы кристаллической решётки, составляет:

Формула полной энергии

Это и есть закон Джоуля-Ленца, записанный в дифференциальной форме. Здесь γ – согласующий коэффициент, E – напряжённость поля.

Интегральная форма

Предположим, что проводник имеет цилиндрическую форму с сечением S. Пусть длина этого проводника составляет l. Тогда мощность P, выделяемая в объёме V= lS составляет:

Формула мощности P выделяемой в объеме

гдеR – полное сопротивление проводника.

Учитывая, чтоU = I×R, из последней формулы имеем:

  • P = U×I;
  • P = I 2 R;
  • P = U 2 /R.

Если величина тока со временем меняется, то количество теплоты вычисляется по формуле:

Формула количества теплоты

Данное выражение, а также вышеперечисленные формулы, которые можно переписать в таком же виде, принято называть интегральной формой закона Джоуля-Ленца.

Формулы очень удобны при вычислении мощности тока в нагревательных элементах. Если известно сопротивление такого элемента, то зная напряжение бытовой сети легко определить мощность прибора, например, электрочайника или паяльника.

Физический смысл

Вспомним, как электрический ток протекает по металлическому проводнику. Как только электрическая цепь замкнётся, то под действием ЭДС движение свободных электронов упорядочивается, и они устремляются к положительному полюсу источника питания. Однако на их пути встречаются стройные ряды кристаллических решёток, атомы которых создают препятствия упорядоченному движению, то есть оказывают сопротивление.

На преодоление сопротивления уходит часть энергии движущихся электронов. В соответствии с фундаментальным законом сохранения энергии, она не может бесследно исчезнуть. Она-то и превращается в тепло, вызывающее нагревание проводника. Накапливаемая тепловая энергия излучается в окружающее пространство или нагревает другие предметы, соприкасающиеся с проводником.

На рисунке 2 изображёна схема опыта, демонстрирующего закон теплового действия тока, разогревающего участок провода в электрической цепи.

Тепловое действие тока

Рис. 2. Тепловое действие тока

Явление нагревания проводников было известно практически с момента получения электротока, но исследователи не могли тогда объяснить его природу, и тем более, предложить способ оценки количества выделяемого тепла. Эту проблему решает закон Джоуля-Ленца, которым мы пользуемся по сегодняшний день.

Практическая польза закона Джоуля-Ленца

При сильном нагревании можно наблюдать излучение видимого спектра света, что происходит, например, в лампочке накаливания. Слабо нагретые тела тоже излучают тепловую энергию, но в диапазоне инфракрасного излучения, которого мы не видим, но можем ощутить своими тепловыми рецепторами.

Допускать сильное нагревание проводников нельзя, так как чрезмерная температура разрушает структуру металла, проще говоря – плавит его. Это может привести к выводу из строя электрооборудования, а также стать причиной пожара. Для того, чтобы не допустить критических параметров нагревания необходимо делать расчёты тепловых элементов, пользуясь формулами, описывающими закон Джоуля-Ленца.

Проанализировав выражение U 2 /R убеждаемся, что когда сопротивление стремится к нулю, то количество выделенного тепла стремится к бесконечности. Такая ситуация возникает при коротких замыканиях. В это основная опасность КЗ.

В борьбе с короткими замыканиями используют:

  • автоматические выключатели:
  • электронные защитные блоки;
  • плавкие предохранители;
  • другие защитные устройства.

Применение и практический смысл

Непосредственное превращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономически выгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современного человечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборы продолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

  • электрочайники;
  • утюги;
  • фены;
  • варочные плиты;
  • паяльники;
  • сварочные аппараты и многое другое.
Читайте так же:
Тепловая мощность электрическая мощность работа тока

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Бытовые нагревательные приборы

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

Закон Джоуля-Ленца без преувеличения можно назвать гениальным. Это один из тех законов, которые повлияли на развитие электротехники.

Работа тока. Закон Джоуля – Ленца

Плавкий предохранитель счётчика электроэнергии в квартирной сети напряжением 220 В снабжён надписью: «6 А». Какова максимальная суммарная мощность электрических приборов, которые можно одновременно включить в сеть, чтобы предохранитель не расплавился?

Мощность равна: [P=UI=220text< В>cdot 6text< А>=1320text< Вт>]

Электрический чайник мощностью 60 Вт рассчитан на включение в электрическую сеть напряжением 40 В. Определите силу тока в нагревательном элементе чайника при его работе в такой сети. Ответ приведите в амперах.

“Досрочная волна 2019 вариант 1”

На плавком предохранителе указано: «30 А». Какова максимальная суммарная мощность электрических приборов, которые можно одновременно включить в сеть с напряжением 36 В, чтобы предохранитель не расплавился?

“Досрочная волна 2020 вариант 1”

Мощность: [P=UI=36text< В>cdot 30text< А>=1080text< Вт>]

В электронагревателе с неизменным сопротивлением спирали , через который течёт постоянный ток, за время (t) выделяется количество теплоты (Q) . Если силу тока и время (t) увеличить вдвое, то во сколько раз увеличится количество теплоты, выделившееся в нагревателе?

Количество теплоты можно найти по формуле: [Q=I^2Rt] где (I) — сила тока, (R) — сопротивление спирали.
Если силу тока (I) и время (t) увеличить вдвое, количество теплоты увеличится в 8 раз.

К идеальному источнику тока с ЭДС 3 В подключили конденсатор ёмкостью 1 мкФ один раз через резистор 10 (^7) Ом, а второй раз — через резистор 2 (cdot) 10 (^7) Ом. Во сколько раз во втором случае тепло, выделившееся на резисторе, больше по сравнению с первым? Излучением пренебречь.

Энергия, запасенная в конденсаторе находится по формуле: [W=dfrac<2>=dfrac<2>] Вся энергия, запасенная в конденсаторе выделяется через резисторы в виде тепла. Энергия не зависит от сопротивления резистора, поэтому при замене резисторов, количество выделяемого тепла не изменяется.

Электрический чайник мощностью 4,4 кВт рассчитан на включение в электрическую сеть напряжением 220 В. Определите силу тока в нагревательном элементе чайника при его работе в такой сети. (Ответ дайте в амперах.)

Мощность можно найти по формуле: [P=UI] где (U) — напряжение, (I) — сила тока. Отсюда выразим силу тока: [I =dfrac

=dfrac<4400text< Вт>><220text< В>>=20 text< А>]

Резистор 1 с электрическим сопротивлением (R_1) = 6 Ом и резистор 2 с электрическим сопротивлением (R_2) = 3 Ом включены последовательно в цепь постоянного тока. Чему равно отношение количества теплоты, выделяющегося на резисторе 1, к количеству теплоты, выделяющемуся на резисторе 2 за одинаковое время?

Кол-во теплоты можно найти по формуле: [Q=I^2Rt] где (I) — сила тока, (R) — сопротивление резистора, (t) — время.
Так как резисторы соединены последовательно, то через них протекает одинаковый ток за одинаковый промежуток времени: [dfrac=dfrac=dfrac] [dfrac = dfrac<6text< Ом>><3text< Ом>>=2]

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector