Тепловое действие электрического тока закон джоуля ленца: Тепловое действие электрического тока – закон Джоуля-Ленца

Тепловое действие электрического тока закон джоуля ленца: Тепловое действие электрического тока – закон Джоуля-Ленца

Posted on

Содержание

Тепловое действие тока. Закон Джоуля–Ленца

+
—
+
+
—
+
+
—
—
+
+
+
Количество теплоты,
выделяемое проводником,
по которому течёт
электрический ток равно
работе тока.
Джеймс Прескотт Джоуль
1818–1889 гг.
Эмилий Христианович Ленц
1804–1865 гг.
Закон Джоуля-Ленца
Количество теплоты, выделяемое
проводником с током, равно
произведению квадрата силы
тока, сопротивления и времени
прохождения тока.
Q=
2
I Rt
Q=A
А = IUt
Q = IUt
U = R∙I
Q = IRIt
Q=
2
I Rt
Q = IUt
Формула определяет
количество теплоты в
общем случае, когда
известны сила тока,
напряжение и время.
Q=
2
I Rt
Формула чаще
используется при
рассмотрении количества
теплоты, выделяемое в
последовательно
соединённых
сопротивлениях, когда
сила тока одинакова.
Лампа Накаливания
Строение лампочки
вольфрамовая нить
цоколь
стеклянный балон
Cпирали нагревательных
приборов изготавливаются
из нихромовой проволоки.
Спираль
Спираль помещают в
керамические изоляторы
с хорошей
теплопроводностью.
Провода, подводящие
электрический ток к
электронагревательным
приборам, остаются
холодными.
220
Обычно в жилых и производственных помещениях,
офисах, магазинах электрические приборы
подключаются параллельно, что даёт возможность
обеспечивать независимость в их работе.
Если в сеть включён один
потребитель, то сила тока в общей
цепи будет такая же,
как и в самом приборе.
2,3 A
0,45 A
9A
0,45А + 2,3 А + 9 А = 11,75А
Максимальное значение тока
в проводах в квартире: не более 10 А.
Плавкий предохранитель
«Автоматические пробки»
Назначение
предохранителей —
отключение линии, если сила
тока превысит допустимую
норму.
Короткое замыкание — соединение
концов участка цепи проводником,
сопротивление которого очень мало
по сравнению с сопротивлением участка
цепи.

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 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 изучали многие ученые. Однако, самых заметных результатов удалось добиться 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:

  1. Обычную лампочку.
  2. Нагревательные приборы.
  3. Предохранитель в квартире.
  4. 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 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 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.

Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

Буденновская средняя школа

район имени Габита Мусрепова

Онлайн урок по физике

в 8 классе

Тема урока: Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

2016-2017 учебный год

Цель урока: изучение закона Джоуля — Ленца.

Задачи урока:

Образовательные:  создать условия для ознакомления с законом Джоуля – Ленца;

вывести формулы этого закона; научиться применять полученные знания и умения к решению физических задач.

Воспитательные: развивать коммуникативные навыки: умение договариваться, взаимодействовать в паре, группе уважать мнение других; развивать познавательный интерес, способствовать развитию качеств сотрудничества, мотивации в изучении физики.

Развивающие: развивать учебно-интеллектуальные умения: внимание, умение анализировать, выделять главное, устанавливать причинно-следственные связи, приводить примеры из повседневной жизни, делать выводы; развивать исследовательские навыки, показать роль эксперимента в изучении физики.

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний  

Оборудование:

компьютеры, ноутбук, проектор, экран, карточки с заданиями для работы в парах и группах, оценочные листы, карточки с д/з.

Приборы: источники тока, реостат, амперметр, вольтметр, электрическая лампа.

Метод работы с учащимися: поисково-исследовательский

Формы работы: фронтальная беседа, работа в парах, группах.

 Ход урока

План урока:

І.Организационный момент (3 мин.) II. Мотивация.(4 мин.)

ІІІ.Актуализация опорных знаний. (10 мин.) IV. Объяснение нового материала (15 мин.) V.Закрепление нового материала (10 мин) VІ. Рефлексия (2 мин.) VІІ. Домашнее задание (1 мин.)

І.Организационный момент.

— Здравствуйте, ребята! Я рад вас сегодня видеть! Посмотрите друг на друга. Улыбнитесь, пошлите друг другу положительные эмоции!

У вас на столе лежат оценочные листки (приложение 1), куда вы будете вносить оценки за все ваши действия, а в конце выставите итоговую оценку за урок. Подпишите, пожалуйста, ваши листки. Я предлагаю вам в первом кружочке дорисовать смайлика, который соответствует вашему настроению в данный момент времени.

II. Мотивация.

На столе стоят электрическая лампа, учитель включает её. 

Учитель: Ребята попробуйте это объяснить с точки зрения физики. Почему лампочка горит? Почему это происходит?

Учащиеся: Основная часть лампы — спираль из тонкой вольфрамовой проволоки, она нагревается до 3000 0С, при такой температуре достигает белого коленья и светится ярким светом. Здесь мы наблюдаем тепловое действие электрического тока.

Учитель: Тепловое действие тока находит очень широкое применение в быту и промышленности. Как вы думаете, как в быту используется тепловое действие тока?

Учащиеся: Электронагревательные приборы: утюги, кипятильники, электрические чайники, нагреватели, электроплиты, фены и т.д.

Учитель: В промышленности также широко используют тепловое действие эл.тока в паяльниках, сварочных аппаратах. А теперь попытаемся сформулировать тему нашего урока. (Ребята рассуждают)

Итак, мы имеем дело с тепловым действием тока, следовательно, 

Слайд 2 тема сегодняшнего урока «Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца». Записываем тему урока в тетрадь.  Каких целей мы должны сегодня достигнуть?

 Слайд 3 Цели урока:

1) выяснить причины нагревания проводника с током; 2) сформулировать закон Джоуля — Ленца; 3) применить полученные знания и умения к решению физических задач.

ІІІ.Актуализация опорных знаний.

1. Фронтальный опрос:

Вспомним изученный ранее материал:

Слайд 4

  1. Что такое электрический ток в металлах?( Упорядоченное движение свободных электронов)

  2. Что такое сила тока?(это отношение эл. заряда, прошедшего ч\з поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения)

  3. Что такое электрическое напряжение?(работа, совершаемая эл. полем при перемещении положительного заряда из одной точки в другую)

  4. Сформулируйте закон Ома? ( сила тока на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению)

  5. Что такое электрическое сопротивление? ( физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать протеканию электрического тока в этом проводнике)

  6. Чему равна работа эл. тока на участке цепи? ( равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого протекал ток)

  7. Как вычислить мощность эл. тока? (физическая величина характеризующая быстроту совершения работы электрическим током)

2. Повторение имеющихся знаний об электрических приборах.

Слайд 5

Работа в парах.

Учитель: Работая в парах, мы вспомним: какие электрические приборы вы знаете, их назначение, величину, измеряемую ими и способ включения этих приборов в электрическую цепь.

Ваша задача: вытянуть карточку с названием прибора, обсудить в течение 30 секунд, по очереди пары выходят к доске, берут в руки свой прибор и отвечают на поставленные вопросы.
1) амперметр;
2) вольтметр;
3) источник тока;
5) реостат.

IV. Объяснение нового материала

Сегодня на уроке мы должны решить  проблему — почему нагревается проводник? 

Слайд 6 

Это объясняется тем, что свободные электроны в металлах, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами передают им свою энергию, заставляя их колебаться.  Ек ионов увеличивается, следовательно, увеличивается внутренняя энергия проводника, следовательно, проводник нагревается.

 Слайд 7

В неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, путем теплопередачи.   Q = A. Энергию, которую получает или теряет тело при теплопередачи называют количеством теплоты.

 Учитель: Нам необходимо выяснить от чего зависит это количество теплоты. Работаем в группах. Слайд 8

Первая группа – теоретики. Им необходимо вывести формулу  Q = A       

Вторая группа —  практики. Им необходимо, используя виртуальную лабораторию, определить зависит ли количество теплоты , выделенное проводником с током, от силы тока в цепи.     

Третья группа – исследователи. Им необходимо, используя интерактивную модель, исследовать как нагреваются проводники, имеющие разное сопротивление.     

Работаем 5-7 мин. Работа окончена, садитесь на свое место.

Каждая группа получает своё задание. 

 Слово теоретикам.   Слайд 9

Задание  для 1 группы: (теоретики)

Вывод формулы  Q = A на листах А3        

 Мы знаем формулу для работы A=IUt. В неподвижном проводнике вся работа тока идет  лишь на нагревание проводников, т.е. на то, чтобы увеличивалась внутренняя  энергия, следовательно Q =A=UIt. 

Из закона Ома для участка цепи следует U=IR, тогда вывод: Q=I2Rt

Показазать   слайд 9 часть1 ( записать в тетрадь)

Слово практикам   Слайд 10

Задание для 2 группы: (практики)

 Используя виртуальную лабораторию, собрать эл. цепь из источника тока, реостата,  лампочки, ключа и соединительных проводов. Для измерения силы тока и напряжения на лампе использовать амперметр и вольтметр.

Снять показания вольтметра и амперметра,  по формуле рассчитать Q=A=UIt, за 5с. Затем увеличить силу тока, снять показания силы тока, по формуле  рассчитать Q=A=UIt, за тоже время. Сделать вывод:

Чем больше сила тока в цепи, тем больше выделяется количество теплоты.

 Дано:                             Решение

U=

I=

t= 5c

Q- ?                                  Ответ

 Увеличиваем сопротивление:

Дано:                       Решение

U=

I=

t= 5c

Q- ?                         Ответ

Вывод:

 Слово исследователям. Слайд 11

 Задание  для 3 группы: (исследователи)

Карточки с заданием: эл. цепь, состоящая из нескольких последовательно соединенных проводников различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая).

 По формуле Q=I2Rt, если R= pL/S, сделать вывод как нагреваются проводники, если длина проводника L и площадь поперечного сечения S одинаковы. Вывод: чем больше удельное сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается.

Определить степень нагревания  в зависимости от ρ?

 

Вещество

Удельное сопротивление

ρ(Ом*мм2/м)

Нагревание проводников

медь

0,017

слабое

никелин

0,42

среднее

нихром

1,1

сильное

 

Выводы:

1. Q=I2Rt.

2. Чем больше сила тока в цепи, тем больше выделяется количество теплоты

3. Чем больше сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается.

Слайд 12 

К таким же выводам пришли, независимо друг от друга, английский ученый Джеймс Джоуль и русский ученый Эмиль Христианович  Ленц.

Поэтому данный вывод получил название — Закон Джоуля – Ленца.   Ко­ли­че­ство теп­ло­ты, ко­то­рое вы­де­ля­ет­ся в про­вод­ни­ке, равно про­из­ве­де­нию квад­ра­та силы тока в этом про­вод­ни­ке, умно­жен­но­му на со­про­тив­ле­ние про­вод­ни­ка и на время, в те­че­ние ко­то­ро­го этот ток про­те­ка­ет по про­вод­ни­ку.

( записать в тетрадь)

( Учащиеся, получившие индивидуальное задание на дом, рассказывают об ученых)

Слайд 13

Учитель: Если сила тока неиз­вест­на, а из­вест­но на­пря­же­ние на кон­цах участ­ка цепи, то, вос­поль­зо­вав­шись за­ко­ном Ома I=U/R , по­лу­ча­ем:

 

Фор­му­лы  и   можно ис­поль­зо­вать толь­ко тогда, когда вся ра­бо­та элек­три­че­ско­го тока рас­хо­ду­ет­ся толь­ко на на­гре­ва­ние. Если на участ­ке цепи есть по­тре­би­те­ли энер­гии, в ко­то­рых вы­пол­ня­ет­ся ме­ха­ни­че­ская ра­бо­та или про­ис­хо­дят хи­ми­че­ские ре­ак­ции, эти фор­му­лы ис­поль­зо­вать нель­зя (в таких слу­ча­ях при­ме­ня­ют­ся слож­ные ма­те­ма­ти­че­ские рас­чё­ты).

Учитель: Устали? Давайте проведем физкультминутку.

Ребята встаньте возле своих парт, давайте потрем ладошки. Что мы чувствуем? Почему они нагреваются?

(Ребята рассуждают)

V.Закрепление нового материала

Слайд 14

Давайте попробуем ответить на такой вопрос:

За­да­ча 1.

С какой целью про­во­да в ме­стах со­еди­не­ния не про­сто скру­чи­ва­ют, но ещё и спа­и­ва­ют?

Ре­ше­ние

Сила тока в обоих про­во­дах оди­на­ко­ва, так как про­вод­ни­ки со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но.  

 Если место кон­так­та двух про­вод­ни­ков не будет спа­я­но, то его со­про­тив­ле­ние будет до­ста­точ­но боль­шое, по срав­не­нию с со­про­тив­ле­ни­ем самих про­вод­ни­ков. Сле­до­ва­тель­но, в месте кон­так­та будет вы­де­лять­ся наи­боль­шее ко­ли­че­ство теп­ло­ты, что при­ве­дёт к рас­плав­ле­нию места кон­так­та и раз­мы­ка­нию элек­три­че­ской цепи. По­это­му про­во­да в ме­стах со­еди­не­ния не про­сто скру­чи­ва­ют, но ещё и спа­и­ва­ют с целью умень­ше­ния со­про­тив­ле­ния.

Слайд 15

Решите задачу.

Задача 2. Определите количество теплоты выделяемое проводником, сопротивление которого 20 Ом, в течение 3 мин. Сила тока в проводнике 5 А.

Дано :                     СИ                                     Решение

R= 20 Ом                                                      Q=I2Rt

t= 3 мин                180с                               Q= 52 A*20 Ом*180с = 90000Дж =

I= 5 A                                                         = 90 кДж

 Q-?                                                  Ответ: 90 кДж

 

Сравнивают с ответом на Слайде 15

 

VІ. Рефлексия

Ребята, сегодня на уроке вы познакомились с причиной нагревания проводника с током; с законом Джоуля — Ленца; научились применять полученные знания к решению физических задач.

Слайде 16

Мне бы хотелось узнать: 1.Что понравилось на уроке? 2.Что бы вы хотели выполнить ещё раз? 3. С каким настроением уходишь с урока. (дорисуйте глазки смайлику, настроение которого соответствует твоему)

Поставьте себе оценки в оценочный лист, и положите его на край парты.

 VІІ. Домашнее задание

Слайде 17

Чтобы наш труд на уроке не прошел даром, материал нужно будет закрепить дома. Д/з прикреплено к оценочным листам, Открепите его, положите в дневник.

Д/з состоит из двух частей:

Для всех: 1.Выучить материал параграфа, решить задачи

Задача 1. Из­вест­но, что без­опас­ным для че­ло­ве­ка яв­ля­ет­ся по­сто­ян­ный ток 100 мкА. Какое ко­ли­че­ство теп­ло­ты вы­де­лит­ся за 1 мин в теле че­ло­ве­ка при про­хож­де­нии тока от конца одной руки до конца дру­гой руки (при сухой коже), если со­про­тив­ле­ние этого участ­ка равно 15000 Ом?

Задача 2. Уча­сток цепи со­сто­ит из двух ре­зи­сто­ров со­про­тив­ле­ни­ем 8 Ом каж­дый, со­еди­нен­ных па­рал­лель­но. Сила тока в цепи – 0,3 А. Какое ко­ли­че­ство теп­ло­ты вы­де­лит­ся в участ­ке за 1 мин?

Задача 3. Сколь­ко элек­тро­энер­гии по­треб­ля­ет элек­три­че­ский утюг за 4 ч ра­бо­ты, если он вклю­чен в сеть на­пря­же­ни­ем 220 В при силе тока 4,55 А?


ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

ОЦЕНОЧНЫЙ ЛИСТ УЧАЩЕГОСЯ

Фамилия, имя__________________________

1.Рефлексия:

1) Что понравилось на уроке?_________________________________________

2) Что бы вы хотели выполнить ещё раз?_________________________________________________________________________________________________________________________________

3) С каким настроением уходишь с урока. (дорисуйте глазки смайлику, настроение которого соответствует твоему)


Учебные элементы

Оценка действия

1. Фронтальный опрос

2.Электрические приборы

(работа в парах)

 

  1. Экспериментальная часть.

(работа в группах)

 

4. Решение задач

 

Итоговая оценка:

2.

Расшифровка оценки:

1. Фронтальный опрос: ставим оценку 5 – правильный ответ, 3 – частично правильный, 2 – нет ответа или ответ неправильный.

2. Электрические приборы: ставим оценку 5 – ответ полный, 4 – ответ неполный, 3- допущены ошибки, 2- ответа нет или он неправильный.

3. Экспериментальная часть : : ставим оценку 5 – вывод сделан, 4 – вывод неполный, 3- допущены ошибки, 2- вывода нет или он неправильный.

4.Решение задач: : ставим оценку 5 – задача решена , 4 – задача решена, но нет перевода единиц, 3- допущены ошибки, 2- задача не решена.

Посчитай свою оценку( среднее арифметическое, сумма оценок /4)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

АМПЕРМЕТР

1) назначение прибора

2) величина, измеряемая им

3) способ включения прибора в электрическую цепь.

Работа в парах.

ВОЛЬТМЕТР

1) назначение прибора

2) величина, измеряемая им

3) способ включения прибора в электрическую цепь.

Работа в парах.

РЕОСТАТ

1) назначение прибора

2) величина, измеряемая им

3) способ включения прибора в электрическую цепь.

Работа в парах.

ИСТОЧНИК ТОКА

1) назначение прибора

2) способ включения прибора в электрическую цепь.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.

Задание  для 1 группы: (теоретики)

Вывод формулы  Q = A на листах А3            

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Задание для 2 группы: (практики)

 Используя виртуальную лабораторию, собрать эл. цепь из источника тока, реостата,  лампочки, ключа и соединительных проводов. Для измерения силы тока и напряжения на лампе использовать амперметр и вольтметр.

Снять показания вольтметра и амперметра,  по формуле рассчитать Q=A=UIt, за 5с. Затем увеличить сопротивление , снять показания силы тока, по формуле  рассчитать Q=A=UIt, за тоже время.

 Дано:                             Решение

U= Q=UIt=

I=

t= 5c

Q- ?                                  Ответ: Q=

 Увеличиваем сопротивление:

Дано:                       Решение

U= Q=UIt=

I=

t= 5c

Q- ?                         Ответ: Q=

 

Сделать вывод:_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

 Задание  для 3 группы: (исследователи)

Электрическая цепь, состоящая из нескольких последовательно соединенных проводников различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая).

Сделать вывод как нагреваются проводники, если длина проводника L и площадь поперечного сечения S одинаковы.

Определить степень нагревания  в зависимости от ρ?

 

Вещество

Удельное сопротивление

ρ(Ом*мм2/м)

Нагревание

проводников

медь

0,017

никелин

0,42

нихром

1,1

 

Вывод:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Домашнее задание Для всех: Выучить материал параграфа, решить задачи: Задача 1. Из­вест­но, что без­опас­ным для че­ло­ве­ка яв­ля­ет­ся по­сто­ян­ный ток 100 мкА. Какое ко­ли­че­ство теп­ло­ты вы­де­лит­ся за 1 мин в теле че­ло­ве­ка при про­хож­де­нии тока от конца одной руки до конца дру­гой руки (при сухой коже), если со­про­тив­ле­ние этого участ­ка равно 15000 Ом? Задача 2. Уча­сток цепи со­сто­ит из двух ре­зи­сто­ров со­про­тив­ле­ни­ем 8 Ом каж­дый, со­еди­нен­ных па­рал­лель­но. Сила тока в цепи – 0,3 А. Какое ко­ли­че­ство теп­ло­ты вы­де­лит­ся в участ­ке за 1 мин? Задача 3. Сколь­ко элек­тро­энер­гии по­треб­ля­ет элек­три­че­ский утюг за 4 ч ра­бо­ты, если он вклю­чен в сеть на­пря­же­ни­ем 220 В при силе тока 4,55 А?

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

Джеймс Преснот Джоуль

Здравствуйте, давайте знакомится, я Джеймс Преснот Джоуль.

Родился в Манчестере 24 декабря 1818 года.

По профессии я пивовар. Первые мои работы в физике связаны с изобретением электромагнитных аппаратов. Все говорят, что я прекрасный экспериментатор. Исследуя законы выделения теплоты электрическим током, я понял, что опыты с гальваническими источниками не дают возможности ответить на вопрос, какой вклад в нагрев проводника вносит переносимая теплота химических реакций, а какой сам ток. В результате многочисленных опытов, я пришел к выводу, что теплоту можно получать с помощью механических сил. Вместе с моим другом Томсоном мы открыли эффект изменения температуры газа при его расширении. Из всех работ, которые я провел, непосредственно следует, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. Все мои работы способствовали утверждению и признанию закона сохранения и превращения энергии.

Эмилий Христианович Ленц

Здравствуйте. Я, Эмиль Христианович Ленц. Родился я 24 февраля 1804 г. в семье чиновника в Дерпте (ныне Тарту) в Эстонии. Благодаря усилиям моей матери я успешно окончил гимназию и поступил в университет.

Моя научная деятельность началась рано: после второго курса университета я по рекомендации ректора в качестве физика научной экспедиции отправился в кругосветное плавание.

Мои соотечественники считают, что я заложил основы первой в России научной школы физиков-электротехников, из которой впоследствии вышли такие ученые, как А. С. Попов, Ф. Ф. Петрушевский и др.

В 1843 году я провел 16 экспериментов к установлению закона теплового действия тока. На основании их я написал статью «О законах выделения тепла гальваническим током», в которой сделал вывод: нагревание проволоки гальваническим током пропорционально ее сопротивлению и квадрату силы тока.

 

НАЧАЛА ФИЗИКИ


Еще один вопрос, который подробно рассматривается в школьном курсе физики — тепловое действие тока. Как показывает опыт, при протекании тока в проводнике выделяется тепло — проводник нагревается. Очевидно, количество выделившейся теплоты Q пропорционально времени протекания тока t. Поэтому для характеристики теплотворной способности цепи вводят рассматривают мощность тока, как отношение количества выделившейся теплоты к времени наблюдения

Мощность тока определяется законом Джоуля-Ленца

(27.16)

где I — ток в проводнике; R — его сопротивление. С использованием закона Ома для участка цепи (27.3) закон Джоуля-Ленца можно переписать еще в двух эквивалентных (27.16) формах

(27.17)

где U— напряжение на участке цепи.


Эмилий Христианович Ленц (1804-1865), знаменитый русский физик и географ, профессор Петербургского университета, а впоследствии его ректор. Работы Ленца посвящены физике и физической географии (интересное сочетание!). Он, в частности, исследовал связь температуры и солености морей, участвовал в первом восхождении на Эльбрус, доказал, что уровень Каспийского моря на 30 м ниже уровня океана, исследовал изменения магнитного поля Земли.

Основные физические работы Ленца посвящены физике электромагнетизма. Он установил правило, которое определяло направление индукционного тока (правило Ленца), в 1842 г. независимо от Джоуля открыл закон теплового действия электрического тока (закон Джоуля-Ленца).

Не менее значимой была педагогическая деятельность Ленца. Он создал одну из первых научных школ в России. Среди его учеников — Д.И. Менделеев, К.А. Тимирязев, П.П. Семенов-Тян-Шанский (тоже интересное сочетание!) и многие другие ученые. Большое внимание Ленц уделял вопросам преподавания физики в школе. Он написал замечательный учебник физики для гимназий, который выдержал более десяти переизданий.

421/597

Конспект урока по физике «применение закона джоуля-ленца»

Определения

В словесной формулировке звучит следующим образом:

Математически может быть выражен в следующей форме:

где  — мощность выделения тепла в единице объёма,  — плотность электрического тока,  — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды, а точкой обозначено скалярное произведение.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах:

В интегральной форме этот закон имеет вид

где  — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени ,  — сила тока,  — сопротивление,  — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от до . В случае постоянных силы тока и сопротивления:

Применяя закон Ома, можно получить следующие эквивалентные формулы:

Свойства электрического тока

Когда электрический ток проходит через металлический проводник, его электроны постоянно сталкиваются с различными посторонними частицами. Это могут быть обычные нейтральные молекулы или молекулы, потерявшие электроны. Электрон в процессе движения может отщепить от нейтральной молекулы еще один электрон. В результате, его кинетическая энергия теряется, а вместо молекулы происходит образование положительного иона. В других случаях электрон, наоборот, соединиться с положительным ионом и образовать нейтральную молекулу.

В процессе столкновений электронов и молекул происходит расход энергии, в дальнейшем превращающейся в тепло. Затраты определенного количества энергии связаны со всеми движениями, во время которых приходится преодолевать сопротивление. В это время происходит превращение работы, затраченной на преодоление сопротивления трения, в тепловую энергию.

Опыты, демонстрирующие зависимость количества теплоты от силы тока и сопротивления

Факт нагрева проводника при протекании по нему тока объясняется тем, что во время движения заряженных частиц под действием электрического поля они сталкиваются с частицами проводника, в результате часть энергии передаётся этим частицам проводника, то есть средняя скорость хаотического (теплового) движения частиц проводника увеличивается, и проводник нагревается. По закону сохранения энергии кинетическая энергия свободных заряженных частиц, приобретённая под действием электрического поля, превратится во внутреннюю энергию проводника. Следовательно, можно предположить:

1. чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла выделяется при прохождении электрического тока по проводнику, то есть количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника;

2. количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, зависит от силы тока (чем больше сила тока, тем большее количество свободных частиц проходит через сечение проводника в единицу времени, происходит больше столкновений, следовательно, больше энергии передаётся частицам проводника). Можно подтвердить данные предположения с помощью опытов.

Соберём электрическую цепь, в которой последовательно с источником тока подключены два нагревателя с разными сопротивлениями, которые опущены в калориметры (прибор для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды при одинаковой температуре. При прохождении электрического тока через нагреватели будет наблюдаться повышение температуры воды, причём вода будет нагреваться быстрее в том калориметре, в который помещён нагреватель с бльшим сопротивлением (см. Рис. 1). То есть подтверждается предположение 1.

Для подтверждения предположения 2 соберём электрическую цепь, в которой последовательно к источнику тока подключен амперметр, лампочка накаливания и реостат. Регулируя сопротивление реостата, меняем силу тока в цепи при постоянном напряжении. При увеличении силы тока увеличивается яркость лампочки (см. Рис. 2), то есть увеличивается количество теплоты, которое выделяет нить накаливания.

Рис. 1. Нагреватель с бльшим сопротивлением нагревает воду быстрее

Рис. 2. Увеличение яркости лампочки при увеличении силы тока    

Где может пригодиться этот закон Джоуля-Ленца?

В электротехнике есть понятие длительно допустимого тока протекающего по проводам. Это такой ток, который провод способен выдержать длительное время (то есть, бесконечно долго), без разрушения провода (и изоляции, если она есть, потому что провод может быть и без изоляции). Конечно, данные вы теперь можете взять из ПУЭ (Правила устройства электроустановок), но получали эти данные исключительно на основе закона Джоуля-Ленца.

В электротехнике так же используются плавкие предохранители. Их основное качество – надёжность срабатывания. Для этого используется проводник определенного сечения. Зная температуру плавления такого проводника можно вычислить количество теплоты, которое необходимо, чтобы проводник расплавился от протекания через него больших значений тока, а вычислив ток, можно вычислить и сопротивление, которым такой проводник должен обладать. В общем, как вы уже поняли, применяя закон Джоуля-Ленца можно рассчитать сечение или сопротивление (величины взаимозависимы) проводника для плавкого предохранителя.

А ещё, помните, мы говорили про . Там на примере лампочки я рассказывал парадокс, что более мощная лампа в последовательном соединении светит слабее. И наверняка помните почему: падение напряжения на сопротивлении тем сильнее, чем меньше сопротивление. А поскольку мощность — это , а напряжение очень сильно падает, то и выходит, что большое сопротивление выделит большое количество тепла, то есть, току придется больше потрудиться, чтобы преодолеть большое сопротивление. И количество тепла, которое выделит ток при этом можно посчитать с помощью закона Джоуля-Ленца. Если брать последовательное соединение сопротивлений, то использовать лучше выражение через квадрат тока, то есть, изначальный вид формулы:

А для параллельного соединения сопротивлений, поскольку ток в параллельных ветвях зависит от сопротивления, в то время, как напряжение на каждой параллельной ветви одинаковое, то формулу лучше всего представить через напряжение:

Примерами работы закона Джоуля-Ленца вы все пользуетесь в повседневной жизни – в первую очередь это всевозможные нагревательные приборы. Как правило, в них используется нихромовая проволока и толщина (поперечное сечение) и длина проводника подбираются с учётом того, чтобы длительное тепловое воздействие не приводило к стремительному разрушению проволоки. Точно таким же образом добиваются свечения вольфрамовой нити в лампе накаливания. По этому же закону определяют степень возможного нагрева практически любого электротехнического и электронного устройства.

В общем, несмотря на кажущуюся простоту, закон Джоуля-Ленца играет в нашей жизни очень огромную роль. Этот закон дал большой толчок для теоретических расчётов: выделение тепла токами , вычисление конкретной температуры дуги, проводника и любого другого электропроводного материала, потери электрической мощности в тепловом эквиваленте и т.д.

Вы можете спросить, а как перевести Джоули в Ватты и это довольно частый вопрос в интернете. Хотя вопрос несколько неверный, читая далее, вы поймёте почему. Ответ довольно прост: 1 дж = 0.000278 Ватт*час, в то время, как 1 Ватт*час = 3600 Джоулей. Напомню, что в Ваттах измеряется потребляемая мгновенная мощность, то есть непосредственно используемая пока включена цепь. А Джоуль определяет работу электрического тока, то есть мощность тока за промежуток времени. Помните, в законе Ома я приводил аллегорическую ситуацию. Ток – деньги, напряжение – магазин, сопротивление – чувство меры и денег, мощность – количество продуктов, которые вы сможете на себе унести (увезти) за один раз, а вот как далеко, как быстро и сколько раз вы сможете их увезти – это работа. То есть, сравнить работу и мощность никак не получается, но можно выразить в более понятных нам единицам: Ваттах и часах.

Думаю, что теперь вам не составит труда применить закон Джоуля-Ленца в практике и теории, если таковое потребуется и даже сделать перевод Джоулей в Ватты и наоборот. А благодаря пониманию, что закон Джоуля-Ленца это произведение электрической мощности на время, вы сможете более легко его запомнить и даже, если вдруг забыли основную формулу, то помня всего лишь закон Ома можно снова получить закон Джоуля-Ленца. А я на этом с вами прощаюсь.

Знаменитый русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя опыты по изучению тепловых действий электрического тока, независимо друг от друга вывели закон Джоуля-Ленца. Данный закон отражает взаимосвязь количества теплоты, выделяемого в проводнике, и электрического тока, проходящего по этому проводнику в течение определенного периода времени.

Что такое ток

Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которые называются электронами. И если ток протекает по проводнику, то в нём начинают происходить разные физические процессы, а именно сталкиваются электроны с молекулами.

Молекулы бывают нейтральные или те, которые потеряли свою отрицательно заряженную частицу. В результате столкновений или электроны могут становиться нейтральными молекулами, или при этом выбивается из другой такой же молекулы электрон, образовавший положительно заряженный ион. Во время этих столкновений расходуется кинетическая энергия заряженных частиц. Именно эта энергия и становится теплом.

На тепловой нагрев проводника может влиять и сопротивление. Например, можно взять определённое тело и тащить его по земле. Земля в этом случае — сопротивление. Что же с ним будет? Правильно, между телом и поверхностью будет происходить сила трения, которая, в свою очередь, нагревает тело. Ток в этом случае ведёт себя точно так же.

Практическое значение

Снижение потерь энергии


При передаче электроэнергии тепловое действие тока является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Поскольку передаваемая мощность линейно зависит как от напряжения, так и от силы тока, а мощность нагрева зависит от силы тока квадратично, то выгодно повышать напряжение перед передачей электроэнергии , понижая в результате силу тока. Однако, повышение напряжения снижает электробезопасность линий электропередачи .

Для применения высокого напряжения в цепи для сохранения прежней мощности на полезной нагрузке приходится увеличивать сопротивление нагрузки. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно . Сопротивление проводов () можно считать постоянным. А вот сопротивление нагрузки () растёт при выборе более высокого напряжения в сети. Также растёт соотношение сопротивления нагрузки и сопротивления проводов. При последовательном включении сопротивлений (провод — нагрузка — провод) распределение выделяемой мощности () пропорционально сопротивлению подключённых сопротивлений.

Ток в сети для всех сопротивлений постоянен. Следовательно, выполняются соотношение

И для в каждом конкретном случае являются константами. Следовательно, мощность, выделяемая на проводах, обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки, то есть уменьшается с ростом напряжения, так как . Откуда следует, что . В каждом конкретном случае величина является константой, следовательно, тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе.

Выбор проводов для цепей


Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при сборке электрических цепей достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют, в частности, выбор сечения проводников.

Электронагревательные приборы


Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.

За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы
. В них используется нагревательный элемент
 — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром , константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.

Плавкие предохранители


Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.

Конспект урока физкультуры на тему «Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленца»

Тема урока: Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленца

Цели урока:

  1. Образовательные:

    • объяснить причину нагревания проводников электрическим током на основе положений классической электронной теории;

    • экспериментально получить зависимость количества теплоты, выделяемого проводником, от параметров цепи;

    • применить закон сохранения и превращения энергии для процессов, происходящих в цепи при прохождении электрического тока;

    • познакомить с математической записью закона Джоуля – Ленца.

  2. Развивающие:

  • Формировать умения видеть проблему, формулировать гипотезу, делать обобщения и выводы;

  • Развивать научное мышление через использование полученных теоретических знаний для объяснения физических явлений;

  • Формировать познавательный интерес к физике через использование информационных технологий и постановку эксперимента;

  • Развивать речь учащихся через использование научной терминологии.

  1. Воспитательные:

    • воспитание самостоятельности, активности, любознательности;

    • формирование коммуникативных навыков;

    • воспитание самодисциплины, ответственности за результат своего труда.

Оборудование:

Демонстрационное: компьютер, медиапроектор.

Лабораторное: источники тока, реостат, соединительные провода, ключи, лампочки, амперметр.

План урока:

  1. Организационный момент, приветствие.

  2. Постановка проблемы – заморочка.

  3. Актуализация знаний.

  4. Сообщение темы урока – запись в тетрадь.

  5. Цели урока.

  6. Деление класса на группы.

  7. Постановка проблемы исследований.

  8. Выдвижение гипотез.

  9. Работа в группах: планирование эксперимента, выполнение эксперимента, формулировка вывода.

  10. Представление исследований, обобщение результатов.

  11. Знакомство с математической записью закона Джоуля – Ленца.

  12. Домашнее задание. Решение заморочки.

  13. Закрепление закона Джоуля – Ленца при решении качественных задач.

  14. Подведение итога урока.

  15. Оценивание работы учащихся.

Ход урока:

На экране – эпиграф урока. Слайд 1.

Здравствуйте, ребята! Начинаем наш урок. Надеюсь, что минуты общения будут приятными и плодотворными. Будьте смелее и активнее, не бойтесь высказывать своё мнение. Успеха нам!

Сначала я хочу заморочить вам голову задачей. Слушайте и думайте! Слайд 2. Читаю задачу.

Кто готов рассуждать? Затрудняетесь? Тогда найдем решение вместе.

На прошлых уроках мы говорили о работе тока. Вспомним, каков же механизм совершения электрическим током работы в проводнике. Для помощи – картинка из учебника, знакомая вам.

Слайд 2. Механизм работы тока в проводнике.

Рассуждения учащегося

Таким образом, описав механизм совершения работы Слайд 4, мы сделали вывод о переходе работы тока в теплоту на основании фундаментального законы природы – закона сохранения и превращения энергии. И переходим к непосредственному изучению темы урока:

Слайд 5: Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля – Ленца. Запишите тему урока в тетради.

Слайд 6. Задачи урока:

Объяснить причину нагревания проводников электрическим током;

Экспериментально обнаружить зависимость выделяемой теплоты от параметров электрической цепи;

Сделать вывод из экспериментальной и теоретической работы;

Сформулировать закон Джоуля—Ленца;

Рассмотреть практическое применение теплового действия тока.

Для дальнейшей работы нам нужно поделиться на три группы: две группы экспериментаторов и группа теоретиков. Деление на группы. Обращаемся к теме урока и формулируем проблему: Что же нам интересно узнать по теме урока? Слайд 7. Наша задача: исследовать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи.

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи? Я готова выслушать ваши предположения, ребята. Выдвигайте гипотезы. Чтобы не быть оторванными от жизни, сначала приведем примеры: где в быту мы встречаетесь с нагреванием проводников? Вернемся к вопросу: от каких параметров может зависеть теплота? А видна ли эта зависимость теоретически? Да, Q=A, A=IUt

Обсудим идею опыта. Как вы понимаете, что количество теплоты зависит от силы тока в цепи? От сопротивления цепи? Какие будут ваши предложения по оценке количества теплоты? По каким признакам можем судить, где теплоты выделяется больше, а где меньше? На ощупь(?!), термометром(?), по накалу ламп. Группы экспериментаторов могут приступать к выполнению своих исследований. Не забывайте о соблюдении техники безопасности!

Группа теоретиков будет на примере решения задач получать зависимость выделяемой теплоты от силы тока в цепи и сопротивления. Слайд 8.

Учащиеся выполнили работу, говорят выводы. Записать вывод закона Джоуля – Ленца в тетрадь. Слайд 9. Формулирую закон.

Один из авторов закона – русский физик Эмилий Христианович Ленц. Слайд 10.

Таким образом, мы изучили одно из важных проявлений электрического тока. И теперь вы сможете рассудить заморочку.

Слайд 11. Подошло время записать домашнее задание и ответить на вопрос-заморочку.

Напомню её. Слайд 12.

Рассуждения учащихся, ответ на вопрос-заморочку.

Нагревание проводников электрическим током – явление, которое нужно учитывать в жизни. Как вы думаете, почему? А что будет, если проводка в доме сильно нагреется? Слайд 13.

Короткое замыкание. Слайд 14.

Практическое применение теплового действия тока. Слайд 15. Нагревание проводников электрическим током – явление, которое широко применяется в жизни. Выводы учащихся.

Подходит к концу урок, мы должны подвести итог работе.

Слайд16. Что мы узнали? Чему мы научились? Кто работал лучше всех? Кто работал хорошо? (Увидеть положительное в каждом ребенке)

Осталось немного времени, чтобы мы посоревновались в решении интересных качественных задач. Читайте, думайте и объясняйте! Слайд 17.

Спасибо за урок! До свидания!

Иллюстрации (слайды презентации)

Слайд 1 слайд 2

Слайд 3 слайд 4

Слайд 5 слайд 6

Слайд 7 слайд 8

Слайд 9 слайд 10

Слайд 11 слайд 14

Слайд 15 слайд 16

Слайд 17

открытие и основные физические величины, математическая запись и формулировка

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

Общие сведения

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

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

Разность потенциалов

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

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

Разность между положительной и отрицательной составляющими является напряжением, единицей измерения которого является вольт (обозначение: В или V). Чем больше разница, тем больше напряжение.(-3) A, 1 кА = 1000 А и т. д. Электрический ток бывает следующих видов:

  1. Переменным.
  2. Постоянным.

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

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

Электрическое сопротивление

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

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

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

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

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

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

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

Характеристика мощности

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

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

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

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

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

Запись закона Джоуля-Ленца

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

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

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

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

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

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

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

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

Что такое Джоулевое нагревание? | Документация SimWiki

Джоулевое нагревание — это физический эффект, при котором прохождение тока через электрический проводник производит тепловую энергию. Эта тепловая энергия затем проявляется в повышении температуры материала проводника, отсюда и термин «нагрев». 1 \) .

Среди этих экспериментов было исследование связи между электрическим током, протекающим через проводник, и повышением его температуры. Эксперимент состоял из погруженного в воду провода, подключенного к клеммам батареи. Когда контур был включен, можно было измерить повышение температуры воды. Анализ записанных данных привел к первоначальной форме соотношения, ныне известного как первый закон Джоуля, согласно которому «тепло, выделяемое в проводе за единицу времени, пропорционально сопротивлению провода и квадрату силы тока».2R \ tag {1} $$

где:

  • \ (H \) — тепло, выделяемое проводником, в Джоулях;
  • \ (I \) — электрический ток, протекающий по проводнику, в амперах;
  • \ (R \) — электрическое сопротивление, Ом;
  • \ (t \) — прошедшее время в секундах.

Самый распространенный современный способ записать соотношение, задаваемое законом, включает генерируемую мощность \ (P \) вместо тепла и времени:

$$ \ frac {H} {t} = P = I ^ 2R \ tag {2} $$

Как это работает?

Тогда было известно, благодаря Джоуля, что тепло в проводнике генерируется под действием электрического тока, но как?

Электрический ток — это не что иное, как движение потока электронов, вызванное так называемой «электродвижущей силой»: разницей в электрическом потенциале через две точки в материале, которая имеет тенденцию заставлять электроны в материале двигаться.Обратите внимание, что он «имеет тенденцию» вызывать движение, потому что это движение зависит от многих факторов: наличия свободных электронов для перемещения, «легкости», с которой электроны могут двигаться, и величины электродвижущей силы. Этот эффект резюмируется в законе Ома:

$$ I = \ frac {V} {R} \ tag {3} $$

В нем говорится, что электрический ток \ (I \), который представляет собой количество движущегося электрического заряда в единицу времени, протекающего через проводник, пропорционален разности электрических потенциалов на его концах \ (V \) и обратно пропорционален сопротивление материала проводника \ (R \).

Это сопротивление представляет собой противодействие проводника току: чем выше сопротивление, тем труднее течь току. Эксперименты показали, что сопротивление зависит не только от материала проводника, но и от его геометрии (длины и площади поперечного сечения). Следовательно, указывается внутреннее свойство материала, удельное сопротивление, такое, что сопротивление (\ (R \)) проводника можно рассчитать как:

$$ R = \ frac {\ rho l} {A} \ tag {4} $$

где:

  • \ (\ rho \) — собственное удельное сопротивление материала проводника;
  • \ (l \) — длина проводника между точками приложения разности электрических потенциалов;
  • \ (A \) — площадь поперечного сечения проводника. 3 \).

    Но как все это связано с джоулевым нагревом? Глядя на закон Джоуля, мы можем видеть, что для данного тока, чем выше сопротивление проводника, тем больше тепла выделяется. Проще говоря, чем сложнее перемещать электроны по проводнику, тем больше работы затрачивается на их перемещение, работа, которая непосредственно преобразуется в тепло в материале. А «напрямую» означает, что в этом процессе энергия не теряется в других формах. Действительно, это один из немногих в природе процессов, обладающих такой характеристикой.

    Как рассчитать джоулевое нагревание?

    Учитывая, что у нас есть электрический проводник (может быть проволокой, стержнем или пластиной) длиной \ (l \), площадью поперечного сечения \ (A \), который сделан из материала с удельным сопротивлением \ (\ rho \) , можно рассчитать его электрическое сопротивление с помощью уравнения 4, которое было опубликовано выше.

    $$ R = \ frac {\ rho \ l} {A} \ tag {4} $$

    Если на проводник затем воздействует разность электрических потенциалов \ (V \) на его концевых выводах (при постоянном токе), ток \ (I \) будет течь через него в соответствии с законом Ома из уравнения 3:

    $$ I = \ frac {V} {R} \ tag {3} $$

    Мощность \ (P \), рассеиваемая в проводнике и превращающаяся в тепло, определяется законом Джоуля.2R \ tag {2} $$

    Количество тепла \ (Q \) затем накапливается в проводнике через время \ (t \):

    $$ Q = Pt \ tag {5} $$

    Скорость повышения температуры в проводнике может быть определена с помощью соотношения:

    $$ T = \ frac {Q} {см} \ tag {6} $$

    Где \ (c \) — удельная теплоемкость материала, а \ (m \) — полная масса проводника.

    Здесь предполагается, что все геометрические и материальные параметры постоянны по всей длине проводника и что для величин используется согласованная система единиц.2R \ tag {8} $$

    А в остальном расчет остается равным.

    Применения для нагрева Джоулей

    Джоулевое нагревание материалов широко используется во многих приложениях дома, на транспорте и в промышленных изделиях. Назову несколько:

    Лампы накаливания , в которых нить накаливания нагревается электричеством и излучается свет.

    Духовки сопротивления, , в которых тепло от проводника используется посредством теплового излучения и конвекции.Например:

    • Домашняя печь-бройлер, в которой в верхней части духовки размещены резисторы для нагрева пищи с этого направления.
    • тостеры, в которых сверху и снизу размещены сопротивления для разогрева пищи со всех сторон.
    • промышленные электрические печи, в которых с каждой стороны размещены резисторы для равномерного нагрева обрабатываемого продукта, например, для отверждения краски или удаления влаги.

    Сопротивление прямого нагрева, , где тепло от проводника используется за счет прямого теплового потока.Примеры:

    • печи сопротивления, в которых горшок ставится непосредственно над тостером для хлеба
    • , где есть сопротивление с каждой стороны ломтика хлеба в прямом контакте
    • Нагрев лобового стекла автомобиля, где сопротивление прилипает к стеклу для его нагрева равномерно и предотвращать конденсацию,
    • офисная кофеварка, где сопротивление используется в два этапа: сначала для кипячения воды и повышения ее температуры, а затем для поддержания температуры кастрюли

    Индукционный нагрев, где переменные магнитные поля индуцируют токи, протекающие в материале, что создает эффект Джоуля.2 \).

    Один важный аспект, который следует обсудить при разговоре о применении электрического отопления, — это энергоэффективность. Как было сказано ранее, преобразование электрической энергии в тепло в процессе обработки материала проводника не приводит к потерям. Это означает, что этот процесс на 100% энергоэффективен. Хотя этого нельзя сказать о том, как используется тепло от проводника. Будь то теплопроводность, конвекция, излучение или накал, применение электрического тепла имеет тенденцию быть ужасно неэффективным, потому что большая часть тепла теряется в окружающей среде, а не в полезном применении.6 \), где показано, что светодиодная лампа может потреблять примерно в пять раз меньше энергии при том же количестве излучаемого света. Забота об окружающей среде привела к замене многих неэффективных приложений электрического отопления на более эффективные технологии, такие как лампы накаливания для светодиодов или электрические плиты, духовки и обогреватели для природного газа.