Azotirovanie.ru

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

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

Еще в девятнадцатом веке опыты по изучению проводимости свидетельствовали, что ток, проходящий по нагрузке, нагревает ее. Исследования показали, что нагревается не только нагрузка, но и проводники.

Тепловое действие электрического тока

Рис. 1. Тепловое действие электрического тока.

Данный факт легко объясним, если вспомнить, что электрический ток – это перемещение зарядов в веществе нагрузки. При движении заряды взаимодействуют с ионами кристаллической решетки, и отдают им часть энергии, которая и переходит в тепло.

Применение электрической энергии в домашнем быту

Наряду с успехами, которые делает электрификация в Советском Союзе, с каждым годом проникая все глубже и глубже в различные отрасли народного хозяйства и захватывая новые области (транспорт, сельское хозяйство), есть одна область, которой она до настоящего времени совсем почти не коснулась, если не считать электрического освещения, — это домашний быт.

А между тем, самый беглый обзор тех преимуществ, которые дает применение электричества в домашнем быту, заставляет обратить на развитие электрификации быта самое серьезное внимание, в особенности, при проектировании и строительстве новых социалистических городов.

Электричество в домашнем быту улучшает гигиенические условия жизни и облегчает выполнение домашних работ. Поддержание в чистоте кухонь, обслуживаемых электричеством, обходится значительно дешевле — нет копоти, золы, остатков несгоревшего топлива, исключена возможность попадания в кухонные помещения вредных продуктов сгорания и светильного газа, что может иметь место в случае применения газа, а потому нет необходимости в усиленной вентиляции помещения кухонь, что приходится делать, в особенности, в больших кухнях, при массовом приготовлении пищи (в ресторанах, столовых, больницах и т. п.). Электрические плиты излучают меньше тепла, чем плиты с открытым пламенем (угольные или газовые), так как температуры нагревания, с которыми приходится иметь дело в электрических плитах, значительно ниже, чем в случае применения угольных, дровяных или газовых плит, так как эти температуры определяются исключительно потребностью в тепле того процесса, который совершается на плите (варка, печение или жарение того или иного количества определенного продукта) и не находится ни в какой зависимости от процессов горения топлива, как-то имеет место в плитах с открытым пламенем. Вследствие этого в помещении электрической кухни обычно менее высокая температура, что особенно важно летом. Равномерность температуры и возможность поддерживания ее в границах, необходимых для приготовления данного блюда, является отличительной особенностью электрической плиты, благодаря чему почти исключена возможность порчи пищи от неправильного нагревания ее и, в частности, пригорания масла.

Значительное сбережение времени и сил дает употребление для стирки белья аппарата с центрифугой.

Электрические аппараты для нагревания воды, которые, нагреваясь ночным током, утром предоставляют в распоряжение потребителя воду, подогретую до высокой температуры, ускоряют приготовление утреннего чая, кофе и т. п.; применение горячей воды ускоряет также и процесс приготовления всякого рода супов.

Вообще применение электричества в домашнем быту увеличивает степень механизации последнего, позволяет, с одной стороны, избежать применения в хозяйстве труда домашних работниц и, с другой стороны, значительно облегчает и сокращает труд женщин в домашнем быту и позволяет им посвятить освободившееся время труду на производстве или общественной работе.

Самое же важное в условиях советского Союза это то, что облегчая возможность введения общественного питания и механизацию отдельных процессов домашнего хозяйства и позволяя осуществлять их с меньшей затратой времени, сил и средств в центральных предприятиях, электрификация быта может оказать большое влияние на скорейшее внедрение в домашний быт коллективизации.

Электричество в домашнем быту за границей

Применение электричества в домашнем быту за-границей — дело не новое. В некоторых странах за последние годы оно получило значительное развитие. Наибольшее распространение применение электричества в домашнем быту получило в Швейцарии, Северо-Американских Соединенных Штатах и в Германии; менее значительное — в Норвегии, Великобритании, Австрии, Франции, Бельгии и Японии.

Швейцария. В Швейцарии из 4,5 млрд. квтч, произведенных в 1928 г. на электрических станциях, 410 млн. квтч, т. е. 9,1% использовано для домашних нужд. Интересно отметить, что потребление энергии на эту цель было более значительным, чем для целей железнодорожной тяги, которое было в том же году равно 7,1% [1]

Электрические кухни особенно значительное распространение получили среди деревенского населения, в районах, где не имеется газа [2]. Здесь не менее 200‑250 тыс. жителей пользуются электрической энергией для этой цели, потребляя в год 80‑100 млн. квтч. Одно из наиболее интересных применений электричества с точки зрения улучшения нагрузки станций в ночное время — это нагревание воды в ночное время в приборах, аккумулирующих тепло (Heißwasserspeicher), при чем потребление энергии таким прибором на одно лицо, пользующееся им, достигает от 0,5 до 1,5 квтч в день. Таких приборов в Швейцарии установлено до 10 тыс. штук и потребление ими энергии достигает 50 млн. квтч в год. Нагретая в приборах вода дальше идет на приготовление пищи и другие хозяйственные нужды. Так как около 50% общего количества калорий, потребных на приготовление пищи, идут на нагревание воды, использование ночного тока для этого процесса уменьшает на соответствующую величину нагрузку электрических станций в дневное время. Устанавливая низкие тарифы на электрическую энергию, отпускаемую ночью, электрические предприятия в Швейцарии добились за последние годы значительного улучшения использования электрических станций в ночное время. Некоторые станции в настоящее время загружены ночью почти в той же степени, что и днем. В частности, Базельская электрическая станция имеет присоединенными к своей сети 5.400 таких приборов на общую установленную мощность 10 тыс. квтч. Ночная нагрузка этой станции от 24 до 6 часов составляет 76% зимнего максимума [3]. В среднем же по всем электрическим станциям Швейцарии отношение пика ночной нагрузки к пику дневной равно в настоящее время 3:10 и отношение минимума ночной нагрузки к минимуму дневной 6:6,5 [4].

Читайте так же:
Трансформатор тепловое действие тока

Закон Джоуля-Ленца

Поскольку разность потенциалов (напряжение) на нагрузке равна работе, которую совершит единичный заряд, двигаясь по нагрузке, то для вычисления работы тока, необходимо напряжение умножить на заряд, прошедший через нагрузку. Заряд же равен произведению тока, проходящего по нагрузке, на время прохождения. Таким образом:

Детальным изучением теплового действия электрического тока в середине XIXв занимались независимо Д.Джоуль (Великобритания) и Э.Ленц (Россия).

Джоуль и Ленц

Рис. 2. Джоуль и Ленц.

Было выяснено, что если нагрузка неподвижна, то вся работа электрического тока в этой нагрузке перейдет в тепло:

Как правило, напряжение на элементах электрической цепи различно, а ток в ней общий. Поэтому для определения теплового действия удобнее выразить напряжение через ток, учитывая сопротивление:

То есть, количество тепла, образующееся в нагрузке, равно произведению значения тока в квадрате, сопротивления и времени. Этот вывод носит название Закона Джоуля-Ленца.

Иногда ток нагрузки неизвестен, но известно ее сопротивление и подводимое напряжение. В этом случае удобнее выразить ток через известные величины:

и, подставив в формулу выше, получаем:

Из данной формулы можно видеть интересный факт – если в нагревательной плите сгорит часть спирали, и мы просто исключим сгоревшие места, то сопротивление спирали уменьшится, а поскольку напряжение сети останется прежним, то тепло, выделяемое плитой, возрастет. Мощность плитки увеличится.

Практическое значение

Понятно, что количество выделяемого тепла зависит от плотности тока и проводимости определенного вещества. Наглядно соответствующие влияния можно регистрировать в ходе последовательного пропускания тока 2 и 50 А через контрольную медную жилу сечением 2 мм кв. Во втором эксперименте нагрев будет значительно сильнее. Его можно уменьшить, увеличив диаметр проводника.

Снижение потерь энергии

Рассмотренный пример демонстрирует нежелательное явление для линий электропередач. Использование части энергии на обогрев окружающего пространства увеличивает потери воздушных линий. Превышение порогового значения провоцирует разрушение жил, защитных оболочек. Чрезмерное повышение температуры – причина возникновения пожаров.

Подобные явления происходят, если выбрана чрезмерная сила тока, либо недостаточно поперечное сечение проводника. Количество тепла, выделяемого в линии, обратно пропорционально зависит от квадрата напряжения (U) на подключенном потребляющем устройстве. Повышением U можно уменьшить потери. Однако подобное действие увеличивает вероятность короткого замыкания, ухудшает общие параметры безопасности.

Выбор проводов для цепей

Отмеченные выше проблемы теплового разрушения в значительной мере зависят от удельного сопротивления (Rу). Для наглядности можно использовать материалы со значительно различающимися характеристиками.

Эксперимент с различными проводниками

Расчеты количества теплоты (Q, Дж) для образцов длиной 1 м сечением 1 мм кв. при силе тока 5А за 30 секунд:

  • медь – 12,75;
  • сталь – 75;
  • никелин – 315.

Особое внимание следует уделять параметрам силовых кабелей, которые должны сохранять целостность в процессе реальной эксплуатации. Как правило, бытовые линии монтируют в глубине строительных конструкций. Такой способ подразумевает хорошую защищенность от неблагоприятных внешних воздействий. Вместе с тем возрастают затраты на исправление ошибок и устранение последствий аварий.

Чтобы использовать кабельную продукцию правильно, следует руководствоваться тематическими нормативами, которые изложены в ПУЭ. Для упрощения выбора предлагаются специализированные таблицы, в которых приведены результаты расчетов с учетом следующих важных факторов:

  • тип изоляции;
  • длительность и величина перегрузок;
  • особенности прокладки.

Использование теплового действия электричества

Тепловое действие электрического тока находит широкое применение, в первую очередь, в нагревательных приборах.

Еще одним важным направлением использования теплового действия являются плавкие предохранители. Если необходимо отключить электрическую цепь при превышение допустимого тока, то в цепь можно включить плавкий предохранитель.

Устройство плавкого предохранителя

Рис. 3. Устройство плавкого предохранителя.

Это небольшая колба из негорючего материала, внутри которой проходит плавкая проволочка или лента, сопротивление которой рассчитано так, чтобы при превышении предельного тока она расплавилась, тем самым разорвав электрическую цепь.

Устройство обогревательных приборов

Обычно в конструкции всех приборов для нагревания есть металлическая спираль, в функцию которой и входит нагрев. Если нагревается вода, то спираль устанавливается изолированно, и в таких приборах предусматривается соблюдение баланса между энергией из сети и тепловым обменом.

Перед учеными постоянно ставится задача по снижению энергетических потерь и поиску лучших путей и наиболее эффективных схем их внедрения, чтобы уменьшить тепловое действие тока. Используется, например, способ повышения напряжения во время передачи энергии, благодаря чему сокращается сила тока. Но такой способ, в то же время, понижает безопасность функционирования линий электропередач.

Другим исследовательским направлением является выбор проводов. Ведь именно от их свойств зависят потери тепла и другие показатели. Кроме того, при работе нагревательных приборов происходит большое выделение энергии. Поэтому спирали изготавливаются из специально предназначенных для этих целей, способных выдержать высокие нагрузки, материалов.

Открытие теплового действия тока

Среди тепловых эффектов, производимых током батареи, самым наглядным, без сомнения, была дуга между двумя угольными проводниками. Уже в 1802 г. Кюрте заметил, что в момент замыкания цепи батареи с помощью железного проводника, соприкасающегося с куском древесного угля, появлялись искры настолько яркие, что они освещали окружающие предметы. Несколько лет спустя Джон Чилдрен <1778—1852) обнаружил, что некоторые кусочки угля, помещенные в цепь, «распространяли такой яркий свет, что даже сияние солнечного диска казалось слабым по сравнению с ним».

Читайте так же:
Электрический двигатель тепловое действие электрического тока

Открытие теплового действия тока

Но поистине эффектное явление продемонстрировал в 1810 г. Дэви с помощью большой батареи, состоявшей из 2000 элементов и построенной им на средства Королевского института. Помимо различных опытов по быстрому накаливанию и расплавлению металлов, которыми он поражал публику на своей первой лекции, проведенной после сооружения этой колоссальной батареи, Дэви также провел опыт с кусками угля длиной с дюйм и толщиной в шестую часть дюйма, включенными в цепь батареи. После того как цепь была замкнута, проскочила ярчайшая искра и куски угля накалились добела более чем на половину своей длины, «. когда же оба куска угля стали удалять друг от друга, образовался непрерывный разряд через раскаленный воздух на расстоянии по крайней мере в четыре дюйма в виде необыкновенно яркой широкой световой дуги конической формы, обращенной выпуклостью вверх».

Дэви сразу же проверил, насколько высока температура этой дуги, которая плавила платину, «как будто то был воск в пламени свечи». Длину дуги можно было увеличивать, помещая ее под колпак пневматической машины и разрежая воздух, и если разреженность была достаточно сильной, удавалось получать дугу очень эффектного пурпурного цвета длиной в шесть или семь дюймов.

Ясно, что опыт Дэви, для которого требовалась мощная батарея, повторить было нелегко. Поэтому, когда десять лет спустя, в июле 1820 г., Де ла Риву удалось повторить этот опыт перед Женевским Научным Обществом, это показалось вещью настолько новой, что вплоть до сегодняшнего дня некоторые историки приписывают это открытие женевскому физику.

Если опыт с дугой поражал своей эффектностью, то другие тепловые явления казались весьма запутанными. Так, проведя по совету Волластона опыт с двумя платиновыми проволоками, Чилдрен (1815 г.) обнаружил, что из двух платиновых проволок одинаковой длины, но разного диаметра, подключенных в цепь последовательно, раскалялась только более тонкая, тогда как при параллельном включении раскалялась только более толстая. Дэви (1821 г.), нагревая лампой часть цепи, добивался уменьшения температуры другой ее части, а охлаждая ее льдом, получал увеличение температуры другой части.

Открытие теплового действия тока

Вплоть до 1841 г. все попытки объяснить эти и многие другие странные явления оказывались несостоятельными, но все более укреплялось мнение, что нагревание проводников связано с сопротивлением, которое они оказывают проходящему через них току, так что большему сопротивлению соответствует большее выделение тепла. Это мнение было высказано еще Киннерсли по поводу тепла, выделяемого разрядом лейденской банки. Основываясь на упомянутых выше опытах, Дэви пошел дальше, утверждая, что «. проводящая способность металлов меняется с изменением температуры и уменьшается в том же отношении, в каком растет температура».

Этот закон сейчас хорошо известен, гораздо менее известно, кто открыл его.

Действия и мощность тока

Как можно узнать – есть ли в проводнике электрический ток? Заглянуть внутрь проводника невозможно, но, оказывается, это и не нужно. Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается хотя бы одним из особых явлений – действий тока. Всего в физике и технике известно три действия тока: магнитное, химическое и тепловое. Рассмотрим их.

_?_

Слева вы видите опыт, иллюстрирующий магнитное действие тока. К источнику электроэнергии двумя проводами подключим катушку с проволокой и стальным стержнем внутри. При включении тока катушка станет магнитом и начнёт притягивать стальные предметы, например гвозди.

Магнитное действие тока наблюдается вокруг любых проводников: толстых или тонких, прямых или свитых в спираль, горячих или холодных, твёрдых, жидких или газообразных.

На этом рисунке показан опыт, иллюстрирующий химическое действие тока. В стакан с раствором сульфата меди CuSO4 опустим два угольных стержня. Через несколько минут на стержне, подключённом к «–», образуется тонкий слой ярко-красного цвета. Это чистая медь, выделившаяся из раствора. В опыте наблюдалась химическая реакция, вызванная электрическим током, в результате которой одно вещество (сульфат меди) превратилось в другое (чистую медь).

Химическое действие тока, как правило, наблюдается в жидких проводниках и сравнительно реже – в газообразных. В твёрдых проводниках химические реакции протекать не могут, так как в них отсутствуют подвижные ионы, являющиеся «носителями» химических свойств вещества.

_?_

Тепловое действие тока встречается, например, в утюгах, электрокаминах и лампах. Утюг горяч настолько, что нельзя притронуться рукой; спирали камина нагреты ещё сильнее: до «красного каления», а спираль лампочки – даже до «белого каления». Жидкие и газообразные проводники также нагреваются при прохождении через них тока.

Почему же проводники нагреваются? Рассмотрим металлический проводник. Ток в нём – это направленное движение электронов, которым приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электронов передаётся ионам, заставляя их колебаться сильнее, с большим размахом. А это и означает, что проводник нагревается. В жидких и газообразных проводниках движущиеся электроны и/или ионы наталкиваются на молекулы и/или атомы, «расшатывают» их, увеличивают их кинетическую энергию, что и означает возрастание температуры (см. § 7-в).

Читайте так же:
Большее тепловое действие электрического тока выражено в сердце

Итак, при наличии в проводнике тока происходит превращение электрической энергии (энергии зарядов в электрическом поле) в другие виды энергии, например внутреннюю. И скорость превращения электроэнергии можно выразить количественно. Для этого служит физическая величина мощность тока. О том, какими приборами её измеряют, мы поговорим в следующей теме, а пока приведём примеры токов различной мощности.

_?_

Возьмём три лампы с надписями: 40 Вт, 60 Вт и 75 Вт. Вкрутив их в люстру, мы обнаружим, что 75-ваттная лампа в каждый момент времени даёт явно больше тепла и света, чем лампа мощностью 40 Вт или 60 Вт. Другими словами, скорость превращения электроэнергии в тепловую и световую энергию в этих лампах различна.

Итак, мощность электротока – физическая величина, показывающая скорость превращения электроэнергии в другие виды энергии.

Вспомним, что 1 Вт = 1 Дж/с (см. § 5-в). Это значит, что при мощности тока 1 Вт энергия превращается со скоростью 1 джоуль в секунду. Тогда для тока мощностью 100 Вт это равно 100 Дж/с. Другими словами, лампа мощностью 75 Вт ежесекундно тратит 75 Дж электроэнергии и превращает их в тепло и свет.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Виды источников электрического тока

Существуют следующие виды источников электрического тока:

  • механические;
  • тепловые;
  • световые;
  • химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

  1. Гальванические
  2. Аккумуляторы
  3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

  1. Солевые;
  2. Щелочные;
  3. Литиевые.

Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

  1. Свинцово-кислотные;
  2. Литий-ионные;
  3. Никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Читайте так же:
Тепловое действие электрического тока закон джоуля ленца формула

Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.

ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

Какими явлениями сопровождается электрический ток?

Подключение проводника к источнику питания провоцирует взаимодействие носителей зарядов с молекулярной структурой соответствующего вещества. При определенных условиях этот процесс сопровождается нагревом. Тепловое действие тока используют при создании ТЭНов, предохранителей, других устройств. Примеры расчетов и другие полезные сведения из этой публикации помогут решать различные практические задачи.


Простой эксперимент демонстрирует, как происходит повышение температуры проводника

Тепловое действие электрического тока

Еще в девятнадцатом веке опыты по изучению проводимости свидетельствовали, что ток, проходящий по нагрузке, нагревает ее. Исследования показали, что нагревается не только нагрузка, но и проводники.

Тепловое действие электрического тока

Рис. 1. Тепловое действие электрического тока.

Данный факт легко объясним, если вспомнить, что электрический ток – это перемещение зарядов в веществе нагрузки. При движении заряды взаимодействуют с ионами кристаллической решетки, и отдают им часть энергии, которая и переходит в тепло.

электрический ток

Последствия электрического удара

Он характеризуется тем, что резко возбуждает нервные окончания клеток тканей в месте прохождения импульса. Возникают спонтанные хаотичные сокращения мышечной ткани.

Степени поражения электрическим ударом в зависимости от состояний организма человека

Степень пораженияСостояние
1Мышечные судороги, полное сознание
2Мышечные судороги, отсутствие сознания
3Замирание диафрагмы, сердце работает
4Прекращение дыхания, паралич сердца – клиническая смерть

Остановка сердца

Жизненно-важный орган перестаёт функционировать от поражения током сердечной мышцы. Такое происходит, когда электроток стремится пройти напрямую через грудину.


Пути прохождения тока

Фибрилляция

Сердце нормально работает, когда все желудочки ритмично прокачивают кровь. Ток может вызвать трепетание сердца. В результате живой насос перестаёт выполнять свою функцию. Кровь перестаёт циркулировать в сосудах, резко падает давление, и через 5-8 минут может наступить смерть. Вовремя оказанная первая помощь (совместное применение непрямого массажа сердца с искусственным дыханием) может пострадавшего спасти.

Электрический шок

От удара током наступает тяжёлое нервно-рефлекторное состояние организма. Падает кровяное давление, замирают органы дыхания, возникают проблемы с обменом веществ. Человек оказывается в полном ступоре от десяти-пятнадцати минут, может оставаться в таком состоянии в течение суток. В случае неоказании экстренной помощи травмированный человек может погибнуть. Вовремя оказанная помощь приведёт к тому, что пострадавший полностью выздоровеет.

Закон Джоуля-Ленца

Поскольку разность потенциалов (напряжение) на нагрузке равна работе, которую совершит единичный заряд, двигаясь по нагрузке, то для вычисления работы тока, необходимо напряжение умножить на заряд, прошедший через нагрузку. Заряд же равен произведению тока, проходящего по нагрузке, на время прохождения. Таким образом:

Детальным изучением теплового действия электрического тока в середине XIXв занимались независимо Д.Джоуль (Великобритания) и Э.Ленц (Россия).

Джоуль и Ленц

Рис. 2. Джоуль и Ленц.

Было выяснено, что если нагрузка неподвижна, то вся работа электрического тока в этой нагрузке перейдет в тепло:

Как правило, напряжение на элементах электрической цепи различно, а ток в ней общий. Поэтому для определения теплового действия удобнее выразить напряжение через ток, учитывая сопротивление:

То есть, количество тепла, образующееся в нагрузке, равно произведению значения тока в квадрате, сопротивления и времени. Этот вывод носит название Закона Джоуля-Ленца.

Иногда ток нагрузки неизвестен, но известно ее сопротивление и подводимое напряжение. В этом случае удобнее выразить ток через известные величины:

и, подставив в формулу выше, получаем:

Из данной формулы можно видеть интересный факт – если в нагревательной плите сгорит часть спирали, и мы просто исключим сгоревшие места, то сопротивление спирали уменьшится, а поскольку напряжение сети останется прежним, то тепло, выделяемое плитой, возрастет. Мощность плитки увеличится.

Ответы

Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Электромагнитные колебания и волны →

← Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током

Использование теплового действия электричества

Тепловое действие электрического тока находит широкое применение, в первую очередь, в нагревательных приборах.

Еще одним важным направлением использования теплового действия являются плавкие предохранители. Если необходимо отключить электрическую цепь при превышение допустимого тока, то в цепь можно включить плавкий предохранитель.

Устройство плавкого предохранителя

Рис. 3. Устройство плавкого предохранителя.

Это небольшая колба из негорючего материала, внутри которой проходит плавкая проволочка или лента, сопротивление которой рассчитано так, чтобы при превышении предельного тока она расплавилась, тем самым разорвав электрическую цепь.

Читайте так же:
Автоматический выключатель с тепловой защитой 25а

Практическое значение

Cила тока: формула

Понятно, что количество выделяемого тепла зависит от плотности тока и проводимости определенного вещества. Наглядно соответствующие влияния можно регистрировать в ходе последовательного пропускания тока 2 и 50 А через контрольную медную жилу сечением 2 мм кв. Во втором эксперименте нагрев будет значительно сильнее. Его можно уменьшить, увеличив диаметр проводника.

Снижение потерь энергии

Рассмотренный пример демонстрирует нежелательное явление для линий электропередач. Использование части энергии на обогрев окружающего пространства увеличивает потери воздушных линий. Превышение порогового значения провоцирует разрушение жил, защитных оболочек. Чрезмерное повышение температуры – причина возникновения пожаров.

Подобные явления происходят, если выбрана чрезмерная сила тока, либо недостаточно поперечное сечение проводника. Количество тепла, выделяемого в линии, обратно пропорционально зависит от квадрата напряжения (U) на подключенном потребляющем устройстве. Повышением U можно уменьшить потери. Однако подобное действие увеличивает вероятность короткого замыкания, ухудшает общие параметры безопасности.

Выбор проводов для цепей

Отмеченные выше проблемы теплового разрушения в значительной мере зависят от удельного сопротивления (Rу). Для наглядности можно использовать материалы со значительно различающимися характеристиками.


Эксперимент с различными проводниками

Расчеты количества теплоты (Q, Дж) для образцов длиной 1 м сечением 1 мм кв. при силе тока 5А за 30 секунд:

  • медь – 12,75;
  • сталь – 75;
  • никелин – 315.

Особое внимание следует уделять параметрам силовых кабелей, которые должны сохранять целостность в процессе реальной эксплуатации. Как правило, бытовые линии монтируют в глубине строительных конструкций. Такой способ подразумевает хорошую защищенность от неблагоприятных внешних воздействий. Вместе с тем возрастают затраты на исправление ошибок и устранение последствий аварий.

Чтобы использовать кабельную продукцию правильно, следует руководствоваться тематическими нормативами, которые изложены в ПУЭ. Для упрощения выбора предлагаются специализированные таблицы, в которых приведены результаты расчетов с учетом следующих важных факторов:

  • тип изоляции;
  • длительность и величина перегрузок;
  • особенности прокладки.

Отдельно рассмотрены в ПУЭ поправочные коэффициенты, учитывающие увеличение сопротивления при росте температуры. Данное явление объясняется повышением частоты колебаний атомов, что создает дополнительные препятствия электрическому току.

Пример:

  • проводник нагревается номинальным током 7 А до +50°C при температуре окружающей среды +25°C;
  • подбирают подходящую продукцию с учетом реальных условий;
  • если кабель будет применяться на открытом воздухе, где температура повышается до +45°C, используют коэффициент 0,45 (допустимый ток уменьшается I=7*0,45=3,15 А);
  • при морозе (-5°С) выбирают иной поправочный множитель:

Ускорить выбор можно с помощью сводных таблиц. В них приведены допустимые токи для медных (алюминиевых) жил с нормированным сечением.

Электронагревательные приборы

С учетом одинаковой величины тока в любой части единой цепи можно создать конструкцию для намеренного нагрева определенной зоны. Здесь устанавливают проводник с высоким удельным сопротивлением либо уменьшают площадь поперечного сечения. Точный расчет поможет исключить повышение температуры до критического уровня, разрушающего изделие.

Подводящие питание проводники выбирают на основе принципов, изложенных в предыдущем разделе. Они не должны перегреваться чрезмерно в установленных планом условиях эксплуатации.

Плавкие предохранители

Термический разрыв цепи используют для защиты оборудования и потребителей, если сила тока превышает номинальное значение. Специализированные устройства (плавкие предохранители) делают из свинца, стали, других металлов и сплавов. В нормальном рабочем режиме тепло рассеивается, не вызывает повреждений. После достижения пороговых значений существенно увеличиваются сопротивление и температура. На определенном уровне происходит разрушение элемента с одновременным отключением источника питания.

Плавкие предохранители оценивают комплексным параметром (К) по формуле:

где:

  • I – пороговое значение тока;
  • t – это максимальное время разрушения.

Одноразовые недорогие изделия этой категории рассчитаны на сравнительно небольшие токи (0,25-2 А). Типичная конструкция – тонкая проволока в трубке из кварцевого стекла с контактами для установки на монтажную плату. Такие предохранители устанавливают в радиоаппаратуре для защиты отдельных цепей. Визуальной проверкой можно быстро установить целостность предохранителей.

Вставки, рассчитанные на сильные токи, помещают в песок или другую специальную среду. Такое решение предотвращает образование плазмы, обеспечивает быстрый разрыв цепи. В некоторых модификациях корпус предохранителя создают из специальных материалов, генерирующих газ при сильном нагреве. Он ускоряет гашение дуги. Также применяют механизмы, увеличивающие расстояние между клеммами контактов при возникновении аварийных ситуаций.

К сведению. Для сильноточных цепей выпускают предохранители со сменными вставками.

Применение теплового действия электротока

Тепловое действие электрического тока используется в нагревательных элементах:

  • отопительных приборов;
  • бойлеров;
  • утюгов;
  • стиральных и посудомоечных машин;
  • чайников, кофеварок.

С помощью специального кабеля предотвращают промерзание труб и образование наледей на порогах. Тепловыми «пушками» быстро поднимают температуру в крупных помещениях, ускоряют выполнение штукатурных работ.

Следует отметить перспективность применения электрических конвекторов, по сравнению с классическими радиаторами отопления:

  • простота;
  • компактность;
  • малый вес;
  • долговечность;
  • хорошая совместимость с новейшими системами управления и контроля категории «умный дом».

Отдельно следует отметить высокий уровень безопасности. Защиту сильноточных цепей можно обеспечить дешевыми плавкими предохранителями. Это гораздо дешевле и надежнее, по сравнению с комплексом мероприятий по предотвращению образования газовой смеси.


В типовых предохранителях, кроме цифровых обозначений, номинальную силу тока указывают цветными метками

Не всегда тепловое действие выполняет полезные функции. Устаревшие лампы накаливания, например, значительную часть энергии тратят на бесполезный обогрев окружающего пространства. Значительно эффективнее работают экономичные газоразрядные и светодиодные приборы.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector