Azotirovanie.ru

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

Нагревание проводников электрическим током закон джоуля-ленца

Нагревание проводников электрическим током закон джоуля-ленца

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца.

Учебный материал с указанием заданий

Сегодня на уроке ты самостоятельно узнаешь почему при прохождении электрического тока по проводникам они нагреваются, познакомишься с формулой, с помощью которой можно подсчитать количество теплоты, которое выделяет проводник при прохождении через него электрического тока, научишься решать задачи по теме, а также узнаешь интересные факты из биографии великих ученых и изобретателей.

Ты уже знаком с такими понятиями и явлениями как электрическое поле, электрический ток, сопротивление проводников; знаешь такие физические величины как напряжение (U), сила тока (I), сопротивление (R); знаешь закон Ома для участка цепи, формулу для подсчета сопротивления проводника; умеешь решать задачи с использованием этих физических величин.

Материал, который ты будешь изучать сегодня, покажется несложным. Внимательно читай инструкцию и строго следуй ей. Успехов.

Твоя цель на уроке:

— узнать причину нагрева проводников при прохождении через них электрического тока;

— познакомиться с формулой для расчета количества теплоты, выделяемого проводником при прохождении через него электрического тока (Законом Джоуля-Ленца);

— научиться с помощью закона Джоуля-Ленца решать задачи;

— если останется время, то познакомиться с интересными фактами из биографии и научной деятельности ученых Джеймса Преснот Джоуля и Эмилия Христиановича Ленца.

Если что-то не помнишь, то обратись к учебнику или записям в тетради.

Сначала проверим, как ты усвоил материал прошлых уроков.

Получи у учителя карточку с пометкой «Входной контроль» и на отдельном листке, предварительно подписав его, выполни задание карточки.

Сдай листок учителю.

Если сложно, то обратись к учебнику или тетради.

Самостоятельное изучение нового материала.

Внимательно прочитай содержание § 53 на стр. 123-124 учебника.

Запиши в тетрадь тему урока, формулировку закона Джоуля-Ленца и формулу.

Внимательно прочитай свои записи, убедитесь в понимании прочитанного.

Назови все физические величины, входящие в данную формулу, вспомни в чем они измеряются.

Будь внимателен, учись самостоя-тельно приобретать знания.

Внимательно прочитай текст, приведенный ниже.

Из содержания параграфа ты узнал почему электрический ток, проходя через проводники, вызывает их нагрев. Дело в том, что упорядоченно движущиеся под действием электрического поля свободные электроны проводника взаимодействуют с ионами и атомами вещества и передают им часть своей энергии, заставляют отклоняться от положения равновесия (т. е. двигаться). В результате этого внутренняя энергия проводника возрастает, он нагревается и отдает энергию окружающим телам путем теплопередачи.

Но следует помнить, что вся работа электрического тока идет на увеличение его внутренней энергии лишь в неподвижных проводниках. В подвижных проводниках часть энергии идет на совершение механической работы. Именно поэтому закон Джоуля-Ленца применим только к неподвижным проводникам.

Ответь на вопросы в конце параграфа (на стр. 125).

На вопросы ответь устно.

Внимательно рассмотрите решение задач.

Задача 1. Какое количество теплоты выделится за 30 минут проволочной спиралью сопротивлением 50 Ом при силе тока 2А ?

t = 30 мин Q = I²Rt

R = 50 Ом t = 30·60 c=1800 c

I = 2А Q = 2²·50·1800=360000 Дж= 360кДж

Q = ? Ответ: Q = 360кДж

Задача 2. Определите количество теплоты, которое выделит спираль электрочайника за 1 минуту, если ее сопротивление24,2 Ом, а напряжение 220 В.

t = 1 мин Q = I²Rt

U = 220 В Из закона Ома

Q = ? Ответ: Q = 120 кДж.

Если все ясно, то реши следующие задачи самостоятельно в рабочей тетради.

Задача 1: Спираль обогревателя имеет сопротивление 250 Ом, сила тока в спирали 8 А. Определите, какое количество теплоты выделит спираль за 5 минут работы?

Задача 2: Проволочная спираль сопротивлением 55 Ом включена в сеть напряжением 127 В. Какое количество теплоты выделит эта спираль за 1 минуту?

Сравните решения с готовыми (смотри Приложение1).

Переписы-вать решение в тетрадь не нужно.

Эти задачи аналогичны разобран-ным выше, поэтому ты обязательно с ними справишься.

Вернись к УЭ 0 и проверь, достиг ли ты поставленной цели?

Если да, то переходи к следующему УЭ, если нет, то вернись к УЭ 2.

Ответь на вопросы и реши задачи на отдельном листке.

Какова причина нагрева проводников электрическим током?

Почему провода, подводящие электрический ток к нагревательному элементу сами нагреваются не так сильно, как нагревательные элементы приборов?

Задача: Какое количество теплоты выделит проводник за 5 секунд, если его сопротивление 25 Ом, а сила тока в цепи 2 А?

Задача: Какое количество теплоты выделится в нити накала электрической лампы за 10 минут, если при напряжении 5 В сила тока в ней 0, 2 А?

Если успел сделать все задачи, то можешь подумать над дополнительными задачами (смотри Приложение2) и ознакомиться с интересными сведениями из биографии Д.Джоуля и Э.Ленца (смотри Приложение3).

Дополни-тельные задачи можешь переписать в тетрадь и подумать над ними дома.

§ 53(с. 123-124 учебника), упр. 27(с. 125), № 1450, №1453, №1455 (сб. задач)

R = 25 Ом Q = I²Rt

I = 8 А 5 мин·60 = 300 с.

t = 5 мин. Q = 8²·25·300 = 480000 Дж

Q = ? Ответ: Q = 480 кДж

R = 55 Ом Q = I²Rt

Q = ? Ответ: Q = 17,6 кДж

Задача 1 : Определите мощность электрочайника при напряжении 220 В, если при напряжении 230 В он имеет мощность 2000 Вт.

Задача 2 : Электрический чайник включен в сеть напряжением 220 В. Определите количество теплоты, выделяемое его нагревательным элементом ежесекундно, если сопротивление нагревательного элемента 38,7 Ом. Определите мощность тока.

Джеймс Преснот Джоуль

Родился Джоуль в Манчестере 24 декабря 1818 года, по профессии был пивоваром. Первые работы Джоуля в физике связаны с изобретением электромагнитных аппаратов, которые были ярким примером превращаемости физических сил. Джоуль был прекрасным экспериментатором. Исследуя законы выделения теплоты электрическим током, он понял, что опыты с гальваническими источниками не дают возможности ответить на вопрос, какой вклад в нагрев проводника вносит переносимая теплота химических реакций, а какой сам ток. В результате многочисленных опытов, Джоуль пришел к выводу, что теплоту можно получать с помощью механических сил. Джоуль внес большой вклад в кинетическую теорию газов, открыв вместе с Томсоном эффект изменения температуры газа при его расширении. Из работ Джоуля непосредственно следовало, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. Все это способствовало утверждению и признанию закона сохранения и превращения энергии.

Читайте так же:
Провода теплостойкие при тем

Эмилий Христианович Ленц

Э. Ленц родился 24 февраля 1804 года в семье чиновника в Дерпте (ныне Тарту) в Эстонии. Благодаря усилиям матери он успешно окончил гимназию и поступил в университет.

Научная деятельность Ленца началась рано: после второго курса университета он по рекомендации ректора в качестве физика научной экспедиции отправился в кругосветное плавание.

Э. Х. Ленц заложил основы первой в России научной школы физиков-электротехников, из которой впоследствии вышли такие ученые, как А. С. Попов, Ф. Ф. Петрушевский и др.

В 1843 году Ленц после проведения экспериментов независимо от Джоуля приходит к установлению закона теплового действия тока. На основании 16 серий измерений Ленц в статье «О законах выделения тепла гальваническим током» сделал следующий вывод: нагревание проволоки гальваническим током пропорционально ее сопротивлению и квадрату силы тока.

Работа и мощность электрического тока

При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Ее принято называть работой тока.

Рассмотрим произвольный участок цепи. Это может быть однородный проводник, к примеру, обмотка электродвигателя или нить лампы накаливания. Пусть за время ∆t через поперечное сечение проводника проходит заряд ∆q. Тогда электрическое поле совершит работу:

Но сила тока равна:

Тогда работа тока равна:

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.

Выражая через закон Ома силу тока и напряжение, получим следующие формулы для вычисления работы тока:

A = I 2 R Δ t = U 2 R . . Δ t

Работа тока измеряется в Джоулях (Дж).

Пример №1. Определите работу тока, совершенную за 10 секунд на участке цепи напряжением 200В и силой тока 16 А.

A = I U Δ t = 16 · 220 · 10 = 35200 ( Д ж ) = 35 , 2 ( к Д ж )

Закон Джоуля-Ленца

В случае, когда на участке цепи не совершается механическая работа, и ток не производит химических действий, происходит только нагревание проводника. Нагретый проводник отдает теплоту окружающим телам.

Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем (1818—1889) и русским Э.Х. Ленцем (1804—1865). Закон Джоуля—Ленца сформулирован следующим образом:

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

Количество теплоты измеряется в Джоулях (Дж).

Пример №2. Определить, какое количество теплоты было выделено за 2 минуты проводником при напряжении 12 В и сопротивлении 2 Ом.

Используем закон Ома и закон Джоуля—Ленца:

Q = I 2 R Δ t = ( U R . . ) 2 Δ t = U 2 R . . Δ t = 12 2 2 . . = 72 ( Д ж )

Мощность тока

Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель и пр.) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощности тока.

Мощность тока — это работа, производимая за 1 секунду. Обозначается как P. Единица измерения — Ватт (Вт).

Численно мощность тока равна отношению работы тока за время ∆t к этому интервалу времени:

Это выражение для мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах, если использовать закон Ома для участка цепи:

P = I U = I 2 R = U 2 R . .

Пример №3. При силе тока в электрической цепи 0,3 А сопротивление лампы равно 10 Ом. Определите мощность электрического тока, выделяющуюся на нити лампы.

P = I 2 R = 0 , 3 2 · 10 = 0 , 9 ( В т )

Выразив силу тока через заряд, прошедший за единицу времени, получим:

Мощность тока равна мощности на внешней цепи. Ее также называют мощностью на нагрузке, полезной мощностью или тепловой мощностью. Ее можно выразить через ЭДС:

P = ( ε R + r . . ) 2 R

Мощность тока на внешней цепи будет максимальная, если сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению: R = r.

P m a x = ( ε r + r . . ) 2 r = ε 2 4 r . .

Мощность тока внутренней цепи:

P в н у т р = I 2 r = ( ε R + r . . ) 2 r

P п о л н = I 2 ( R + r ) = ε 2 R + r . .

Пример №4. ЭДС постоянного тока ε = 2 В, а его внутреннее сопротивление r = 1 Ом. Мощность тока в резисторе, подключенном к источнику, P = 0,75 Вт. Чему равно минимальное значение силы тока в цепи?

Используем формулу для нахождения полезной мощности:

P = ( ε R + r . . ) 2 R

Применим закон Ома для полной цепи:

Выразим сопротивление внешней цепи:

P = ( ε ε I . . − r + r . . ) 2 ( ε I . . − r ) = I 2 ( ε I . . − r ) = I ε − r I 2

Так как внутреннее сопротивление равно единице, получаем квадратное уравнение следующего вида:

r I 2 − I ε + P = 0

I 2 − 1 I + 0 , 75 = 0

Решив это уравнение, получим два корня: I = 0,5 и I = 1,5 А. Следовательно, наименьшая сила тока равна 0,5 А.

Подсказки к задачам

Конденсатор в цепи постоянного тока

Постоянный ток через конденсатор не идет, но заряд на нем накапливается, и напряжение между обкладками поддерживается. Напряжение на конденсаторе такое же, как на параллельном ему участке цепи.

Ток не проходит через те резисторы, что соединены с конденсатором последовательно. При расчете электрической цепи их сопротивления не учитывают.

Подсказки к задачам

W = q 2 2 C . . = C U 2 2 . .

Пример №5. К источнику тока с ЭДС ε = 9 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом подключили параллельно соединенные резистор с сопротивлением R = 8 Ом и плоский конденсатор, расстояние между пластинами которого d = 0,002 м. Какова напряженность электрического поля между пластинами конденсатора?

Напряжение на конденсаторе равно напряжению на резисторе, так как он подключен к нему последовательно. Чтобы найти это напряжение, сначала выразим силу тока на этом резисторе:

Применим закон Ома:

Приравняем правые части выражений и получим:

Отсюда напряжение на конденсаторе равно:

Напряженность электрического поля равна:

E = U d . . = ε R d ( R + r ) . . = 9 · 8 0 , 002 ( 8 + 1 ) . . = 72 0 , 018 . . = 4000 ( В м . . )

Вольтметр подключён к клеммам источника тока с ЭДС ε = 3 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом, через который течёт ток I = 2 А (см. рисунок). Вольтметр показывает 5 В. Какое количество теплоты выделяется внутри источника за 1 с?

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля — Ленца — ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Тип урока: урок общеметодологической направленности.

Читайте так же:
Ток теплового расцепителя двигателя

Используемые технологии: здоровьесбережения, информационно-коммуникационные, развития критического мышления, развития исследовательских навыков.

Цели: познакомить учащихся с законом Джоуля — Ленца; дать представление о нагревании проводников при прохождении электрического тока с точки зрения закона сохранения и превращения энергии.

Формируемые УУД: предметные: научиться объяснять явление нагревания проводников при прохождении электрического тока, применяя закон сохранения и превращения энергии; формулировать закон Джоуля — Ленца; рассчитывать количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику; метапредметные: планировать учебное сотрудничество с учащимися и учителем, работать индивидуально и в группе, находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций и отстаивания интересов, определять способы действий в рамках предложенных условий и требований; ставить учебную задачу, составлять план и последовательность действий, осуществлять контроль в форме сравнения результата и способа действий с эталоном с целью обнаружения отличий и отклонений от него; самостоятельно выделять познавательную цель, устанавливать причинно-следственные связи; формирование умения видеть физические явления и законы в технических решениях.

Приборы и материалы: источники тока, лампа накаливания, ключ, реостат, амперметр, вольтметр, медный, стальной, никелиновые провода, соединительные провода, электронное приложение к учебнику.

I. Организационный этап

(Учитель и ученики приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие.)

II. Актуализация знаний. Проверка домашнего задания

(Учитель проводит фронтальный опрос по вопросам и заданиям учебника. Два ученика записывают на доске решение дополнительной задачи.)

III. Изучение нового материала

Демонстрация 1. Соберем электрическую цепь, в которую последовательно включим лампу накаливания и реостат. Для измерения силы тока и напряжения на лампе применяем демонстрационные амперметр и вольтметр.

В проводнике при протекании тока происходит превращение электрической энергии во внутреннюю, и проводник нагревается. Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается? Вы неоднократно наблюдали тепловое действие тока в бытовых приборах. На опыте с лампой накаливания вы убедились, что накал лампы возрастал при увеличении тока. Но нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.

Демонстрация 2. Опыт, показывающий тепловое действие тока в цепочке, состоящей из трех последовательно соединенных проводников разного сопротивления: медного, стального и никелинового. Ток во всех последовательно соединенных проводниках одинаков. Количество же выделяющейся теплоты в проводниках разное.

Вывод. Нагревание проводников зависит от их сопротивления. Чем больше сопротивление проводника, тем больше он нагревается.

(Ученики отвечают на вопросы.)

— Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?

— Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?

Работу силы тока рассчитывают по формуле

Кроме того, вам известно, что в неподвижных проводниках вся работа тока идет лишь на нагревание проводников, т. е. на то, чтобы увеличить их внутреннюю энергию.

Следовательно, количество теплоты равно

Из закона Ома для участка цепи

Сформулируем закон Джоуля — Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Необходимо заметить, что формулы вообще говоря, не идентичны. Дело в том, что первая формула всегда определяет превращение электрической энергии во внутреннюю, т. е. количество теплоты. По другим формулам в общем случае определяют расход электрической энергии, идущей как на нагревание, так и на совершение механической работы. Для неподвижных проводников эти формулы совпадают.

(Учитель демонстрирует учащимся анимационный ролик 112 “Закон Джоуля — Ленца” из электронного приложения к учебнику.)

IV. Закрепление изученного материала

(Ученики коллективно разбирают решение задач.)

1. Две проволоки одинаковой длины и сечения — железная и медная — соединены параллельно. В какой из них выделится большее количество теплоты?

Решение. Медная проволока обладает меньшим удельным сопротивлением по сравнению с железной, следовательно, и ее сопротивление будет меньше при одинаковых размерах проволоки. При параллельном включении напряжение на проволоках будет одинаковым, следовательно, учитывая выражение большее количество теплоты выделится на проволоке, обладающей меньшим сопротивлением, т. е. на медной.

2. Спираль электрической плитки укоротили. Как изменится количество выделяемой в ней теплоты, если плитку включить в то же напряжение?

Решение. Уменьшение длины спирали приведет к уменьшению ее сопротивления, а значит, к возрастанию выделяемого количества теплоты при включении в такое же напряжение.

3. Какое количество теплоты выделится в течение часа в проводнике сопротивлением 10 Ом при силе тока 2 А?

4. Определите количество теплоты, которое дает электроприбор мощностью 2 кВт за 10 мин работы.

(Ученики оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала, заполнив анкету.)

1. Вспомни и запиши тему урока.

2. Какие термины, факты, закономерности ты усвоил(а) на уроке?

3. Считаешь ли ты полезными, интересными полученные знания?

4. Какую оценку за урок ты бы себе поставил(а)?

1. § 53 учебника, вопросы к параграфу.

2. Выполнить упр. 37 нас. 151 учебника.

3. Подготовить доклад (по желанию). Примерные темы докладов: “Первое электрическое освещение свечами П.Н. Яблочкова”, “Лампы накаливания и история их изобретения”, “Использование теплового действия тока в промышленности и сельском хозяйстве”, “Электрические нагревательные приборы”.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889)

Родился Джоуль в Манчестере 24 декабря 1818 г., по профессии был пивоваром. Первые работы Джоуля в физике связаны с изобретением электромагнитных аппаратов, которые были ярким примером превращаемости физических сил.

Джоуль был прекрасным экспериментатором. Исследуя законы выделения теплоты электрическим током, он понял, что опыты с гальваническими источниками не дают возможности ответить на вопрос, какой вклад в нагрев проводника вносит переносимая теплота химических реакций, а какой — сам ток. В результате многочисленных опытов Джоуль пришел к выводу, что теплоту можно получать с помощью механических сил.

В 1843 г. Джоуль нашел механический эквивалент теплоты. Эту величину впоследствии он определял различными способами. Опыты Джоуля просты по идее, но в каждом из них можно найти какую-нибудь экспериментальную тонкость. Например, для предотвращения движения всей массы воды к боковым стенкам калориметра в радиальном направлении были прикреплены четыре ряда пластинок; в целях теплоизоляции металлическая ось разделена на две части деревянным цилиндром.

Читайте так же:
Выключатели автоматические ток срабатывания теплового расцепителя

Джоуль внес большой вклад в кинетическую теорию газов, открыв вместе с Томсоном эффект изменения температуры газа при его расширении (Эффект Джоуля — Томсона). Из работ Джоуля непосредственно следовало, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. Все это, несомненно, способствовало утверждению и признанию закона сохранения и превращения энергии, открытие которого явилось величайшим завоеванием науки XIX в.

Значение этого закона для науки трудно переоценить. На основе законов сохранения, и в частности закона сохранения и превращения энергии, в науке и технике производятся различные расчеты, предсказываются новые эффекты и явления, с материалистических позиций оцениваются открытия. Если, скажем, новая теория или проект новой установки не противоречат закону сохранения и превращения энергии, то это служит убедительным аргументом в их пользу.

Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца

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 .

Плотность тока в проводнике

– площадь поперечного сечения проводника; – средняя скорость упорядоченного движения зарядов в проводнике;
n
– концентрация зарядов.

Электродвижущая сила, действующая в цепи,

– работа сторонних сил;
q
0 – единичный положительный заряд,

(участок цепи 1 – 2),

где – напряженность поля сторонних сил.

Разность потенциалов между двумя точками цепи

где – напряженность электростатического поля; – проекция вектора на направление элементарного перемещения .

Напряжение на участке 1 – 2 цепи

где (j1 – j2) – разность потенциалов между точками цепи; – ЭДС, действующая на участке 1 – 2 цепи.

Сопротивление однородного линейного проводника, проводимость G

проводника и удельная электрическая проводимость g вещества проводника:

где r – удельное электрическое сопротивление; S

– площадь поперечного сечения проводника; – его длина.

(для однородного участка цепи),

(для неоднородного участка цепи),

(для замкнутой цепи),

– напряжение на участке цепи;
R
– сопротивление цепи (участка цепи); (j1 – j2) – разность потенциалов на концах участка цепи; e12 – ЭДС источников тока, входящих в участок; e – ЭДС всех источников тока в цепи.

Зависимость удельного сопротивления rи сопротивления R

где r и r0, R

и
R
0 – соответственно удельное сопротивление и сопротивление проводника при
t
и 0°С; a – температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов (при не очень низкой температуре) близкий к .

Закон Ома в дифференциальной форме

где – плотность тока; – напряженность электростатического поля; g – удельная электрическая проводимость вещества проводника.

– напряжение, приложенное к концам однородного проводника;
I
– сила тока в проводнике;
R
– сопротивление проводника;
dq
– заряд, переносимый через сечение проводника за промежуток времени
dt
.

– напряжение, приложенное к концам однородного проводника;
I
– сила тока в проводнике;
R
– его сопротивление.

Закон Джоуля – Ленца

– количество теплоты, выделяющееся в участке цепи за промежуток времени
dt; U
– напряжение, приложенное к концам участка цепи;
I
– сила тока в цепи;
R
– сопротивление участка.

Закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме

где w– удельная тепловая мощность тока; j

– плотность тока;
Е
– напряженность электростатического поля; g – удельная электрическая проводимость вещества.

Контактная разность потенциалов на границе двух металлов 1 и 2

1
, A
2 – работы выходов свободных электронов из металлов;
k
– постоянная Больцмана;
n
1
, n
2 – концентрации свободных электронов в металлах.

Термоэлектродвижущая сила в цепи из разнородных проводников, контакты между которыми имеют различные температуры

– постоянная Больцмана;
е
– элементарный заряд; (
Т
1
– Т
2) – разность температур спаев.

Формула Ричардсона – Дешмана

где – плотность тока насыщения термоэлектронной эмиссии; С

– постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов;
А
– работа выхода электрона из металла.

Соединение n

одинаковых элементов (источников тока) электрической цепи постоянного тока:

Схема электрической цепиЗакон Ома

– внутреннее сопротивление каждого источника;
R
– внешнее сопротивление цепи; e – ЭДС источника.

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.
Читайте так же:
Тепловое действие тока графики

Рис. 2. Бытовые нагревательные приборы: чайник, утюг, фен, электроплита.

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.

КПД источника тока

Для замкнутой цепи, мощность Pp

, выделяемая на внешнем участке цепи, называется
полезной мощностью
. Она равна
(

P_p = I^2 cdot R) .
С учетом закона Ома для участка цепи (

I = dfrac) полезную мощность можно найти, если известны любые две величины из трех: I

P_p = dfrac) .
Для замкнутой цепи, мощность Pt

, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника, называется
теряемой мощностью
. Она равна
(

P_t = I^2 cdot r) .
Полная мощность
P
источника тока равна
(

P = P_p + P_t = I^2 cdot R + I^2 cdot r = I^2 cdot left( R + r right). )
КПД источника тока

2.Плотность тока и сила тока

Для характеристики постоянного тока вводят две физические величины: векторную – плотность тока и скалярную – сила тока.

Плотностью тока называется физическая величина, определяющая заряд, прошедший через площадку
dS
за время
dt
следующим образом.

Пусть все частицы одинаковые и имеют заряд q и скорость υ

, которая называется средней или упорядоченной или дрейфовой скоростью.

Определение:
Силой тока
называется поток плотности тока через какую-либо поверхность.

Силу тока можно определять как заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время Δt

. Данное выражение используется для определения единицы заряда.

7.Закон Ома в дифференциальной форме

Плотность тока и напряженность вдоль проводника взаимосвязаны между собой. Разумно предположить, что это самая простая связь, т.е. линейная.

где σ – удельная электропроводность.

Данный закон является постулатом.

Для металлов закон выполняется почти всегда, для полуметаллов начинаются отклонения при очень больших плотностях тока. Для других линейную связь можно заменить тензорной и закон Ома замыкает уравнения Максвелла.

Из этого соотношения следует, что линии плотности тока и линии напряженности при постоянном токе совпадают, а, следовательно, распределение полей можно изучать по распределению тока (метод электролитической ванны).

Проверке по экономической плотности тока не подлежат:

сети промышленных предприятий и сооружений напряжением до 1 кВ при числе часов использования максимума нагрузки предприятий до 4000-5000;

ответвления к отдельным электроприемникам напряжением до 1 кВ, а также осветительные сети промышленных предприятий, жилых и общественных зданий;

сборные шины электроустановок и ошиновка в пределах открытых и закрытых распределительных устройств всех напряжений;

проводники, идущие к резисторам, пусковым реостатам и т. п.;

сети временных сооружений, а также устройства со сроком службы 3-5 лет.

Расчет размера сечения по нагрузке

Простейший способ подбора кабеля с нужным размером — расчет сечения провода по суммарной мощности всех подключаемых к линии агрегатов.
Алгоритм расчетных действий следующий:

  • для начала определимся с агрегатами, которые предположительно могут использоваться нами одновременно. Например, в период работы бойлера нам вдруг захочется включить кофемолку, фен и стиралку;
  • затем согласно данным техпаспортов или согласно приблизительным сведениям из приведенной ниже таблицы банально суммируем мощность одновременно работающих по нашим планам бытовых агрегатов;
  • предположим, что в сумме у нас вышло 9,2 кВт, но конкретно этого значения в таблицах ПУЭ нет. Значит, придется округлить в безопасную большую сторону – т.е. взять ближайшее значение с некоторым превышением мощности. Это будет 10,1 кВт и соответствующее ему значение сечения 6 мм².

Все округления «направляем» в сторону увеличения. В принципе суммировать можно и силу тока, указанную в техпаспортах. Расчеты и округления по току производятся аналогичным образом.

Табличные значения не могут учесть индивидуальных особенностей устройства и эксплуатации сети. Специфика у таблиц среднестатистическая. Не приведены в них параметры максимально допустимых для конкретного кабеля токов, а ведь они отличаются у продукции с разными марками. Весьма поверхностно затронут в таблицах тип прокладки.

Начнем с освоения азов: запомним на практике выведенный интервал 6 — 10. Это значения, полученные электриками многолетним «опытным путем». В указанных пределах варьирует сила тока, протекающего по 1 мм² медной жилы. Т.е. кабель с медной сердцевиной сечением 1 мм² без перегрева и оплавления изоляции предоставляет возможность току от 6 до 10 А спокойно достигать ожидающего его агрегата-потребителя. Разберемся, откуда взялась и что означает обозначенная интервальная вилка.

Согласно кодексу электрических законов ПУЭ 40% отводится кабелю на неопасный для его оболочки перегрев, значит:

  • 6 А, распределенные на 1 мм² токоведущей сердцевины, являются нормальной рабочей плотностью тока. В данных условиях проводник работать может бесконечно долго без каких-либо ограничений по времени;
  • 10 А, распределенные на 1 мм² медной жилы, протекать по проводнику могут краткосрочно. Например, при включении прибора.

Предлагаем ознакомиться Сколько стоит построить баню своими руками: из бревна, блоков, сруба или бруса под ключ
Потоку энергии 12 А в медном миллиметровом канале будет изначально «тесно». От тесноты и толкучки электронов увеличится плотность тока. Следом повысится температура медной составляющей, что неизменно отразиться на состоянии изоляционной оболочки.

Обратите внимание, что для кабеля с алюминиевой токоведущей жилой плотность тока отображает интервал 4 – 6 Ампер, приходящийся на 1 мм² проводника.

Выяснили, что предельная величина плотности тока для проводника из электротехнической меди 10 А на площадь сечения 1 мм², а нормальные 6 А. Следовательно:

  • кабель с жилой сечением 2,5 мм² сможет транспортировать ток в 25 А всего лишь несколько десятых секунды во время включения техники;
  • он же бесконечно долго сможет передавать ток в 15А.

Приведенные выше значения плотности тока действительны для открытой проводки. Если кабель прокладывается в стене, в металлической гильзе или в пластиковом кабель канале, указанную величину плотности тока нужно помножить на поправочный коэффициент 0,8. Запомните и еще одну тонкость в организации открытого типа проводки. Из соображений механической прочности кабель с сечением меньше 4 мм² в открытых схемах не используют.

Суперсложных вычислений снова не будет, расчет провода по предстоящей нагрузке предельно прост.

  • Сначала найдем предельно допустимую нагрузку. Для этого суммируем мощность приборов, которые предполагаем одновременно подключать к линии. Сложим, например, мощность стиральной машины 2000 Вт, фена 1000 Вт и произвольно какого-либо обогревателя 1500 Вт. Получили мы 4500 Вт или 4,5 кВт.
  • Затем делим наш результат на стандартную величину напряжения бытовой сети 220 В. Мы получили 20,45…А, округляем до целого числа, как положено, в большую сторону.
  • Далее вводим поправочный коэффициент, если в нем есть необходимость. Значение с коэффициентом будет равно 16,8, округленно 17 А, без коэффициента 21 А.
  • Вспоминаем о том, что рассчитывали рабочие параметры мощности, а нужно еще учесть предельно допустимое значение. Для этого вычисленную нами силу тока умножаем на 1,4, ведь поправка на тепловое воздействие 40%. Получили: 23,8 А и 29,4 А соответственно.
  • Значит, в нашем примере для безопасной работы открытой проводки потребуется кабель с сечением более 3 мм², а для скрытого варианта 2,5 мм².
Читайте так же:
Основные элементы электрической цепи тепловозов постоянного тока

Предлагаем ознакомиться Почему дымит баня при растопке

Плотность тока в проводнике формула

Не забудем о том, что в силу разнообразных обстоятельств порой включаем одновременно больше агрегатов, чем рассчитывали. Что есть еще лампочки и прочие приборы, незначительно потребляющие энергию. Запасемся некоторым резервом сечения на случай увеличения парка бытовой техники и с расчетами отправимся за важной покупкой.

Урок физики в 8-м классе по теме «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля – Ленца»

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

Вспомним некоторые вопросы, которые потребуются, чтобы изучить новую тему:

1. Какие три величины связывают закон Ома?

(I, U, R; сила тока, напряжение, сопротивление.)

2. Как формулируется закон Ома?

(Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.)

3. Что представляет собой электрический ток в металлах?

(Эл-ий Ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов )

4. Какова зависимость силы тока от напряжения?

( Во сколько раз увеличивается напряжение в цепи, во столько же раз увеличивается и сила тока)

5. Как выразить работу тока за некоторое время?

6. Как рассчитать мощность электрического тока?

7. При каком соединении все потребители находятся при одной и той же силе тока?

(При последовательном соединении)

III. Новый материал.

На (слайде 4) изображены электроприборы(потребители электрического тока):

утюг, электроплитка, электрическая лампа, электрическая дрель, электрический чайник, паяльник
вопросы к учащимся:

Назвать приборы изображенные на слайде.

Какой прибор не вписывается в общий ряд? Уберите лишний.

Чем вы руководствовались, делая выбор?

Какое действие электрического тока проявляется в выбранных приборах?

Выяснить, почему проводники нагреваются? (слайд 5)

Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение

электронов. Провод — это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь»

между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам, заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия

ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника,

и следовательно его температура. А это и значит что, проводник нагревается

От каких величин зависит нагревание проводника? (слайд 6)

Многочисленные опыты показывают, что чем больше сила тока в проводнике тем и количество теплоты, выделившееся в проводнике будет больше. Значит, нагревание проводника зависит от силы тока ( I ).

(Чем больший электрический заряд пройдет через поперечное сечение проводника в единицу времени, тем большее количество теплоты он выделит)

Но не только сила тока отвечает за то, что выделяется большое количество теплоты.

Был проведен эксперимент.

(Были взяты 3 проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения, но из разного вещества. Все проводники соединены между собой последовательно. Следовательно, сила тока на всех участках цепи одинаковая. Но при включении в цепь все 3 проводника выделили разное количество теплоты.

Следовательно, количество теплоты зависит не только от силы тока, но и от того, из какого вещества изготовлен проводник. Точнее — от электрического сопротивления проводника ( R )

(Сравнить удельное сопротивление проводников в таблице)

Вопр. Что нужно чтобы проводник нагревался сильнее?

Вывод: Чтобы проводник нагревался сильнее, он должен обладать большим удельным сопротивлением.

От чего зависит количество теплоты в проводнике с током?

Вывод: Количество теплоты, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, зависит от силы тока в этом проводнике и от его электрического сопротивления.

Закон, определяющий тепловое действие тока – ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

Рассказать о английском физике Джеймсе Прескотте Джоулье (1818-1889 гг.)

и русском физике Ленц Эмилий Христианович (1804 – 1865)

Как записывается закон Джоуля-Ленца

Q = I 2 Rt

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Q – количество теплоты — [Дж]

I – сила тока – [ A ]

R – сопротивление – [Ом]

t – время – [ c ]

Формулу, которую мы получили, в точности соответствует формуле, которую мы изучили ранее. Это формула работы электрического тока

A = UIt из закона Ома I = U / R следует U = IR следовательно A = IRIt что соответствует закону Джоуля-Ленца Q = I 2 Rt

Вывод: Количество теплоты электрического тока равно работе электрического тока.

IV. Закрепление (Систематизация знаний)

1) В чем проявляется тепловое действие тока?

(В нагревании проводника)

2) Как можно объяснить нагревание проводника с током?

(Движущиеся электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и передают им свою энергию)

3) Какие превращения энергии происходят при протекании тока через проводник?

(Электрическая энергия превращается во внутреннюю)

4) Как по закону Джоуля – Ленца рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике?

V. Решение задач

Определить количество теплоты, выделяемое проводником, сопротивление которого 35 Ом, в течении 5 минут. Сила тока в проводнике 5 А.

Надпись: Си - 300с - Надпись: Решение: Q=I2Rt Q= (5A)2 .35 Ом . 300 с = 262500Дж = = 262,5 кДж Ответ: Q=262,5 кДж

VI. Решение типовых задач по содержательным линиям экзаменационных работ ОГЭ 2016 года

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector