Sibprompost.ru

Стройка и ремонт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Чтобы получить доступ к этому сайту, вы должны разрешить использование JavaScript

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца. Лампа накаливания. Электрические нагревательные приборы.

Цель урока:

— обобщить знания по вопросу выделения тепла при прохождении тока по проводнику на уровне понимания;

— оценить свои умения применять знания о законе Джоуля — Ленца; познакомиться с конструкцией лампы накаливания;

— научиться применять закон Джоуля — Ленца к объяснению и анализу явлений окружающего мира;

— применять знания и умения, полученные на уроке к решению физических задач; усвоить характерные особенности закона Джоуля – Ленца

  • формирование у учащихся представлений о том, как устроены окружающие их электрические нагревательные приборы, лампа накаливания

Задачи урока:

Образовательные:

Проверить полученные знания о законе Ома в электрической цепи при помощи вопросов и электронных упражнений

Изучить закон Джоуля-Ленца. Разобрать формулу, составляющие её величины, единицы измерения. Изложение материала посредством одностраничного сайта на базе бесплатной платформы Tobiz

Изучить строение лампы накаливание законспектировать важные мысли, сделать рисунок и схему

Понять основной принцип работы электронагревательных приборов. Основной элемент которых это нагревательный элемент, через который проходит ток.

Выявить уровень усвоения формулы закона Джоуля — Ленца и его понимания. Дать знания о величинах, характеризующих количество теплоты, выделяемой проводником при прохождении по нему электрического тока.

Дать представление о механизме выделения тепла в проводнике на основе модели строения вещества. Обосновать связь между материалом спирали электрической лампочки и количеством выделившейся теплоты.

Сформировать умения применять основные положения теории строения вещества к обоснованию электрических свойств данного вещества.

Развития мышления:

Проверить уровень самостоятельности мышления школьника в применении знаний в различных ситуациях.

Сформировать элементы творческого поиска на основе приемов обобщения. Формировать умения развертывать доказательство на основе данных.

Ход урока I

Актуализация знаний

Первые 10-15 минут урока целесообразно посвятить проверке усвоения материала по предыдущей теме. Повторение с помощью вопросов. Проверить полученные знания о законе Ома в электрической цепи при помощи вопросов и электронных упражнений https://learningapps.org/2026488

Изложение нового материала.

При введении понятия работы электрического тока мы уже пользовались, тепловым действием тока (нагревание проводников). — Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается? Обратить внимание на внутреннюю энергию, вспомнить строение вещества.

Они неоднократно наблюдали тепловое действие тока в бытовых приборах. Ученые Джоуль и Ленц, автономно друг от друга проводя опыты пришли к выводу:

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

— Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?

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

Закон Джоуля-Ленца . Учащиеся знают уже формулу для работы A = UIt. Кроме того, им известно, что в неподвижных проводниках вся работа тока идет лишь на нагревание проводников, т. е. на то, чтобы увеличь их внутреннюю энергию. Следовательно, количество теплоты

Из закона Ома для участка цепи U = IR. Если это учесть, то Q= I 2 Rt

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

Количество тепловой энергии, выделяемой проводником, через который течет ток равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника за время прохождения тока

Устройство лампы накаливания:

На рисунке изображена газонаполненная лампа накаливания. Концы спирали 1 приварены к двум проволокам, которые проходят сквозь стержень из стекла 2 и припаяны к металлическим частям цоколя 3 лампы: одна проволока — к винтовой нарезке, а другая — к изолированному от нарезки основанию цоколя 4. Для включения лампы в сеть ее ввинчивают в патрон. Внутренняя часть патрона содержит пружинящий контакт 5, касающийся основания цоколя лампы, и винтовую нарезку 6, удерживающую лампу. Пружинящий контакт и винтовая нарезка патрона имеют зажимы, к которым прикрепляют провода от сети.

Читайте так же:
Датчик теплого пола длина провода

Тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и установках. В домашних условиях широко применяют электрические плитки, утюги, чайники, кипятильники. Основная часть всякого нагревательного электрического прибора — нагревательный элемент. Электронагревательные приборы состоят из корпуса, нагревательного элемента, включающих и регулирующих устройств, контактных штифтов, электроизоляционных и теплоизолирующих материалов. Нагревательный элемент представляет собой проводник с большим удельным сопротивлением, способный, кроме того, выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высокой температуры (до 1000—1200 °С).

Сплавы, из которых изготовляют проволоку или ленту для нагревательных элементов, должны обладать более высоким удельным сопротивлением, чем медь и другие проводники, что обеспечивает компактность конструкции и малую зависимость от температуры (температурный коэффициент сплава должен быть весьма мал). Кроме того, они должны длительно выдерживать высокую температуру, не расплавляясь и не окисляясь.

Больше всего удовлетворяют этим требованиям специальные сплавы — константан, нихром (сплав хрома и марганца) и фехраль (табл. 1.1). https://coollib.net/b/404056/read

Задача:

Какова сила тока в лампе фонаря, если напряжение 4В в ней за 1 с расходуется 0,8 Дж электроэнергии.

Для решения данной задачи необходимо понимать, что такое сила тока, поэтому в 1-м упражнении тренажера нужно ответить на этот вопрос. Вспомнив, что сила тока – это отношение заряда прошедшего за единицу времени к величине этого промежутка. Нужно вывести закон Джоуля-Ленца используя данную в начале формулу для напряжения.

Q=I 2 Rt , по закону Ома I= U R , U=IR, а значит Q=UIt , выразив силу тока из полученной формулы записываем I= Q Ut . Подставив значения в формулу получаем I= 0,8 Дж 4В*1с =0,2А

Ответ. I=0,2А

Домашнее задание : § 53, 54 вопросы к параграфам. Упражнение 27

Конспект параграфа 54 по схеме:

  • Название электроприбора;
  • Рисунок электроприбора;
  • Принцип работы электроприбора.

Материал учебник Перышкин § 53. Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца. § 54. Лампа накаливания. Электрические нагревательные приборы.

Количество теплоты при прохождении тока

В 1841 году английский физик Джеймс Джоуль экспериментально доказал наличие зависимости количества выделяемой теплоты от силы тока. А в 1842 году, независимо от него к тому же выводу пришел русский ученый Эмилий Ленц, измерявший в течение нескольких лет количество времени, необходимое для нагрева спирта в сосуде на 10°С. Окончательное же определение закона Джоуля-Ленца было опубликовано в 1843 году.

Формулировка закона Джоуля-Ленца, основанная на работах обоих ученых, звучит так: при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику.

Формула для закона Джоуля-Ленца

Приведенная формула выражает закон Джоуля-Ленца для участка цепи. Единица измерения количества теплоты (Q) – джоуль (Дж), является производной единицей и может быть получена из формулы:
1Дж = 1Ом · (1А) 2 · 1с.

В неподвижном проводнике, по которому течет постоянный ток работа сторонних сил расходуется на его нагревание. Опытно доказано, что в любом проводнике выделяется количество теплоты, равное работе, совершаемой электрическими силами по переносу заряда вдоль проводника.

Читайте так же:
Получение электрического тока из тепловой энергии

φ12=U – разность потенциалов на концах проводника, тогда для переноса заряда на этом участке совершается работа
A=q(φ12 )=qU,

  • А – работа [Дж];
  • q – заряд [Кл].

Из определения силы тока следует:

  • q = It
  • A = IUt

Учитывая формулу и сказанное выше, получим: Q = A = IUt – закон Джоуля-Ленца в интегральной форме.

Запишем закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

  • ∆W – тепловая мощность тока в элементе проводника, [Вт];
  • ∆l – длина проводника, [мм];
  • ∆S – сечение проводника, [мм2];
  • ∆V – объем проводника, [мм3];
  • j – плотность тока, j = ϭE, ϭ = 1/ρ (удельная электропроводность);
  • Е – напряженность поля, [В/м].
  • ω=∆W/∆V=j ⃗E ⃗ – удельная мощность тока.

Отсюда: ω=ϭE ⃗ – дифференциальная запись закона Джоуля-Ленца, характеризующая плотность выделенной энергии

Закон Джоуля-Ленца имеет широкое практическое применение. Так, в электротехнике необходимо учитывать нагревание проводов при расчете теплопотери в линиях электропередач, температуры срабатывания автоматических выключателей, тепловыделения элементов радиотехники и электротехнических приборов, характеристик проводов сетей температуры плавления плавких предохранителей, тепловой мощности электронагревателей. Применение закона Джоуля-Ленца позволяет уменьшить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния и поднять напряжения в линиях электропередач. Кроме этого на законе Джоуля-Ленца основана контактная и электродуговая сварка.

Закон Джо́уля — Ле́нца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем [1] .

Содержание

Определения [ править | править код ]

В словесной формулировке звучит следующим образом [2] :

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании постоянного электрического тока, равна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля.

Математически может быть выражен в следующей форме:

w = j → ⋅ E → = σ E 2 , >cdot >=sigma E^ ,>

где w — мощность выделения тепла в единице объёма, j → >> — плотность электрического тока, E → >> — 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 [3] :

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка.

В интегральной форме этот закон имеет вид

d Q = I 2 R d t , Rdt,> Q = ∫ t 1 t 2 I 2 R d t , >^ >I^ Rdt,>

где d Q — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени d t , I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t 1 > до t 2 > . В случае постоянных силы тока и сопротивления:

Q = I 2 R t . Rt.>

Применяя закон Ома, можно получить следующие эквивалентные формулы:

Q = U 2 t / R = I U t . t/R =IUt.>

Практическое значение [ править | править код ]

Снижение потерь энергии [ править | править код ]

При передаче электроэнергии тепловое действие тока в проводах является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно, значит ток в сети I на проводах и нагрузке одинаков. Мощность нагрузки и сопротивление проводов не должны зависеть от выбора напряжения источника. Выделяемая на проводах и на нагрузке мощность определяется следующими формулами

Q w = R w ⋅ I 2 , =R_ cdot I^ ,> Q c = U c ⋅ I . =U_ cdot I.>

Откуда следует, что Q w = R w ⋅ Q c 2 / U c 2 =R_ cdot Q_ ^ /U_ ^ > . Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение R w ⋅ Q c 2 cdot Q_ ^ > является константой, то тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе. Повышая напряжение мы снижаем тепловые потери в проводах. Это, однако, снижает электробезопасность линий электропередачи.

Читайте так же:
Расчет сечения провода для теплого пола

Выбор проводов для цепей [ править | править код ]

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 выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников.

Электронагревательные приборы [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

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.

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.

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.

Сопротивление в электрических проводниках обладает теми же качествами, как и у обычного сопротивления. Для того чтобы провести ток через проводник, источником тока затрачивается определенное количество энергии, превращающейся в тепло. Данное превращение как раз и отражает закон Джоуля — Ленца, известного также, как закон теплового действия тока.

Закон джоуля Ленца формула и определение

Согласно закону джоуля Ленца, электрический ток, проходящий по проводнику, сопровождается количеством теплоты, прямо пропорциональным квадрату тока и сопротивлению, а также времени течения этого тока по проводнику.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = I 2 Rt, в которой Q отображает количество выделенной теплоты, I – силу тока, R – сопротивление проводника, t – период времени. Величина «к» представляет собой тепловой эквивалент работы и применяется в тех случаях, когда количество теплоты измеряется в калориях, сила тока – в амперах, сопротивление – в Омах, а время – в секундах. Численное значение величины к составляет 0,24, что соответствует току в 1 ампер, который при сопротивлении проводника в 1 Ом, выделяет в течение 1 секунды количество теплоты, равное 0,24 ккал. Поэтому для расчетов количества выделенной теплоты в калориях применяется формула Q = 0,24I 2 Rt.

Читайте так же:
Работа мощность тока количество теплоты в проводнике

При использовании системы единиц СИ измерение количества теплоты производится в джоулях, поэтому величина «к», применительно к закону Джоуля-Ленца, будет равна 1, а формула будет выглядеть: Q = I 2 Rt. В соответствии с законом Ома I = U/R. Если это значение силы тока подставить в основную формулу, она приобретет следующий вид: Q = (U 2 /R)t.

Основная формула Q = I 2 Rt очень удобна для использования при расчетах количества теплоты, которое выделяется в случае последовательного соединения. Сила тока во всех проводниках будет одинаковая. При последовательном соединении сразу нескольких проводников, каждый из них выделит столько теплоты, которое будет пропорционально сопротивлению проводника. Если последовательно соединить три одинаковые проволочки из меди, железа и никелина, то максимальное количество теплоты будет выделено последней. Это связано с наибольшим удельным сопротивлением никелина и более сильным нагревом этой проволочки.

При параллельном соединении этих же проводников, значение электрического тока в каждом из них будет различным, а напряжение на концах – одинаковым. В этом случае для расчетов больше подойдет формула Q = (U 2 /R)t. Количество теплоты, выделяемое проводником, будет обратно пропорционально его проводимости. Таким образом, закон Джоуля — Ленца широко используется для расчетов установок электрического освещения, различных отопительных и нагревательных приборов, а также других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

Закон Джоуля-Ленца

Абсолютно каждому человеку знаком самый распространенный в мире электрический прибор – лампочка. Невозможно представить себе современный мир без этого изобретения.

Но не каждый знает, как ее изобрели, за счет чего появляется в ней свет, как свет в лампе связан с электричеством. Интересно? Разберемся.

Как связаны свет и электричество?

Правильно лампочку называть лампой накаливания. Внутри в стеклянном корпусе расположена спираль из вольфрама. Электрический ток, проходя через эту спираль, раскаляет ее добела, и она начинает светиться. Вольфрам используется потому, что он обладает таким свойством – ярко светиться при нагревании. Металлическая нить сворачивается в спираль для того, чтобы увеличить длину нити, и, соответственно, количество получаемого света. Что касается устройства лампочки – разобрались. Все довольно просто. А вот почему вообще раскаляется спираль лампочки, и кто первым додумался это использовать?

Первые эксперименты с электричеством показали, что ток обладает тепловым действием. Он нагревает проводник, по которому идет. Величина нагревания зависит от вещества, из которого изготовлен проводник. Но какой-то нагрев происходит в любом случае. Обусловлено это тем, что отрицательно заряженные электроны, которые и представляют собой ток, при своем движении взаимодействуют с положительно заряженными ядрами кристаллической решетки, из которой состоит вещество проводника.

От этого взаимодействия уменьшается энергия электронов и увеличивается внутренняя энергия проводника. А от величины внутренней энергии и зависит температура вещества. Ток обладает еще магнитным и химическим действием. Если наш проводник неподвижен, и химического действия тока не происходит, то вся энергия, расходуемая током, идет на нагрев проводника. Энергия, израсходованная током, равна совершаемой током работе.

Читайте так же:
Максимальный ток генератора тепловоза тэм 2

Закон Джоуля-Ленца

Тогда работа тока будет равна количеству теплоты, которое выделит нагревшийся проводник. На основании этого независимо друг от друга в одно время два ученых вывели закон, который и назвали в их честь законом Джоуля-Ленца. Вывод закона Джоуля-Ленца в виде формулы осуществляется следующим образом: работа тока A=U*I*t . Количество теплоты Q=A=U*I*t. Из закона Ома U=I*R , поэтому закон Джоуля-Ленца выглядит следующим образом:

где Q — количество теплоты, I — сила тока, R — сопротивление тока, t — время.

Открытие этого закона позволило существенно умножить области применения электричества в быту и промышленности. Были созданы различные электронагревательные приборы. А когда обнаружили свойство некоторых веществ ярко светиться при нагревании, изобрели лампу накаливания. Фактически, это изобретение русского ученого Александра Лодыгина, хотя подобные изобретения делались и Томасом Эдисоном и некоторыми другими учеными. Причем спирали делали из разных материалов, например, из платины или угольные спирали.

Самым дешевым и простым оказался вариант с применением вольфрама, который получил огромнейшее распространение и живет до нашего времени. И хотя активно применяют и другие виды лампочек, например, наполняя их газом, который светится при прохождении через него тока, вряд ли когда-нибудь удастся полностью вытеснить из применения лампы накаливания.

Закон Джоуля—Ленца

В электрической цепи при прохождении тока происходит ряд превращений энергии. Во внешнем участке цепи работу по перемещению заряда совершают силы стационарного электрического поля и энергия этого поля превращается в другие виды: механическую, тепловую, химическую, в энергию электромагнитного излучения.

Следовательно, полная работа тока на внешнем участке цепи

Если же на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника.

В этом случае количество выделившейся теплоты равно работе, совершаемой током.

Количество теплоты Q, выделяемой током I за время t на участке цепи сопротивлением R, равно

.

Эта формула выражает закон Джоуля—Ленца, установленный опытным путем в XIX в. двумя учеными (английским — Дж. Джоулем и русским Э. X. Ленцем).

При прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяющейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

На законе Джоуля Ленца основано действие многих электронагревательных приборов. Это утюги, электроплиты, электрочайники, кипятильники, паяльники, электрокамины и т.д.

Основной частью любого электронагревательного прибора является нагревательный элемент (проводник с большим удельным сопротивлением наматывается на пластинку из жаростойкого материала: слюды, керамики).

Вышеприведенную формулу закона Джоуля—Ленца удобно применять при последовательном соединении резисторов, так как сила тока во всех участках последовательно соединенной цепи одинакова. Если последовательно соединены два резистора с сопротивлениями R1 и R2, то

т.е. количество теплоты, выделяемой током в участках последовательно соединенной цепи, пропорционально сопротивлениям этих участков.

Согласно закону Ома, для однородного участка цепи постоянного тока

.

Эту формулу удобно использовать при параллельном соединении резисторов, так как напряжение на каждой ветви такой цепи одинаково. Если параллельно соединены два резистора с сопротивлениями R1 и R2, то

т.е. количество теплоты, выделяемой током в ветвях параллельно соединенной цепи, обратно пропорционально сопротивлениям резисторов, включенных в эти ветви.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector