Определение и применение на практике закона Джоуля-Ленца; формула и правила расчета

Определение и применение на практике закона Джоуля-Ленца — формула и правила расчета

Физики из Англии Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц, по отдельности, но примерно в одно время 1841-1842 годах выяснили взаимосвязь количества тепла и поток тока внутри проводника. Эта зависимость была названа «Закон Джоуля-Ленца».

Английский физик заметил эту зависимость, раньше, чем русский физик на 1 год, однако назвали закон, соединив обе фамилии, т.к. как вклад каждого из них был велик. Закон Джоуля-Ленца описывает не теорию, а практику.

Давайте рассмотрим закон Джоуля-Ленца, его определение и применение в жизни.

Когда в проводнике протекает ток, то происходит работа поперек силам трения. При движении электроном через провод происходит столкновение электронов с иными электронами, атомами и другими частицами, в следствие чего вырабатывается тепло.

Рассматриваемый нами закон объясняет то количество тепла, которое вырабатывается при движении тока по проводнику.

При увеличении силы тока, сопротивления и времени протекания, количество тепла тоже увеличится, и наоборот при уменьшении этих показателей произойдет уменьшение количества тепла.

Формула закона Джоуля-Ленца представлена на рисунке.рис.1

Рисунок 1. Формула закона Джоуля-Ленца, при последовательном соединении

Сила тока – I считается в амперах, сопротивление- R в омах, время t- в секундах. Теплота Q измеряется в джоулях. Для перевода в калории умножаем на 0,24. 1 калория рассчитывается, как то тепло, которое необходимо дать воде, чтобы повысить ее на 1 градус.

Эта формула применяется, если проводники соединяются последовательно, при проходе равной величины тока, а на концах падает разное напряжение. Мощность определяется как сила тока в квадрате, умноженная на сопротивление.

Увеличение мощности сопровождает увеличение квадрата напряжения и уменьшает сопротивление, и наоборот. Если электрические цепи соединяются параллельно, то закон Джоуля-Ленца выглядит: рис.2

Рисунок 2. Формула закона Джоуля-Ленца, при параллельном соединении

При использовании дифференциальной формы, формула такая: рис.3

Рисунок 3. Дифференциальная форма формулы закона Джоуля-Ленца

j является плотностью тока в А/см2, E — напряженностью электрического поля, сигма — удельным сопротивлением проводника.

Если участок цепи однородный, то сопротивление будет одинаково. При наличии в цепях проводников с различным сопротивлением, то самое большое тепло выделится там, где находится максимальное сопротивление. К такому выводу мы приходим, анализируя формулу Джоуля-Ленца.

Нередкие проблемы

Итак, проблема нахождения времени, т.е. тот период, когда ток проходит по проводнику (замкнутая цепь)

Вторая проблема, нахождение сопротивления проводника. Используется формула рельс:рис.4

Рисунок 2. Формула нахождение сопротивления проводника

«Р» удельное сопротивление, измеряемое в Ом*м/см2, l и S является длина и площадь поперечного сечения. При математических операциях метры и сантиметры2 сокращаются и получаются Омы.

Удельным сопротивлением является величина, указанная в таблице, индивидуальная для каждого металла. Рассмотрим с какой целью это используется.

При электротехнических подсчетах широко используется закон Джоуля-Ленца. Можно использовать его, когда рассчитываются приборы нагревания. Нагревающий элемент – проводник с высоким сопротивлением, например нихром.

Для расчета мощности тепла прибора нужно определить, что и в каком объеме нужно нагреть, количество теплоты и времени на передачу тепла телу.

После расчета определится сопротивление и сила тока в данной цепи. Учитывая полученные данные, выбирается материал сечение и длина проводника.

Использование закона Джоуля-Ленца для передачи электроэнергии на расстояние

Когда происходит передача электричества на расстояние, появляется проблема потери на линиях передач. Закон показывает количество тепла, которое выделяется проводником при проходе тока.

ЛЭП используются предприятиями и городами, следственно необходимо больше мощности и больше тока.

Количество теплоты связано с сопротивлением тока и проводника, для того чтобы избежать нагрева, необходимо уменьшить количество тепла.

Не всегда можно использовать сечение провода, это дорого стоит из-за цены меди и веса кабелей, следовательно, увеличивается стоимость несущей конструкции.

На рисунке показаны высоковольтные линии электропередач. Это огромные конструкции из металла, создающиеся для поднятия кабеля на высоту, безопасную для людей на земле, чтобы избежать удара током.

Для этого необходимо снизить ток, следовательно, повышается напряжение.

Линии электропередач между городами используют напряжение 220 и 110 кВ, а у того, кто потребляет, понижают до необходимой величины, используя трансформатные подстанции. Или множеством КТП медленно понижая до безопасной величины, например, 6кВ.

То есть ток уменьшится в тысячи раз, но при той же потребляемой мощности. По закону Джоуля-Ленца, теплота в данном случае определится мощностью, которая теряется на кабеле.

Плавкие предохранители

Закон Джоуля-Ленца используется для расчета плавких предохранителей. Это элементы, защищающие электрическое устройство от высоких для него токов, которые могут появится из-за скачка напряжения, короткого замыкания для охраны от поломки электрической системы и пожара. Они представляют собой корпус, изолятор и тонкую проволоку.

Проволока используется с сечением, подходящим для прохода номинального тока через нее, но при увеличении выделения тепла, она пережигается.

Следовательно, можно сделать вывод, что рассматриваемый нами закон Джоуля-Ленца очень широко применяется и сильно значим для электротехники.

Используя информацию про количество теплоты, исчисляемое по рассмотренным формулам, можно разузнать о режимах работы устройств, определить подходящий материал и сечение для обеспечения безопасности, увеличения срока использования прибора или цепи.

На этом я закончу данную статью. Надеюсь, эта информация стала полезной и интересной для вас.

Математическая запись закона Джоуля-Ленца и его применение

При протекании по проводнику электрический ток оказывает на него тепловое действие, во время которого выделяется определенное значение количества теплоты. Для его расчета применяется закон Джоуля-Ленца, который получил широкое применение при проектировании и изготовлении всех устройств, работающих от электричества.

Общие сведения

В 1941 году английским физиком Джеймсом Джоулем и, независимо от него, в 1942 году русским ученым Эмилием Ленцем было открыто уравнение Джоуля-Ленца. Оно позволяет рассчитать по формуле количество теплоты в электрической цепи, выделяемое при прохождении электротока через проводник. Значение количества теплоты, выделяемое проводником при протекании тока через него, зависит от напряжения, времени, силы тока и сопротивления проводника. Открытие позволило точно рассчитывать схемы различных устройств при их проектировании.

Прежде чем сформулировать закон Джоуля-Ленца, следует рассмотреть и понять физический смысл основных и производных величин, от которых зависит, какое количество теплоты выделяет проводник при прохождении через него электротока.

Разность потенциалов

Научно доказано, что каждое вещество состоит из атомов, которые также состоят из элементарных или субатомных частиц. К ним относятся следующие: электроны, протоны и нейтроны. Атом в исходном состоянии имеет нейтральный заряд, поскольку количество протонов и электронов равны и, следовательно, справедливо равенство положительного и отрицательного зарядов, и они компенсируют друг друга.

Однако возникают случаи «захвата» атомом электрона другого атома. Если атом захватывает электрон, то он называется отрицательным ионом, а при потере преобразовывается в положительный. В результате потери или притяжения субатомной отрицательно заряженной частицы образуется электромагнитное поле, составляющая которого зависит от заряда иона.

Разность между положительной и отрицательной составляющими является напряжением, единицей измерения которого является вольт (обозначение: В или V). Чем больше разница, тем больше напряжение. В некоторых источниках его еще называют разностью потенциалов, величину которой можно измерять при помощи вольтметра или рассчитать, используя формулы. При соединении потенциалов с противоположными знаками образуется электрический ток, который представляет упорядоченное движение заряженных частиц, под действием силы электромагнитного поля имеет векторное направление.

В научной литературе можно встретить такое определение: электрическим напряжением является работа, которая выполняется при перемещении точечного заряда. Таким образом, 1 В — это напряжение между двумя точечными положительным и отрицательным зарядами, равными 1 Кл, на перемещение которых тратится энергия электромагнитного поля 1 Дж. Вспомогательными единицами измерения являются следующие: 1 кВ = 1000 В, 1 МВ = 10 6 В, 1 мВ = 10^(-3) и т. д.

Сила тока

Сила тока (I) — величина, равная количеству заряженных частиц, которые проходят через проводник за единицу времени. Единица измерения — ампер (А), а с помощью амперметра можно измерять ее значение. Прибор подключается последовательно с потребителем в электрическую цепь. Если через площадь поперечного сечения проводника за 1 секунду проходит количество заряда, равное 1 Кл, то эта величина является силой тока в 1 А.

Математическая запись нахождения силы тока имеет вид: I = Qz / t, где Qz — значение заряда, а t — единица времени. Кроме того, существуют и дополнительные единицы измерения: 1 mА = 10^(-3) A, 1 кА = 1000 А и т. д. Электрический ток бывает следующих видов:

1. Переменным.
2. Постоянным.

Переменный ток подчиняется определенному закону, который характеризует изменение амплитуды и направления протекания. Основной характеристикой является частота, согласно которой происходит разделение на синусоидальный и несинусоидальный токи. Графиком синусоидального типа тока является синусоида, формула которой зависит от максимальной амплитуды Imax и угловой частоты w. Она имеет следующий вид: i = Imax * sin (w * t).

Для расчета значения угловой частоты необходимо значение частоты тока в сети (f), которое подставляется в формулу: w = 6,2832 * f. Постоянный ток не изменяет направление своего движения по проводнику, однако его значение может меняться.

Электрическое сопротивление

Вещества по проводимости электричества можно классифицировать на проводники, полупроводники и диэлектрики. К первому типу относятся все вещества, которые хорошо проводят ток. Эта особенность обуславливается наличием свободных носителей заряда, информацию о которых можно получить из электронной конфигурации элементов периодической системы Д. И. Менделеева.

К проводникам относят следующие вещества: металлы, электролиты и ионизированный газ. В металлах электроны являются носителями заряда. В жидкостях (электролитах) носителями заряда являются анионы и катионы: первые обладают положительным зарядом, а вторые — отрицательным. При электролизе анионы притягиваются электродом, который является отрицательно заряженным (катодом), а на катионы действует положительный заряд анода. Функцию носителей заряда в газах выполняют отрицательно заряженные электроны и ионы.

При повышении температуры проводника происходит взаимодействие атомов между собой, в результате которого разрушается кристаллическая решетка и появляются свободные носители заряда. При протекании тока происходит взаимодействие с узлами решетки и с электронами проводника, при котором движение упорядоченных заряженных частиц замедляется и выделяется тепловая энергия, а затем снова скорость их движения возвращается в исходное состояние, благодаря воздействию электромагнитного поля. Это физическое свойство называется электрическим сопротивлением проводника, при нагревании которого его величина возрастает.

Полупроводники — вещества, проводящие ток только при определенных условиях. Функцию носителей заряда выполняют электроны и дырки. При каком-либо воздействии внешней энергии (например, тепловой) происходит уменьшение силы притяжения между ядром и электронами, при котором некоторые из них «вырываются» и становятся свободным, а на их месте образуются дырки.

Происходит образование электромагнитного поля положительной составляющей и к ней притягивается соседняя субатомная частица с отрицательным зарядом. Этот процесс повторяется и приводит к движению дырок. Сопротивление вещества (проводника или полупроводника) зависит от следующих факторов:

1. Температурных показателей.
2. Типа вещества.
3. Длины.
4. Площади сечения.
5. Значения силы тока и напряжения.
6. Вида тока.

Диэлектрики — группа веществ, которые не могут проводить ток, поскольку в них отсутствуют какие-либо носители электрического заряда. Сопротивление или электропроводимость обозначается буквой R и является взаимодействием заряженных частиц, движущихся упорядочено, с узлами кристаллической решетки. Единицей его измерения является Ом.

Характеристика мощности

Мощностью электротока (P) называют количество работы, которое им совершается за единицу времени. Для постоянного и переменного токов мощность вычисляется по разным соотношениям. В цепи постоянного тока значения его силы (I) и напряжения (U) равны мгновенным значениям. Формула мощности записывается в следующем виде: P = U * I. Для цепи, в которой соблюдается закон Ома, формула принимает следующий вид: P = sqr (I) * R = sqr (U) / R.

Для полной цепи формула включает значение электродвижущей силы (e): P = I * e. Если нужно учитывать значение внутреннего сопротивления источника питания (Rвн), то формулу нужно править при условии поглощения (использование в цепи электродвигателя или при зарядке аккумулятора) следующим образом: P = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).

При наличии в цепи генератора или гальванического элемента (условие отдачи электроэнергии), формула принимает следующий вид: P = I * (e + (I * Rвн)). Однако эту формулу нельзя применять для расчета мощности переменного тока, поскольку он изменяется с течением времени. В цепях переменного тока существует понятие активной, реактивной и полной мощностей:

1. Активная определяется с учетом среднеквадратичных значений U и I, а также углом сдвига фаз (a): Pа = I * U * cos (a).
2. Реактивная (Qр): Qp = U * I * sin (a).
3. Полная (S): S = sqrt (sqr (Pа) + sqr (Qp)).

Значение Qp>0 при наличии в цепи индуктивной нагрузки, а при емкостной — Qp<0. Единицей измерения является ватт (Вт). Сила тока в 1 А при напряжении, равном 1 В, обладает мощностью 1 Вт.

Запись закона Джоуля-Ленца

Формулировка уравнения Джоуля-Ленца следующая: количество теплоты Q, которое выделилось за единицу времени t на участке цепи, прямо пропорционально произведению сопротивления R на квадрат силы тока I, протекающей через этот участок. Формула закона Джоуля-Ленца имеет вид: Q = a * sqr (I) * R * t. Литера «а» является температурным коэффициентом, который равен 1 при условии, что количество теплоты получается в джоулях. Если принять его равным 0,24, то результат будет измеряться в калориях. Поскольку а = 1, то формула Ленца будет выражаться кратко в таком виде: Q = sqr (I) * R * t.

При перегреве проводника может возникнуть короткое замыкание, которое приводит к выходу аппаратуры из строя. Оно может также быть причиной пожара. Для избежания таких ситуаций в электротехнике применяются плавкие предохранители, которые позволяют прекратить подачу электричества на устройство.

Закон позволяет найти необходимые параметры электрического тока, чтобы избежать перегрева и пожара. Основные соотношения для расчета составляющих величин закона в цепях постоянного тока следующие:

1. Закон Ома для участка и полной цепи: I = U / R и i = e / (R + Rвн).
2. Q = U * I * t.
3. Q = e * i * t.
4. Q = (t * sqr (U)) / R.
5. Q = (t * sqr (e)) / (R + Rвн).
6. Q = P * t.

Различие математической записи закона в цепях с переменным и постоянным токами обусловлено их свойствами и параметрами, а также появлением нагрузок активной и реактивной составляющей. Кроме того, ток переменной составляющей постоянно изменяется во времени. Основные соотношения:

1. Закон Ома: i = U / Z, где Z — полное сопротивление цепи. Оно включает в себя активную, индуктивную и емкостную нагрузки.
2. Q = S * t = t * [sqrt (sqr (Pа) + sqr (Qp))].
3. Q = U * i * t, где U и i — действующие значения напряжения и тока, которые измеряются при помощи вольтметра и амперметра соответственно. Формулу в таком виде можно применять для примерного расчета Q, причем в цепях, состоящих только из активной нагрузки.
4. Запись закона с учетом в электрической цепи активной и реактивной нагрузок: Q = sqr (i) * Z * t.

Примеров применения уравнения Джоуля-Ленца достаточно много, одним из которых является обыкновенная лампа накаливания с вольфрамовой нитью. Свечение происходит из-за высокого напряжения и материала, из которого изготовлена нить накаливания. Электродуговая сварка работает тоже по этому закону, поскольку ток проходит через электрод и оказывает на него тепловое действие, при котором образуется сварочная дуга. Благодаря закону, можно правильно рассчитать и сделать вывод о применении радиокомпонента в какой-либо схеме.

Таким образом, уравнение Джоуля-Ленца играет важную роль в электротехнике, поскольку позволяет произвести точные расчеты радиокомпонентов схемы, исключая перегрев деталей и пожар.

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца»

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах:

Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток производит и любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Нагревание среды происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах, или ионы в проводящих ток растворах, сталкиваются с молекулами или атомами проводника и отдают им часть своей энергии. Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника.

Обратимся теперь к количественной стороне вопроса: сколько теплоты выделяется при прохождении тока определённой силы в данном конкретном проводнике?

Ответ на него мы найдём, применив закон сохранения энергии. Если в результате протекания тока в проводнике увеличивается только внутренняя энергия проводника, то есть если ток произведёт лишь тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты должно быть равно работе, совершенной за это время электрическими силами. Тогда мы можем рассчитывать выделенную теплоту по формулам, полученными нами для работы электрического тока:

Гораздо сложнее будет ситуация, когда протекание тока в проводнике вызывает не только его нагревание, но и создаёт другие виды энергии. Примером этому является работа любого электродвигателя или электромотора. Согласно закону сохранения и превращения энергии работа, совершенная электрическими силами за некоторый промежуток времени, вызывает не только нагревание обмотки электродвигателя (кстати, не очень большое), но и появление весьма значительного количества механической энергии:

Аналогичная ситуация возникает при зарядке аккумулятора, где за счёт работы электрических сил происходит не только нагревание заряжаемого аккумулятора, но и накопление в нем химической энергии:

Однако очевидно, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике, должно зависеть от сопротивления проводника. Проверим это предположение на опыте. В цепь из источника тока, амперметра и реостата включим последовательно три проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения: из нихрома, никелина и меди. При увеличении силы тока заметим, что нихромовый проводник нагревается почти до белого каления, никелиновый лишь слегка краснеет, а медный остаётся темным.

Действительно, ведь чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам. При этом совершается большая работа по их перемещению и, следовательно, проводник больше нагревается.

А как узнать количество выделенной теплоты в таких случаях, ведь здесь очевидно только то, что эта теплота меньше работы электрических сил? Ответ на этот вопрос был найден в 1841 г. английским учёным Дж. Джоулем и независимо от него в 1842 г. русским учёным Э. Х. Ленцем. На основании многочисленных опытов ими было установлено, что количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока в любом проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока:

Это и есть закон Джоуля — Ленца.

Проверить его справедливость можно с помощью следующей экспериментальной установки. В калориметр, содержащий 100 г воды при температуре 20 о С, поместим нихромовую проволоку, концы которой подключим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью вольтметра будем измерять напряжение на концах проводника, а с помощью секундомера — время эксперимента.

Как видим, количество теплоты, полученное водой, равно количеству теплоты, которое выделилось в проводнике, что подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.

Формулой Q = I 2 Rt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же. Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника: Q

R.

При параллельном соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле:

Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника: Q

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца

Автор: Щукина Галина Фёдоровна
Должность: учитель физики
Учебное заведение: филиал МБОУ «СОШ» № 9
Населённый пункт: пгт Красногорский, Челябинская область
Наименование материала: методическая разработка
Тема: Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца
Раздел: среднее образование

План – конспект открытого урока по физике (8класс) по ФГОС по теме «Нагревание проводников

электрическим током. Закон Джоуля – Ленца »

Учитель физики МБОУ «СОШ №9» (филиал), п. Красногорского, Еманжелинского района, Челябинской

области Щукина Галина Федоровна.

Урок в 8-м классе: "Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля – Ленца".

1.узнать причину нагревания проводников при прохождении по ним электрического тока;

вывести формулу закона Джоуля – Ленца;

сформулировать закон Джоуля – Ленца;

применить закон для решения задач.

развитие творческих способностей учащихся.

формирование умений находить ответы на вопросы.

делать самостоятельные выводы и анализировать факты в ходе обсуждения видеороликов с демонстрацией опытов.

.Воспитание культуры речи учащихся.

Умения совместной и коллективной работы.

Уважения чужой точки зрения.

По типу это урок комбинированный.

Изучение нового материала я организовала путем вовлечения учащихся:

в познавательную деятельность, которая заключалась в умении делать выводы в ходе обсуждения видеороликов с демонстрацией

в информационно-коммуникативную деятельность посредством работы с учебником, друг с другом в паре, а также в ходе беседы с

рефлексивную деятельность, которая заключалась в выполнении тестов, решении устных задач.

исследовать явление нагревания проводника электрическим током, вывести закон Джоуля — Ленца.

формировать умение анализировать эксперименты, выявлять зависимости, выдвигать гипотезы, делать обобщения.

развивать познавательные интересы, интеллектуальные и творческие способности в процессе самостоятельного приобретения новых

воспитание убежденности в возможности познания законов природы, в необходимости обосновывать высказываемую позицию,

уважительно относиться к мнению оппонента, сотрудничать в процессе совместного выполнения задач.

Обратная связь будет осуществлена с использованием теста.

Дифференциация – через выполнение дополнительного задания.

Формы организации учебной деятельности: фронтальная, групповая.

Методы обучения: частично-поисковый, исследовательский.

Здоровье сберегающая среда создана через создание комфортных условий для проведения урока, опережающих домашних заданий для

учащихся, интересными формами изучения материала, смену видов деятельности, соблюдение санитарно-гигиенических требований.

2.Актуализация опорных знаний, нужных для решения проблемы(5-7мин)

3.Изучение нового материала (15мин)

4. Закрепление (5мин)

6. Рефлексия (тест) (7мин)

8. Итог урока (3мин)

Оборудование: тесты, проектор, ПК, видео.

П — познавательные УУД

Л – личностные УУД

К – коммуникативные УУД

Р – регулятивные УУД

Технологическая карта урока.

2.Актуализация опорных знаний

Здравствуйте, ребята. На парте:

учебник, ручка, карандаш,

линейка, дневник. Что вы

готовили дома? Какие есть

вопросы по домашнему заданию?

Приготовились к уроку.

Внимательно слушают учителя.

Внимательно слушают учителя,

отвечают: « Работа и мощность

Отвечают на вопросы теста.

К — Планировать учебное

К — Слушать других

П — Подведение под

понятие; умение строить речевое

Тогда у меня к вам будут

вопросы по домашнему заданию.

Выполните на листочках тест: «

Работа и мощность тока».

Достаточно ответить на 5

вопросов и у вас есть 5 минут.

Кто готов, положили ручки, сели

листочками, взяли простой

карандаш и проверили работу

(слайд 2). Поставьте оценки

Критерий выставления

Нет ошибок – «5»

Одна ошибка – «4»

Две ошибки – «3»

Три ошибки – «2».

поднимите руку у кого

Кто получил не очень

хорошую оценку, не

волнуйтесь в конце урока

вы сможете ее исправить,

ответов, ставят + или — .

К — формулирование

но для этого нужно

учителя и работать на

(слайд 4) На слайде

Какой прибор лишний?

Во всех остальных приборах:

электрокипятильник и эл.

Паяльник используется тепловое

действие тока.

(слайд 5) Запишите число и тему

урока «Нагревание проводников

электрическим током. Закон

(слайд 6) Почему так важно

изучить это явление?

Потому, что это явление нашло

приборы, осветительные лампы;

в промышленности его

используют для выплавки

специальных сортов стали и

Записывают тему урока.

П -Установление причинно-

Л -Формировать ответственность

Желание приобретать новые

Адекватно понимать причины

других металлов, для

в сельском хозяйстве с помощью

эл. тока обогревают теплицы,

инкубаторы, сушат зерно и т.д.

Что бы вы хотели узнать об этом

1.Электрический ток проходя по

проводнику, нагревает его.

2.Вывести формулу закона

3.Сформулировать этот закон;

4.Применить этот закон для

Записывают в тетрадь.

движутся, сталкиваются с

ионами, передают им часть

энергии. Ионы колеблются

внутренняя энергия проводника,

выделяется теплота. По закону

сохранения и превращения

2. Вывод формулы: (слайд 9).

Если проводник неподвижен и в

нем не происходят химические

реакции , то работа тока идет на

увеличение внутренней энергии

проводника. При этом

количество теплоты, выделяемое

в проводнике равно работе

электрического тока. A = Q, но

А = IUt , значит Q = IUt,

используя закон Ома U = IR и

подставив в формулу количества

теплоты, получим: Q = I*I*R*t

Как читается эта формула?

Найдите в учебнике на стр.150.

Поработаем с формулой: Q = I²Rt

На доске пишу формулу.

Назовите каждую величину,

входящую в формулу и ее

По какой формуле можно

Записывают формулы в тетрадь.

Находят, ученик читает вслух,

записывают определение закона

Называют величины и их

I – сила тока – 1А,

I² — квадрат силы тока – 1А

R – сопротивление проводника –

t – время прохождения тока по

Как зависит от длины

От материала проводника?

От площади поперечного

(слайд 10) Именно эта формула

выражает закон, который носит

имя двух ученых: английского

физика Джеймса Джоуля и

Христиановича Ленца. Давайте

послушаем сообщение о Ленце.

Устно решаем задачи (слайд 12)

1.Как изменится

количество теплоты,

проводником с током,

при увеличении тока в 2

2.Сопротивление

уменьшилось в 3 раза.

Как изменится

количество теплоты,

проводником с током?

Сообщение о Ленце.

Работают в парах.

1.Увеличится в 4 раза.

2.Уменьшится в 3 раза.

3.В железном, так как

П — структурирование знаний;

высказывания в устной и

письменной форме; установление

анализ, сравнение, обобщение.

К — слушать, вступать в диалог .

Р -контролировать,

3. Два проводника:

медный и железный

равной длины и сечения

включены в цепь

последовательно. В

каком проводнике:

медном или железном

выделится большее

количество теплоты?

Какие есть ко мне вопросы?

Если нет вопросов, то у меня есть

к вам вопросы (слайд 7)

объяснить явление

нагревания проводников

электрическим током;

2. формула закона Джоуля —

3. сформулировать закон

Джоуля – Ленца;

железа больше, чем у

больше, а количество

движутся, сталкиваются с

ионами, передают им часть

энергии. Ионы колеблются

внутренняя энергия проводника,

Количество теплоты,

выделяемое проводником с

током, равно произведению

квадрата силы тока,

сопротивления проводника и

А сейчас решите тест на новый

материал по вариантам.

Тест включает в себя 4 задания с

выбором ответа. Кто решит,

сразу сдайте учителю.

П — структурирование знаний;

высказывания в устной и

письменной форме; установление

анализ, сравнение, обобщение.

Р — планирование своих действий

в соответствии с задачей; учёт

правил в контроле способа

итогового и пошагового

контроля по результату; оценка

действия на уровне адекватной

корректив действие после его

завершения на основе его оценки

и характера сделанных ошибок.

Л — развитие самооценки

§ 53, 55, 56 читать, упр. 37(1,4).

Индивидуальное задание: лампа

Презентации для желающих.

1.Сегодня на уроке я узнал …

3.Знания, полученные на уроке,

6.У меня получилось …

9.Подбери три прилагательных,

чтобы охарактеризовать урок

Приложение 1.

Тест «Работа и мощность электрического тока»

Работа электрического тока на участке цепи равна…

А) произведению напряжения на концах этого участка цепи на силу тока в проводнике;

Б) произведению напряжения на концах этого участка цепи на силу тока в проводнике и время, в течение которого

В) отношение величины заряда ко времени его прохождения через проводник;

Г) отношение напряжения на концах проводника к величине заряда, прошедшего по проводнику;

Д) отношение напряжения на концах проводника к силе тока в проводнике.

2. Мощность электрического тока измеряют…

3. По какой из указанных формул можно рассчитать работу тока?

А) I = U/ R; Б) R = ρ L/ S; В) A = U I t; Г) Q = I

4. Единицей измерения мощности является…

А) Вт; Б) Дж; В) Н; Г) Кл; Д) Па; Е) Вт ч.

5. Электрическая лампа за 10 минут расходует 36 кДж энергии. Вычислите напряжение на лампе, если сила тока в

А) 220 В; Б) 127 В; В) 7,2 В; Г) 180 В; Д) 120 В.

6. Какой мощностью обладает электрообогреватель, если его сопротивление 48 Ом, а сила тока в нем 5 А?

А) 1,2 кВт; Б) 1200 кВт; В) 240 кВт; Г) 9,6 кВт; Д) 2,4 кВт.

Тест «Работа и мощность электрического тока»

Мощность электрического тока на участке цепи равна…

А) произведению напряжения на концах этого участка цепи на силу тока в проводнике;

Б) произведению напряжения на концах этого участка цепи на силу тока в проводнике и время, в течение которого

В) отношение величины заряда ко времени его прохождения через проводник;

Г) отношение напряжения на концах проводника к величине заряда, прошедшего по проводнику.

2. Работу электрического тока измеряют…

3.По какой из указанных формул можно рассчитать мощность тока?

А) I = U / R; Б) R = ρ L/ S; В) A = U I t; Г) Q = I

4. Единицей измерения работы электрического тока является…

А) Вт; Б) Дж; В) Н; Г) Кл; Д) Па; Е) Вт ч.

5. Какую работу совершит ток силой 3 А за 10 минут при напряжении в цепи 15 В?

А) 127 кДж; Б) 27 кДж; В) 12,7 кДж; Г) 2,7 кДж; Д) 220кДж.

6. Какой мощностью обладает электродвигатель, если он работает от напряжения 36 В, а его сопротивление равно 6

А) 1216 Вт; Б) 160 Вт; В) 216 Вт; Г) 300 Вт; Д) 150 Вт.

Тест « Закон Джоуля – Ленца»

1. Работу электрического тока можно вычислить по формуле:

А. IU; Б. IR; В. IUt; Г.ρl/S.

2. Единица измерения количества теплоты:

А. Вт; Б. Дж; В. В; Г. А.

3. Какое количество теплоты выделится в нити электрической лампы в течение 1 минуты, если лампа потребляет ток силой 1 А при

напряжении 110 В?

А. 6600Дж; Б. 110Дж;

В. 6,6 кВт; Г.110 Вт.

4. Три резистора, сопротивления которых равны R

= 3 Ом, включены в цепь постоянного тока последовательно. На каком

резисторе выделится большее количество теплоты?

Г. На всех резисторах выделится одинаковое количество теплоты.

5. Кто из перечисленных ученых занимался исследованием теплового действия тока и вывел закон?

А. Джеймс Уатт; Б. Рудольф Дизель; В. Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл; Г. Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц.

1. Количество теплоты, выделяемое проводником с током, находится по формуле:

А. IU; Б. IR; В. I

2. Единица измерения работы электрического тока:

А. Вт; Б. Дж; В. В; Г. А.

3. Какое количество теплоты выделится за 20 мин в проволочной спирали сопротивлением 20 Ом при силе тока 5А?

А. 2000 Дж; Б. 120 кДж;

В. 10 кДж; Г. 600 кДж.

4. Три резистора, сопротивления которых равныR

= 3 Ом, включены в цепь постоянного тока последовательно. На каком

резисторе выделится меньшее количество теплоты?

Г. На всех резисторах выделится одинаковое количество теплоты

5. Кто из перечисленных ученых занимался исследованием теплового действия тока и вывел закон?

А. Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц ; Б. Рудольф Дизель; В. Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл; Г. Джеймс Уатт.

Нагревание проводников электрическим током

Одним из свойств электрического тока является нагрев проводников, по которым он протекает. Этот эффект был замечен многими исследователями, но его понимание пришло только выяснения механизма взаимодействия заряженных частиц с атомами и молекулами проводников. Нагрев приводит к выделению тепла и повышению температуры, а количество выделяемого тепла можно рассчитать с помощью формулы закона Джоуля-Ленца.

Почему нагреваются проводники

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В проводниках этими частицами выступают отрицательно заряженные электроны. Воздействие электрического поля сообщает электронам дополнительную кинетическую энергию. В процессе движения они сталкиваются с атомами (или молекулами) проводника, отдавая часть приобретенной энергии. По этой причине начинает увеличиваться внутренняя энергия вещества, что приводит к повышению температуры и выделению тепла.

Рис. 1. Электрический ток в проводнике нагревает проводник

Если взять обычную лампочку накаливания и подключить ее к источнику напряжения через реостат (переменное сопротивление), то можно наблюдать тепловой эффект от протекания тока. Постепенно увеличивая ток, мы можем сначала на ощупь почувствовать, что стеклянная колба лампочки постепенно начнет нагреваться, а затем увидим, как начинает светиться раскаленная нить накаливания.

Заметим, что в этом эксперименте подводящие провода сильно не нагреваются и не светятся. Это происходит потому, что сопротивление нити накаливания намного больше сопротивления подводящих проводов .

Закон Джоуля-Ленца

На основании этого и других экспериментов можно сделать следующие предположения:

• чем больше сопротивление, тем сильнее нагреваются проводники. То есть количество теплоты Q, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорционально величине сопротивления проводника R;
• чем больше сила тока, тем большее количества тепла выделяется. При возрастании тока большее количество частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени, то есть число столкновений возрастает, а значит больше энергии передается атомам проводника.

Формулу для вычисления количества тепла получили независимо друг от друга в 1842 г. английский физик Джеймс Джоуль и российский ученый Эмилий Ленц:

Q — количество теплоты, Дж;

Согласно закону Ома:

Пользуясь этой формулой, закон Джоуля-Ленца может быть представлен еще в одном варианте, когда известно напряжение на участке проводника, а сила тока неизвестна:

Формулы закона Джоуля-Ленца справедливы тогда, когда работа, совершаемая электрическим током идет исключительно на нагревание. Если в цепи есть потребление энергии на выполнение механической работы (электродвигатель) или на совершение химических реакций (электролит), то для расчета необходимо применять другие формулы.

Плюсы и минусы от нагрева электрическим током

• Плюсы. Нагревание проводников электрическим током находит свое применение в различных полезных приборах и устройствах: электроплитах, чайниках, кофеварках, кипятильниках, фенах, утюгах, обогревателях.
• Минусы. Очень часто инженерам-электронщикам приходится бороться с этим эффектом для того, чтобы, например, обеспечить работоспособность электронных плат, которые напичканы огромным количеством электронных деталей, микросхем и т.д. Все эти элементы греются в соответствие с законом Джоуля-Ленца. И если не предпринять меры для принудительного охлаждения с помощью металлических радиаторов или вентиляторов (кулеров), то платы быстро выйдут из строя от перегрева.

Часто для быстрого соединения проводов многие пользуются способом “скрутки”. Это приводит к значительному увеличению сопротивления, а следовательно, место “скрутки” будет греться сильнее, чем остальная часть проводки. Поэтому скрутка проводов часто бывает причиной пожаров в домах и квартирах. Для улучшения контакта требуется хорошо пропаять это место.

Что мы узнали?

Итак, мы поговорили кратко о нагревании проводников электрическим током. Нагрев проводников происходит из-за того, что электроны, движущиеся упорядоченно с определенной скоростью, сталкиваются с атомами вещества и отдают часть своей энергии, которая переходит в тепло. Количество тепла можно определить, применив формулу Джоуля-Ленца.