Sibprompost.ru

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

Напряжение тепловое действие тока закон джоуля ленца

Напряжение тепловое действие тока закон джоуля ленца

Если в цепи есть ток, провода, составляющие цепь, нагреваются.

Нагревание проводов, предназначенных, например, для осветительной сети, должно быть невелико, так как иначе может разрушиться их изоляция и даже произойти пожар.

Наоборот, проволока, скрученная в спирали для электрических плиток или кипятильников, должна нагреваться до очень высокой температуры.

Трудно заметить нагревание провода 4 мм2, когда по нему проходит ток 5 А. Но попробуйте пропустить через такой провод ток 200 А — провод очень скоро сильно нагреется. Если же взять провод сечением 120 мм2, то нагревание, которое в этом случае будет проводить ток 200 А, также будет очень незначительно.

Но нагревание проводов, хотя и слабое, все же обязательно сопутствует току.

Чем больше ток в проводах, тем сильнее они греются.

Нагревание проводов током служило предметом исследований акад. Ленца (в Петербурге в, первой половине прошлого столетия). Независимо от него такие же исследования в Англии проводил Джоуль. Открытый ими закон и получил название закона Джоуля — Ленца:

количество тепловой энергии, ежесекундно выделяющейся в проводнике, или тепловая мощность, пропорционально квадрату тока и величине сопротивления проводника.

Пользуясь буквенными обозначениями, можем написать

Приведенные формулы показывают, что

при удвоении тока мощность увеличивается вчетверо (конечно, при неизменности сопротивления).

вдвое увеличить сопротивление, вдвое увеличится и мощность (конечно, при условии неизменности тока).

Если ток выразить в амперах, а сопротивление — в омах, то мощность будет выражена в ваттах.

Обратим внимание на то, что закон Джоуля — Ленца можно было бы вывести из ранее данного выражения:

если в нем второй множитель, т. е. напряжение, представить как произведение тока и сопротивления (закон Ома):

При помощи закона Ома можно придать закону Джоуля — Ленца и такую форму:

что очень удобно в тех случаях, когда сопротивление R присоединяется непосредственно к сети известного напряжения.

Пример 1. Электрическая лампа с сопротивлением включена на напряжение . Определить мощность лампы.

По закону Джоуля—Ленца находим, что мощность равна

что соответствует току

Пример 2. Электрическая печь состоит из нихромовой проволоки, намотанной на фарфоровый каркас. Когда эта обмотка подсоединяется к сети с напряжением 240 В, печь потребляет мощность 960 Вт. Найти ток, потребляемый из сети, а также определить, каковы будут мощность и ток, если напряжение уменьшится в 2 раза, а сопротивление останется неизменным.

Решение. Прежде всего, зная мощность Р=960 Вт и напряжение , легко найдем соответствующий ток:

Читайте так же:
Провод монтажный гибкий теплостойкий

Зная ток и напряжение, теперь можем найти сопротивление обмотки печи по закону Ома:

Предполагая, что сопротивление печи остается таким же, найдем ток при напряжении, уменьшенном в 2 раза:

Мощность печи теперь будет равна

Таким образом, видим, что уменьшение напряжения в 2 раза сопровождается уменьшением мощности в 4 раза.

Закон Джоуля-Ленца (8 класс)

Как мы знаем, электрический ток может производить разное действие: химическое, магнитное, тепловое и так далее. В сегодняшнем занятии мы рассмотрим тепловое действие тока и описывающие его законы.

Начнем с того, почему вообще наблюдается тепловое действие тока. Рассмотрим для примера металлический проводник, через который бежит электрический ток. Свободные электроны (которые, собственно, и обеспечивают протекание тока) разгоняются электрическим полем. Далее при своем движении они взаимодействуют с ионами вещества и передают им свою энергию. В результате увеличивается интенсивность колебаний ионов, что и выражается в нагреве проводника.

Сформулируем еще раз основную мысль, как происходит передача энергии. Вначале источник тока (например, батарейка) создает в проводнике электрическое поле. Через поле он передает свою энергию свободным электронам. Те, в свою очередь, сталкиваются с ионами и передают свою энергию им. Таким образом, источник тока вызывает нагрев проводника.

Переведем наше качественное объяснение на язык формул. Как мы знаем, работа тока на участке цепи выражается как U*I*t . В неподвижном проводнике вся эта работа переходит в тепловую энергию. Значит, мы можем написать, что Q = A = U*I*t. Наконец, использовав закон Ома и заменив через него напряжение, получим окончательную формулу.

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

Этот закон установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем. По этой причине его называют законом Джоуля-Ленца.

Отметим также, что, в зависимости от поставленной задачи, закон Джоуля-Ленца можно выражать и через напряжение:

Если же нас интересует мощность нагревательного элемента (то есть количество тепла, выделяемого в единицу времени), то ее можно рассчитать по формуле

P = I^2 * R либо U^2 / R

От теории перейдем к практике. Тепловое действие тока широко применяется в различных приборах и установках. Самые очевидные примеры из этой области: электрическая плитка, утюг, кипятильник. В каждом из этих устройств расположен нагревательный элемент из материала с большим удельным сопротивлением. Также отметим, что материал должен выдерживать значительную температуру, не разрушаясь.

Читайте так же:
Тепловой источник тока определение

Попробуйте теперь самостоятельно определить, в каких еще бытовых приборах используется тепловое действие тока.

  • Кофеварка
  • миксер
  • мясорубка
  • тостер
  • мультиварка

Сейчас мы уже знаем достаточно, чтобы выполнять конкретные практические расчеты. Например, вычислим, какой длины нужно взять нихромовую проволоку, чтобы изготовить электрическую плитку мощностью 1.5 кВт. Для удобства будем считать, что площадь сечения такой проволоки 0.2 кв. мм.

Сначала запишем все величины, которые нам даны.
Напряжение бытовой сети, к которой подключается электроплитка — 220 В. Ее мощность, как было сказано — 1500 Вт. Удельное сопротивление проволоки возьмем из таблицы, площадь поперечного сечения также дана.

В данном упражнении мы скомбинируем две формулы. Первая из сегодняшнего урока — выражает мощность нагревательного элемента. Вторая изучалась нами ранее — она определяет сопротивление проводника через его параметры. Из них можно выразить интересующую нас длину проволоки.

Как мы видим, расчетная длина проволоки получилась довольно значительной — порядка 6 метров. Чтобы уместить такую длину в достаточно малом объеме электроприбора, проволоку обычно сворачивают в спираль и укладывают «змейкой».

Еще один нагревательный элемент, который всем нам знаком — это обычная лампа накаливания. Ее идея состоит в том, чтобы разогреть металл настолько сильно, чтобы он испускал видимый свет. В выпускаемых лампах температура нити составляет примерно 2.5 тысячи градусов цельсия. Большинство металлов при такой температуре уже плавятся, поэтому для изготовления нити накаливания берут вольфрам. Его температура плавления примерно 3400 градусов цельсия.

Нить лампы, если увеличить ее, представляет уже знакомую нам спираль.

А если увеличить еще — то не просто спираль, а спираль, закрученную в спираль (так называемую биспираль). Это нужно для того, чтобы через многократное увеличение длины достичь требуемого сопротивления нити.

У классической лампы накаливания есть две проблемы.
1. Чтобы нить не окислялась, из колбы откачивают воздух. Однако это приводит к тому, что в вакууме вольфрам интенсивно испаряется, и лампа быстро перегорает. Чтобы избежать этого, современные лампы заполняются инертными газами, например, азотом или аргоном. В результате средний срок службы лампы составляет около 1000 часов.

2. Более серьезным недостатком ламп накаливания является то, что в видимый свет они преобразуют лишь 5% используемой энергии (остальные 95% — не видимое нами инфракрасное излучение). Человечество давно пыталось найти замену столь неэффективным источникам освещения. В частности, были изобретены люминесцентные лампы, которые позже стали выпускаться в компактном виде (для применения в быту).

Читайте так же:
Номинальный тепловой ток кнопочного поста

Теперь же и те, и другие вытесняются светодиодными лампами. Последние имеют значительно бОльший срок службы (10 и более тысяч часов), и намного меньшее потребление энергии. При замене обычных ламп на светодиодные ориентируются на следующее (примерное) правило: «для такой же освещенности требуется светодиодная лампа мощностью в 7 раз меньшей». То есть, например, для замены 100-ваттной лампы требуется всего лишь 14-ваттная светодиодная лампа.

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводника увеличивается. Следовательно, его температура должна возрастать. Если же этот проводник находится в тепловом равновесии с окружающей средой, то его температура остаётся неизменной. Поэтому в соответствии с известным первым законом термодинамики проводник будет отдавать окружающей среде некоторое количество теплоты Q. Если проводник неподвижен и его температура не изменяется, то это количество теплоты будет равно работе A электрического тока:

Пусть сопротивление данного проводника (участка цепи) равно R. Тогда, используя закон Ома для проводника (участка цепи) , получаем:

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током за время t, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени:

Полученное соотношение называют законом Джоуля-Ленца в честь английского физика Джеймса Джоуля и русского ученого Эмилия Ленца (1804-1865). Они независимо друг от друга получили его на основе проверенных экспериментов.

Явление нагревания проводника в результате работы электрического тока (тепловое действие тока) используется во многих электрических устройствах.

Работа и мощность электрического тока.

Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу. В результате электрическая энергия превращается в другие виды энергии: внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля…

Напряжение (U) на участке цепи равно отношению работы (F), совершаемой при перемещении электрического заряда (q) на этом участке, к заряду: U = A/q. Отсюда А = qU.

Поскольку заряд равен произведению силы тока (I) и времени (t) q = It, то А = IUt. То есть работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.

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

Для измерения работы используют три измерительных прибора: амперметр, вольтметр и часы. Однако, в реальной жизни для измерения работы электрического тока используют счётчики электрической энергии.

Если нужно найти работу тока, но при этом сила тока или напряжение неизвестны, то можно воспользоваться законом Ома, выразить неизвестные величины и рассчитать работу по формулам: А = U 2 t/R или А = I 2 Rt.

Задача

Читайте так же:
Тепловое действие тока состоит в том что

Какое количество теплоты выделяется за 1 минуту в спирали автомобильной лампы накаливания сопротивлением 6 Ом, если на нее подано напряжение 12 В?

Н:QСИРешение:
Д:t = 1 мин R = 6 Ом U = 12 В= 60 сек
Вопросы
1.

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводника увеличивается. Следовательно, его температура должна возрастать. Если же этот проводник находится в тепловом равновесии с окружающей средой, то его температура остаётся неизменной. Поэтому в соответствии с известным первым законом термодинамики проводник будет отдавать окружающей среде некоторое количество теплоты Q. Если проводник неподвижен и его температура не изменяется, то это количество теплоты будет равно работе A электрического тока:

Пусть сопротивление данного проводника (участка цепи) равно R. Тогда, используя закон Ома для проводника (участка цепи) , получаем:

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током за время t, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени:

Полученное соотношение называют законом Джоуля-Ленца в честь английского физика Джеймса Джоуля и русского ученого Эмилия Ленца (1804-1865). Они независимо друг от друга получили его на основе проверенных экспериментов.

Явление нагревания проводника в результате работы электрического тока (тепловое действие тока) используется во многих электрических устройствах.

Работа и мощность электрического тока.

Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу. В результате электрическая энергия превращается в другие виды энергии: внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля…

Напряжение (U) на участке цепи равно отношению работы (F), совершаемой при перемещении электрического заряда (q) на этом участке, к заряду: U = A/q. Отсюда А = qU.

Поскольку заряд равен произведению силы тока (I) и времени (t) q = It, то А = IUt. То есть работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.

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

Для измерения работы используют три измерительных прибора: амперметр, вольтметр и часы. Однако, в реальной жизни для измерения работы электрического тока используют счётчики электрической энергии.

Если нужно найти работу тока, но при этом сила тока или напряжение неизвестны, то можно воспользоваться законом Ома, выразить неизвестные величины и рассчитать работу по формулам: А = U 2 t/R или А = I 2 Rt.

Закон Джоуля-Ленца: определение, практическое значение

Содержание

  1. Закон Джоуля-Ленца
  2. Применение закона Джоуля-Ленца

Закон Джоуля-Ленца был открыт в 1841 и 1842 году двумя учеными Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем. Ленц опубликовал результаты своей работы в 1842 году, на год позже Джоуля, но его эксперименты были более точными и вывод из опытов он вывел раньше.

Закон Джоуля-Ленца

Закон Джоуля-Ленца определяет количество теплоты, выделяющейся в проводнике, обладающим сопротивлением за время t, при прохождении через него электрического тока.

Q = a*I*2R*t, где
Q — колическтво выделяемой теплоты (в Джоулях)
a — коэффициент пропорциональности
I — сила тока ( в Амперах)
R — Сопротивление проводника (в Омах)
t — Время прохождения (в секундах)

Закон Джоуля-Ленца объясняет, что электрический ток — это заряд, который перемещается под действием электрического поля. При этом поле совершает работу, а ток обладает мощностью и выделяется энергия. Когда эта энергия проходит по неподвижному металлическому проводнику, то она становится тепловой, так как направлена на нагревание проводника.

В дифференциальной форме закон Джоуля-Ленца выражается как объемная плотность тепловой мощности тока в проводнике будет равна произведению удельной электрической проводимости на квадрат напряженности электрического поля.

Применение закона Джоуля-Ленца

Лампы накаливания были придуманы в 1873 году русским инженером Лодыгиным. В лампах накаливания, как и в электронагревательных приборах, применяется закон Джоуля-Ленца. В них используют нагревательный элемент, который является проводником с высоким сопротивлением. За счет этого элемента можно добиться локализованного выделения тепла на участке. Выделение тепла будет появляться при повышении сопротивления, увеличении длины проводника, выбором определенного сплава.

Одной из областей применения закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии.
Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии. При передаче электроэнергии, передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а сила нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если повышать напряжение, при этом понижая силу тока перед подачей электроэнергии, то это будет более выгодно. Но повышение напряжения ведетк снижению электробезопасности. Для повышения уровня электробезопасности повышают сопротивление нагрузки соответственно повышению напряжения в сети.

Также закон Джоуля-Ленца влияет на выбор проводов для цепей. При неправильном подборе проводов возможен сильный нагрев проводника,а так же его возгорание. Это происходит когда сила тока превышает предельно допустимые значения и выделяется слишком много энергии. При правильном подборе проводов для электрических цепей стоит следовать нормативным документам.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector