Тепловое действие электрического тока используется в: Тепловое действие электрического тока – закон Джоуля-Ленца — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

10.3. Техническое применение теплового действия тока

Примеры использования электрического тока для освещения, рассмотренные выше, также представляют собой тепловое действие тока, получившее самое широкое распространение. Остальные виды применения этого теплового действия значительно уступали первому не потому, что их было труднее осуществлять в техническом отношении или пользоваться ими, а по очень простой, но важной причине: добываемое электрическим путем тепло обходилось слишком дорого.

Теплота, добываемая электрическим путем, обходится намного дороже теплоты, получаемой непосредственным сжиганием угля. Однако в первом случае, пользуясь полученной теплотой для разных целей, можно ее эксплуатировать со значительно большей пользой, чем во втором случае. Расчеты показывали, что в некоторых условиях потери тепла при непосредственном нагревании углем так велики, что это нагревание может обойтись дороже нагревания током.

Впрочем, справедливость подобных заключений окончательно могла быть выяснена лишь опытным путем. Опыты же в этом направлении предпринимались с самого момента создания мощных источников электрического тока. Из того, что уже было сделано к началу ХХ века, вытекает, что электричество не может конкурировать с огнем в тех случаях, когда речь идет о получении невысокой температуры, как, например, при отоплении. Но при необходимости получения очень высоких температур потери тепла при нагревании огнем настолько значительны, что вопрос о том, не будет ли электрическое нагревание обходиться дешевле, является вопросом уместным и очень серьезным.

Исследования показывали, что для того, чтобы, например, накалить железный стержень в кузнечном горне, приходилось использовать почти в сто раз большее количество тепла, чем то, которое действительно необходимо для самого накаливания. При этом 99% тепловой энергии, не сообщающихся стержню, теряются в дымовых газах через лучеиспускание и отдачу теплоты стенками печи.

При электрическом накаливании, наоборот, 80% доставляемой динамо-машиной электрической энергии передаются стержню в виде теплоты. Однако при электрическом накаливании необходимо устройство обширной и дорогой станции для добывания тока, тогда как при накаливании пламенем ограничивались устройством относительно дешевой печи.

Оставляя в стороне экономическую точку зрения, во многих случаях приходится принимать во внимание лишь надежность, применимость и степень накаливания.

Электрическое отопление. Нагревание током достигается очень просто, так как ток нагревает каждый проводник, по которому он проходит. Количество тепла, выделяемого в проводнике, зависит от его сопротивления и силы проходящего через него тока, а потому имеется возможность получить не только какую угодно температуру, но и какое угодно сосредоточение теплового действия. Для этого необходимо только подбирать соответственно сопротивление проводника и его поперечное сечение. Таким образом, как теоретически утверждали исследователи, в очень малом пространстве можно получить любое количество теплоты.

Ниже будет показано, что это достижимо и на практике.

Сегодня электрическое отопление широко применяется в развитых странах, производящих большое количество так называемой первичной электроэнергии на ГЭС и АЭС. Например, в Норвегии электричеством отапливается 60% жилого фонда, в США – 30%, а в штате Флорида – 92% жилья. Выработка первичной электроэнергии не сопровождается загрязнением атмосферы вредными продуктами сгорания топлива и является существенно более дешевой (в 2–4 раза), чем электроэнергия, получаемая из угля или природного газа.

Рис. 10.8. Электрический нагреватель для комнат и вагонов

Рис. 10.9. Внутреннее устройство электрического нагревателя

Если речь идет об отоплении, то нет надобности сильно повышать температуру нагревателя, так как понятие «отопление» в нашем разговорном языке обозначает нагревание до сравнительно невысокой температуры – все равно, необходима ли она для защиты от холода или для кулинарии. Поэтому под электрическим отоплением будут подразумеваться все те процессы нагревания, при которых температура не превышает 200°С.

У нагревателя должно быть определенное сопротивление и, кроме того, он должен быть по возможности небольших размеров. Для получения требуемого нагрева следует только расположить в необходимом месте проводник соответствующего сопротивления. При этом нагревателю придавали различные формы.

Отопление с помощью тока в начале ХХ века оказалось очень дорогим, а в России при сильных зимних холодах оно было совершенно немыслимым. Несмотря на это, много раз пытались придать ему практическое применение. Первые попытки, а также и первые приборы для этого появились в Европе.

В Америке предлагали отапливать с помощью тока вагоны электрических железных дорог. Подобные предложения делались во Франции и в других странах для отопления пассажирских вагонов.

На рис. 10.8 показан общий вид электрического нагревателя для пассажирских вагонов. Внутри него был расположен ряд проволочных спиралей, по которым ток проходил последовательно и нагревал их. На рис. 10.9 показана внутренняя конструкция такого простого нагревателя.

На крепком асбестовом шнуре навивалась проволочная спираль, по которой проходил ток. В качестве материала для проволоки использовали металлический сплав большого удельного сопротивления, например «круппин», производившийся на литейных заводах Круппа.

Если бы требовалось устроить электрический нагреватель для отопления большой комнаты, то пришлось бы взять проволоку толще и длиннее и расположить ее в закрытом железном футляре.

Электрические нагреватели воздуха в техническом отношении не представляли такого интереса, как устройства, служащие для нагревания, например, воды. Такой электрический кипятильник состоял из платиновой проволоки, плотно навитой вокруг широкой и короткой стеклянной трубки. В этом виде он опускался в нагреваемую воду и с помощью тока доводил ее до кипения. Преимуществом устройства было то, что вода воспринимала всю выделяющуюся теплоту. Но эта конструкция не отвечала гигиеническим требованиям чистоты. Поэтому в некоторых электрических кипятильниках нагревающаяся проволока располагается сбоку или снизу резервуара для воды.

Пример такого электрического чайника показан на рис. 10.10. Если бы не дороговизна пользования, то это был бы прекрасный безопасный и бесшумный кипятильник. Там, где дешевый ток производился с помощью водяной силы, эти приборы получили распространение.

Рис. 10.10. Электрический чайник

Рис. 10.12. Электрический инкубатор Шторбека

В Америке серьезно занялись вопросом применения электрических печей для кухни. Полагали, что электрическая печь, подобно газовой печи, экономична в том отношении, что ее приводят в действие исключительно на время, в течение которого она нужна. Такая печь безопасна, изящна, и в ней меньше тепла, чем в обычной печи, тратится бесполезно. На рис. 10.11 показана одна из первых электрических кухонных печей начала ХХ века.

На рис. 10.12 приведен пример еще одного оригинального применения электричества для нагревания – электрический инкубатор. Здесь требовалось сравнительно незначительное количество тепла и электрическое нагревание оказалось особенно удобным благодаря легкой и надежной регулировке. Введя в цепь термометр, можно легко замыкать ток при понижении температуры в нагреваемом помещении и затем прерывать его снова при повышении температуры.

Первым применил для этой цели электричество еще в 1883 г. немецкий инженер Шторбек. Его электрический инкубатор (см. рис. 10.12) состоял из большой плоской корзины, которая выкладывалась сеном и превращалась в гнездо. На эту корзину накладывалась электрическая насадка, т.е. крышка корзины, которая также набивалась сеном и имела по внутренней стороне спиралеобразно свитую нагревающую проволоку. Сквозь крышку внутрь корзины проходил термометр, и в соответствии с его показаниями регулировали силу тока. Изобретатель остановился на этом устройстве, чтобы получить возможно близкое подражание природе.

Во всех рассмотренных аппаратах телом, непосредственно нагреваемым током, являлась металлическая проволока. Обычно это была платиновая проволока, обмотанная поверх асбестовой прослойки. Иногда проволоку (даже платиновую) заключали в огнеупорную глину и в таком виде прикрепляли к сосуду.

Более современный способ заключался в нанесении на нагреваемую проволоку эмали. При этом железную пластинку покрывали основным слоем эмали с возможно более высокой точкой плавления. На этом слое располагали зигзагообразно проволоку, которую закрепляли тонким слоем легкоплавкой эмали. Так как было трудно покрыть проволоку эмалью настолько равномерно, чтобы она нигде не соприкасалась с воздухом, то поверх всего накладывали еще и третий слой эмали. В связи с тем, что тепловое расширение проволоки иное, чем у слоя эмали, последняя со временем растрескивается, и между проволокой и пластинкой могут возникать короткие замыкания.

Рис. 10.11. Электрическая кухонная печь начала ХХ века

Совсем иную систему для электрического нагревания создали Фуа и Геффнер во Франкфурте-на-Майне. Вместо нагревающих проволок они стали применять совсем тонкие, подобные употребляемым при фарфоровой и декоративной живописи слои благородных металлов. При ничтожном поперечном сечении, составляющем 0,001 мм2, эти слои могли пропускать сравнительно большой силы ток. Представляя из себя широкую, тонкую ленту, они прилегали настолько плотно к подложке, что вся подводимая током энергия превращалась в теплоту и передавалась массе сосуда.

Золотые или платиновые слои помещались внутри сосуда в прямом соприкосновении с нагреваемой жидкостью. Таким образом, они непосредственно нагревали его содержимое, тогда как стенки сосуда получали сравнительно немного теплоты.

Электрическая сварка и пайка. Одно из самых интересных применений теплового действия тока представляют собой электрическая сварка и пайка металлов. Эти процессы вызывали всеобщий интерес со времени изобретения технологии получения больших токов и в начале ХХ века с технической стороны были доведены до известного совершенства. Данная технология позволяет соединять куски металла без всякого припоя, что ранее было возможно только для немногих из металлов. Указанное обусловлено тем, что при помощи тока металлы в местах сваривания нагреваются настолько, что они достигают размягчения, при котором делается возможным их соединение под давлением. При нагревании на огне столь высокое местное нагревание неосуществимо, так как подобное нагревание сопровождалось бы плавлением всего куска или значительной его части.

Николай Николаевич Бенардос (1842–1905) – всемирно известный изобретатель, создатель электрической дуговой сварки – родился в 1842 году на юге Украины. Учился в Киевском университете и Петровской земледельческой и лесной академии в Москве (будущей Тимирязевке). Начиная с 1865 года Бенардос запатентовал свыше двух сотен изобретений и проектов (в области железнодорожного и водного транспорта, в энергетике, аккумуляторостроении, сельском хозяйстве, бытовой технике, военном деле). В 1882 году он предложил изобретенный им «способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока». Бенардосу принадлежит приоритет в изобретении сварки косвенно действующей дугой, сварки в струе газа, дуговой резки как в обычных условиях, так и под водой, электролитического способа покрытия больших поверхностей слоем меди. Он изобрел «способ электрического паяния накаливанием», создал угольные электроды самых разнообразных форм, а затем комбинированные из угля и металла. Н.Н. Бенардос предложил собственный проект преобразования водной энергии в электрическую: ему принадлежит один из первых проектов гидроэлектростанции переменного тока на р. Неве (1892). Значение для человеческой цивилизации открытия Н.Н. Бенардоса, которое позже усовершенствовал на Пермских пушечных заводах инженер Н.Славянов, было столь велико, что через целое столетие, в 1981 году, это событие по решению ЮНЕСКО отмечалось мировым сообществом, а в Фастове Киевской области, где умер Н.Н.Бенардос, ему был поставлен памятник.

Вначале были известны два способа сваривания металлических поверхностей с помощью тока. При первом теплота создавалась вольтовой дугой, которую заставляли действовать на свариваемое место. Этот способ можно назватьэлектрической пайкой.При другом способе ток из одного куска металла в другой пропускается через место соприкосновения. Вследствие сравнительно большого сопротивления последнего в нем создается высокая температура, которая расплавляет исвариваетприлегающие металлические части. Итак, разница между двумя способами заключалась только в том, что теплота или доставляется соединяемым частям извне, или развивается внутри них. Общее в них то, что соединение производится расплавляющимся металлом обоих свариваемых кусков.

Опыты электрической пайки предпринимали еще задолго до ХХ века, но первую попытку поставить ее на практическую основу сделал Н.Н. Бенардос.

Его способ состоял в том, что между соединяемыми металлическими частями и угольным стержнем, играющим роль паяльника, создавали вольтову дугу и действовали ею на соединяемые места. Теплота дуги сплавляет соприкасающиеся края и соединяет оба куска. Итак, надо только соединить оба или один из металлических кусков с одним полюсом генератора тока, а угольную палочку – с другим. Затем, прикоснувшись концом этой палочки к соединенному с генератором тока куску металла, удаляют ее от последнего на несколько миллиметров, вследствие чего образуется вольтова дуга, которую двигают соответствующим образом по соединяемому месту.

На рис. 10.13 показан общий вид цеха электрической пайки с помощью вольтовой дуги. В качестве генератора тока при этом способе использовать динамо-машину было неудобно, потому что ее нагрузка подвергалась быстрым и большим колебаниям. При соприкосновении угольного электрода с металлическими кусками ток сильно возрастал и оставался сравнительно сильным при существовании вольтовой дуги, а затем при удалении электрода и гашении дуги сразу падал до нуля. Такие внезапные и большие колебания действовали крайне отрицательно на паровой двигатель и динамо-машину. Поэтому в качестве генератора тока использовали специальную батарею аккумуляторов, при которых необходимо было следить только за тем, чтобы короткое замыкание между углем и металлом происходило лишь на одно мгновение. Применение аккумуляторов приводило к значительному удорожанию и усложнению данного способа электрической пайки, а, кроме того, сама пайка была некачественной. В самом деле, вольтова дуга соединяла только наружные кромки соприкасающихся поверхностей, тогда как более глубокие части были скрыты от ее действия. Поэтому такой способ давал удовлетворительные результаты лишь при пайке тонких листов и применялся главным образом для изготовления металлических бочек.

Дальнейшее применение этого способа, несмотря на затраченные для опытов усилия и средства, оказалось невозможным, так что мечты о полном устранении заклепочных швов в паровых котлах, на металлических судах и т.п. до определенного времени оставались только мечтами. К этому можно добавить, что вольтова дуга изменяет невыгодным образом нагретое железо, вследствие чего крепость металла на месте спайки становится меньше, чем на нетронутых частях.

Применялся и видоизмененный способ пайки, когда вольтова дуга образовывалась не между металлом и углем, а между двумя угольными остриями. Для того, чтобы при этом направить дугу на спаиваемое место, пользовались явлением, происходящим с вольтовой дугой под действием сильного магнита: если приблизить к вольтовой дуге полюс магнита, то она отклоняется. Таким образом, вольтову дугу можно направлять на соединяемое место.

Рис. 10.13. Цех для паяния с помощью вольтовой дуги

Рис. 10.14. Малая сварочная машина Томсона

Более практичным следует признать способ электрической сварки американского профессора Томсона. Этот способ заключался в том, что два металлических куска, прижатых один к другому, сваривались пропусканием через место соприкосновения тока определенной силы. Оставалось нерешенным, производить ли здесь сварку металла при полном его расплавлении в месте соединения или доводить металл до полурасплавленного состояния.

Электрическая сварка отличается от механической тем, что посредством тока можно сваривать почти все: неметаллы, металлы и даже куски из различных металлов, значительно отличающихся друг от друга по точкам плавления.

Сварку можно производить как постоянным, так и переменным током, так как тепловое действие тока не зависит от его направления. Для сварки тонких предметов, требующих сравнительно слабой силы тока, применяют постоянный ток. При значительных свариваемых поверхностях, когда применяется ток величиной в тысячи ампер, создание такого сильного тока и его подведение сопровождаются крупными потерями, если не сделать путь тока возможно коротким. Поэтому в таких случаях пользовались переменным током, который трансформировался из тока высокого напряжения в ток большой силы.

На рис. 10.14 показана малая сварочная машина постоянного тока для легких работ, а именно для сварки железных стержней диаметром до 12 мм. Она состоит из динамо-машины и стола, установленного на ее раме. Динамо-машина построена для очень сильного тока. Ее напряжение было небольшим, так как в цепь введено очень малое сопротивление. При сварке железных стержней диаметром 12 мм сила тока составляла 2000 А. Соединяемые стержни располагались точно один против другого в двух зажимах. Один из них можно было передвигать винтом и тем самым прижимать конец зажатого им стержня к концу другого. Полюсы машины соединены с этими изолированными зажимами и таким образом ее ток пропускался через место соприкасания основания стержней, которое при этом накалялось из-за большого сопротивления, и под действием давления оба стержня сваривались в несколько секунд. Сварка распространялась по всей поверхности, а не ограничивалась только отдельными точками, как при пайке вольтовой дугой. Это происходило вследствие того, что сопротивление металлического проводника возрастало с возрастанием температуры. Когда по тому месту, где стержни лучше соприкасались, проходила сравнительно большая часть тока, чем через другие места с высоким сопротивлением, то это место нагревалось сильнее других, его сопротивление увеличивалось в сравнении с сопротивлением в других местах, ток усиливался и нагревал их больше. Благодаря этому развитие теплоты распределялось в течение времени сварки равномерно по всей поверхности соприкосновения.

Мощность при этой сварке, несомненно, требуется очень большая. Например, для железных стержней диаметром в 12 мм требуется 10 л.с., но всего на 10 секунд, которых достаточно для соединения. Если затрачивать 50 секунд на вставление и вынимание стержней, то окажется, что машина может произвести в час 60 сварок, т.е. гораздо больше, чем механическими способами, не говоря уже о большей прочности, обеспечиваемой электрическим способом. Места сварки, выполненной электрическим способом, получались такой же крепости, как и сам стержень. Это было возможно благодаря тому, что материал при таком способе не изменяется и нагревание очень мало распространяется вне места сварки.

Если приходилось сваривать толстые предметы, то требовался столь сильный ток, что его невыгодно было бы брать от самой динамо-машины, потому что или в самой машине терялось слишком много энергии, или ей надо было бы придать очень малое сопротивление и, следовательно, слишком большие размеры. Поэтому применяли ток высокого напряжения, который преобразовывали трансформатором непосредственно перед сварочным станком в ток большой силы. Для этой цели проф. Томсон пользовался прибором, который состоял из трансформатора и непосредственно перед ним расположенного станка (рис. 10.15). Последний принципиально был похож на описанный выше, но только все его части, входящие в цепь тока, были сделаны гораздо толще в соответствии с большей силой тока. Вторичная обмотка трансформатора состояла из одного витка, выполненного из медных полос.

В самом большом из устроенных в то время станков для возбуждения трансформатора служила машина переменного тока, которая при напряжении в 200 В создавала ток в 120 А. Этот ток преобразовывался трансформатором в ток силой 24000 А при напряжении в 1 В. Таким большим током можно было сваривать за 1 минуту железные стержни диаметром в 50 мм.

Совершенно своеобразным оказался изобретенный Лагранжем и Гоо в Брюсселе способ электрического нагревания, предназначенный для замены кузнечного горна при нагревании металлических частей, которым, однако, с успехом можно пользоваться и для плавки. Удивительным оказалось при этом то обстоятельство, что подлежащий нагреванию металл опускают в воду, в которой он за несколько секунд нагревается до белого каления (рис. 10.16). Мы привыкли употреблять воду для охлаждения металла, в настоящем же случае имеет место как раз обратное явление – холодный металл нагревается водой! Это явление происходит под воздействием электрического тока, который играет здесь двойную роль.

Если опустить металлический, например железный, стержень, соединив его предварительно с отрицательным полюсом генератора тока, в сосуд с водой, которая соединена с помощью лежащей на дне свинцовой пластины с положительным полюсом, то в момент соприкосновения железного стержня с водой вокруг стержня образуется слой водорода. Этот тонкий покрывающий стержень слой водорода является как бы оболочкой, отделяющей его от воды. Разделяющий слой, само собой разумеется, весьма тонок, и все же он представляет для проходящего тока очень значительное сопротивление. Так как сопротивление при проходе тока в воду весьма значительно, то развивается большое количество теплоты, причем настолько интенсивно, что, несмотря на близость охлаждающей воды, погруженный конец железного стержня быстро накаляется. Для применения этого способа на практике пользовались чаном или ванной из камня или дерева длиной в 1,5 м и шириной и глубиной около 0,75 м. На дне ванны или на одной из стенок укреплялась свинцовая пластина, соединенная с помощью изолированного проводника с положительным полюсом генератора тока. В качестве генератора использовалась динамо-машина постоянного тока или аккумуляторная батарея. Применение батареи давало то преимущество, что она не так чувствительна к быстрым изменениям нагрузки, которые имели место при погружении и вынимании стержня из воды. Подлежащий нагреванию металлический брусок брали щипцами, соединенными с помощью гибкого провода с отрицательным полюсом генератора. При этом вода в ванне предварительно нагревалась до 70°С. Что касается количества энергии, то изобретатели определили, что при напряжении в 150 В и токе в 5 А на каждый квадратный сантиметр погруженной поверхности накаливаемого тела белое каление достигается за 8 с, т.е. в очень короткое время.

Рис. 10.15. Сварочный станок для толстых стержней

Рис. 10.16. Электрический кузнечный горн

Рис. 10.17. Электрическая плавильная печь Муассана

Понятно, что ванной можно пользоваться в качестве кузнечного горна и она имеет перед последним то несомненное преимущество, что нагревание достигается гораздо быстрее.

Электрическая плавка. Вернер Сименс первым пытался применить тепловое действие тока для плавления. Для этого он пользовался вольтовой дугой, заставляя ее действовать на куски стали в примитивном приборе – тигле, в дно которого был вставлен провод из платины или угля. Тигель наполняли кусками стали, которые приходили в соприкосновение с проводом, соединяющимся с положительным полюсом динамо-машины. Другой полюс соединялся с угольным стержнем, подвешенным вертикально над кусками стали и прикасающимся к ним своим нижним концом. При пропускании через прибор тока угольный стержень поднимался на несколько миллиметров таким образом, что образовывалась вольтова дуга, которая поддерживалась регулятором в процессе расплавления кусков стали.

Для тугоплавких веществ Дюкрете и Лежен изобрели электрическую плавильную печь, известную под названием печи Муассана (рис. 10.17). При высокой температуре вольтовой дуги, доходящей до 4000°С, способной легко расплавить все плавящиеся тела, даже такие тугоплавкие металлы, как платина и хром, очень скоро обращались в этой печи в жидкое состояние. Печь состояла из железного ящика, изнутри выложенного толстым слоем шамота. В верхней части помещались изолированные держатели, в которые вставлялись угольные стержни, удерживаемые в своем положении с помощью винтов. В печи устанавливался тигель из огнеупорного материала, в который помещались плавящиеся вещества. Угли устанавливались так, чтобы вольтова дуга образовывалась как раз над тиглем. Действием магнита дуга оттягивалась вниз, на плавящиеся вещества. Передняя открытая сторона печи закрывалась заслонкой из темного стекла, благодаря чему можно было наблюдать дугу и плавление. Температура в этой печи доходила до 3500°С, так что все плавящиеся тела расплавлялись, а некоторые даже улетучивались.

Муассан производил с этой печью множество опытов. С ее помощью он даже получал искусственные алмазы. Для этого он плавил железо, к которому примешивался порошок древесного угля. Расплавленное железо поглощало углерод, выделяя избыток последнего при охлаждении в кристаллизованном виде. После нескольких опытов Муассану удалось получить прозрачные кристаллы небольшого размера, обладающие всеми свойствами алмаза. Появилась надежда, что впоследствии можно будет получать алмазы искусственным путем для промышленных целей.

«тепловое действие тока в электронагревательных приборах»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №53» г. Брянска

тел. 524991

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ШКОЛЬНИКОВ

«ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«Тепловое действие тока

в электронагревательных приборах».

Физика

Выполнила:

ученица 11 А класса

Качурина Екатерина Александровна

Руководитель:

учитель физики

Казачкина Татьяна Сергеевна

г. Брянск

2012

Введение

Сейчас мы живем в XXI веке — веке инноваций и информационных технологий, развитие техники далеко ушло вперед. Люди до того привыкли к этим «диковинам», что перестали уделять внимание, пропуская мимо глаз, все то, что их окружает. Не многие знают, как работают электрические чайники на их кухне, электрокипятильники, которыми они пользуются. В магазинах представлен большой ассортимент электронагревательных приборов, и я решила сравнить стоимость приборов с их качеством, именно поэтому я исследовала кпд электронагревательных приборов.

Я решила исследовать тепловое действие тока на бытовых электронагревательных приборах. Моя работа содержит знания о тепловом действии тока, его мощности; КПД и его типах, законе Джоуля-Ленца и его практическое применение. Я рассмотрела устройство электронагревательных приборов, провела практическую часть.

В исследовании, которое я провела, мною было рассчитано количество теплоты, потребляемое электронагревательными чайниками различных форм и марок, работа тока, во время процесса нагревания и КПД электронагревательных приборов. Исследование показало, что в ходе всего процесса КПД всех электронагревательных чайников было практически одинаковым, а кпд кипятильника было сравнимо с КПД электрочайников.

Результаты исследований расширяют знания по темам представленным в работе, они помогут учащимся 8 и 10 классов в проведении опытов и исследований, а так же потенциальным покупателям при покупки электронагревательных приборов.

Цель:

Сравнить КПД электронагревательных приборов и проанализировать полученные данные.

Задачи:

Рассмотреть тепловое действие тока.
Изучить КПД электронагревательных приборов.
Познакомиться с устройством электронагревательных приборов.
Провести практическую часть и проанализировать полученный результат.

Методы работы над проектом:

анализ источников информации, проведение эксперимента, составление таблиц и диаграмм

«Электрический ток— упорядоченное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля». [1]

Тепловое действие тока.

«Выделение тепла при прохождении электрического тока. При
прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.
Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом.

Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I², сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Q = I²Rt

Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в Омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока».[1]

Мощность

«При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Эта работа выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени.

P=Q/t

Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

P=I U

Мощность измеряется в ваттах».[2]

Коэффициент полезного действия

«Коэффициент полезного действия (кпд) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно h = Wпол/Wcyм.КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:

n= A/Q

где А— полезная работа, Q -затраченная работа

В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии». [2]

Типы КПД

«Различают КПД отдельного элемента (ступени) машины или устройства и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе.

КПД первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д.

Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и др. виды КПД. Общий КПД системы равен произведению частных кпд, или кпд ступеней».[2]

Закон Джоуля— Ленца

«Закон Джоуля— Ленца— физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцом.

В словесной формулировке звучит следующим образом

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

Математически может быть представлен в следующей форме:

W=S E=oE*2

где w— мощность выделения тепла в единице объёма, математической форме этот закон имеет вид

, (1)

Где Q – количество теплоты необходимое для нагревания воды (полезное количество теплоты), А – работа электрического тока (затраченная работа).

2) , (2)

где с – удельная теплоемкость воды (берем из таблицы),

V – объем воды,

ρ – плотность воды,

t₂, t₁ – конечная и начальная температуры воды при нагревании.

t₂= 100 °C.

A = P·t, (3)

P – потребляемая прибором мощность,

t – время закипания

Оборудование:

электрические чайники различных фирм,
кипятильник
секундомер,
термометр для измерения температуры воды.

Ход работы:

Определить потребляемую мощность чайника и кипятильника по паспорту прибора.
Наполнить чайник водой известного объема
Измерить температуру воды термометром
Включить чайник и довести воду до кипения. Измерить время закипания.
Рассчитать количество теплоты, которое потребовалось для нагревания воды по формуле (2).
Рассчитать работу электрического тока по формуле (3).
Рассчитать КПД по формуле (1).
Провести измерения для кипятильника и для чайников различных фирм. Результаты занести в таблицу и сделать выводы

Таблица 1.

Результаты измерений.

Название прибора	Объем V, м³	Температура начальная, t₁_,°С	Температура конечная, t₂, °С	Мощность, P, Вт	Время, t, с
Кипятильник	0, 0003 м³	22	100	500	275
Чайник «Pyilips»	0, 0015 м³	31	100	2200	226
Чайник «Siemens»	0, 0015 м³	26	100	2200	257
Чайник «Bork»	0, 0017 м³	34	100	2400	240
Чайник «Braun»	0, 0016 м³	34	100	2200	300
Чайник «Morphy Richards»	0, 0016 м³	24	100	2200	300

Таблица 2.

Результаты вычислений.

Название прибора	Количество теплоты, Q, Дж	Работа тока, А, Дж	КПД (%)
1Кипятильник	98280	137500	71
2Чайник «Pyilips»	434700	542400	80
3Чайник «Siemens»	466200	565400	82
4Чайник «Bork»	471240	576000	82
5Чайник «Braun»	443520	660000	67
6Чайник «Morphy Richards»	510720	660000	77

Выводы:

В результате выполнения работы я определила КПД кипятильника и чайников.

КПД кипятильника оказался для нас неожиданно большим, и сравним с КПД чайников. Как я и ожидала КПД чайников мало отличаются друг от друга. Самый большой КПД у чайников «Siemens» и «Bork».

В чайнике «Braun» было совсем небольшое количество накипи, его КПД оказался самым маленьким. Я думаю, что именно присутствие накипи значительно снижает КПД.

В январе 2012 года я сформулировала заключение проекта и дополнила приложение своей исследовательской работы. Проанализировав полученные результаты, я составила диаграммы, которые показывают зависимость качества прибора от его цены. (Цифрами на диаграммах представлены чайники в той последовательности, в которой они указаны в таблицы выше).

И пришла к следующим выводам: КПД электронагревательных приборов мало отличалось друг от друга, но стоимость многих из них превышала показатель качества. Самим высоким показателем качества обладают чайники марок: «Philips», «Siemens», «Bork», низким чайник под маркой «Braun», но показатель его стоимости выше других чайников.

Но все-таки безопаснее и удобнее пользоваться электрочайниками, чем кипятильниками.

Заключение

Я провела исследования, основанные на принципах КПД. В ходе работы я выяснила, что принцип действия большинства электронагревательных приборов основан на законе Джоуля-Ленца и КПД .

Данная работа может быть использована в качестве дополнительного материала при изучении темы КПД в 8 и 10 классах, а так же потенциальным покупателям поможет при покупки электронагревательных приборов.

В ходе моей исследовательской работы я выяснила КПД электронагревательных приборов, сравнила полученные результаты между собой и сделала выводы. Как я и ожидала КПД чайников, мало отличаются друг от друга. Самый большой КПД у чайников «Siemens» и «Bork». КПД кипятильника оказался для нас неожиданно большим, и сравним с КПД чайников, что говорит о качестве его работы. В чайнике «Braun» было совсем небольшое количество накипи, его КПД оказался самым маленьким. Я думаю, что именно присутствие накипи значительно снижает КПД. Этот вопрос я рассмотрю в следующей работе.

В процессе работы над проектом я достигла всех целей и задач, поставленных мною выше. Работа над проектом оказалась интересной и увлекательной.

Список источников литературы.

1 /wiki/

5 Буянтуев А.Б. Основы научных исследований. Лабораторный практикум.

3 Джоуля — Ленца закон // Большая советская энциклопедия.

2 Пёрышкин А. В. Физика. 8 класс — Дрофа, 2005. — 191 с. — 50 000 экз.

4 Сивухин Д. В. Общий курс физики — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 186. — 688 с

Приложение

рис 1 рис 2

Рис 3 рис 4

Конспект урока «Действие электрического тока»

Действие электрического тока

Тип урока: изучение нового материала

Основное содержание урока: Электрический ток в металлах. Тепловое, химическое и магнитное действия электрического тока.

План урока.

Организационный момент – (5 мин)
Актуализация знаний – (5-7 минут)
Открытие нового материала (15 минут)
Закрепление изученного материала — (7 минут)
Рефлексия – 4 мин
Домашнее задание – 2 мин

Ход урока.

Организационный момент

Интеллектуальная разминка:

Разгадать ребус: (2 мин)

У^ЕА^Е^,

Э 3 Й

Ответ: электрический ток

Каждый из нас, наверное, проверял качество батареек с помощью прикасание кончиком языка к металлическим пластинам. Если ощущается горьковатый вкус, то батарейка подлежит ещё использованию. Почему же электричество батарейки горьковато на вкус?

Ответ: Слюна человека содержит в малом количестве различные органические соли, когда через слюну проходит электрический ток, эти соли подвергаются электролизу, на полюсах батарейки выделяются их составные части, и язык ощущает горьковатый привкус. (3 мин)

Актуализация знаний (5-7 минут)

Сегодня мы начнем наш урок с того, что вспомним физические величины и термины, которые мы проходили на предыдущих уроках.

Прием «Лови ошибку»

В определениях, которые Вы видите на доске я допустила некоторое количество ошибок. Ваша задача найти эти ошибки и дать верное определение.

Электрический ток – это упорядоченное движение отрицательно заряженных протонов.
Два разноименных заряда оттолкнутся друг от друга.

Не хватает источника тока.

Проводники – вещества, плохо проводящие электрический ток.
Электрон – это элементарная частица, не имеющая электрического заряда.
Явление притяжение тел друг другу называется электрическим полем.

Открытие нового материала (15 минут)

Прием «Отсроченная загадка-отгадка»

Однажды к римскому императору Тиберию пришел мастер и в подарок принес чашу, блестящую, как серебро, но очень легкую. Мастер повидал, что получил эту чашу из «глинистой земли». Тиберий боялся того, что серебро обесценится и приказал убить мастера. Что это был за металл? И как с этим связан электрический ток?

Прежде, чем мы дадим ответ на эту загадку, вначале разберемся как можно судить о наличии электрического тока? Судить о наличии электрического тока можно по его действиям.

Итак, тема нашего урока: «Действие электрического тока»

Действие электрического тока – это явления, которые вызывает электрический ток. По ним можно судить есть или нет электрический ток в цепи.

Прежде, чем мы приступим к изучению новой темы, вы сами попробуете догадаться, какие действия мы будем изучать.

Рис. 1 Рис. 2

Рис. 3

При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из основных действий тока, который может наблюдать человек. Примером этого являются электрические приборы, которые есть у каждого из нас в доме.

Итак, на рис.1 представлено тепловое действие электрического тока. Электрический ток в проводнике вызывает его нагрев. Чем больше заряд, тем больше нагревается проводник и увеличивается энергия.

Тепловое действие электрического тока используется как в быту, так и в технике. Например, контактная электросварка.

В сельском хозяйстве также используется тепловое действие электрического тока для сушки сена, намоченного дождем.

Французский физик Араго в своих работах описал случай, когда молния, ударив в дом, намагнитила все вилки, ложки и ножи. Как мы знаем, молния представляет собой мощный поток электрического тока, идущего через воздух. Из случая, который описал Араго мы можем сделать вывод, что электрический ток обладает магнитными свойства.

На рис. 2 представлено магнитное действие электрического тока.

Если в проводнике течет ток, то магнитная стрелка вблизи проводника меняет свое положение.

Демонстрация: Опыт Эрстеда

Магнитное действие электрического тока используется для измерительных приборов.

Поговорим о третьем рисунке, на нем изображено химическое действие электрического тока.

Химическое действие электрического тока заключается в том, что электрический ток, проходя через растворы солей, кислот, щелочей разлагает их на составные части. Такое действие тока называется электролизом.

В результате электролиза происходят химические реакции.

Химическое действие электрического тока используется в промышленности. Электролиз позволяет получить некоторые металлы в чистом виде.

Говоря о химическом действие тока, вернемся к нашей загадке.

Ответ: в состав глины входит легкий металл, похожий на серебро –алюминий, но во времена императора никто не мог представить, что можно добыть из глины такой металл, пока не изучили химическое действие электрического тока. Но сам алюминий очень сложно добыть в чистом виде, потому что его атомы связаны крепкой связью с другими элементами, разорвать эту связь может только электрический ток. Только ток может разорвать невидимые химические цепи и освободить серебристо-белый металл. Так, как алюминий дешевый металл, то императору совсем было не выгодно производить серебро из алюминия.

Закрепление полученных знаний

Решим несколько задач:

Как Вы считаете по какому действию рационально определить наличие электрического тока?

Ответ: Так как магнитное действие наблюдается во всех проводниках, то в основе приборов, определяющих наличие тока в цепи (гальванометр) лежит это действие.

Мы уже сегодня говорили об ученом Араго, у него было такое открытие: тонкую проволоку соединили с источником тока и погрузили в опилки, они притянулись к проволоке. Из чего были опилки. Объясните это явление.

Ответ: опилки намагничиваются и притягиваются к проволоке (магнитное действие)

Почему, когда мы трем ладони они нагреваются?

Ответ: в результате трения.

Как Вы объясните данное явление: когда мы ходим по ковру или двигаемся, сидя в кресле автомобиля нас может «ударить током»?

Ответ: Когда два материала контактируют, электроны из одного из них переходят через поверхностный энергетический барьер в другой. Так как ни тот, ни другой из этих материалов не является хорошим проводником, электроны могут переходить с одной поверхности на другую лишь в тех точках, где материалы хорошо контактируют. Таким образом, чем больше поверхность контакта между материалами, тем больше будет переходить электронов.

Рефлексия

Прием «Телеграмма»

Кратко написать, что ты уяснил за урок и передать соседу, написав ему пожелания.

Заранее подготовить карточку со смайликами.

В конце урока учащиеся поднимут тот смайлик, которому соответствует их настроение на уроке.

Домашнее задание

§ 35, 36

Написать эссе: Плюсы и минусы открытия электрического тока

Подготовить доклады:

Использование теплового действия электрического тока
Действие электрического тока на организм человека

Тепловое действие электрического тока — Энциклопедия по машиностроению XXL

Остановимся на тепловом действии электрического тока.

Количество электричества, переносимое от одного конца проводника к другому эа время I, равное и, производит работу, пропорциональную разности потенциалов [c.185]

Новому взгляду на теплоту способствовали и дальнейшие открытия, подтверждавшие взаимосвязь различных видов энергии. Так, Фарадей (1791 —1867) открывает в 1831 г. электромагнитную индукцию. Русский академик Г. И. Гесс (1802—1850) опубликовывает в 1840 г. открытый им основной закон термохимии — так называемый закон Гесса (независимость теплового эффекта реакции от условий протекания реакции), представляющий собою закон сохранения и превращения энергии в химических явлениях. В 1844 г. русский академик Э. X. Ленц (1804—1865), исследуя тепловое действие электрического тока, открывает условия перехода электрической энергии в теплоту (закон Ленца — Джоуля). [c.8]

При исследовании строения и свойств металлов и сплавов в широком диапазоне температур в вакууме или в защитных газовых средах нагрев образцов до заданных температур осуществляется различными методами, которые в первом приближении можно разделить на две группы.

К первой группе следует отнести способы, при использовании которых нагрев производится внешними источниками тепла, передающими тепловую энергию образцу за счет радиационного излучения или теплопроводности. Во вторую группу входят методы нагрева за счет теплового действия электрического тока. [c.72]

Исследуемые металлические образцы, помещенные в вакуум или в среду защитных газов, нагреваются также за счет теплового действия электрического тока, подводимого к ним непосредственно. По характеру передачи электрического тока к образцам можно выделить два основных способа контактный и бесконтактный. При контактном нагреве образец непосредственно присоединяют к источнику переменного тока промышленной частоты (50 Гц) низкого напряжения. Использование постоянного тока нерационально, поскольку вследствие электролиза может происходить перенос содержащихся в образце примесей, в частности углерода, что изменяет химический состав образца по его длине. Скорость контактного нагрева образца зависит от величины его электрического сопротивления и эффективного значения пропускаемого тока /дф, протекающего через образец. Количество выделяющегося в образце тепла может быть определено из уравнения Ленца—Джоуля [c.75]

Электромеханический способ (рис. 73) нашел применение для восстановления размеров изношенных поверхностей, их упрочнения и размерно-чистовой обработки деталей. Сущность способа заключается в совместном тепловом действии электрического тока и пластического деформирования на восстанавливаемую деталь. В месте контакта инструмента с деталью выделяется тепло, количество которого можно подсчитать по формуле [6] [c.229]

Тепловым действием электрического тока пользуются в электрических лампах накаливания, нагревательных приборах, для заш иты электрических цепей путем установки плавких или биметаллических предохранителей, а также в тепловых измерительных приборах. [c.20]

Таким образом, анодно-механический способ обработки основан на использовании электрохимического и теплового действия электрического тока. [c. 651]

В зависимости от электрического режима анодно-механической обработки возникают различные процессы снятия металла с детали. При небольших напряжениях в цепи питания происходит процесс электромеханического (анодного) растворения металла (рис. 185), а при высоких напряжениях и большой силе тока развивается тепловое действие электрического тока. В последнем случае металл на обрабатываемой поверхности плавится и скорость снятия его [c.336]

Нагрев осуществляется путем выделения тепла непосредственно внутри самих образцов (благодаря тепловому действию электрического тока, пропускаемого по образцам). При этом нагрев может быть осуществлен либо при прямом электрическом [c.7]

Электротермическая запись основана на тепловом действии электрического тока. Для записи используют специальную бумагу, состоящую из трех слоев верхний слой содержит сернокислый цинк, средний — выполнен из черной бумаги, а нижний — металлический (алюминий). Металлическая игла или петля из вольфрамовой проволоки диаметром 0,3 мм перемещается по бумаге. При пропускании электрического тока между проволокой и металлическим слоем происходит излучение теплоты, частицы верхнего слоя взрываются и сгорают. Обнаженный второй слой обеспечивает хорошо видимую черную линию. [c.261]

Тепловое действие электрического тока широко используется в технике и быту. Примерами применения теплового действия электрического тока могут служить металлургические электропечи, а также различные медицинские и бытовые нагревательные приборы, электрические лампочки и т. п. [c.84]

Однако не всегда тепловое действие электрического тока приносит пользу. При неумелом и неправильном использовании электрического тока его тепловое действие может принести вред. Так, из-за перегрузки электрической сети сгорает изоляция проводов возникает короткое замыкание в обмотке электродвигателя, в результате перегрузки выходит из строя электродвигатель. [c.84]

Индукционный нагрев металлических изделий основан на использовании явлений электромагнитной индукции, теплового действия электрического тока и поверхностного эффекта. Нагрев изделий, подлежащих закалке, осуществляется при помощи специальной установки (рис. 26), которая состоит из следующих основных элементов генератора высокой частоты 1, электродвигателя 2, трансформатора 3, индуктора 4, батареи конденсаторов 6. Сущность закалки токами высокой частоты заключается в том, что изделие 5, подвергающееся закалке, помещается в индуктор 4 с таким расчетом, чтобы между ним и индуктором был воздушный зазор в 2—4 мм. Ток высокой частоты от машинного генератора поступает в индуктор. Вокруг индуктора создается переменное магнитное поле, под воздействием которого в закаливаемом изделии индуктируются вихревые токи. Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная плотность тока будет сосредоточена на поверхностном слое изделия. Толщина слоя, по которому идет ток максимальной плотности, называется глубиной проникновения тока. Под действием индукционного тока поверхностный слой изделия быстро нагревается до закалочных температур, а сердцевина изделия нагревается до температур, лежащих ниже линии Р8К, благодаря чему в ней не происходит никаких структурных превращений и изменений механических [c.47]

Закон сохранения материи и энергии, установленный Ломоносовым, был конкретизирован другими учеными. Так, акад. Г. Г. Гесс в 1840 г. сформулировал закон сохранения энергии для химических реакций. Ленц в 1844 г. дал формулировку закона сохранения и превращения энергии для теплового действия электрического тока, [c.35]

ИЛИ других не было даже у одних и тех же исследователей Э. X. Ленц в плавании 1823—1826 гг. пользовался градусами Цельсия, а в 40-х годах при исследовании теплового действия электрических токов — градусами Реомюра. [c.237]

О работе, производимой электрическим током, проще всего было бы судить по его тепловому действию, а именно чем большее количество тепла выделяет ток в проводнике, тем большую работу он производит. Однако это не всегда возможно, так как помимо теплового действия электрический ток может производить еще другие действия, как, например, механические, химические, магнитные и т. п. [c.15]

В основе электроэрозионной обработки металлов лежит принцип теплового действия электрического тока. Электриче-скан анергия, подводимая к электродам, одним из которых является обрабатываемая деталь, а другим — инструмент, преобразуется в основном в тепловую энергию, расходуемую на плавление и испарение элементарных объемов материалов. [c.30]

Широкое распространение получил индукционный нагрев токами высокой, повышенной и промышленной частот, в основу которого положено явление электромагнитной индукции, поверхностного эффекта и теплового действия электрического тока. Для этого нагрева применяются электромашинные, электроламповые и полупроводниковые высокочастотные генераторы (на тиристорах). При индукционном способе можно нагревать заготовки любых диаметров и любой длины как целиком, так и частично. Особенностью индукционного нагрева является также отсутствие непосредственной связи нагреваемого металла с источником электрической энергии, в связи с чем отпадает необходимость применения изоляции. [c.89]

Тепловое действие электрического тока. При передаче электрической энергии по проводнику часть ее расходуется на преодоление сопротивления проводника. Проводник при этом нагревается, т. е. часть электрической энергии превращается в тепловую. Количество выделенного тепла зависит от величины тока, напряжения на зажимах потребителя и времени действия тока. [c.6]

Предохранители. Простейшими аппаратами, обеспечивающими заш иту электрических цепей и электродвигателей от короткого замыкания, являются предо-хранители с плавкой вставкой. Принцип работы предохранителей с плавкой основан на тепловом действии электрического тока, протекающего по проводнику. [c.99]

Рис, 9. Схемы нагрева деталей в вакууме за счет теплового действия электрического тока [c.88]

Электроконтактный нагрев. Нагрев деталей ДСМ может быть осуществлен также и за счет использования теплового действия электрического тока, пропускаемого по самим деталям. По способу подвода электрического тока к деталям могут быть выделены два основных способа нагрева — контактный и бесконтактный. При контактном нагреве образец непосредственно присоединяют к источнику постоянного или переменного тока. Скорость контактного нагрева образца зависит при этом от величины электросопротивления образца Яд и эффективного значения тока /дф, ср, протекающего по образцу. Количество «тепла (кал), выделяющегося при этом, может быть определено из уравнения Джоуля—Ленца [c.88]

Использование электричества, основанное на тепловом и химическом действиях электрического тока, получило распространение в промышленном объеме лишь в текущем столетии. [c.117]

Электрические методы обработки металлов разделяются на электротермические, основанные на тепловом воздействии электрического тока, и электрохимические, основанные на химическом действии электрического тока. [c.490]

Воздействие электрического тока на организм человека может иметь серьезные последствия. Действие электрического тока может быть тепловым (ожог), механическим (разрыв тканей, повреждение костей), химическим (электролизное действие). Кроме того, ток действует биологически, нарушая процессы, происходящие в живой материи. [c.126]

Наиболее важными проявлениями действия электрического тока являются тепловое, химическое и магнитное. [c.83]

Воздействие электрического тока на организм человека может иметь серьезные последствия для здоровья. Действие электрического тока может быть тепловым (ожог), механическим (разрыв тканей, повреждение ко- [c.22]

Уже в 1841 — 1843 гг., проводя опыты по определению теплового действия электрического тока, Джоуль установил параллельно и величину механического эквивалента теплоты , причем точнее Майера — 460кГм/ккал. Сделал он это на установке, ставшей классической вода в бочке нагревалась вращением лопастей, и затем определялось соотношение между затраченной работой и полученным теплом. Заметим, что это соотношение выражает лишь связь между различными единицами измерения энергии, а отнюдь не величину некоего эквивалента , ибо по закону сохранени5 количества взаимопревра-щающихся видов энергии должны быть равны. Тем не менее и в большинстве современных вузовских учебни- [c.120]

В некоторых установках требуется ввод в рабочую камеру электрического тока порядка сотен ампер сравнительно низкого напряжения. Это необходимо, например, для контактного электронагрева исследуемого образца под тепловым действием электрического тока. На рис. 23 в качестве примера приведен низковольтный многоамперный ввод с разъемными соединениями. Цифрой I обозначен электрод, выточенный из прутка красной меди и охлаждаемый изнутри пропускаемой по нему водой, проходящей по патрубкам 2 я 3 (стрелками обозначено направление движения воды). Приваренная к электроду накладка 4 служит для присоединения токоведу-62 щей шины, соединенной с питающим низковольтным трансформатором. [c.62]

Соответст-венно этому электрические методы падразделяются на электрохимические — преимущественно использующие химическое действие электрического тока электротермические—преимущественно использующие тепловое действие электрического тока электромеханические — гареймущественно использующие механическое дейст1вие электрического поля или разряда. [c.5]

Практически во всех жидкокристаллических фазах наблюдаются электрооптические эффекты, многие из которых находят пра7электрическим полем (ориентационные, или полевые эффекты), и эффекты, в которых помимо диэлектрических сил участвует проводимость ЖК, так называемые элек-трогидродипа.мические неустойчивости. Особое место занимают также эффекты, вызванные тепловым действием электрического тока, вернее, рассеянием электрической мощности, подводимой с помощью системы электродов к слою ЖК. [c.84]

Электроискровой способ обработки основан на тепловом действии электрического тока и применяется для получения отверстий малых диа.метроз. [c.156]

Со времени открытия тепловых действий электрическ. тока усовершенствование лампы накаливания проходило в следующих основных направлениях 1) в изыскании материалов для калильного тела, не изменяющих твердого состояния при возможно высоких i°, и 2) в направлении изыскания условий, при которых раскаленная нить не подвергалась бы разрушительному действию окружающей среды. В табл. 1 приведены важнейшие даты истории развития ламп накаливания. [c.416]

Для определения единицы силы тока можно бьию бы воспользоваться люб)>1м действием электрического тока — тепловым, химическим, поидеромоторпым. Выбрали последнее, так как силовое взаимодействие токов по закону ANniepa [c.118]

По электрическим свойствам все ферриты относятся к полупроводникам. Их применяют для магнитопрово-дов, работающих в слабых и сильных магнитных полях высокой частоты (до 100 МГц), и в импульсном режиме. Кроме радиотехники их также применяют для изготовления магнитных усилителей, сердечников трансформаторов и катушек индуктивности, деталей отклоняющих систем, статоров и роторов высокочастотных двигателей, сердечников быстродействующих реле, термомагнитных компенсаторов и т. д. Возможность применения ферритов в полях высокой частоты определяется главным образом их большим удельным электрическим сопротивлением, благодаря которому реактивное и тепловое действие вихревых токов получается незначительным даже у магнитопрово-дов сплошного сечения. По этой же причине индукция в ферритовых магни-топроводах может иметь даже большую величину, чем в магнитопроводах из [c.189]

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

Двигаясь в любом проводнике, электрический ток передает ему какую-то энергию, из-за чего проводник нагревается. Энергетическая передача осуществляется на уровне молекул: в результате взаимодействия электронов тока с ионами или атомами проводника часть энергии остается у последнего.

Тепловое действие тока приводит к более быстрому движению частиц проводника. Тогда его внутренняя энергия возрастает и трансформируется в тепловую.

Формула расчета и ее элементы

Тепловое действие тока может быть подтверждено разными опытами, где работа тока переходит во внутреннюю проводниковую энергию. При этом последняя возрастает. Затем проводник отдает ее окружающим телам, то есть осуществляется теплопередача с нагреванием проводника.

Формула для расчета в этом случае следующая: A=U*I*t.

Количество теплоты можно обозначить через Q. Тогда Q=A или Q=U*I*t. Зная, что U=IR, получается Q=I*R*t, что и было сформулировано в законе Джоуля-Ленца.

Закон теплового действия тока — закон Джоуля-Ленца

Проводник, где протекает электрический ток, изучали многие ученые. Однако, самых заметных результатов удалось добиться Джеймсу Джоулю из Англии и Эмилию Христиановичу Ленцу из России. Оба ученых работали отдельно и выводы по результатам экспериментов делали независимо один от другого.

Они вывели закон, позволяющий оценить тепло, получаемое в результате действия тока на проводник. Его назвали законом Джоуля-Ленца.

Рассмотрим на практике тепловое действие тока. Примеры возьмем следующие:

Обычную лампочку.
Нагревательные приборы.
Предохранитель в квартире.
Электрическую дугу.

Лампочка накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и увеличению возможностей для использования электричества. То, как применяются результаты исследований, можно рассмотреть на примере обычной лампочки накаливания.

Она устроена таким образом, что внутри протягивается нить, изготовленная из вольфрамовой проволоки. Этот металл является тугоплавким с высоким удельным сопротивлением. При проходе через лампочку осуществляется тепловое действие электрического тока.

Энергия проводника трансформируется в тепловую, спираль нагревается и начинает светиться. Недостаток лампочки заключается в больших энергетических потерях, так как лишь за счет незначительной части энергии она начинает светиться. Основная же часть просто нагревается.

Чтобы лучше это понять, вводится коэффициент полезного действия, который демонстрирует эффективность работы и преобразования в электроэнергию. КПД и тепловое действие тока используются в разных областях, так как имеется множество устройств, изготовленных на основании этого принципа. В большей степени это нагревательные приборы, электрические плиты, кипятильники и другие подобные аппараты.

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.

Квартирные предохранители

Чтобы улучшить защиту и обезопасить электрические цепи, используются особые предохранители. В роли главной части выступает проволока из легкоплавкого металла. Она проходит в пробке из фарфора, имеет винтовую нарезку и контакт в центре. Пробку вставляют в патрон, расположенный в фарфоровой коробке.

Свинцовая проволока является частью общей цепи. Если тепловое действие электрического тока резко возрастет, сечение проводника не выдержит, и он начнет плавиться. В результате этого сеть разомкнется, и не случится токовых перегрузок.

Электрическая дуга

Электрическая дуга является довольно эффективным преобразователем электрической энергии. Она используется при сварке металлических конструкций, а также служит мощным световым источником.

В основу устройства входит следующее. Берут два угольных стержня, подсоединяют провода и прикрепляют их в изолирующих держателях. После этого стержни подключают к источнику тока, который дает малое напряжение, но рассчитан на большую силу тока. Подключают реостат. Угли в городскую сеть включать запрещается, так как это может стать причиной пожара. Если коснуться одним углем о другой, то можно заметить, как сильно они раскалятся. Лучше не смотреть на это пламя, потому что оно вредно для зрения. Электрическую дугу используют в печах для плавки металла, а также в таких мощных осветительных приборах, как прожекторы, кинопроекторы и прочее.

Применение теплового действия электрического тока

Цели: выяснить причины перегрузки сети и короткого замыкания, объяснить учащимся назначение предохранителей; изучить устройство лампы накаливания.

Демонстрации: устройство и принцип действия лампы накаливания; устройство и принцип действия предохранителей; устройство и принцип действия электронагревательных приборов.

Ход урока

I. Повторение изученного

Повторить материал, изученный на предыдущем уроке, можно в ходе фронтального опроса по теме «Закон Джоуля-Ленца»:

— В чем проявляется тепловое действие тока? При каких условиях оно наблюдается?

— Почему при прохождении тока проводник нагревается?

— Почему, когда по проводнику пропускают электрический ток, проводник удлиняется?

— По какой формуле можно рассчитать количество теплоты, выделяемое проводником с током?

— Как формулируется закон Джоуля-Ленца?

— Последовательно соединенные медная и железная проволоки одинаковой длины и сечения подключены к аккумулятору. В какой из них выделится большее количество теплоты за одинаковое время?

II. Применение теплового действия электрического тока

На данном уроке необходимо остановиться на использовании теплового действия тока на практике:

а) электрические лампы накаливания;

б) электрические нагревательные приборы;

в) короткое замыкание;

г) плавкие предохранители.

Следует уделить несколько минут на уроке рассмотрению вопросов о коротком замыкании, о назначении и устройстве предохранителей.

К пониманию вопроса о коротком замыкании учащиеся уже достаточно подготовлены. Им уже говорилось, что электрические цепи рассчитаны на определенную силу тока. Если сопротивление цепи по каким-либо причинам уменьшится, то сила тока возрастет и может стать больше допустимой. Естественно, при этом будут нагреваться провода, возможно воспламенение изоляции проводов и даже расплавление проводов. Такое уменьшение сопротивления цепи может возникнуть при включении параллельно дополнительных потребителей. При коротком замыкании ток может достигнуть очень большой величины и возникнет опасность пожара. Избежать этой опасности помогают предохранители.

Предохранитель

Предохранитель — это устройство для предотвращения недопустимого и опасного действия установки, машины, аппарата, прибора, оружия и прочего, в результате нарушения нормальных условий и режимов их работы, аварий, неосторожного обращения и др. Наиболее распространены плавкие предохранители для защиты электрических сетей от токов короткого замыкания. Предохранительные клапаны нужны для защиты паровых котлов и напорных воздушных баков (ресиверов) от чрезмерного повышения давления, а также предохранители применяются в ружьях и пистолетах.

Предохранитель плавкий — это устройство для защиты электрических установок от токов коротких замыканий и перегрузок, прерывающие цепь в результате расплавления специального проводника. При возрастании тока в цепи свыше номинального значения в плавких предохранителях происходит расплавление плавких вставок и защищаемого плавкого предохранителя проводов, машин, аппаратов. Различают номинальный ток плавкого предохранителя, на который рассчитаны его токоведущий и контактные несменяемые части и номинальный ток сменяемой плавкой вставки, выполняемой на различные номинальные токи.

Чтобы предотвратить возникновение длительной электрической дуги, плавкая вставка должна иметь длину больше той, при которой может гореть дуга под данным напряжением, поэтому на плавких предохранителях кроме номинального тока, указывается также и наибольшее допустимое рабочее напряжение установки.

Достоинством плавких предохранителей является простота и дешевизна; недостатком — необходимость замены плавких вставок, что особенно затрудняется в установках высокого напряжения. Кроме того, электрические машины защищают плавкие предохранители только от токов коротких замыканий.

На уроке можно также показать фрагменты видеофильмов о применении электрического тока, например: «Из истории электрического освещения»; «Электричество служит людям»; «Работает электрический ток».

Далее заслушиваются доклады учащихся.

Домашнее задание

1. § 54, 55 учебника; вопросы к параграфу.

2. Сборник задач В. И. Лукашика, Е. В. Ивановой, № 1443, 1444, 1446.

Дополнительный материал

Опыты Джоуля

Первые точные опыты, доказывающие эквивалентность количества теплоты, переданного телу, и работы, были выполнены английским ученым Д. Джоулем в середине XIX в.

Интерес к проблеме впервые возник у Джоуля из знакомства с электрическими двигателями, которые только что были изобретены. Джоуль был человеком весьма практического склада ума, и его увлекла идея создать вечный источник энергии. Он изготовил вольтову батарею, запустил от нее примитивный электродвигатель собственной конструкции и увидел, что получить нечто из ничего не удается: цинк в батарее съедался, и замена его обходилась довольно дорого. (Позже Джоуль доказал, к своему собственному удовольствию, что прокормить лошадь всегда дешевле, чем менять цинк в батареях, так что лошадь никогда не будет вытеснена электродвигателем.) Это побудило Джоуля исследовать связь между теплотой и энергией всех видов, и он решил выяснить, существует ли точное количественное соотношение между теплотой и механической энергией.

Джоуль пришел к следующему результату: при совершении работы 4,2 Дж происходит такое же повышение температуры, как и при сообщении телу количества теплоты, равного 1 кал.

Многочисленные последующие опыты самого Джоуля и других ученых подтвердили сделанный вывод. Было экспериментально доказано, что калория есть не что иное, как тепловая единица энергии. Величина 4,2 Дж/кап (или, точнее, 4,1868 Дж/кап) получила название механического эквивалента теплоты: это переводной множитель из тепловых единиц в механические.

В СИ количество теплоты выражают в джоулях, а удельную теплоемкость — в джоулях на килограмм — кельвин. Для воды удельная теплоемкость примерно равна 4190 Дж / (кг · К).

Томас Алва Эдисон (1847-1931)

Томас Алва Эдисон родился в 1847 году. Жил он в маленьком городишке США. Его считали в школе ленивым учеником, хотя внимательный учитель мог бы заметить в нем природную любознательность и склонность к исследованиям. В подвале дома он устроил химическую лабораторию и ставил там различные опыты.

В 12 лет Томас бросил школу и стал разносчиком газет. Потом он освоил профессию телеграфиста, блестяще изучил технику телеграфирования, телеграфный аппарат. Первое изобретение Эдисона связано именно с телеграфным аппаратом. Эдисон сконструировал приставку, которая автоматически и периодически посылала условный сигнал на станцию, подтверждающий, что телеграфист бдительно дежурит у аппарата.

С тех пор в течение более чем 60 лет Эдисон вел напряженную изобретатель? скую работу, хлопотал о внедрении своих технических новшеств в производство.

Эдисон проявлял энергию и упорство в достижении поставленной цели. Так, поставив перед собой задачу создать завод по производству карболовой кислоты, он почти не выходил из лаборатории, но проблему он решил. Для того чтобы создать щелочной аккумулятор, он провел десятки тысяч опытов.

В 1878 г. Эдисон обратился к проблеме электрического освещения, пошел по пути усовершенствования лампы накаливания А. Н. Лодыгина.

За один год он провел 6000 опытов в поисках наилучшего материала для нити лампы накаливания. И хотя лампы Эдисона получили признание, все же лучший материал для нитей — вольфрам предложил А. Н. Лодыгин; нити из вольфрама используются до сих пор в большинстве ламп накаливания.

Телефон изобрел А. Белл, а Эдисон внес в него значительные усовершенствования, которые устраняли посторонние шумы и позволяли хорошо слышать собеседника на любом расстоянии.

Эдисон развивал идеи предшественников, теперь изобретатели разных стран шли по открытому им пути: были созданы граммофон, патефон, электрофон.

Умер Эдисон в 1931 году.

Источники электрического тока и его действие | RuAut

Электричество так прочно вошло сегодня в нашу жизнь, что без него не мыслимы ни быт, ни производство. Прогресс науки и техники во многом стал возможен, благодаря широкому использованию электрического тока. Развитие сети атомных электростанций, дальнейшее совершенствование электронной техники, создание сложнейших генераторов — таков на сегодняшний день Российской электроэнергетики.

В источниках электрического тока происходит превращение других видов энергии в электрическую. Механическая энергия превращается в электрическую как в лабораторных машинах, так и в промышленных генераторах при получении электрического тока различной мощности. Превращение химической энергии в электрическую происходит в гальванических элементах. Они имеют различные размеры и применяются для питания портативной и другой аппаратуры. Для электропитания движущихся устройств применяются химические источники тока — аккумуляторы. В зависимости от материала электродов, аккумуляторы бывают щелочные, железоникелевые, серебряно-цинковые и свинцовые. Аккумулятор для работы необходимо заряжать. В термоэлементе, состоящем из двух спаянных между собой проводников из различных материалов, при нагревании места спая, возникает электрический ток. Термоэлемент превращает внутреннюю энергию нагревателя в электрическую. Термоэлектрические генераторы применяются на навигационных буях, автоматических маяках и удаленных метеостанциях. Световая энергия, также может превращаться в электрическую. Например, при освещении селена, оксида меди или кремния. Это явление лежит в основе работы устройства фотоэлемента. Фотоэлементы применяются в автоматике, телевидении, фототехнике и кино. Солнечные батареи, установленные на космических кораблях и гелиоустановках, также являются источниками электроэнергии. Солнечные батареи непосредственно преобразуют световую энергию в электрическую. Гелиоустановки не требуют топлива и не загрязняют окружающую среду. Они используются в районах с наибольшим количеством солнечных дней в году.

Сегодня используется тепловое, химическое и магнитное действие электрического тока. При возникновении электрического тока в проводнике, проводник нагревается. На этом основано действие электрических нагревательных приборов. С увеличением силы тока повышается температура проводника. В лампах накаливания тонкая проволочка наливается электрическим током до яркого свечения. Тепловое действие тока используется также в плавких предохранителях и автоматических выключателях, защищающих от короткого замыкания. А способность электрического тока нагревать металлы до температуры их плавления позволяет надежно соединить их с помощью сварки. Химическое действие тока наблюдается при прохождении его через раствор электролита. В результате на электродах осаждаются нейтральные частицы вещества. Это явление используется для получения чистых металлов, при никелировании или хромировании металлических предметов для защиты их от коррозии. Свойство электрического тока создавать магнитное поле используется в самых различных технических устройствах. Например, в телефонах и громкоговорителях. В миниатюрных записывающих и воспроизводящих головках видеомагнитофонов и в гигантских промышленных подъемных кранах. В результате взаимодействия проводника с током с магнитным полем проявляется магнитное действие тока. Это явление лежит в основе работы электроизмерительных приборов и в электродвигателях.

У истоков применения электричества в технике стояли многие русские ученые. Имена Петрова, Шилинга, Якоби, Лодыгина, Попова навеки вписаны в историю науки и техники. Пример патриотизма ученого проявил Павел Николаевич Яблочков. Все деньги, полученные за свое изобретение электрической свечи, он употребил на выкуп патента, который преподнес в дар России.

Мы уже научились превращать в электрическую энергию, энергию приливов, внутреннего тепла земли и ветров. Развитие сети мощных электростанций и высоковольтных линий электропередач, дальнейшее совершенствование электротехнических устройств существенно влияет на темпы научно-технического прогресса. Наука об электричестве ждет новых открытий.

Нагревательный эффект электрического тока — Практическое применение и формула

Нагревательный эффект электрического тока широко используется всеми нами в нашей повседневной жизни. Чайник, обогреватель, тостер, электрический утюг и т. Д. Используются всеми нами в качестве альтернативы обычным методам приготовления пищи и стирки. Тот же эффект нагрева используется в электрических лампах, которые являются альтернативой обычным лампам. Все эти устройства произвели революцию в мире, в котором мы живем, за последние годы.В этом разделе сегодня мы узнаем о нагревательном эффекте определения электрического тока и применении нагревательного эффекта тока.

(изображение будет загружено в ближайшее время)

Всякий раз, когда электрический ток проходит через проводник, он имеет тенденцию выделять тепло из-за помех, создаваемых проводником для тока, протекающего внутри. Объем работы, проделанной для преодоления этого препятствия электрическому току, производит тепло в этом конкретном проводнике.

Формула теплового эффекта электрического тока

Давайте теперь узнаем о формуле нагревающего эффекта электрического тока.

Когда ток течет по проводнику, внутри проводника генерируется тепловая энергия. Этот нагревательный эффект тока зависит от трех различных факторов.

Сопротивление проводника: чем выше сопротивление, тем больше выделяется тепла.
Продолжительность протекания тока: если ток протекает в течение более длительного времени, количество выделяемого тепла больше.
Чем выше ток электрического тока, тем выше выделение тепла.

Следовательно, эффект нагрева, создаваемый током I, проходящим через проводник с сопротивлением R в течение заданного времени T, определяется следующим уравнением.

H = I ² RT

Это уравнение также известно как уравнение Джоуля электрического нагрева.

Применение нагревающего эффекта электрического тока

Ниже приведены некоторые применения нагревающего эффекта электрического тока.

Электрический утюг:

Слюда известна как изолятор, который помещается между металлической частью и катушкой утюга. Катушка нагревается при пропускании электрического тока. Затем он переносится на металлическую часть через слюду. Наконец, нагревается металлическая часть, которую мы используем для глажки одежды.

(изображение будет скоро загружено)

Электрическая лампочка:

Электрическая лампочка состоит из толстой металлической проволоки, изготовленной из вольфрама. Вольфрам хранится в инертной среде с вакуумом или нейтральным газом.Когда ток проходит через вольфрамовую проволоку, она нагревается и начинает излучать свет. Большая часть электроэнергии, потребляемой в цепи от источника электричества, имеет тенденцию рассеиваться в окружающей среде в виде тепла, а оставшаяся часть выделяется в виде световой энергии.

(изображение будет загружено в ближайшее время)

Electric Heater:

Что касается электрического нагревателя, то здесь используется нихромовая проволока с высоким сопротивлением в виде катушки. Затем эта катушка наматывается на канавки, сделанные из керамического материала или фарфоровой глины.Когда ток проходит через катушку, она нагревается, что, в свою очередь, используется для нагрева посуды для приготовления пищи.

(изображение будет скоро загружено)

Электрический предохранитель:

В любом электрическом приборе из-за внезапного повышения тока прибор сгорает. Иногда это может привести к пожару. Провод, имеющий более низкую температуру плавления, подключается в виде последовательного соединения с цепью для предотвращения такого типа аварии. Когда ток имеет тенденцию к увеличению, проволока плавится из-за чрезмерного нагрева и, следовательно, разрывает электрическую цепь.

(изображение будет скоро загружено)

Чтобы использовать нагревательный эффект электрического тока, элемент бытовой техники должен иметь более высокие температуры плавления для сохранения большего количества тепла.

Термический эффект — обзор

7.2.2 Температура

Термические эффекты включают изменения, вызванные в композитной системе из-за воздействия колебаний температуры, воздействия температур выше температуры отверждения, воздействия отрицательной температуры (замерзания), высоких температур , и циклы замораживания-оттаивания.

Поскольку волокна обычно устойчивы к температурному воздействию (например, углеродные волокна устойчивы к температуре до 600 ° C), ожидается, что основные источники деградации кирпичной кладки, усиленной стеклопластиком, находятся в эпоксидной смоле, каменной подложке, интерфейс волокна-матрица и интерфейс FRP-кладка.

Хорошо известно, что эпоксидные смолы размягчаются при температурах, превышающих их T _г. Это приводит к увеличению их вязкоупругого отклика, снижению упругих свойств и снижению старения эпоксидной смолы.С другой стороны, воздействие на эпоксидные смолы температур ниже их T _g, но выше температуры отверждения, может привести к увеличению их подверженности механическому разрушению, вызывая последующее отверждение и увеличение T _{. г} (Karbhari, 2003b; Кумар, Гупта, 2003). Повышение температуры также может приводить к увеличению скорости поглощения влаги эпоксидными смолами, таким образом оказывая синергетический эффект.С другой стороны, воздействие отрицательных температур приводит к охрупчиванию эпоксидных смол и увеличению их эффективной жесткости. Это также может привести к упрочнению матрицы, микротрещинам и ухудшению связи между волокном и матрицей (Karbhari, 2003a). Изменения свойств эпоксидной смолы в результате воздействия температурных условий, как также объяснялось в последнем разделе, могут привести к ухудшению механических свойств композита FRP и сцепления на границах раздела.

Температурные циклы также могут вызвать растрескивание и повреждение на границах раздела волокно-матрица и FRP-подложка из-за проблем термической несовместимости (Green et al., 2003; Карбхари, 2003а; Гиасси и др., 2014; Maljaee et al., 2016a, 2016b). Термическая несовместимость и последующие повреждения возникают из-за значительной разницы в тепловом расширении между волокнами и полимерными матрицами и / или между FRP и подложками. Большинство эпоксидных смол, используемых в качестве матрицы в FRP, имеют коэффициенты теплового расширения в диапазоне от 45 × 10 ^-6 ° C до 65 × 10 ^-6 ° C. Между тем, стекловолокно обычно имеет коэффициент 5 × 10 ^-6 ° C, а углеродные волокна имеют коэффициент в диапазоне -0.2 × 10 ⁻⁶ ° C до 0,6 × 10 ⁻⁶ ° C. С другой стороны, коэффициент теплового расширения глиняных кирпичей составляет порядка 5 × 10 ^–6 ° C (Kralj et al., 1991). Эта большая разница в коэффициентах расширения вызывает высокие термические напряжения на границах раздела волокно / матрица и матрица / кирпич, которые могут привести к расслоению, когда структура находится в условиях тепловых циклов (Karbhari et al., 2003; Hollaway, 2010; Ghiassi et al., 2014). ; Maljaee et al., 2016b). Проблема тепловой несовместимости усугубляется при использовании углеродных волокон, поскольку эти волокна являются анизотропными с положительным коэффициентом теплового расширения в поперечном направлении и отрицательным коэффициентом в продольном направлении.Обычно это приводит к отслаиванию волокон от окружающей матрицы.

Сообщество Genius | Эффект нагрева электрическим током

Когда ток проходит по проволоке, часть электрической энергии преобразуется в тепловую, и проволока нагревается.

Это явление называется эффектом нагрева электрическим током.

Количество тепла, выделяемого при протекании тока через провод, зависит от следующих факторов:

1. Материал провода

2.Толщина проволоки

3. Длина проволоки

4. Величина протекающего тока

Однако в электрической лампочке накаливание нагревается, что, в свою очередь, светится и излучает свет.

Это называется световым эффектом электричества.

В предохранителе также используется эффект нагрева электрическим током.

Это предохранительное устройство, используемое для предотвращения повреждения электрической цепи, если через нее внезапно проходит очень сильный ток.

Такая ситуация может возникнуть, когда положительный и отрицательный провода в электрической цепи непосредственно контактируют друг с другом.

Это называется коротким замыканием.

Из-за сильного протекания тока проволока нагревается (нагревание электрическим током) и может вызвать возгорание.

Плавкая проволока изготовлена из сплава олова и свинца с низкой температурой плавления.

Тепло, выделяемое из-за сильного тока, быстро расплавляет плавкий провод и разрывает цепь.

Таким образом, ток прекращается и повреждения предотвращаются.

Таким образом, предохранительный провод предотвращает повреждение из-за внезапных сильных токов, которые могут возникнуть из-за неисправности домашней электропроводки или других устройств.

Вместо предохранителей в дополнение к ним используется устройство, называемое автоматическим выключателем (MCB).

Это переключатель, который автоматически останавливает ток в цепи, если ток в нем превышает указанный максимальный предел.

Еще из 7 класса Физика

Изучите концепции воды на Земле, ее источников и грунтовых вод.

Разберитесь в концепции нагревающего эффекта электрического тока. См. Примеры из реальной жизни, где наблюдается этот эффект.

Разберитесь в концепции магнитного эффекта электрического тока. Демистифицируйте этот, казалось бы, волшебный эффект. Посмотрите его применение в реальном мире.

% PDF-1.6 % 1 0 объект >>> / BBox [0 0 354.35 595.29] / Длина 124 >> поток х; 0 ާ bDIodo; p2 FҜp: o ܍ ~ ĔyRVnZg ޻ Xx ۧ ,! Y (r3 {+ Fo? 6x $ | конечный поток эндобдж 3 0 obj >>> / BBox [0 0 354.35 595.29] / Длина 124 >> поток х; 0 ާ bDIodo; p2 FҜp: o ܍ ~ ĔyRVnZg ޻ Xx ۧ ,! Y (r3 {+ Fo? 6x $ | конечный поток эндобдж 4 0 obj >>> / BBox [0 0 354.35 595.29] / Длина 124 >> поток х; 0 ާ bDIodo; p2 FҜp: o ܍ ~ ĔyRVnZg ޻ Xx ۧ ,! Y (r3 {+ Fo? 6x $ | конечный поток эндобдж 8 0 объект >>> / BBox [0 0 354.35 595.29] / Длина 124 >> поток х; 0 ާ bDIodo; p2 FҜp: o ܍ ~ ĔyRVnZg ޻ Xx ۧ ,! Y (r3 {+ Fo? 6x $ | конечный поток эндобдж 9 0 объект >>> / BBox [0 0 354.35 595.29] / Длина 124 >> поток х; 0 ާ bDIodo; p2 FҜp: o ܍ ~ ĔyRVnZg ޻ Xx ۧ ,! Y (r3 {+ Fo? 6x $ | конечный поток эндобдж 7 0 объект >>> / BBox [0 0 354.34 595.3] / Длина 124 >> поток х; 0 ާ bDIodo; p2 FҜp: o ܍ ~ ĔyRVnZg ޻ Xx ۧ ,! Y (r3 {+ Fo? 6x $ | конечный поток эндобдж 5 0 obj >>> / BBox [0 0 354.35 595.29] / Длина 124 >> поток х; 0 ާ bDIodo; p2 FҜp: o ܍ ~ ĔyRVnZg ޻ Xx ۧ ,! Y (r3 {+ Fo? 6x $ | конечный поток эндобдж 6 0 obj >>> / BBox [0 0 354.35 595.29] / Длина 124 >> поток х; 0 ާ bDIodo; p2 FҜp: o ܍ ~ ĔyRVnZg ޻ Xx ۧ ,! Y (r3 {+ Fo? 6x $ | конечный поток эндобдж 11 0 объект > поток

2017-10-06T14: 09: 27Z2021-10-12T21: 58: 57-07: 002021-10-12T21: 58: 57-07: 00uuid: 77325e4b-6cad-4187-9753-490dc374dd3buuid: 918511fc-ceed-44d9- 9785-11eb1f859965Trueroyalsociety.орг конечный поток эндобдж 12 0 объект > поток x +

Температурный эффект — Урок

(0 Рейтинги)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 10 (9–12)

Требуемое время: 45 минут

Зависимость урока: Нет

Тематические области: Физические науки, наука и технологии

Ожидаемые характеристики NGSS:

Резюме

Учащиеся изучают, как на эффективность солнечной фотоэлектрической панели влияет температура окружающей среды.Они узнают, как инженеры прогнозируют выходную мощность фотоэлектрической панели при различных температурах, и исследуют некоторые реальные инженерные приложения, используемые для управления температурой фотоэлектрических панелей. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Поскольку на выходной ток и напряжение фотоэлектрической панели влияют изменяющиеся погодные условия, важно охарактеризовать реакцию системы на эти изменения, чтобы оборудование, связанное с фотоэлектрической панелью, могло иметь соответствующий размер.Среднее рабочее напряжение и ток фотоэлектрической системы важно учитывать с точки зрения безопасности, возможностей и выбора оборудования, а также минимизации количества проводов, необходимых для строительства. Используя данные о погоде, в том числе историческую температуру и информацию о солнечном излучении, инженеры оценивают, сколько энергии фотоэлектрическая электростанция может вырабатывать в течение своего срока службы, используя методы, описанные в этом уроке.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

Опишите влияние различных температур на эффективность фотоэлектрических панелей.
Объясните, как инженеры могут попытаться контролировать температуру солнечных фотоэлектрических панелей.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).
Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).
В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .
NGSS: научные стандарты нового поколения — наука
Ожидаемые характеристики NGSS
HS-ESS3-4.Оценить или усовершенствовать технологическое решение, которое снижает воздействие человеческой деятельности на природные системы. (9–12 классы)
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Щелкните здесь, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям.
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Сквозные концепции
Разработайте или доработайте решение сложной реальной проблемы, основываясь на научных знаниях, источниках доказательств, созданных студентами, приоритетных критериях и компромиссных решениях.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!
Ученые и инженеры могут внести большой вклад, разрабатывая технологии, которые производят меньше загрязнений и отходов и предотвращают деградацию экосистем.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!
При оценке решений важно принимать во внимание ряд ограничений, включая стоимость, безопасность, надежность и эстетику, а также учитывать социальные, культурные и экологические воздействия.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!
Обратная связь (отрицательная или положительная) может стабилизировать или дестабилизировать систему.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв! Инженеры
постоянно модифицируют эти технологические системы, применяя научные знания и методы инженерного проектирования, чтобы увеличить выгоды при одновременном снижении затрат и рисков.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!
Ожидаемые характеристики NGSS
HS-PS3-3.Спроектируйте, создайте и доработайте устройство, которое работает с заданными ограничениями для преобразования одной формы энергии в другую. (9–12 классы)
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Щелкните здесь, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям.
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Сквозные концепции
Разработайте, оцените и / или доработайте решение сложной реальной проблемы, основываясь на научных знаниях, источниках доказательств, созданных студентами, критериях приоритета и компромиссных решениях.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!
В макроскопическом масштабе энергия проявляется множеством способов, таких как движение, звук, свет и тепловая энергия.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!
Хотя энергия не может быть уничтожена, ее можно преобразовать в менее полезные формы — например, в тепловую энергию в окружающей среде.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!
Критерии и ограничения также включают удовлетворение любых требований, установленных обществом, таких как учет вопросов снижения риска, и они должны быть количественно определены, насколько это возможно, и сформулированы таким образом, чтобы можно было определить, соответствует ли им данный проект.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!
Энергия не может быть создана или уничтожена — она только перемещается между одним местом и другим местом, между объектами и / или полями или между системами.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!
Современная цивилизация зависит от основных технологических систем. Инженеры постоянно модифицируют эти технологические системы, применяя научные знания и методы инженерного проектирования для увеличения выгод при одновременном снижении затрат и рисков.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!
Общие основные государственные стандарты — математика
Интерпретируйте параметры в линейной или экспоненциальной функции с точки зрения контекста.(Оценки 9 — 12) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Поймите, что график уравнения с двумя переменными — это набор всех его решений, нанесенных на координатную плоскость, часто образующих кривую (которая может быть линией).(Оценки 9 — 12) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология
ГОСТ
Колорадо — наука
Используйте соответствующие измерения, уравнения и графики для сбора, анализа и интерпретации данных о количестве энергии в системе или объекте. (Оценки 9 — 12) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Оценить эффективность преобразования энергии при различных преобразованиях энергии. (Оценки 9 — 12) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Предложите выравнивание, не указанное выше
Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?
Рабочие листы и приложения
Посетите [www.teachengineering.org/lessons/view/cub_pveff_lesson02], чтобы распечатать или загрузить.
Больше подобной программы
Введение / Мотивация
Вы когда-нибудь замечали, как ЖК-дисплей, такой как экран вашего калькулятора или мобильного телефона, меняет цвет при воздействии экстремально низких или высоких температур? Температура влияет на то, как электричество проходит через электрическую цепь, изменяя скорость движения электронов.Это связано с увеличением сопротивления цепи в результате повышения температуры. Аналогичным образом сопротивление уменьшается с понижением температуры.
Представьте, что вы отправляетесь на пробежку по пустыне, когда температура составляет 110 ºF. Как вы думаете, понравилось бы вашему телу усердно работать в таких условиях? А теперь представьте ту же самую пробежку красивым прохладным осенним вечером с легким ветерком. В каких погодных условиях ваше тело будет работать лучше всего? Точно так же, как способности человеческого тела меняются в зависимости от погодных условий, мощность солнечной панели зависит от условий ее работы.
Солнечные панели лучше всего работают в определенных погодных условиях, но поскольку погода постоянно меняется, а инженеры устанавливают солнечные панели по всему миру в различных климатических регионах, большинство панелей не работают в идеальных условиях. Вот почему инженерам важно понимать, как панели реагируют на различные погодные условия. Обладая этими знаниями, они могут разработать способы повышения эффективности солнечных панелей, работающих в неоптимальных условиях.
В некоторых случаях они проектируют системы охлаждения, чтобы удерживать панели в пределах определенных температур.Например, солнечные электростанции в чрезвычайно жарком климате могут пропускать холодную жидкость за панелями, чтобы отводить тепло и сохранять панели в прохладном состоянии. Это похоже на то, как ваше тело могло бы потеть, чтобы сохранить прохладу, если бы вы бежали при температуре воздуха 110 ºF. После урока обратитесь к соответствующему упражнению «Фотогальваника и температура: лед, лед, PV!». чтобы студенты могли изучить, как выходная мощность фотоэлектрической солнечной панели зависит от изменений температуры, подвергая температуру панели различным температурам и записывая полученное выходное напряжение.
Предпосылки и концепции урока для учителей
Для каждой отдельной фотоэлектрической системы инженеры должны использовать специальное оборудование, такое как инверторы , чтобы гарантировать, что система работает с максимальной эффективностью. Различные инверторы рассчитаны на разные максимальные напряжения и имеют более высокий КПД в разных диапазонах напряжения. Инженеры должны тщательно рассчитать фотоэлектрическую систему в различных температурных средах, чтобы гарантировать, что выходное напряжение не будет слишком высоким, что может привести к повреждению оборудования.Фотоэлектрическая система в Аризоне будет иметь максимальное напряжение ниже, чем такая же система в Северной Дакоте (построенная из тех же материалов) из-за более высоких температур в Аризоне. Поскольку фотоэлектрические панели более эффективны при более низких температурах, инженеры также проектируют системы с активным и пассивным охлаждением. Охлаждение фотоэлектрических панелей позволяет им работать с более высокой эффективностью и производить больше энергии.
Панели могут охлаждаться активно или пассивно. Активная система требует для работы внешнего источника питания.Пассивная система не требует дополнительной мощности. Примером пассивной системы может быть массив панелей, которые отстоят от крыши на 2 фута (61 см), чтобы воздух естественным образом проходил за панелями и отводил немного тепла, или крыша белого цвета, которая предотвращает появление поверхностей вокруг панелей. от нагрева и вызывая дополнительный приток тепла. Активная система может иметь вентиляторы, чтобы обдувать панели воздухом, или перекачивать воду за панели, чтобы отводить тепло. Активная система охлаждения может использоваться в определенных ситуациях, в которых добавленная эффективность панелей больше, чем энергия, необходимая для работы системы, например, с солнечной электростанцией в пустыне.Они также могут использоваться в ситуациях, когда могут быть достигнуты некоторые дополнительные цели, например, нагрев воды для бытовых нужд. Рисунок 1. Пример гибридной фотоэлектрической тепловой (PVT) системы с трубами и ребрами, установленными на крыше Университета Колорадо в Боулдере. Дом для десятиборья на солнечных батареях, 2007. copyright
Copyright © Джек Баум, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере
Пример гибридной фотоэлектрической тепловой системы (PVT) показан на рисунке 1.Эта комбинированная солнечная фотоэлектрическая система и водонагревательная система была установлена на крыше спроектированного студентами солнечного дома десятиборья. Система пропускает холодную воду за панелями для поглощения тепла от них, что делает их более эффективными. Нагретая вода используется в доме для душа или отопления. Даже если наружные температуры низкие, темные панели и крыша становятся довольно горячими в солнечные дни из-за всего полученного солнечного излучения, что делает PVT-систему практическим решением для увеличения выработки электроэнергии от фотоэлектрических панелей и снижения тепловых нагрузок в помещении. дом!
Хотя важно знать температуру фотоэлектрической панели для прогнозирования ее выходной мощности, также важно знать материал фотоэлектрической панели, потому что эффективность различных материалов зависит от температуры.Следовательно, фотоэлектрическая система должна быть спроектирована не только в соответствии с максимальной, минимальной и средней температурой окружающей среды в каждом месте, но и с пониманием материалов, используемых в фотоэлектрической панели. Температурная зависимость материала описывается температурным коэффициентом. Для поликристаллических фотоэлектрических панелей, если температура снижается на один градус Цельсия, напряжение увеличивается на 0,12 В, поэтому температурный коэффициент составляет 0,12 В / C. Общее уравнение для оценки напряжения данного материала при заданной температуре: Уравнение для оценки напряжения данного материала при заданной температуре.авторское право
Copyright © Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере
, где:
В _{OC, мод} = напряжение холостого хода при температуре модуля
T _STC [° C] = температура при стандартных условиях испытаний (STC), 25 ° C, 1000 Вт / м ² солнечное излучение
T _мод [° C] = температура модуля
В _{OC, номинальное значение} = напряжение холостого хода при STC
В качестве примера для поликристаллического материала уравнение выглядит следующим образом: Уравнение для оценки напряжения поликристаллического материала при температуре окружающей среды.авторское право
Copyright © Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере
Влияние температуры может быть четко отображено с помощью кривой I-V (ток в зависимости от напряжения) фотоэлектрической панели. Кривые ВАХ показывают различные комбинации напряжения и тока, которые могут быть произведены данной фотоэлектрической панелью в существующих условиях. На рисунке 2 показаны две примерные кривые ВАХ при разных температурах для учебных модулей. По оси ординат отложен ток, измеренный в амперах (А).Напряжение, измеренное в вольтах (В), отложено по оси абсцисс. Для сбора данных для этого графика 11 декабря фотоэлектрическая панель была размещена на земле в Боулдере, штат Колорадо, на широте 40 °. Первые измерения были выполнены при температуре окружающей среды, а затем снова после охлаждения панели. в ледяной бане в течение одной минуты. Рисунок 2. Эти две ВАХ показывают температурную зависимость выходного напряжения фотоэлектрической панели. Выходное напряжение выше при более низкой температуре. Авторское право
Авторские права © Джек Баум, программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере
Сопутствующие мероприятия
Фотогальваника и температура: лед, лед, PV! — Учащиеся изучают, как на выходную мощность фотоэлектрической солнечной панели влияют изменения температуры, подвергая температуру панели различным температурам и записывая полученное выходное напряжение.Они строят график выходной мощности и рассчитывают температурный коэффициент панели.
Закрытие урока
Сегодня мы узнали, что температура может влиять на то, как электричество проходит через электрическую цепь, изменяя скорость движения электронов. Кроме того, поскольку солнечные панели лучше всего работают при определенных погодных и температурных условиях, инженеры разрабатывают способы повышения эффективности солнечных панелей, которые работают в неоптимальных температурных условиях.Это может включать проектирование систем охлаждения, использующих наружный воздух, вентиляторы и насосы.
Теперь, когда мы знаем влияние температуры на выходную мощность фотоэлектрических панелей, какой, по вашему мнению, был бы идеальным климатом для установки большой фотоэлектрической системы? (Ответ: Холодный и солнечный климат.) Как вы думаете, много ли в мире подобных мест? Если вы посмотрите карты на изображениях мировых температур и солнечной радиации в Google, вы обнаружите, что большинство мест не идеальны для солнечных фотоэлектрических панелей.Это означает, что у инженеров есть много возможностей для разработки инновационных систем для охлаждения панелей, поскольку солнечные электростанции становятся все более распространенными, потому что идеальный прохладный и солнечный климат встречается редко.
Словарь / Определения
активное охлаждение: использование принудительной воды или воздуха для охлаждения поверхности фотоэлектрических панелей с целью повышения их эффективности.
ambient: Окружающие условия окружающей среды.
инвертор: электрическое устройство, которое преобразует постоянный ток, производимый фотоэлектрической панелью, в переменный ток, используемый электрическими устройствами. Инверторы также могут использоваться для отслеживания точки максимальной мощности, чтобы максимизировать эффективность фотоэлектрической панели.
Напряжение холостого хода: напряжение, доступное от источника питания в разомкнутой цепи.
фотоэлектрическая тепловая система: активная система охлаждения, в которой холодная вода используется для снижения температуры фотоэлектрической панели при одновременном нагревании воды, используемой в системах горячего водоснабжения.
ток короткого замыкания: ток, потребляемый от источника питания, если в цепи нет нагрузки.
температурный коэффициент: число [В / ° C], которое можно использовать для определения напряжения холостого хода фотоэлектрической панели при температуре, отличной от стандартной температуры испытания.
Оценка
Оценка перед уроком
Вопросы для обсуждения: Задайте студентам следующий вопрос и обсудите в классе:
Как вы думаете, как температура влияет на работу фотоэлектрической панели?
Оценка после введения
Обсуждение в классе: Попросите учащихся прочитать статью «Основы» и вовлечь класс в обсуждение прочитанного.На листе бумаги или в журнале попросите каждого студента или группу записать пять фактов, которые они узнали из статьи. Попросите каждого ученика или группу написать на доске один из этих фактов, который будет обсуждаться со всем классом.
В классе попросите учащихся интерпретировать график на странице 3 Основы статьи. (Ответ: Полученный график ясно показывает, что, когда панель находится при более низкой температуре и более высоком напряжении, достигается более высокая выходная мощность.)
Итоги урока Оценка
Список и обсуждение: После прочтения статьи «Основы» попросите студентов перечислить на бумаге 10 приложений, для которых можно использовать солнечные батареи.Рядом с каждым приложением укажите температуру (и), которым может подвергаться панель. Затем поделитесь ответами и обсудите их всем классом. (Примеры ответов: 1. Солнечная установка в пустыне для питания близлежащего города: очень жарко, 100 ° F или выше; 2. Обеспечивает свет и электроэнергию исследовательской станции в Антарктиде: очень холодно, ниже 0 ° F.)
Мероприятия по продлению урока
График: Учитывая температурный коэффициент и значение V _{OC, номинальное значение}, попросите учащихся построить график зависимости выходного напряжения оттемпература для годового диапазона температур в их родном городе.
использованная литература
Зеленая сила покоряет склоны. Опубликовано в декабре 2007 г. EERE-PMC News, Министерство энергетики США. По состоянию на 10 марта 2010 г. https://www.eere-pmc.energy.gov/PMC_News/PMC_News_12-07.aspx
Солнечное десятиборье. Министерство энергетики США. По состоянию на 10 марта 2010 г. (В Solar Decathlon 20 международных команд колледжей и университетов соревнуются за проектирование, строительство и эксплуатацию самого привлекательного и энергоэффективного дома на солнечной энергии.) http://www.solardecathlon.org/
авторское право
© 2009 Регенты Университета Колорадо.
Авторы
Уильям Сурлес, Джек Баум, Эбигейл Уотроус, Стивен Джонсон, Эстер Хораньи, Малинда Шефер Зарске (Эта программа средней школы изначально была создана как классный проект студентами инженерных специальностей, обучающимися по программе Building Systems Program в CU-Boulder.)
Программа поддержки
Комплексная программа преподавания и обучения, Колледж инженерии и прикладных наук, Колорадский университет в Боулдере
Последнее изменение: 5 октября 2021 г.
Электричество Применение теплового эффекта электрического тока 10 класс наука
Эффект нагрева электрическим током

Практическое применение
Практическое применение нагревательного эффекта электрического тока и электроэнергии
Для использования нагревающего эффекта электрического тока элемент прибора должен иметь высокую температуру плавления, чтобы сохранять больше тепла.Нагревательный эффект электрического тока используется в следующих приложениях:
Электрическая лампочка: В электрической лампочке нить накаливания излучает свет из-за нагревающего эффекта электричества. Нить накала лампы обычно изготавливается из металлического вольфрама; с температурой плавления 3380 ° C.
Утюг электрический: Элемент электрического утюга изготавливается из сплавов с высокой температурой плавления. Электронагреватель и газовая колонка работают по одному механизму.
Электрический предохранитель: Электрический предохранитель предназначен для защиты электроприборов от высокого напряжения; если есть.Электрический предохранитель изготовлен из металла или сплава металлов, таких как алюминий, медь, железо, свинец и т. Д. В случае протекания более высокого напряжения, чем указано, провод предохранителя плавится и защищает электроприборы.
Предохранители на 1А, 2А, 3А, 5А, 10А и т. Д. Используются в бытовых целях.
Допустим, электронагреватель потребляет 1000Вт при 220В.
Тогда электрический ток в цепи `I = P / V`
Или, I = 1000 Вт — 220 В = 4,5 А
Таким образом, в этом случае следует использовать предохранитель на 5А для защиты электронагревателя в случае протекания более высокого напряжения.6 Дж`
Пример 1: Если разность потенциалов составляет 220 В, а мощность лампы 110 Вт, какой электрический ток течет в цепи?
Решение: Задано, Разность потенциалов, V = 220 В, Мощность лампы, P = 110 Вт
Электрический ток (I) =?
Мы знаем, что `P = VI`
Или, `110 Вт = 220 В xx I`
Или, I = 110 Вт ÷ 220 В = 0,5 A
Пример 2: Если мощность электрического нагревателя составляет 1000 Вт, и через него проходит электричество напряжением 240 В, найдите электрический ток в электронагревателе.
Решение: Учитывая, мощность (P) = 1000 Вт, разность потенциалов (В) = 240 В, электрический ток (I) =?
Мы знаем, что `P = VI`
Или, `1000 Вт = 240 В xx I`
Или, I = 1000 Вт ÷ 240 В = 4,16 A
Пример 3: Какой электрический ток проходит через электрический гейзер мощностью 500 Вт, если разность потенциалов в электрической цепи составляет 250 В?
Решение: Дано, P = 500 Вт, V = 250 В, следовательно, электрический ток (I) =?
Мы знаем, что `P = VI`
Или, `500 Вт = 250 В xx I`
Или, I = 500 Вт ÷ 250 В = 2 А
Пример 4: Если электрический ток составляет 10 А, а разность потенциалов между двумя клеммами составляет 240 В, найдите мощность электрического прибора.
Решение: Учитывая, электрический ток (I) = 10 А, разность потенциалов (В) = 240 В, мощность (P) =?
Поскольку, `P = V xx I`
Следовательно, `P = 240V xx 10A = 2400 W`
Пример 5: Найдите мощность электрического утюга, если электрический ток в цепи составляет 5 А, а разность потенциалов составляет 220 В.
Решение: Дано, электрический ток (I) = 5 А, разность потенциалов (В) = 220 В, мощность (P) =?
Мы знаем, что, `P = V xx I`
Или, `P = 220 В xx 5 A = 1100 Вт`
Закон нагрева Джоуля и многое другое
Нагревательный эффект электрического тока: Мы используем комнатные обогреватели зимой, чтобы поддерживать температуру в нашей комнате выше температуры наружного воздуха.Как комнатный обогреватель поддерживает температуру в комнате выше нормальной? Что заставляет его выделять тепло? Когда электрический ток проходит через проводящий провод, он нагревается из-за выделения тепла в проводе. Давайте узнаем больше о нагревательном действии электрического тока.
Что такое нагревательный эффект электрического тока?
Когда электрический ток течет по проводящему проводу с высоким сопротивлением, в проводящем проводе выделяется тепло.Это называется эффектом нагрева электрическим током. Тепло генерируется в проволоке, потому что, когда электроны текут в ней, они испытывают препятствие для своего движения со стороны других электронов и атомов решетки. Это заставляет электроны терять часть своей энергии в виде тепла.
Потери энергии компенсируются источником для поддержания равномерного тока в проводе. По сути, часть энергии, вырабатываемой источником электричества, преобразуется в тепловую энергию.Чем больше сопротивление проводника потоку тока, тем больше в нем тепла.
Закон нагрева Джоуля Закон нагрева
Джоуля описывает факторы, от которых зависит тепло, выделяемое в проводнике, когда через него проходит электрический ток. Предположим, что ток \ (\ left (I \ right) \) течет через резистор сопротивления \ (\ left (R \ right) \) в течение времени \ (\ left (t \ right). \) Пусть \ (\ left (Q \ right) \) — электрический заряд, протекающий через резистор, тогда работа, необходимая для перемещения этого заряда, равна
.
\ (W = VQ \; \; \; \; \; \; \; \ ldots \ left (1 \ right) \)
Где \ (V \) — разность потенциалов на резисторе.
Мощность источника, \ (P = \ frac {W} {t} \)
Подставив уравнение \ (\ left (1 \ right), \), мы получим \ (P = \ frac {{VQ}} {t} = V \ left ({\ frac {Q} {t}} \ right ) \; \; \; \; \ ldots \ left (2 \ right) \)
Мы знаем, что электрический заряд дает
\ (Q = Оно \)
Итак, мощность источника будет равна \ (P = VI \; \; \; \; \ ldots \ left (3 \ right) \)
Согласно закону Ома, разность потенциалов является произведением силы тока и сопротивления.2} Rt \)
Это известно как закон нагрева Джоуля. Согласно закону нагрева Джоуля, тепло, производимое или рассеиваемое в резисторе, \ (\ left ({\ rm {i}} \ right) \) прямо пропорционально квадрату тока, протекающего через данный резистор, \ (\ left ({\ rm {ii}} \ right) \) прямо пропорционально сопротивлению для данного тока, а \ (\ left ({\ rm {iii}} \ right) \) прямо пропорционально времени, в течение которого ток течет через сопротивление.
Из закона нагрева Джоуля мы можем сделать следующие выводы:
1.Если количество тока, протекающего через резистор, удвоится, то количество выделяемого тепла увеличится в четыре раза.
2. Если сопротивление проводника увеличится вдвое, то выделяемое тепло также удвоится. Точно так же тепло, выделяемое в проводнике, уменьшается наполовину, когда сопротивление проводника становится наполовину.
3. Если время, в течение которого ток проходит через проводник, удваивается, то выделяемое тепло удваивается.
Применение нагрева электрическим током
Все устройства не выделяют тепло при прохождении через них электричества.Устройства, в которых в качестве нагревательного элемента используется провод с высоким сопротивлением, могут выделять значительное количество тепла только при пропускании через них электричества. В настоящее время мы используем множество электрических устройств, которые работают на нагревательном эффекте электрического тока. {\ rm {o}}} {\ rm {C}} {\ rm {.{\ rm {o}}} {\ rm {C}} {\ rm {.}} \) Если мы поместим руку под лампу, мы легко почувствуем тепло, выделяемое ее нитью, не касаясь ее. Чтобы увеличить срок службы вольфрамовой нити и избежать ее коррозии, электрическая колба заполняется смесью аргона и азота.
2. Электрический предохранитель: Электрический предохранитель работает как предохранительное устройство. Он защищает приборы, подключенные к бытовой электросети, от повреждений из-за перегрузки или короткого замыкания.Работает на нагревательном действии электрического тока. Он состоит из тонкой проволоки, обычно сделанной из сплава свинца и олова. Имеет низкое сопротивление. Он включен последовательно со схемой. Когда через предохранительный провод проходит чрезмерный ток, он нагревается и плавится. Это разрывает цепь и защищает подключенные к ней приборы от повреждения.
3. Электронагреватель: Электронагреватель состоит из нагревательного элемента из нихрома. Обладает высокой стойкостью.Когда электрический ток проходит через нагревательный элемент электронагревателя, он генерирует тепловую энергию.
4. Электрический утюг: Катушка из нихромовой проволоки используется в электрическом утюге. Когда электричество проходит через эту катушку, она становится докрасна и выделяет тепло, которое затем передается пластине, прикрепленной к основанию электрического утюга.
5. Электрический гейзер: Электрический гейзер преобразует электрическую энергию в тепловую, когда электрический ток проходит через его нагревательный элемент, который прикреплен к резервуару для воды гейзера.В электрическом гейзере используется термостат, который автоматически отключает подачу электроэнергии, когда вода в его резервуаре нагревается до необходимого уровня температуры.
Решенные примеры воздействия нагрева электрическим током
1. Вычислите количество тепла, выделяемое нитью лампы накаливания в \ ({\ rm {20 \; s,}} \), когда ее сопротивление равно \ (4 \; {\ bf {\ Omega}} \ ), А разность потенциалов на ее концах равна \ ({\ rm {12 \; V}} {\ rm {.}} \)
Sol: Учитывая время, в течение которого лампа светится, \ (t = 20 \; {\ rm {s}}.2}}} {4}} \ right) \ times 20 \) \ (\ Rightarrow H = \ frac {{144}} {4} \ times 20 = 720 {\ rm {\; J}} \)
2. Электрический нагреватель с сопротивлением \ (5 \, \; \ Omega \) подключен к источнику электричества. Если он производит \ ({\ rm {200 \; J}} \) тепла за одну секунду, найдите разность потенциалов на электронагревателе.
Sol: Учитывая сопротивление электрического нагревателя, \ (R = 5 \; \ Omega \)
Тепло, выделяемое нагревателем, \ (H = 200 \; {\ rm {J}) } \)
Время, в течение которого выделяется тепло, \ (t = 1 \; {\ rm {s}} \)
Чтобы вычислить разность потенциалов на нагревателе, нам нужно знать количество тока, проходящего через него. .2} Rt \)
\ (\ Rightarrow I = \ sqrt {\ frac {H} {{Rt}}} \)
\ (\ Rightarrow I = \ sqrt {\ frac {{200}} {{5 \ times 1}}} = \ sqrt {40} = 6.324 \; {\ rm {A}} \)
Теперь разность потенциалов на электронагревателе можно рассчитать с помощью закона Ома.
\ (V = IR \) \ (\ Rightarrow V = 6.324 \ times 5 = 31.62 \; {\ rm {V}} \)
Из этой статьи мы можем сделать вывод, что когда электричество проходит через проводник, он становится горячим из-за нагревающего эффекта электрического тока. Тепло, производимое в проводнике, зависит от сопротивления проводника, тока, протекающего через проводник, и времени, в течение которого ток течет через проводник.Этот эффект электрического тока используется во многих бытовых гаджетах.
Часто задаваемые вопросы о нагревании электрическим током
1. Что вы имеете в виду под действием нагрева электрическим током?
Ответ: Выработка тепловой энергии в проводнике всякий раз, когда через него проходит электрический ток, называется нагревательным эффектом электрического тока.
2. Каковы недостатки нагревательного воздействия электрического тока?
Ответ: Рассеяние энергии в виде тепла в электрических проводниках снижает эффективность источника электричества.Иногда чрезмерное тепло, выделяемое в проводнике при прохождении через него электричества, приводит к повреждению электрических устройств и вызывает короткое замыкание.
3. Каковы преимущества нагревательного воздействия электрического тока?
Ответ: Многие электронные устройства, такие как электрические водонагреватели, электрические обогреватели помещений, электрические предохранители и электрические лампочки, работают на нагревательном эффекте электрического тока.
4.Почему в проводнике выделяется тепло при прохождении через него электрического тока?
Ответ: Когда к концам электрического проводника прикладывается разность потенциалов, электроны начинают двигаться в проводнике, заставляя ток течь в нем.

Тепловое действие электрического тока используется в: Тепловое действие электрического тока – закон Джоуля-Ленца

10.3. Техническое применение теплового действия тока

10.3. Техническое применение теплового действия тока

«тепловое действие тока в электронагревательных приборах»

Конспект урока «Действие электрического тока»

Тепловое действие электрического тока — Энциклопедия по машиностроению XXL

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

Формула расчета и ее элементы

Закон теплового действия тока — закон Джоуля-Ленца

Лампочка накаливания

Устройство обогревательных приборов

Квартирные предохранители

Электрическая дуга

Применение теплового действия электрического тока

Источники электрического тока и его действие | RuAut

Нагревательный эффект электрического тока — Практическое применение и формула

Формула теплового эффекта электрического тока

Применение нагревающего эффекта электрического тока

Электрический утюг:

Электрическая лампочка:

Electric Heater:

Электрический предохранитель:

Термический эффект — обзор

7.2.2 Температура

Сообщество Genius | Эффект нагрева электрическим током

Еще из 7 класса Физика

Температурный эффект — Урок

Быстрый просмотр

Резюме

Инженерное соединение

Цели обучения

Образовательные стандарты

Рабочие листы и приложения

Больше подобной программы

Введение / Мотивация

Предпосылки и концепции урока для учителей

Сопутствующие мероприятия

Закрытие урока

Словарь / Определения

Оценка

Мероприятия по продлению урока

использованная литература

авторское право

Авторы

Программа поддержки

Электричество Применение теплового эффекта электрического тока 10 класс наука

Эффект нагрева электрическим током

Закон нагрева Джоуля и многое другое

Добавить комментарий Отменить ответ