Sibprompost.ru

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

Как найти теплоту выделившуюся в проводнике при прохождении тока

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

A. Закон Джоуля—Ленца

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 (

Q_2 = I^2R_2t) , откуда (

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

Согласно закону Ома, для однородного участка цепи постоянного тока (

I = frac UR). Тогда (

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 (

Q_2 = frac t), откуда

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

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 269-270.

—>Персональный сайт учителя физики —>

—>

Рабочие программы [8]
Конспекты уроков [7]
Презентации к урокам [4]

—>

Каталог статей

8 класс

Тема урока:«Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля — Ленца. Лампа накаливания».

Цель урока: Учащиеся должны 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. Учащимся необходимо 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.

Задачи урока:

Образовательная: 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.

Воспитательная: Показать значение работ А. Н. Лодыгина в области конструирования ламп накаливания. Подчеркнуть взаимосвязь строения вещества с количеством выделившейся теплоты при прохождении тока по проводнику как проявления одного из признаков метода диалектического познания явлений.

Развивающая: Продолжить работу по развитию внимания и умения логически и творчески мыслить. Продолжить формировать умение решать задачи.

Читайте так же:
Количество теплоты при нагреве током

Оборудование: Источника тока, амперметр, проводники с разным сопротивлением, ключ, вольтметр. Интерактивная доска, проектор.

Ход урока:

1.Актуализация знаний

Первые 10-15 минут урока целесообразно посвятить проверке усвоения материала по теме «Работа и мощность электрического тока». С этой целью можно провести письменную проверочную работу по индивидуальным карточкам. Для карточек можно предложить следующие варианты разноуровневые заданий:

1. Напряжение на концах электрической цепи 1 В. Какую работу совершит в ней электрический ток в течение 1 с при силе тока 1 А?

2. Одна электрическая лампа включена в сеть напряжением 127 В, а другая — в сеть напряжением 220 В. В какой лампе при прохождении 1 Кл совершается большая работа?

1. По проводнику, к концам которого приложено напряжение 5 В, прошло 100 Кл электричества. Определите работу тока.

2. Электрическая лампочка включена в цепь с напряжением 10 В. Током была совершена работа 150 Дж. Какое количество электричества прошло через нить накала лампочки?

1. Какую работу совершит ток силой 3 А за 10 мин при напряжении в цепи 15 В?

2. К источнику тока напряжением 120 В поочередно присоединяли на одно и то же время проводники сопротивлением 20 Ом и 40 Ом. В каком случае работа электрического тока была меньше и во сколько раз?

1. Башенный кран равномерно поднимает груз массой 0,5 т на высоту 30 м за 2 мин. Сила тока в электродвигателе равна 16,5 А при напряжении 220 В. Определите КПД электродвигателя крана.

2. Транспортер поднимает за время 1 мин груз массой 300 кг на высоту 8 м. КПД транспортера 60%. Определите силу тока через электродвигатель транспортера, если напряжение в сети 380 В.

2.Изложение нового материала.

При введении понятия работы электрического тока мы уже пользовались, тепловым действием тока (нагревание проводников). Собираем электрическую цепь, в которую последовательно включаем лампу накаливания и реостат. Для измерения силы тока и напряжения на лампе применяем амперметр и вольтметр, учащимся уже известно, что в проводнике при протекании тока происходит превращение электрической энергии во внутреннюю, и проводник нагревается.

— Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается?

Они неоднократно наблюдали тепловое действие тока в бытовых приборах. На опыте с лампой накаливания учащиеся убедились, что накал лампы возрастал при увеличении тока. Но нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.

3.Демонстрация:

Показывающий тепловое действие тока в цепочке, состоящей из двух последовательно соединенных проводников разного сопротивления. Ток во всех последовательно соединенных проводниках одинаков. Количество же выделяющейся теплоты в проводниках разное. Из опыта делается вывод:

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?

4. Закон Джоуля-Ленца. Учащиеся знают уже формулу для работы A = Ult. 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 = I2Rt.

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

Необходимо заметить, что формулы Q — l2Rt, Q = Ult и Q=U2t/R, вообще говоря, не идентичны. Дело в том, что первая формула всегда определяет превращение электрической энергии во внутреннюю, т. е. количество теплоты. По другим формулам в общем случае определяют расход электрической энергии, идущей как на нагревание, так и на совершение механической работы, Для неподвижных проводников эти формулы совпадают.

Читайте так же:
Провод для теплого пола алиэкспресс

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.

Тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и установках. В домашних условиях широко применяют электрические плитки, утюги, чайники, кипятильники. В промышленности тепловое действие тока используют для выплавки специальных сортов стали и многих других металлов, для электросварки. В сельском хозяйстве с помощью электрического тока обогревают теплицы, кормозапарники, инкубаторы, сушат зерно, приготовляют силос.

Основная часть всякого нагревательного электрического прибора — нагревательный элемент. Нагревательный элемент представляет собой проводник с большим удельным сопротивлением, способный, кроме того, выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высокой температуры (до 1000—1200 °С). Чаще всего для изготовления нагревательного элемента применяют сплав никеля, железа, хрома и марганца, известный под названием «нихром». Удельное сопротивление нихрома р = 1,1Ом-мм2/м что примерно в 70 раз больше удельного сопротивления меди. Большое удельное сопротивление нихрома дает возможность изготовлять из него весьма удобные — малые по размерам — нагревательные элементы.

5.Систематизация знаний.

В конце урока можно коллективно обсудить решения нескольких задач:

— Две проволоки одинаковой длины и сечения — железная и медная — соединены параллельно. В какой из них выделится большее количество теплоты?

— Спираль электрической плитки укоротили. Как изменится количество выделяемой в ней теплоты, если плитку включить в то же напряжение?

— Какое количество теплоты выделится в течение часа в проводнике сопротивлением 10 Ом при силе тока 2 А?

— Определите количество теплоты, которое дает электроприбор мощностью 2 кВт за 10 мин работы?

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

— Почему при прохождении тока проводник нагревается?

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

6.Домашнее задание: § 53, 54 вопросы к параграфам

Желающие учащиеся могут подготовить к следующему уроку доклады учащихся по темам:

«Первое электрическое освещение свечами Н. Яблочкова».

«Использование теплового действия тока в промышленности и сельском хозяйстве».

Закон Джоуля-Ленца

1 закон Джоуля-Ленца

  1. Joule-Lenz’s law
  2. Joule’s law

закон Джоуля-Ленца

[Я.Н.Лугинский, М.С.Фези-Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.]

Тематики

  • электротехника, основные понятия
  • Joule-Lenz’s law
  • Joule’s law

2 закон Джоуля-Ленца

3 закон Джоуля — Ленца

4 закон Джоуля-Ленца

5 закон джоуля-ленца

6 закон Джоуля-Ленца

7 закон Джоуля-Ленца

8 закон Джоуля-Ленца

9 закон Джоуля — Ленца

10 закон Джоуля-Ленца

11 закон Джоуля-Ленца

12 закон Джоуля-Ленца

13 закон Джоуля–Ленца

14 закон Джоуля-Ленца

15 закон Джоуля-Ленца

16 закон Джоуля-Ленца

17 закон Джоуля-Ленца

18 закон Джоуля

См. также в других словарях:

Закон Джоуля — Ленца — Закон Джоуля Ленца физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Открыт в 1840 году независимо Джеймса Джоуля и Эмилия Ленца. В словесной формулировке звучит следующим образом[1] Мощность тепла … Википедия

Читайте так же:
Расчет сечения провода для теплого пола

Закон Джоуля-Ленца — (по имени английского физика Джеймса Джоуля и русского физика Эмилия Ленца, одновременно, но независимо друг от друга открывших его в 1840г) закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. При протекании тока по… … Википедия

Закон Джоуля — Ленца — (по имени английского физика Джеймса Джоуля и русского физика Эмилия Ленца, одновременно, но независимо друг от друга открывших его в 1840г) закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. При протекании тока по… … Википедия

ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА — закон, определяющий тепловое действие электрического тока; согласно этому закону количество теплоты Q, выделяющееся в проводнике при прохождении по нему постоянного электрического тока, равно произведению квадрата силы тока I, сопротивления… … Большая политехническая энциклопедия

закон Джоуля-Ленца — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN Joule Lenz s lawJoule s law … Справочник технического переводчика

закон Джоуля-Ленца — Džaulio dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Joule law vok. Joule Lentzsches Gesetz, n; Joulesches Gesetz, n rus. закон Джоуля, m; закон Джоуля Ленца, m pranc. loi de Joule, f … Fizikos terminų žodynas

закон Джоуля-Ленца — Joule o dėsnis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. Joule s law vok. Joulesches Gesetz, n rus. закон Джоуля Ленца, m pranc. loi de Joule, f ryšiai: sinonimas – Džaulio dėsnis … Automatikos terminų žodynas

Закон Джоуля–Ленца — количество теплоты Q, выделяющейся в единицу времени на участке электрической цепи с сопротивлением R при протекании по нему постоянного тока I, равно Q = RI2. Закон установлен в 1841 Дж. П. Джоулем (1818 1889) и подтверждён в 1842 точными… … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов

закон Джоуля — Džaulio dėsnis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Joule law vok. Joule Lentzsches Gesetz, n; Joulesches Gesetz, n rus. закон Джоуля, m; закон Джоуля Ленца, m pranc. loi de Joule, f … Fizikos terminų žodynas

ДЖОУЛЯ — ЛЕНЦА ЗАКОН — определяет кол во теплоты Q, выделяющееся в проводнике с сопротивлением Л за время t при прохождении через него тока I: Q=aI2Rt. Коэфф. пропорциональности а зависит от выбора ед. измерений: если I измеряется в амперах, R в омах, t в секундах, то… … Физическая энциклопедия

ДЖОУЛЯ — ЛЕНЦА ЗАКОН — ДЖОУЛЯ ЛЕНЦА ЗАКОН, определяет количество теплоты Q, выделяемой в проводнике при прохождении через него электрического тока: Q прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Открыт Дж. Джоулем и Э.… … Энциклопедический словарь

Нагрев токоведущих частей при длительном протекании тока

Основные условия нагрева и охлаждения электрооборудования рассмотрим на примере однородного проводника, охлаждающегося равномерно со всех сторон.

Если через проводник, имеющий температуру окружающей среды, проходит ток, то температура проводника постепенно повышается, так как вся энергия потерь при прохождении тока переходит в тепло.

Скорость нарастания температуры проводника при нагреве током зависит от соотношения между количеством выделяющегося тепла и интенсивностью его отвода, а также теплопоглощающей способности проводника.

Количество тепла, выделенного в проводнике в течение времени dt, будет составлять:

где I — действующее значение тока, проходящего по проводнику, а; Ra — активное сопротивление проводника при переменном токе, ом; Р—мощность потерь, переходящих в тепло, вm. Часть этого тепла идет на нагрев проводника и повышение его температуры, а остальное тепло отводится с поверхности проводника за счет теплоотдачи.

Читайте так же:
Розетка для теплого пола с датчиком температуры

Энергия, идущая на нагрев проводника, равна

где G — вес токоведущего проводника, кг; с — удельная теплоемкость материала проводника, em•сек/кг•град; Θ — перегрев — превышение температуры проводника по отношению к окружающей среде:

v и vо—температуры проводника и окружающей среды, °С.

Энергия, отводимая с поверхности проводника в течение времени dt за счет теплоотдачи, пропорциональна превышению температуры проводника над температурой окружающей среды:

где К — общий коэффициент теплоотдачи, учитывающий все виды теплоотдачи, Вm/см2 °С; F — поверхность охлаждения проводника, см2,

Уравнение теплового баланса за время неустановившегося теплового процесса можно записать в следующем виде:

Для условий нормального режима, когда температура проводника изменяется в небольших пределах, можно принять, что R, с, К представляют собой постоянные величины. Кроме того, следует учесть, что до включения тока проводник имел температуру окружающей среды, т. е. начальное превышение температуры проводника над температурой окружающей среды равно нулю.

Решение этого дифференциального уравнения нагрева проводника будет

где А — постоянная интегрирования, зависящая от начальных условий.

При t = 0 Θ = 0, т. е. в начальный момент нагреваемый проводник имеет температуру окружающей среды.

Тогда для t = 0 получаем

Подставляя значение постоянной интегрирования А, получаем

Из этого уравнения следует, что нагрев токоведущего проводника происходят по экспоненциальной кривой (рис. 1). Как видно, с изменением времени подъем температуры проводника замедляется и температура достигает установившегося значения.

Это уравнение дает температуру проводника в любой момент времени t с начала прохождения тока.

Величина установившегося перегрева может быть получена, если в уравнении нагрева принять время t =∞

где vу — установившаяся температура поверхности проводника; Θу — установившееся значение превышения температуры проводника над температурой окружающей среды.

Рис. 1. Кривые нагрева и охлаждения электрооборудования: а — изменение температуры однородного проводника при длительном нагреве; б — изменение температуры при охлаждении

На основании этого уравнения можно написать, что

Отсюда видно, что при достижении установившегося режима все выделяющееся в проводнике тепло будет отдаваться в окружающее пространство.

Вводя в основное уравнение нагрева Θу и обозначая через T =Gc/KF получим то же уравнение в более простом виде:

Величина T =Gc/KF называется постоянной времени нагрева и представляет собой отношение теплопоглощающей способности тела к его теплоотдающей способности. Она зависит от размеров, поверхности и свойств проводника или тела и не зависит от времени и температуры.

Для данного проводника или аппарата эта величина характеризует время достижения установившегося режима нагрева и принимается за масштаб измерения времени на диаграммах нагрева.

Хотя из уравнения нагрева следует, что установившийся режим наступает через неограниченно длительное время, на практике время достижения установившейся температуры принимают равным (3—4)•T, так как при этом температура нагрева превышает 98% своего окончательного значения Θу.

Постоянную времени нагрева для простых токоведущих конструкций можно легко вычислить, а для аппаратов и машин она определяется путем тепловых испытаний и последующих графических построений. Постоянная времени нагрева определяется как подкасательная ОТ, построенная по кривой нагрева, а сама касательная ОВ к кривой (от начала координат) характеризует подъем температуры проводника при отсутствии теплоотдачи.

При больших плотностях тока и интенсивном нагревании постоянную времени нагрева рассчитывают по уточненному выражению:

Если предположить, что процесс нагрева проводника происходит без отдачи тепла в окружающее пространство, то уравнение нагрева будет иметь следующий вид:

и температура перегрева будет нарастать по линейному закону, пропорционально времени:

Если в последнее уравнение подставить t =T, то видно, что за период, равный постоянной времени нагрева T =Gc/KF проводник нагревается до установившейся температуры Θу=I2Ra/KF, если за это время не будет происходить теплоотдача.

Читайте так же:
Все формулы количества теплоты через силу тока

Величина постоянной времени нагрева для электрического оборудования колеблется от нескольких минут у шин до нескольких часов у мощных трансформаторов и генераторов.

В табл. 1 приводятся значения постоянных времени нагрева для шин некоторых типовых размеров.

При отключении тока прекращается подвод энергии к проводнику, т. е. Pdt=0, поэтому, начиная с момента выключения тока, проводник будет охлаждаться.

Основное уравнение нагрева для этого случая следующее:

Таблица 1. Постоянные времени нагрева медных и алюминиевых шин

Как найти теплоту выделившуюся в проводнике при прохождении тока

Электрический ток может не только нагревать проводник, изменять химический состав проводника, но и совершает механическую работу.

Вычислим работу, совершаемую электрическими силами за время Δ t , при прохождении тока силой I через участок цепи АБ с сопротивлением R (рис. а). Через этот участок цепи за время t пройдёт заряд q = I . Δ t . Если разность потенциалов между концами участка цепи равна U , то электрические силы, перемещая заряд q от А к Б, совершают работу A = q . U = U . I . Δ t . (1)

Таким образом, работа электрических сил, которую называют работой тока, пропорциональна произведению силы тока на напряжение между концами участка цепи.

Согласно закону сохранения и превращения энергии вся работа тока должна превращаться в энергию участка цепи, через который он протекает. Если на этом участке цепи никакая механическая работа не совершается и никаких изменений химического состава не происходит, то работа тока целиком переходит во внутреннюю энергию участка. В этих случаях количество теплоты, выделяющееся при прохождении электрического тока, можно вычислять по формуле (1).

Нагрев проводника при прохождении через него тока объясняется тем, что свободные заряды (например, электроны в металлах), упорядоченно двигаясь под действием электрических сил, сталкиваются с атомами, не способными двигаться в электрическом поле. При таких столкновениях часть механической энергии свободных зарядов передаётся неподвижным атомам, в результате чего амплитуда колебаний этих атомов относительно положений равновесия растёт, а значит, увеличивается внутренняя энергия проводника и его температура.

С помощью закона Ома формулу A = U . I . Δ t можно преобразовать, в эквивалентные: A = I 2 R . Δ t = ( U .2 . / R ) Δ t = Q . (2)

Формулу (2) для вычисления работы тока называют законом Джоуля — Ленца, который был открыт экспериментально английским учёным Д. Джоулем и русским учёным Э. Ленцем, когда они измеряли количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении электрического тока. Закон Джоуля -Л енца в виде A = I 2 R . Δ t удобно применять для участка электрической цепи, представляющего собой последовательное соединение проводников (рис. б), т.к. в этом случае сила тока I через проводники одинакова. Из формулы следует, что при последовательном соединении проводников больше нагревается проводник, имеющий большее сопротивление.

Закон Джоуля -Л енца в виде A = ( U .2 . / R ) Δ t удобно использовать для проводников соединённых параллельно (рис. в), т.к. напряжение U между их концами одинаково. Из формулы следует, что при параллельном соединении проводников больше нагревается проводник, имеющий меньшее сопротивление.

Различные электрические приборы можно сравнивать между собой по величине работы тока в единицу времени. Отношение работы тока за интервал времени Δ t к величине этого интервал называют мощностью тока Р = А/ Δ t = U . I . Δ t / . Δ t = U . I . = I 2 R = U .2 . / R . Мощность тока в системе СИ измеряется в ваттах (Вт). 1 Вт = 1 Дж / 1 с. Мощность тока зависит от типа электрического прибора. У лампочки карманного фонарика она равна около 1 Вт, а у пылесоса или электрочайника – более 1000 Вт.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector