Тепловое действие тока кратко
Обновлено: 07.07.2024
Электрический ток проявляет себя по тепловому, химическому (наблюдается в электролитах) и магнитному (действие тока на магнитную стрелку или другой проводник с током) действиям.
Тепловое действие проявляется в том, что при протекании тока по проводнику (пусть это будет провод), проводник нагревается. Выделившееся при этом количество теплоты равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника и на время протекания тока по проводнику:
Такая зависимость была установлена опытным путём русским физиком Ленцем и английским физиком Джоулем независимо друг от друга, и носит название закона Джоуля - Ленца.
Проверить эту зависимость можно с помощью калориметра.
Для этого в калориметр (закрытый сосуд с двойными стенками) надо налить воду и опустить в неё проводник с известным сопротивлением (на рисунке он показан в виде спирали). Проводник подключен к электрической цепи.
Количество теплоты, выделившееся при прохождении тока по проводнику, равно количеству теплоты, полученному водой , и найдётся из формулы
то есть количество теплоты, полученное водой, равно произведению теплоёмкости воды на массу воды в калориметре и на разность конечной и начальной температур воды.
Меняя силу тока в проводнике убедимся, что количество выделившейся теплоты пропорционально квадрату силы тока.
Опуская в воду проводники разных сопротивлений и пропуская по ним одинаковый ток убедимся, что количество выделившейся теплоты пропорционально сопротивлениям проводников.
Пропуская ток в течение разных промежутков времени убедимся, что количество выделившейся теплоты пропорционально промежутку времени .
Таким образом , экспериментально можно проверить справедливость закона Джоуля - Ленца:
Выражение закона Джоуля - Ленца, полученное из опыта, надо подтвердить теорией . Сделаем это.
В Занятии 50 , рассматривая разность потенциалов между двумя точками электрического поля (или электрическое напряжение между ними), мы получили формулу, связывающую это напряжение с работой сил электрического поля:
Вспомним, каков физический смысл последнего уравнения:
Напряжение между двумя точками электрического поля численно равно работе, совершаемой электрической силой при переносе единичного положительного заряда из одной точки поля в другую
Напряжение между двумя точками электрического поля равно отношению работы, совершённой электрической силой при переносе заряда из одной точки в другую, к величине этого заряда.
В Занятии 56 дано определение силы тока:
Под силой тока в проводнике понимается заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Объединив эти формулы, получим выражение для работы, совершаемой силой электрического поля (или кратко её называют работой ток а):
Для однородного участка цепи (не содержащего источник тока) выполняется закон Ома в таком виде:
Тогда работа тока
Если проводник с током неподвижен , то вся эта работа , совершаемая силой электрического поля (или электрическим полем) перейдёт в тепло . Тогда
Таким образом, рассуждая теоретически, приходим к такому же выражению , называемому законом Джоуля - Ленца.
Чередующиеся куски медной, железной и никелиновой проволок одинаковых размеров, спаянные между собой последовательно, включены в электрическую цепь. Какие проволоки будут нагреваться сильнее?
Решение . При последовательном соединении проволок по ним течёт один и тот же ток. Тогда, согласно закону Джоуля - Ленца,
сильнее будут нагреваться проводники, имеющие большее сопротивление . Сопротивления кусков проволоки одинаковых размеров пропорциональны удельным сопротивлениям материала проволок:
Удельное сопротивление меди равно 1,7 10 -8 Ом м;
железа 12 10 -8 Ом м;
никелина (сплава меди, никеля и марганца) равно 40 10 -8 Ом м.
Таким образом, при последовательном соединении сильнее всего будет нагреваться никелиновая проволока. Меньше всего нагревается медная проволока, поэтому она и используется в качестве электрических проводов.
Провод и нить лампочки накаливания в электрической цепи соединены последовательно . Теперь можем ответить на такой вопрос :
Почему при одном и том же токе нить лампочки раскаляется добела, а провод практически не нагревается?
Ответ : потому что удельное сопротивление вольфрама гораздо больше удельного сопротивления меди.
Теперь к этой задаче поставим другой вопрос :
Какие проволоки будут нагреваться сильнее, если их соединить между собой параллельно?
Здесь закон Джоуля - Ленца лучше выразить через напряжение, так как при параллельном соединении кусков проволоки они будут находиться под одинаковым напряжением:
Согласно этой формуле, при параллельном соединении кусков проволок, чем меньше сопротивление проволоки, тем больш е ею выделяется тепла, то есть больше всего тепла выделит медная проволока.
(см. продолжение в следующей статье)
Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Сообщите друзьям о существовании этого канала.
Предыдущая запись : Решение задач на закон Ома для цепи с конденсаторами.
Следу ющая запись : Работа тока . Объяснение теплового действия тока электронной теорией. "Скорость тока".
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ниже идут ссылки на статьи, опубликованные после занятия 58 на тему "Тепловое действие тока".
Работа тока . Объяснение теплового действия тока электронной теорией.
Работа и мощность электрического тока. Лампы накаливания.
Решение задач на мощность тока.
Полезная мощность. Полная мощность. КПД электрической цепи.
Ещё раз о зарядке и разрядке конденсатора.
Решение задач на нахождение мощности и КПД в цепях постоянного тока.
Занятие 59 . Электрический ток в электролитах.
Нахождение массы вещества, выделившегося на электродах.
Устройство и принцип работы аккумулятора.
Занятие 60 . Электрический ток в газах.
Ионизация и пробой воздуха.
Занятие 61 . Электрический ток в вакууме. Электронные лампы.
Занятие 62 . Электрический ток в полупроводниках.
Усилительные свойства полупроводниковых триодов.
Занятие 63 . Магнитное поле постоянного тока.
Что происходит в железе при его намагничивании? Магнитное поле Земли.
Занятие 64 . Намагничивание ферромагнетиков. Потери энергии от гистерезиса.
Занятие 65 . Применение теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции.
Занятие 66 . Действие магнитного поля на электрический ток. Сила Ампера.
Занятие 67 . Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.
Поведение электрона в электрическом и магнитном полях.
Занятие 68 . Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца.
Вихревые токи в массивных проводниках.
Возникновение ЭДС индукции в движущихся проводниках.
Занятие 69 . Самоиндукция. Индуктивность соленоида.
Энергия магнитного поля. Взаимная индукция. Решение задач на электромагнитную индукцию.
Одним из явлений, происходящих при прохождении электрического тока по проводнику, является выделение энергии в виде тепла. Рассмотрим тепловое действие электрического тока более подробно.
Тепловое действие электрического тока
Еще в девятнадцатом веке опыты по изучению проводимости свидетельствовали, что ток, проходящий по нагрузке, нагревает ее. Исследования показали, что нагревается не только нагрузка, но и проводники.
Рис. 1. Тепловое действие электрического тока.
Данный факт легко объясним, если вспомнить, что электрический ток – это перемещение зарядов в веществе нагрузки. При движении заряды взаимодействуют с ионами кристаллической решетки, и отдают им часть энергии, которая и переходит в тепло.
Закон Джоуля-Ленца
Поскольку разность потенциалов (напряжение) на нагрузке равна работе, которую совершит единичный заряд, двигаясь по нагрузке, то для вычисления работы тока, необходимо напряжение умножить на заряд, прошедший через нагрузку. Заряд же равен произведению тока, проходящего по нагрузке, на время прохождения. Таким образом:
Детальным изучением теплового действия электрического тока в середине XIXв занимались независимо Д.Джоуль (Великобритания) и Э.Ленц (Россия).
Рис. 2. Джоуль и Ленц.
Было выяснено, что если нагрузка неподвижна, то вся работа электрического тока в этой нагрузке перейдет в тепло:
Как правило, напряжение на элементах электрической цепи различно, а ток в ней общий. Поэтому для определения теплового действия удобнее выразить напряжение через ток, учитывая сопротивление:
То есть, количество тепла, образующееся в нагрузке, равно произведению значения тока в квадрате, сопротивления и времени. Этот вывод носит название Закона Джоуля-Ленца.
Иногда ток нагрузки неизвестен, но известно ее сопротивление и подводимое напряжение. В этом случае удобнее выразить ток через известные величины:
и, подставив в формулу выше, получаем:
Из данной формулы можно видеть интересный факт – если в нагревательной плите сгорит часть спирали, и мы просто исключим сгоревшие места, то сопротивление спирали уменьшится, а поскольку напряжение сети останется прежним, то тепло, выделяемое плитой, возрастет. Мощность плитки увеличится.
Использование теплового действия электричества
Тепловое действие электрического тока находит широкое применение, в первую очередь, в нагревательных приборах.
Еще одним важным направлением использования теплового действия являются плавкие предохранители. Если необходимо отключить электрическую цепь при превышение допустимого тока, то в цепь можно включить плавкий предохранитель.
Рис. 3. Устройство плавкого предохранителя.
Это небольшая колба из негорючего материала, внутри которой проходит плавкая проволочка или лента, сопротивление которой рассчитано так, чтобы при превышении предельного тока она расплавилась, тем самым разорвав электрическую цепь.
Что мы узнали?
Вся работа тока в неподвижной нагрузке превращается в тепло. Тепловое действие электрического тока по закону Джоуля Ленца пропорционально квадрату тока, сопротивлению и времени. Данное явление широко применяется в плавких предохранителях и нагревательных приборах.
Если включить в сеть обычную лампочку или электрочайник, спираль этих приборов начнет нагреваться и выделять тепло. А при работе вентилятора теплового излучения нет, хотя он тоже подключается к сети. Этот феномен объясняет закон Джоуля-Ленца, который широко используется в прикладной электротехнике. В данном материале мы познакомимся с ним, узнаем определение, формулы и физический смысл правила.
О чем эта статья:
8 класс, 10 класс
Закон Джоуля-Ленца
На примере многих бытовых приборов понятно, что если через участок цепи проходит электроток и при этом не совершается какая-либо работа, то происходит нагревание проводника. Иногда оно идет на пользу — например, в лампе накаливания или в аппарате дуговой сварки. Но в других случаях тепловой эффект нежелателен — например, перегрев электрической проводки в здании может вызвать пожар. Поэтому в наших интересах управлять таким эффектом, и правило Джоуля-Ленца определяет, от чего зависит тепловое действие тока.
Правило было сформулировано в результате опытов двух ученых — англичанина Джеймса Прескотта Джоуля и российского физика Эмилия Христиановича Ленца. Поскольку ученые работали независимо друг от друга, новый закон назвали двойным именем.
Закон Джоуля-Ленца кратко: нагревание проводника или полупроводника прямо пропорционально его сопротивлению, времени действия тока и квадрату силы тока.
Поскольку сопротивление проводника определяют такие характеристики, как его длина, площадь и проводимость, верны следующие утверждения:
количество теплоты в проводнике снижается при увеличении площади его сечения;
тепловой эффект снижается при уменьшении длины проводника.
Это легко проиллюстрировать, подключив к источнику питания две лампы с разным сопротивлением вначале последовательно, а после — параллельно. При последовательном подключении лампа с большим сопротивлением будет светить ярче, а при параллельном — наоборот.
Природа тепла в проводниках
Разберемся, как происходит нагрев проводника и каким образом этот процесс отвечает формулировке законе Джоуля-Ленца. Как известно, электрический ток представляет собой направленный поток электронов, если речь идет о металлах, и направленный поток ионов — если о растворах электролитов. Проводником называют такой металл, в котором много свободных электронов.
При подключении проводника к сети электроны начинают двигаться в одном направлении под действием электрического поля. При движении они сталкиваются с атомами проводника и передают им свою кинетическую энергию. Чем выше скорость заряженных частиц, тем чаще происходят такие столкновения и больше выделяется кинетической энергии. Часть этой энергии трансформируется в тепло, поэтому проводник нагревается.
Высокая сила тока означает, что через сечение проводника проходит много свободных электронов и столкновения происходят часто. Соответственно, частицам проводника передается много энергии, и он греется сильнее. Именно поэтому в законе Ленца-Джоуля говорится о том, что количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату силы тока.
Теперь представим, что мы соединили в одну цепь последовательно два проводника, при этом у второго сечение больше, чем у первого. Во втором столкновений частиц будет меньше, а значит — выделится меньше тепла. Вспоминаем, что удельное сопротивление проводника обратно пропорционально его сечению. Чем меньше сечение материала, тем выше его сопротивление и тем сильнее он нагревается. Вот мы и описали тепловое действие тока в соответствии с законом Джоуля-Ленца.
Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.
Уравнение Джоуля-Ленца
Посмотрим, как данный закон выражается в математическом виде. Допустим, на некоем участке цепи проходит электрический ток и вызывает нагревание проводника. Если на этом участке нет каких-либо механических процессов или химических реакций, требующих энергозатрат, выделенная проводником теплота Q равна работе тока A.
Q = A
Поскольку А = IUt, где I — сила тока, U — напряжение, а t — время, Q = IUt.
Теперь вспомним, что напряжение можно выразить через сопротивление и силу тока U = IR. Подставим это в формулу:
Q = IUt = I(IR)t = I 2 Rt
Q = I 2 Rt
Мы выразили количество теплоты в проводнике через сопротивление — эта формула для закона Джоуля-Ленца называется интегральной.
Но бывает так, что сила электрического тока неизвестна, зато есть информация о напряжении на участке цепи. В таком случае нужно использовать закон Ома:
I = U/R
Исходя из этого, закон Джоуля-Ленца можно записать в виде дифференциальной формулы:
Напомним, что такое уравнение, как и предыдущее, верно только в том случае, когда вся работа электрического тока уходит на выделение тепла и нет других потребителей энергии.
Итак, у нас есть две формулы для определения количества теплоты, выделяемой проводником при прохождении через него электричества:
При расчетах используют следующие единицы измерения:
количество тепла Q— в джоулях (Дж);
силу тока I — в амперах (А);
сопротивление R — в омах (Ом);
время t — в секундах (с).
Практическое применение
Применение на практике закона Джоуля-Ленца заключается в том, что тепловым действием электрического тока можно управлять, подбирая проводники с нужным сопротивлением. К примеру, для электрических нагревательных приборов, которые должны выделять максимум тепла, выбирают проводники с высоким сопротивлением.
Низкое сопротивление, напротив, позволяет проводнику практически не нагреваться при прохождении тока. Поэтому на промышленных предприятиях с усиленными требованиями к пожаробезопасности для прокладки линий электропередач используется медный кабель. Удельное сопротивление меди сечением 1 мм 2 равно 0,0175 Ом, в то время как у алюминия оно составляет 0,0271 Ом. Медь практически не нагревается, чем снижает риск возгораний.
Примеры задач
Задача 1
Электроплита подключена к сети с напряжением 220 В. Какое количество тепла выделит ее нагревательный элемент за 50 минут, если известно, что сила тока в цепи составляет 10 А.
Решение:
t = 50 мин = 3000 с;
Для того, чтобы рассчитать количество тепла, в данном случае подойдет интегральная формула Джоуля-Ленца Q = I 2 Rt, однако мы не знаем, чему равно сопротивление R. Однако согласно закону Ома R = U/I.
Вычислим сопротивление: R = U/I = 220/10 = 22 Ом.
Подставим имеющиеся данные в формулу:
Q = I 2 Rt = 10 2 × 22 × 3000 = 6 600 000 Дж = 6,6 МДж.
Ответ: плита выделит 6,6 мегаджоулей тепла.
Задача 2
Для обогрева дома требуется, чтобы отопительный прибор выделял 125 кДж тепла в час. Напряжение в электрической сети составляет 220 В. Каким должно быть электрическое сопротивление проводника, чтобы обеспечить данную теплоотдачу?
Электрический ток , проходя через любой проводник, сообщает ему некоторое количество энергии. В результате этого проводник нагревается. Передача энергии происходит на молекулярном уровне, т. е., электроны взаимодействуют с атомами или ионами проводника и отдают часть своей энергии.
В результате этого, ионы и атомы проводника начинают двигаться быстрей, соответственно можно сказать, что внутренняя энергия увеличивается и переходит в тепловую энергию.
Данное явление подтверждается различными опытами, которые говорят о том, что вся работа, которую совершает ток, переходит во внутреннюю энергию проводника, она в свою очередь увеличивается. После этого уже проводник начинает отдавать её окружающим телам в виде тепла. Здесь уже в дело вступает процесс теплопередачи, но сам проводник нагревается.
Этот процесс рассчитывается по формуле: А=U·I·t
А – это работа тока, которую он совершает, протекая через проводник. Можно также высчитать количество теплоты, выделяемое при этом, ведь это значение равно работе тока. Правда, это касается, лишь неподвижных металлических проводников, однако, такие проводники встречаются чаще всего. Таким образом, количество теплоты, также будет высчитываться по той же форме: Q=U·I·t.
История открытия явления
В своё время свойства проводника, через который протекает электрический тока, изучали многие учёные. Особенно среди них были заметны англичанин Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Каждый из них проводил свои собственные опыты, а вывод они смогли сделать независимо друг от друга.
Применение свойств теплового действия тока
Исследования теплового воздействия тока и открытия закона Джоуля-Ленца позволили сделать вывод, подтолкнувший развитие электротехники и расширить возможности применения электричества. Простейшим примером применения данных свойства является простая лампочка накаливания.
Устройство её заключается в том, что в ней применяется обычная нить накаливания, сделанная из вольфрамовой проволоки. Этот металл был выбран не случайно: тугоплавкий, он имеет довольно высокое удельное сопротивление. Электрический ток проходит через эту проволоку и нагревает её, т. е. передаёт ей свою энергию.
Энергия проводника начинает переходить в тепловую энергию, а спираль разогревается до такой температуры, что начинает светиться. Главным недостатком такой конструкции, конечно, является то, что происходят большие потери энергии, ведь только небольшая часть энергии преобразуется в свет, а остальная уходит в тепло.
Для этого вводится такое понятие в техники, как КПД, показывающее эффективность работы и преобразования электрической энергии. Такие понятия как КПД и тепловое воздействие тока применяются повсеместно, так как существует огромное количество приборов основанных подобном принципе. Это в первую очередь касается нагревательных приборов: кипятильников, обогревателей, электроплит и т. д.
Как правило, в конструкциях перечисленных приборах присутствует некая металлическая спираль, которая и производит нагревание. В приборах для нагревания воды она изолирована, в них устанавливается баланс между потребляемой из сети энергией (в виде электрического тока) и тепловым обменом с окружающей средой.
В связи с этим, перед учёными стоит нелёгкая задача по снижению потерь энергии, главной целью является поиск наиболее оптимальной и эффективной схемы. В данном случае тепловое воздействие тока является даже нежелательным, так как именно оно и ведёт к потерям энергии. Самым простым вариантом является повышение напряжения при передаче энергии. В результате снижается сила тока, но это приводит к снижению безопасности линий электропередач.
Другое направление исследований – это выбор проводов, ведь от свойств проводника зависят и тепловые потери и прочие показатели. С другой стороны, различные нагревательные приборы требуют большого выделения энергии на определённом участке. Для этих целей изготавливают спирали из специальных сплавов.
Для повышения защиты и безопасности электрических цепей применяются специальные предохранители. В случае чрезмерного повышения тока сечение проводника в предохранителе не выдерживает, и он плавится, размыкая цепь, защищая, таким образом, её от токовых перегрузок.
Читайте также: