Как можно объяснить нагревание проводника с током

Закон Джоуля-Ленца

Конспект по физике для 8 класса «Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца». Как можно объяснить нагревание проводников электрическим током. Как вычислить работу электрического тока. В чём заключается закон Джоуля—Ленца.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

Работа электрического тока.
Закон Джоуля-Ленца

Каждый день мы пользуемся электрическими бытовыми приборами и не раз замечали, что во время работы они нагреваются независимо от того, включены ли они в сеть или питаются от аккумулятора. С чем это связано?

ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрический ток, протекая по проводнику, вызывает его нагревание. Причина нагревания проводников электрическим током состоит в том, что свободные электроны в металлах (или ионы в растворах или расплавах электролитов), двигаясь под действием электрических сил, взаимодействуют с ионами (атомами) вещества проводника.

В результате этого взаимодействия часть кинетической энергии движущихся электронов или ионов передаётся ионам кристаллической решётки. Это приводит к увеличению внутренней энергии проводника, т. е. увеличению его температуры.

Энергию движущихся электрических зарядов принято называть энергией электрического тока или электрической энергией.

РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрические силы в проводнике совершают работу по переносу заряда. Напряжение на участке цепи есть не что иное, как отношение работы А электрических сил по переносу положительного заряда q к значению этого заряда: U = A/q

Зная напряжение между концами проводника и перемещённый заряд, можно записать эту работу как А = qU.

Значение перемещённого заряда q за время t можно получить, зная силу тока в цепи I: q = It.

Следовательно, А = Ult.

Работу электрического поля называют работой тока. Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого протекал ток. Работа электрического тока показывает, сколько электрической энергии превратилось в другие виды энергии.

Например, нагревание металлического проводника, поворот рамки с током — это примеры работы электрического тока, когда электрическая энергия превращается в другой вид энергии (внутреннюю, механическую и т. д.).

Единицей работы является джоуль (1 Дж). 1 Дж = 1 В • 1 А • 1 с.

Электрическая энергия, используемая потребителями тока, измеряется работой тока в этих потребителях. Для учёта совершённой работы служат счётчики — специальные устройства, сочетающие в себе три прибора: амперметр, вольтметр и часы.

Внутри счётчика имеется небольшой электродвигатель, диск которого начинает вращаться, если через счётчик проходит ток. При этом скорость вращения диска пропорциональна силе тока и напряжению. Количество оборотов диска подсчитывается счётным механизмом. Затраты электроэнергии в конечном счёте и определяются числом оборотов диска.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

Если на участке цепи, по которому протекает электрический ток, не совершается механическая работа и не происходят химические превращения вещества, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника, т. е. при протекании тока по проводнику происходит превращение электрической энергии в тепловую. При этом по закону сохранения энергии количество теплоты Q, выделяемое проводником с током, будет равно работе электрического тока А:   Q = А.

Известно, что А = Ult, тогда и Q = Ult. Учитывая закон Ома U = IR, получаем Q = IRIt, или Q = PRt.

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

Этот закон был экспериментально установлен английским учёным Джеймсом Джоулем и независимо от него российским учёным Эмилием Ленцем, поэтому носит название закона Джоуля—Ленца.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАКОНА ДЖОУЛЯ—ЛЕНЦА ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ И ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ ПРОВОДНИКОВ

При последовательном соединении сила тока во всех проводниках одинакова, поэтому для вычисления количества теплоты, выделяющейся в отдельных проводниках, удобнее пользоваться формулой Q = I2Rt.

Она показывает, что при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника.

При параллельном соединении напряжение на концах проводников одинаково, поэтому удобнее пользоваться формулой Q = U2t/R

Она показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника.

Эмилий Христианович Ленц (1804—1865) — российский физик и электротехник, основные работы относятся к области электричества и магнетизма.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Источник: http://xn--8-8sb3ae5aa.xn--p1ai/zakon-dzhoulja-lenca/

Почему нагревается проводник с током, и как правильно выбирать проводник?

Разбираем, почему и как нагревается проводник при прохождении через него электрического тока

Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается? Ответ на этот вопрос крайне важен при выборе материалов и сечения проводников, а также в контексте борьбы с последствиями токов короткого замыкания.

Поэтому в нашей статье мы постараемся максимально подробно, но при этом на доступном языке, разобраться с причинами нагрева, его этапами и использовании этого свойства проводников на практике.

Причины нагрева проводников и их этапы

Так почему при прохождении тока проводник нагревается? Ответ на этот вопрос независимо друг от друга дали Джеймс Джоуль в 1841 году, и Эмиль Ленц в 1842 году. В связи с этим. открытый ими закон получил название Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца

Звучит этот закон, как: мощность тепла, выделяемого в единице объема проводника, равна произведению напряженности электрического тока к его плотности. Если из этого определения вам сразу все стало понятно, то наша статья не для вас. Мы поговорим с теми, кто, как и я, когда услышал первый раз это определение, удивленно хлопал глазами.

Поэтому мы будем по минимуму использовать формулы, а постараемся на пальцах объяснить, что значит этот закон:

Итак, у нас имеется проводник, по которому протекает электрический ток. Сам проводник имеет определенное сечение, а также сопротивление. Значение этого сопротивления обычно не высоко, но оно есть. Кроме того, раз у нас по проводнику протекает ток, то он имеет определённый потенциал или напряженность. Оперируя этими понятиями мы и определим почему проводник с током нагревается.
Удельные сопротивления различных веществ	Начнем с объяснения сопротивления проводника. Любой материал обладает так называемой удельной проводимостью – это способность проводит электрический ток.У одних материалов этот показатель достаточно высокий и их называют проводниками. У других материалов эта способность очень низкая, и их называют диэлектриками.
Зависимость сопротивления провода от удельного сопротивления материала	Чем выше способность материала проводить электрический ток, тем ниже его сопротивление. Но сопротивление проводника зависит еще от одного параметра – это его сечение.Ведь проводник — это как коридор для заряженных частиц, чем их больше, тем сложнее им пройти. Поэтому чем больше ток, тем большее сечение должно быть у проводника.
Зависимость сопротивления кабеля от его сечения	Все современные провода и кабели имеют строго определённое сопротивление, которое напрямую зависит от их сечения. Обычно оно указано в паспорте продукта и регламентируется ГОСТами как на видео.
Работа, выполненная электрическим током в проводнике, равна количеству выделенного тепла	Ток, преодолевая сопротивление проводника, выполняет работу. Результатом этой работы является выделение тепла. Чем большее количество этого тепла, тем быстрее нагревается проводник.

Соответственно, чем большее количество времени протекает ток по проводнику, чем большее сопротивление проводника, чем больший ток протекает по проводнику, тем быстрее и больше он нагревается.  Вот так характеризует нагревание проводников электрическим током закон Джоуля-Ленца.

Обратите внимание! Электрическая проводимость, а соответственно и сопротивление проводника, напрямую зависит от его температуры. Чем она выше, тем больше сопротивление проводника. Поэтому получается лавинообразный процесс. Проводник греется, его сопротивление растет, и он греется еще больше. В связи с этим, процессу отвода тепла от проводника следует уделять самое пристальное внимание.

Отвод тепла от проводника и этапы нагрева

В связи с приведенным выше свойством, с нагревом проводников нужно бороться. Достигается это за счет выбора оптимального сечения провода, а также материала. То есть, сечение провода должно соответствовать максимально допустимому току, который может протекать в нем, а также нормально выдерживать кратковременные перегрузки.

• Дабы все это правильно рассчитать, мы должны знать не только как закон Джоуля-Ленца нагревание проводников электрическим током рассчитывает, но и как посчитать отдачу тепла проводником. Ведь наш проводник находится не в вакууме, и отдает тепло окружающей среде.

• Сразу давайте определимся, какие параметры влияют на теплоотдачу проводника. Прежде всего, это сечение проводника, ведь вполне логично, что чем большая площадь проводника соприкасается с окружающим воздухом, тем быстрее он ее отдает.

Теплоотдача различных материалов

• Следующим важным критерием является так называемый коэффициент теплоотдачи материала, из которого выполнен проводник. Или как этот параметр еще называют — теплопроводность материала. Ведь ни для кого не секрет, что теплопроводность у материалов разная.
• Ну и последним параметром, является разность между температурой окружающей среды и материалом проводника. Ведь как говорит инструкция: чем больше этот перепад, тем быстрее материал отдает тепло.

Температура установившегося режима

• Исходя из этих всех параметров, влияющих на теплоотдачу, можно предположить, что для любого проводника и любого тока имеется, так называемая, установившаяся температура. То есть, температура, при которой существует равенство получаемой энергии от протекания тока и отводимого тепла.

Рабочая температура проводника с ПВХ изоляцией

• Такую температуру называют установившимся режимом. И она должна быть в пределах рабочей температуры провода. Рабочая температура провода обычно ограничена типом используемой изоляции.

Например, для ПВХ-изоляции она не должна превышать 70⁰С, а разнообразные материалы с пропиткой лаком способны выдерживать температуры до 120⁰С и выше.

Выбор проводников

Как вы можете понять из всего выше написанного, проводники следует выбирать из условий нагрева. Дабы при определённом токе их температура не превышала максимально допустимую. Сделать это можно своими руками, благодаря таблицам в ПУЭ. Но и в этом вопросе сначала необходимо разобраться.

• В ПУЭ приведены таблицы, по которым можно осуществить выбор проводников по нагреву, экономической плотности тока, способу прокладки и другим параметрам. Но для начала мы точно должны знать условия монтажа и работы провода. Давайте разберем, зачем это нужно.

Допустимые перегрузки для кабелей в бумажной изоляции

• Но прежде разберемся с током. Ни для кого не секрет, что в течение времени ток в проводнике будет меняться. И какой из них следует рассматривать в качестве результирующего для выбора сечения проводника, непонятно. На этот вопрос нам отвечает п. 1.3.2 ПУЭ, который гласит, что для выбора следует применять средний ток в течении получаса, наиболее нагруженного в течении суток.

На фото поправочные температурные коэффициенты

• Теперь давайте определимся с температурой. В разных местах монтажа она может достаточно сильно отличаться от рабочей температуры. Это следует учитывать. Поэтому в табл. 1.3.3 ПУЭ приведены поправочные коэффициенты для различной кабельно-проводниковой продукции, если температуры в которых будет работать кабель, отличается от рабочей.
• Выбор проводников по нагреву, плотности тока, обязательно учитывает способ прокладки проводника. Это может быть одиночная прокладка по воздуху, а может быть монтаж в земле или в трубах. Согласитесь, теплоотведение у таких проводников будет существенно отличаться. И это обязательно стоит учитывать.
• Так же следует учитывать количество жил проводника. То ли у нас охлаждается одна жила, то ли три, которые соприкасаются.

Обратите внимание! В табл. 1.3.12 ПУЭ имеется отдельный поправочный коэффициент при монтаже проводников пучками. Ведь если у нас рядом проложено сразу несколько проводников, то они вполне могут нагревать друг друга и заметно хуже остывать. И это так же должно учитываться.

Источник: https://Elektrik-a.su/kabeli-i-provoda/silovye/pochemu-nagrevaetsya-provodnik-s-tokom-215

Почему греются провода

7 февраля 2019

Вероятно, многие сталкивались с таким явлением, как нагрев проводов. Все мы догадываемся, что это плохо, но не всегда понимаем, почему так происходит. В этой статье мы попробуем разобраться в этом явлении.

Что такое проводник

Проводник отличается от изолятора способностью проводить электрический ток. В свою очередь электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Ими могут быть электроны или ионы. В изоляторах нет заряженных частиц в свободном состоянии. В таких материалах электроны прочно связаны с ядрами в атомах и покинуть их не могут. По этой причине изоляторы не способны проводить электрический ток.

Проводники устроены по-другому. В их структуре электроны с ядрами связаны не так прочно. Электроны могут стать свободными и хаотично перемещаться в толще материала. Если при этом появится разность потенциалов, электроны начнут синхронно двигаться в одном направлении. Соответственно, возникнет электрический ток.

При приложении разности потенциалов электроны в проводнике начинают двигаться в одну сторону

Что происходит в проводнике при прохождении тока

Электроны в проводнике не могут двигаться беспрепятственно. На своем пути они встречают другие электроны, ионы или атомы. Как результат, электроны теряют часть своей энергии. Но она не пропадает бесследно, а передается ионам или атомам кристаллической решетки материала.

В проводнике огромное количество свободных электронов, поэтому такая бомбардировка происходит очень активно. В результате увеличивается частота колебаний атомов или ионов кристаллической решетки, а именно этот параметр отвечает за повышение температуры. Таким образом, электроны являются одновременно причиной возникновения электрического тока и нагревания проводника.

Электроны в проводнике постоянно сталкиваются с ионами

Почему проводники греются по-разному

Действительно, проводники из разных материалов или при разных значениях напряжения греются по-разному. Чтобы объяснить эту особенность, мы будем использовать аналогии. Попробуем представить вместо проводника с током трубу с водой. Тогда напряжение – это напор воды, а величина тока – толщина ее струи. Роль сопротивления проводника будет играть некое пористое вещество, которое заполняет трубу.

Что же происходит при прохождении тока через проводник и что для этого нужно? В нашем случае надо добиться того, чтобы продавить через трубу некоторое количество воды. Для этого необходимо создать определенное давление (подать напряжение на проводник). Количество воды (величина тока), которое пройдет через трубу, зависит от трех факторов: проходимости трубы (сопротивления проводника), ее диаметра (сечения проводника) и поданного давления (напряжения).

Возвращаясь к классическому проводнику, можем сделать такие выводы:

1. Пока напряжение невелико, проводники из разных материалов одинаково хорошо будут справляться с передачей тока.
2. При возрастании напряжения проводники, обладающие бо́льшим сопротивлением, начнут греться. По этому принципу работает обычная лампа накаливания. В ней в качестве проводника используется вольфрамовая нить. Этот материал обладает высоким сопротивлением, поэтому при прохождении электрического тока нагревается до температуры свечения.
3. При одинаковом напряжении и материале изготовления проводники, имеющие меньшее сечение, будут греться сильнее.

Как это использовать на практике

В наших домах напряжение в сети всегда одинаково и составляет 220 В. При этом величина тока может быть разной. Она зависит от того, что именно мы включим в розетку. Если это будет чайник мощностью 2,2 кВт, можно произвести следующие вычисления:

В этой формуле I – сила тока, Р – мощность включенного в сеть электроприбора, U – напряжение в сети. Подставим в нее известные нам значения. Получим следующий результат:

Итак, величина тока, который течет по проводам во время работы чайника, составляет 10 А. Дальше остается выяснить, проводники из каких материалов и какого сечения могут проводить такой ток, и именно их использовать на практике. Конечно, это упрощенный пример, но суть подхода к выбору проводов именно такова.

Какие последствия может вызвать нагревание проводов

При нагревании проводов ухудшаются свойства изоляции, она покрывается трещинами, а потом начинает крошиться. В результате возможно возникновение короткого замыкания. В лучшем случае в доме или в одном из его помещений некоторое время не будет электричества. В худшем – все закончится пожаром.

Проводник под током способен не просто нагреться, а раскалиться

Заключение

Провода могут нагреваться не только из-за своих характеристик, но и в местах соединений в результате плохого контакта. В этих точках возникает повышенное сопротивление и, как следствие, – они нагреваются. Поэтому так важно не только изначально правильно подбирать сечение провода, но и следить в дальнейшем за состоянием проводки.

Источник: https://tze1.ru/articles/detail/pochemu-greyutsya-provoda/

Самостоятельная работа по физике Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца 8 класс

Самостоятельная работа по физике Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца 8 класс с ответами. Самостоятельная работа представлена в двух вариантах, в каждом по 3 задания.

Вариант 1

1. Как рассчитать количество теплоты, выделяемое проводником с электрическим током?

2. Медная и железная проволоки равной длины и одинакового поперечного сечения включены в цепь последовательно. В какой из них выделится большее количество теплоты за одно и то же время? Ответ обоснуйте.

3. Рассчитайте количество теплоты, которое выделит за 5 мин проволочная спираль сопротивлением 50 Ом, если сила тока в ней равна 1,5 А.

Вариант 2

1. Объясните причину нагревания проводника при протекании по нему электрического тока.

2. Две никелиновые проволоки различной длины, но одинакового поперечного сечения включены последовательно в цепь. Какая из них выделит большее количество теплоты за одно и то же время? Ответ обоснуйте.

3. Сопротивление электрической печи равно 100 Ом. Определите количество теплоты, выделяемое печью за 2 ч непрерывной работы при силе тока, равной 2 А.

Ответы на самостоятельную работу по физике Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца 8 класс
Вариант 11. Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.2.

Большее количество теплоты за одно и то же время выделится в железной проволоке, потому что удельное электрическое сопротивление железа больше, чем меди, следовательно, при одинаковой длине и сечении сопротивление железной проволоки будет больше, а сила тока при последовательном соединении одинакова.

3. Q = 33 750 Дж

Вариант 21. При протекании по проводнику электрического тока, он нагревается, так как электроны в металлах под действием электрического поля взаимодействуют с ионами и передают им свою энергию.2. Большее количество теплоты за одно и то же время выделится в более длинной проволоке, потому что электрическое сопротивление прямо пропорционально длине проводника, следовательно, при одинаковых материале и сечении сопротивление длинной проволоки будет больше, а сила тока при последовательном соединении одинакова.

3. Q = 2,88 МДж

Источник: https://fizikaedu.ru/2020/02/26/samostoyatelnaya-rabota-po-fizike-nagrevanie-provodnikov-elektricheskim-tokom-zakon-dzhoulya-lencza-8-klass/

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца (Гребенюк Ю.В.)

Мы уже знаем, что при про­хож­де­нии тока через элек­три­че­скую лам­поч­ку её спи­раль на­гре­ва­ет­ся и из­лу­ча­ет ви­ди­мый свет. Таким об­ра­зом, мы на­блю­да­ем теп­ло­вое дей­ствие элек­три­че­ско­го тока. Бла­го­да­ря этому дей­ствию, на­гре­ва­ют­ся, на­при­мер, утюг или чай­ник.

Но при ра­бо­те вен­ти­ля­то­ра или пы­ле­со­са прак­ти­че­ски не на­блю­да­ет­ся теп­ло­вое дей­ствие, также в нор­маль­ном со­сто­я­нии слабо гре­ют­ся про­во­да. На этом уроке, тема ко­то­ро­го: «На­гре­ва­ние про­вод­ни­ков элек­три­че­ским током.

Закон Джо­у­ля – Ленца», мы опре­де­лим, от чего за­ви­сит теп­ло­вое дей­ствие элек­три­че­ско­го тока.

2. 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 большим со­про­тив­ле­ни­ем на­гре­ва­ет воду быст­рее

Рис. 2. Уве­ли­че­ние яр­ко­сти лам­поч­ки при уве­ли­че­нии силы тока    

3. Итоги

На этом уроке мы узна­ли о том, что про­хож­де­ние тока в про­вод­ни­ке со­про­вож­да­ет­ся вы­де­ле­ни­ем тепла, при этом ко­ли­че­ство теп­ло­ты, вы­де­ля­ю­ще­е­ся при про­хож­де­нии тока в про­вод­ни­ке, прямо про­пор­ци­о­наль­но квад­ра­ту силы тока, со­про­тив­ле­нию про­вод­ни­ка и вре­ме­ни про­хож­де­ния тока. Таким об­ра­зом, мы сфор­му­ли­ро­ва­ли закон Джо­у­ля – Ленца.

4. Задача из ЕГЭ

По про­вод­ни­ку со­про­тив­ле­ни­ем R течёт ток I. Как из­ме­нит­ся ко­ли­че­ство теп­ло­ты, вы­де­ля­ю­ще­е­ся в про­вод­ни­ке в еди­ни­цу вре­ме­ни, если его со­про­тив­ле­ние уве­ли­чить в два раза, а силу тока умень­шить в два раза? Ва­ри­ан­ты от­ве­та: а) уве­ли­чит­ся в два раза; б) умень­шит­ся в два раза; в) не из­ме­нит­ся; г) умень­шит­ся в во­семь раз.

5. Ре­ше­ние

Вос­поль­зу­ем­ся за­ко­ном Джо­у­ля – Ленца:

Ко­ли­че­ство теп­ло­ты, вы­де­ля­ю­ще­е­ся в про­вод­ни­ке в еди­ни­цу вре­ме­ни, равно:

Так как со­про­тив­ле­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся в два раза, а сила тока умень­ша­ет­ся в два раза:

Сле­до­ва­тель­но, новое зна­че­ние ко­ли­че­ства теп­ло­ты будет равно:

Ответ: б) умень­шит­ся в два раза

6. Плагиат или нет?

Ещё в 1832-1833-х годах Эми­лий Хри­сти­а­но­вич Ленц об­ра­тил вни­ма­ние на то, что про­во­ди­мость про­вод­ни­ка силь­но за­ви­сит от его на­гре­ва­ния, это ослож­ня­ло рас­чё­ты элек­три­че­ских цепей, так как не пред­став­ля­лось воз­мож­ным вы­чис­лить за­ви­си­мость тока от теп­ло­ты, ко­то­рую он вы­де­ля­ет.

Рис. 3. Опыт Ленца

Ленц скон­стру­и­ро­вал спе­ци­аль­ный при­бор-со­суд, слу­жив­ший для из­ме­ре­ния ко­ли­че­ства тепла, вы­де­ляв­ше­го­ся в про­во­ло­ке. В сосуд учё­ный за­ли­вал раз­бав­лен­ный спирт (спирт об­ла­да­ет мень­шей элек­тро­про­вод­но­стью, чем вода, ко­то­рую ис­поль­зо­вал в своих опы­тах Джеймс Джо­уль).

В рас­твор спир­та по­ме­ща­лась пла­ти­но­вая про­во­ло­ка, через ко­то­рую про­пус­кал­ся элек­три­че­ский ток (см. Рис. 3). Была про­из­ве­де­на боль­шая серия опы­тов, в ко­то­рых Ленц за­ме­рял время, за­тра­чен­ное на на­гре­ва­ние рас­тво­ра на .

По­лу­чив до­ста­точ­ное ко­ли­че­ство убе­ди­тель­ных дан­ных, в 1843 году учё­ный опуб­ли­ко­вал закон: «на­гре­ва­ние про­во­ло­ки галь­ва­ни­че­ским током про­пор­ци­о­наль­но квад­ра­ту слу­жа­ще­го для на­гре­ва­ния тока».

Од­на­ко ана­ло­гич­ный закон уже был опуб­ли­ко­ван Джо­у­лем в 1841 году, но Ленц вполне обос­но­ван­но об­ра­тил вни­ма­ние на то, что ан­гли­ча­нин про­вёл свои экс­пе­ри­мен­ты с боль­шим ко­ли­че­ством по­греш­но­стей. Имен­но по­это­му закон о теп­ло­вом дей­ствии тока был на­зван в честь двух вы­да­ю­щих­ся учё­ных.

Решение задач

За­да­ча 1

Опре­де­ли­те длину ни­хро­мо­во­го про­во­да, с пло­ща­дью се­че­ния 0,25 , из ко­то­ро­го из­го­тов­лен на­гре­ва­тель элек­три­че­ско­го чай­ни­ка. Чай­ник пи­та­ет­ся от сети на­пря­же­ни­ем 220 В и на­гре­ва­ет 1,5 литра воды от  до  за 10 минут. КПД чай­ни­ка со­став­ля­ет .

Дано: ; ; ; ; ; ;  – теп­ло­ём­кость воды;  – плот­ность воды;  – удель­ное со­про­тив­ле­ние ни­хро­ма;  

Найти: l

Ре­ше­ние

Так как вся элек­три­че­ская энер­гия идёт на на­гре­ва­ние воды, то вос­поль­зу­ем­ся за­ко­ном Джо­у­ля – Ленца:

От­сю­да со­про­тив­ле­ние про­вод­ни­ка (ни­хро­мо­во­го про­во­да) R равно:

Также со­про­тив­ле­ние про­вод­ни­ка можно вы­чис­лить по фор­му­ле:

При­рав­ня­ем со­про­тив­ле­ние в обеих фор­му­лах и вы­ра­зим длину про­вод­ни­ка (l):

В этой фор­му­ле неиз­вест­но ко­ли­че­ство теп­ло­ты, то есть мощ­ность чай­ни­ка. Най­дём её, зная, что чай­ник на­гре­ва­ет 1,5 л воды от от  до  за 10 минут.

Так как не вся теп­ло­та идёт на на­гре­ва­ние, то необ­хо­ди­мо учи­ты­вать КПД чай­ни­ка, рав­ный:

От­сю­да общее ко­ли­че­ство теп­ло­ты () будет равно:

Под­ста­вим зна­че­ние   в фор­му­лу для длины про­вод­ни­ка:

Про­ве­рив еди­ни­цы из­ме­ре­ния, под­став­ля­ем из­вест­ные зна­че­ния:

Ответ:  

За­да­ча 2

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

Ре­ше­ние

Рис. 4. Ил­лю­стра­ция к за­да­че

Сила тока в обоих про­во­дах оди­на­ко­ва, так как про­вод­ни­ки со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но (см. Рис. 4):

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.

За­да­ча 3

Какой длины ни­хро­мо­вый про­вод нужно взять, чтобы из­го­то­вить элек­три­че­ский камин, ра­бо­та­ю­щий при на­пря­же­нии 120 В и вы­де­ля­ю­щий 1 МДж теп­ло­ты в час? Диа­метр про­во­да 0,5 мм.

Дано: ; ; ;  ;

Найти: l

Ре­ше­ние

Так как вся элек­три­че­ская энер­гия рас­хо­ду­ет­ся на на­гре­ва­ние, то со­глас­но за­ко­ну Джо­у­ля-Лен­ца:

От­сю­да со­про­тив­ле­ние про­во­да равно:

Также со­про­тив­ле­ние про­вод­ни­ка можно вы­чис­лить по фор­му­ле:

При­рав­ня­ем со­про­тив­ле­ние в обеих фор­му­лах и вы­ра­зим длину про­вод­ни­ка (l):

В этой фор­му­ле неиз­вест­на пло­щадь се­че­ния про­во­ло­ки. Зная диа­метр про­во­ло­ки, вы­чис­лим пло­щадь се­че­ния про­во­ло­ки по фор­му­ле пло­ща­ди круга:

Под­ста­вим зна­че­ние в фор­му­лу для длины про­вод­ни­ка:

Про­ве­рив еди­ни­цы из­ме­ре­ния, под­став­ля­ем из­вест­ные зна­че­ния:

Ответ:

Вопросы к конспектам

В чем про­яв­ля­ет­ся теп­ло­вое дей­ствие тока?

Как можно объ­яс­нить на­гре­ва­ние про­вод­ни­ка с током?

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?

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?

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

Источник: https://100ballov.kz/mod/page/view.php?id=1139

Электрический ток в металлах

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: носители свободных электрических зарядов в металлах

В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах — твёрдых телах, жидкостях и газах.

Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.

Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.

Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.

Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов.

Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла).

В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника.

Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны.

Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно.

Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости).

Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

Опыт Рикке

Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 2. Опыт Рикке

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3.

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

Зависимость сопротивления от температуры

Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает.

Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)).

Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:

(1)

Здесь — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4).

Рис. 4.

Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и через удельное сопротивление:

и подставим эти формулы в (1). Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки

Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.

Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/elektricheskij-tok-v-metallax/

Нагревание проводников электрическим током кратко — Помощник для школьников Спринт-Олимпиады

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

Почему нагреваются проводники

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

Рис. 1. Электрический ток в проводнике нагревает проводник

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

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

Плюсы и минусы от нагрева электрическим током

• Плюсы. Нагревание проводников электрическим током находит свое применение в различных полезных приборах и устройствах: электроплитах, чайниках, кофеварках, кипятильниках, фенах, утюгах, обогревателях.
• Минусы.

  Очень часто инженерам-электронщикам приходится бороться с этим эффектом для того, чтобы, например, обеспечить работоспособность электронных плат, которые напичканы огромным количеством электронных деталей, микросхем и т.д. Все эти элементы греются в соответствие с законом Джоуля-Ленца.

  И если не предпринять меры для принудительного охлаждения с помощью металлических радиаторов или вентиляторов (кулеров), то платы быстро выйдут из строя от перегрева.

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

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

Что мы узнали?

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

ПредыдущаяСледующая

Источник: https://Sprint-Olympic.ru/uroki/fizika/18471-nagrevanie-provodnikov-elektricheskim-tokom-kratko.html