Sibprompost.ru

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

Нагревание проводников электрическим током

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца

Урок 32. Физика 8 класс (ФГОС)

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца»

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах:

Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток производит и любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Нагревание среды происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах, или ионы в проводящих ток растворах, сталкиваются с молекулами или атомами проводника и отдают им часть своей энергии. Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника.

Обратимся теперь к количественной стороне вопроса: сколько теплоты выделяется при прохождении тока определённой силы в данном конкретном проводнике?

Ответ на него мы найдём, применив закон сохранения энергии. Если в результате протекания тока в проводнике увеличивается только внутренняя энергия проводника, то есть если ток произведёт лишь тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты должно быть равно работе, совершенной за это время электрическими силами. Тогда мы можем рассчитывать выделенную теплоту по формулам, полученными нами для работы электрического тока:

Гораздо сложнее будет ситуация, когда протекание тока в проводнике вызывает не только его нагревание, но и создаёт другие виды энергии. Примером этому является работа любого электродвигателя или электромотора. Согласно закону сохранения и превращения энергии работа, совершенная электрическими силами за некоторый промежуток времени, вызывает не только нагревание обмотки электродвигателя (кстати, не очень большое), но и появление весьма значительного количества механической энергии:

Аналогичная ситуация возникает при зарядке аккумулятора, где за счёт работы электрических сил происходит не только нагревание заряжаемого аккумулятора, но и накопление в нем химической энергии:

Однако очевидно, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике, должно зависеть от сопротивления проводника. Проверим это предположение на опыте. В цепь из источника тока, амперметра и реостата включим последовательно три проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения: из нихрома, никелина и меди. При увеличении силы тока заметим, что нихромовый проводник нагревается почти до белого каления, никелиновый лишь слегка краснеет, а медный остаётся темным.

Читайте так же:
Как подсоединить провода теплого пола

Действительно, ведь чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам. При этом совершается большая работа по их перемещению и, следовательно, проводник больше нагревается.

А как узнать количество выделенной теплоты в таких случаях, ведь здесь очевидно только то, что эта теплота меньше работы электрических сил? Ответ на этот вопрос был найден в 1841 г. английским учёным Дж. Джоулем и независимо от него в 1842 г. русским учёным Э. Х. Ленцем. На основании многочисленных опытов ими было установлено, что количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока в любом проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока:

Это и есть закон Джоуля — Ленца.

Проверить его справедливость можно с помощью следующей экспериментальной установки. В калориметр, содержащий 100 г воды при температуре 20 о С, поместим нихромовую проволоку, концы которой подключим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью вольтметра будем измерять напряжение на концах проводника, а с помощью секундомера — время эксперимента.

Как видим, количество теплоты, полученное водой, равно количеству теплоты, которое выделилось в проводнике, что подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.

Формулой Q = I 2 Rt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же. Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника: Q

R.

При параллельном соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле:

Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника: Q

Читайте так же:
Презентация по физике 8 класс тепловое действие тока

2.2. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля — Ленца

При прохождении электрического тока через цепь могут происходить различные явления. Проводники нагреваются, могут иметь место химические изменения в них (например, в растворах электролитов), проводник с током действует на магнитную стрелку (магнитное действие тока). Энергетические изменения в природе можно рассматривать как результат работы некоторых сил. Поэтому мы будем говорить, что все рассматриваемые явления происходят вследствие работы тока. При этом под термином «работа тока» мы будем подразумевать работу сил, действующих на заряженные частицы в проводнике со стороны электрического поля.

В этом разделе речь пойдет о тепловом действии тока на участке цепи (рис. 2.1), на концах которого поддерживается постоянная разность потенциалов. Имея в виду определение разности потенциалов (1.5) как работы по перемещению единичного заряда, работу электрического поля в проводнике при прохождении зарядом разности потенциаловможно записать:. Согласно определению силы тока (2.1) заряд, прошедший по цепи, и работа электрического поля или работа тока на участке цепи:

. (2.5)

Под воздействием электрического поля свободные электроны ускоряются, приобретая кинетическую энергию. Но, как уже отмечалось выше, сталкиваясь с атомами, электроны приобретенную энергию отдают кристаллической решетке металла, усиливая колебания атомов. Температура проводника повышается. Таким образом, работа электрического тока полностью расходуется на нагрев сопротивления: . Используя закон Ома (), для количества теплоты, выделяющегося на участке цепи можно записать:

. (2.6)

Выражение (2.6) является законом Джоуля-Ленца.

Для работы электрического тока в единицу времени или мощности тока получаем:

, (2.7)

где приведены различные выражения для мощности, получающиеся при помощи закона Ома (2.2). Мощность электрического тока равна количеству теплоты, выделяющемуся в проводнике в единицу времени.

Тепловое действие тока в технике хорошо известно. В заключение приведем два примера на использование рассмотренных законов.

Пример 2.1. Почему лампочки перегорают чаще всего в момент включения?

Решение. Для начала заметим, что выделяющееся тепло не остается внутри провода, а отводится вследствие теплопроводности, излучения или конвекции в окружающее пространство. Так, лампочки специально наполняют для этого инертным газом, служащим проводником тепла, и не реагирующим со спиралью даже при очень высоких температурах.

Читайте так же:
Тепловая защита автоматического выключателя это

В момент включения нить лампочки еще холодная, а, следовательно, согласно формуле (2.4) ее сопротивление мало. Поэтому в лампе выделяется большая тепловая энергия (тепловая мощность ), которая не успевает отводиться в окружающее пространство, и нить перегорает.

Формула (2.7) дает три варианта расчета тепловой мощности. Какой же вариант следует использовать при решении конкретных задач? Можно ли считать мощность прямо пропорциональной сопротивлению или ее следует считать обратно пропорциональной ему? Пока не известны какие-либо дополнительные данные задачи, ответить на эти вопросы невозможно. Например, если по проводам течет одинаковый ток (это возможно при их последовательном соединении), то тепловую мощность следует считать прямо пропорциональной сопротивлению (). Если же всякий раз проводники подключаются к одному и тому же напряжению (как, например, электробытовые приборы), то тепловую мощность следует считать обратно пропорциональной сопротивлению (), как мы и поступили при решении предыдущей задачи.

Пример 2.2. При ремонте электроплитки ее спираль укоротили на 0,1 ее длины. Как изменилась теплоотдача плитки?

Решение. Теплота, выделяющаяся в плитке за единицу времени, где напряжение сети (всякий раз одно и то же), а  сопротивление ее спирали. Учитывая, что , можно написать:

.

Как видим, теплоотдача плитки возрастает на 11%.

Урок по теме: «Нагревание проводников. Закон Джоуля-Ленца»

Урок по физике на тему

Учитель физики МБОУ СОШ №5 Маринина Л.К.

201 8 -2019 учебный год

«Нагревание проводников. Закон Джоуля-Ленца»

Цель урока. С формировать у обучающихся представления о тепловом действии электрического тока и его причинах. Вывести закон Джоуля-Ленца.

Предметные : выработка предметных компетенций, демонстрация применимости в жизни знаний, получаемых на уроке, привитие интереса к предмету, вовлечение каждого ученика в активный познавательный процесс.

Личностные : воспитание внимательного, доброжелательного отношения к ответам одноклассников, способность адекватно оценивать свою работу и работу одноклассников.

Метапредметные : развитие умений и способностей учащихся работать самостоятельно; развивать умения творчески подходить к решению задач; развитие умений выступления перед аудиторией, расширение кругозора.

Читайте так же:
Получение электрического тока из тепловой энергии

Методы и приемы : частично-поисковый, иллюстративный, аналитический, исторический.

Формы работы : индивидуальный, групповой, коллективный.

Технологии : сотрудничество, мини-исследование.

Структура урока : постановка учебной цели, мотивация учебной деятельности.

I. Организационный момент.

Готовясь к уроку, я подумала, как часто мы наблюдаем тепловое действие тока в бытовых приборах : значимые и не очень, ощутимые или такие, про которые быстро забывают. Интересно, сколько энергии тело отдает тепло окружающей среде, кто первым обнаружил данное действие.

II. Активизация знаний.

Прежде, чем мы ответим на эти вопросы, давайте вспомним некоторые темы, которые потребуются для изучения новой. У вас на столах лежат листы с заданиями, заполните пожалуйста пропущенные в формулах буквы и выразите единицы измерения.

III. Изучение нового материала.

Ребята, давайте потрем ладошки. Что мы чувствуем? Почему они нагреваются?

Ребята отвечают на данные вопросы.

Первыми кто обратил внимание на данную проблему, были два ученых, совершенно незнакомых друг с другом. Это русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) и английский физик Джеймс Джоуль (1818–1889). Они, исследуя на опыте нагревание проводников током,установили, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении через него электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока I и времени t, в течение которого поддерживается ток в проводнике. Этот закон, носящий название закона Джоуля – Ленца, можно выразить следующей формулой: Q=RI 2 t
где Q – выделившееся количество теплоты в джоулях, R – сопротивление в омах, I – сила тока в амперах, t – время в секундах.

Измерения, приводящие к закону Джоуля-Ленца, можно выполнить, поместив в калориметр (рис. 1) проводник с известным сопротивлением R и пропуская через него ток определенной силы I в течение известного времени t. Количество выделяющейся при этом теплоты Q определим, составив уравнение теплового баланса, как это принято при калориметрических измерениях. Производя опыты при различных значениях R, I и t, получим зависимость, выраженную законом Джоуля-Ленца. Пользуясь законом Ома, мы можем выразить силу тока I через напряжение U на концах проводника и его сопротивление R. Подставляя выражение I=U/R в формулу (1), найдем Q = U 2 / R * t (2)


Рис. 1. Калориметр для проверки закона Джоуля-Ленца

Читайте так же:
Где делать выключатель теплого пола

Формулы (1) и (2) позволяют рассчитать количество теплоты, выделяющееся в отдельных проводниках, соединенных последовательно и параллельно. При последовательном соединении во всех проводниках течет ток одной и той же силы . Поэтому для сравнения количеств теплоты, выделяющихся в отдельных проводниках, удобнее формула (1). Она показывает, что при последовательном соединении нескольких проводников в каждом выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника. При параллельном соединении ток в проводниках различен, но напряжение на их концах (в точках разветвления) имеет одно и то же значение. Поэтому в этом случае удобнее пользоваться формулой (2). Она показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника.

I V. Закрепление новых знаний.

У доски обучающиеся решают задачи.

Известно, что безопасным для человека является постоянный ток 50 мкА. Какое количество теплоты выделится за 2 мин в теле человека при прохождении тока от конца одной руки до конца другой руки (при сухой коже), если сопротивление этого участка равно 10000 Ом? (Ответ 0,003 Дж).

Интересное. Протекание через тело человека тока большой силы вызывает нагрев и ожог участков тела, разложение крови, непроизвольное сокращение мышц, смерть.

Какое количество теплоты выделяется за 10 мин спиралью электронагревательного прибора, если известны его сопротивление равное 50 Ом и сила тока в ней 20А. (Ответ 12000000Дж=12МДж).

Продолжим работу самостоятельно .(На столах лежит второй лист проверки знаний в двух вариантах).

V. Итоги урока.

Итак, подведем итоги.

Мы знаем, что тепловое действие тока объясняется взаимодействием свободных частиц, с ионами или атомами вещества.

В неподвижном проводнике работа тока равна количеству теплоты, выделяемому в проводнике с током.

Мы вывели закон Ома, который позволяет рассчитать количество теплоты и научились применять закон Ома при решении задач.

Выставление оценок за урок.

VI. Домашнее задание.

§53 прочитать, ответить на вопросы, выучить формулы и закон Джоуля-Ленца. Упражнение 27 (№1, №2 – устно), № 3 – по желанию устно.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector