Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое тепловое действие тока примеры

Тема урока: Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленца

Тема урока: Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленца

· объяснить причину нагревания проводников электрическим током на основе положений классической электронной теории;

· экспериментально получить зависимость количества теплоты, выделяемого проводником, от параметров цепи;

· применить закон сохранения и превращения энергии для процессов, происходящих в цепи при прохождении электрического тока;

· познакомить с математической записью закона Джоуля – Ленца.

· Формировать умения видеть проблему, формулировать гипотезу, делать обобщения и выводы;

· Развивать научное мышление через использование полученных теоретических знаний для объяснения физических явлений;

· Формировать познавательный интерес к физике через использование информационных технологий и постановку эксперимента;

· Развивать речь учащихся через использование научной терминологии.

· воспитание самостоятельности, активности, любознательности;

· формирование коммуникативных навыков;

· воспитание самодисциплины, ответственности за результат своего труда.

Оборудование:

Демонстрационное: компьютер, медиапроектор.

Лабораторное: источники тока, реостат, соединительные провода, ключи, лампочки, амперметр.

1. Организационный момент, приветствие.

2. Постановка проблемы – заморочка.

3. Актуализация знаний.

4. Сообщение темы урока – запись в тетрадь.

6. Деление класса на группы.

7. Постановка проблемы исследований.

8. Выдвижение гипотез.

9. Работа в группах: планирование эксперимента, выполнение эксперимента, формулировка вывода.

10. Представление исследований, обобщение результатов.

11. Знакомство с математической записью закона Джоуля – Ленца.

12. Домашнее задание. Решение заморочки.

13. Закрепление закона Джоуля – Ленца при решении качественных задач.

14. Подведение итога урока.

15. Оценивание работы учащихся.

На экране – эпиграф урока. Слайд 1.

Здравствуйте, ребята! Начинаем наш урок. Надеюсь, что минуты общения будут приятными и плодотворными. Будьте смелее и активнее, не бойтесь высказывать своё мнение. Успеха нам!

Сначала я хочу заморочить вам голову задачей. Слушайте и думайте! Слайд 2. Читаю задачу.

Кто готов рассуждать? Затрудняетесь? Тогда найдем решение вместе.

На прошлых уроках мы говорили о работе тока. Вспомним, каков же механизм совершения электрическим током работы в проводнике. Для помощи – картинка из учебника, знакомая вам.

Слайд 2. Механизм работы тока в проводнике.

Рассуждения учащегося

Таким образом, описав механизм совершения работы Слайд 4, мы сделали вывод о переходе работы тока в теплоту на основании фундаментального законы природы – закона сохранения и превращения энергии. И переходим к непосредственному изучению темы урока:

Слайд 5: Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля – Ленца. Запишите тему урока в тетради.

Слайд 6. Задачи урока:

Объяснить причину нагревания проводников электрическим током;

Экспериментально обнаружить зависимость выделяемой теплоты от параметров электрической цепи;

Сделать вывод из экспериментальной и теоретической работы;

Сформулировать закон Джоуля—Ленца;

Рассмотреть практическое применение теплового действия тока.

Для дальнейшей работы нам нужно поделиться на три группы: две группы экспериментаторов и группа теоретиков. Деление на группы. Обращаемся к теме урока и формулируем проблему: Что же нам интересно узнать по теме урока? Слайд 7. Наша задача: исследовать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи.

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи? Я готова выслушать ваши предположения, ребята. Выдвигайте гипотезы. Чтобы не быть оторванными от жизни, сначала приведем примеры: где в быту мы встречаетесь с нагреванием проводников? Вернемся к вопросу: от каких параметров может зависеть теплота? А видна ли эта зависимость теоретически? Да, Q=A, A=IUt

Обсудим идею опыта. Как вы понимаете, что количество теплоты зависит от силы тока в цепи? От сопротивления цепи? Какие будут ваши предложения по оценке количества теплоты? По каким признакам можем судить, где теплоты выделяется больше, а где меньше? На ощупь(?!), термометром(?), по накалу ламп. Группы экспериментаторов могут приступать к выполнению своих исследований. Не забывайте о соблюдении техники безопасности!

Читайте так же:
Регулировка теплового реле автоматического выключателя

Группа теоретиков будет на примере решения задач получать зависимость выделяемой теплоты от силы тока в цепи и сопротивления. Слайд 8.

Учащиеся выполнили работу, говорят выводы. Записать вывод закона Джоуля – Ленца в тетрадь. Слайд 9. Формулирую закон.

Один из авторов закона – русский физик Эмилий Христианович Ленц. Слайд 10.

Таким образом, мы изучили одно из важных проявлений электрического тока. И теперь вы сможете рассудить заморочку.

Слайд 11. Подошло время записать домашнее задание и ответить на вопрос-заморочку.

Напомню её. Слайд 12.

Рассуждения учащихся, ответ на вопрос-заморочку.

Нагревание проводников электрическим током – явление, которое нужно учитывать в жизни. Как вы думаете, почему? А что будет, если проводка в доме сильно нагреется? Слайд 13.

Короткое замыкание. Слайд 14.

Практическое применение теплового действия тока. Слайд 15. Нагревание проводников электрическим током – явление, которое широко применяется в жизни. Выводы учащихся.

Подходит к концу урок, мы должны подвести итог работе.

Слайд16. Что мы узнали? Чему мы научились? Кто работал лучше всех? Кто работал хорошо? (Увидеть положительное в каждом ребенке)

Осталось немного времени, чтобы мы посоревновались в решении интересных качественных задач. Читайте, думайте и объясняйте! Слайд 17.

Спасибо за урок! До свидания!

Иллюстрации (слайды презентации)

Слайд 1 слайд 2

Слайд 3 слайд 4

Слайд 5 слайд 6

Слайд 7 слайд 8

Слайд 9 слайд 10

Тепловое Действие Электрического Тока
— выделение тепла.

Тема — Тепловое Действие Электрического Тока — выделение тепла.

Практические использование электричества базируется на трёх основополагающих действиях, которые появляются при работе электрического тока: тепловом, электромагнитном и химическом. Каждому этому явлению свойственны свои определённые принципы. Давайте с Вами остановимся на одном из них и разберём его более подробнее, и это будет тепловое действие электрического тока.

Отрицательным заряженным частицам, которые принято называть электронами, протекая через определённое вещество, постоянно приходится сталкиваться с атомами, ионами или молекулами. После столкновения электроны тормозятся, передавая имеющуюся энергию элементарным частицам того вещества, по которому протекает электрический ток. Полученная энергия способствует увеличению скорости движения частиц, вещество греется.

Чем больше противодействия оказывают атомы и молекулы токопроводимого вещества текущему электрическому току, тем больше своей энергии они при этом теряют (отрицательные заряженные частицы), и тем больше набирает температуру проводник, поскольку вся утраченная энергия (электронами) преобразуется в тепло. Теперь можно легко догадаться, почему нагревательная спираль электропечки сделана из нихрома, а электрический шнур, запитывающий её, – из меди. При подобном подборе используемых материалов электрический ток довольно сильно нагревает спираль, которая имеет большое сопротивление, и практически не нагревает питающие печку провода.

Давайте посмотрим на обычную электрическую лампочку накаливания. Её внутренняя вольфрамовая нить имеет большое электрическое сопротивление. Протекая по данной нити (спиральки), отрицательные заряженные частицы передают ионам вольфрама большое количество энергии. Вольфрамовая нить лампы разогревается добела – электрическая лампочка светит. Если сила тока будет чрезмерной, энергия, которая передаётся ионам вольфрама, будет слишком большой, что имеющиеся ионы вещества просто не смогут удерживаться на своих прежних местах. В результате вольфрамовая нить расплавится.

Чем будет длиннее электрический проводник, тем большее количество препятствий и столкновений испытывают электроны, проходя по нему, тем больше своей энергии они потратят. То есть, чем длиннее электрическое проводник, тем больше его сопротивление.

Помимо этого, сопротивление проводника также зависит и от его толщины. Чем больше поперечное его сечение (толщина) провода, тем лучше его проводимость, и меньше электрическое сопротивление. Для того чтобы понять это, проделаем такой опыт. К куску проволоки с малой толщиной припаяем кусок проволоки с большей толщиной и соединим их с источником питания. Величина тока и в тонком и в толстом проводе будет одинакова (через оба проводника за одну секунду проходит одинаковое количество электронов).

Читайте так же:
Количество теплоты равно квадрату тока

При этом в более тонком проводе скорость движения (упорядоченного) электронов будет выше, по сравнению с толстым проводом. Следует заметить, что чем быстрее идут электроны в проводнике, тем большее количество энергии они отдают в результате столкновения с атомами и молекулами проводника. По этой причине, и электрическое сопротивление более тонкого провода будет больше, чем толстого.

Что ещё следует сказать о выделении тепла (тепловое действие электрического тока). Если мы включаем какой-либо электрический прибор – плитку, утюг, лампочку накаливания, то сила тока в имеющейся электропроводке дома определяется действующим напряжением в электросети, сопротивлением электроприбора и его проводов. К примеру, включён утюг. Основную роль в данном случае играет электрическое сопротивление утюга, поскольку сопротивление подводящих проводов мало, а напряжение электрической сети стандартно (для быта применяется переменное напряжение 220 вольт).

Тепловое действие тока.

Все проводники обладают сопротивлением движению тока, при этом происходит нагрев проводника. Это явление имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Например, тепловое действие тока широко используется в быту и на производстве в электронагревательных приборах, при электросварке и т.д.:

Большое количество электроприборов с повышенной мощностью, включённых через «тройники» в одну розетку, также может привести к возгоранию, так как все эти приборы подключаются параллельно и, согласно Первому закону Кирхгофа, в «тройнике» токи от каждой цепи будут суммироваться и могут превысить максимально допустимую величину для данной цепи (токи перегрузки), что приведёт к срабатыванию автомата защиты, а при неплотном контакте «тройника» с розеткой могут наступить более тяжёлые последствия, описанные выше.

Тепловое действие тока определяется по количеству выделенного тепла за единицу времени. Согласно Закону Джоуля-Ленца колличество выделенного тепла равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени прохождения тока через проводник (в секундах). Единица измерения — Джоуль.

Мощность, затраченная на нагрев проводника, равна произведению квадрата силы тока в цепи и сопротивления проводника. Единица измерения — Ватт.

Плотность тока.

Эта физическая величина, которая показывает силу тока, проходящего через определённую площадь поперечного сечения проводника.

Плотность тока можно выразить фориулой: (ампер на единицу площади).

Если электрическая цепь имеет ничтожно малое сопротивление, то, согласно Закону Ома, сила тока в этой цепи будет очень велика. Если на каком-то участке цепи уменьшить площадь поперечного сечения проводника в 10 раз, то, учитывая, что сила тока на всех участках неразветвлённой цепи одинакова, окажется что все электроны теперь будут проходить через «узкое горлышко». При этом они будут сталкиваться с атомами кристаллической решётки, отдавая свою энергию и вызывая сильнейший нагрев, способный привести к разрушению изоляции, возникновению короткого замыкания и пожару.

Каждый материал имеет свою предельно допустимую температуру нагрева, каждый проводник — свою температуру плавления, а каждый аппарат – предельно допустимое значение силы тока. Для того, чтобы не допустить токов перегрузки или короткого замыкания, в начале каждой электрической цепи устанавливается плавкий предохранитель. Его плавкая вставка имеет намного меньшую площадь сечения, чем провода или кабели защищаемой цепи, поэтому при превышении допустимой силы тока эта вставка сильно нагревается, что вызывает расплавление металла и разрыв проводника, тем самым, обесточивая защищаемую цепь.

В автоматических выключателях низковольтных цепей отключение происходит за счёт нагрева и последующего размыкания биметаллических контактов. После остывания контакты замыкаются вновь – аппарат готов к повторному включению.

Дата добавления: 2016-06-05 ; просмотров: 1659 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Упорядоченное движение заряженных частиц: понятие и характеристики

Огромное множество физических явлений как микроскопического, так и макроскопического характера имеют электромагнитную природу. К ним относятся силы трения и упругости, все химические процессы, электричество, магнетизм, оптика.

Одно из таких проявлений электромагнитного взаимодействия – упорядоченное движение заряженных частиц. Оно представляет собой совершенно необходимый элемент практически всех современных технологий, находящих применение в самых различных областях – от организации нашего быта до космических полетов.

Читайте так же:
Как проверить выключатель теплого пола

Общее понятие о феномене

Вам будет интересно: Мыс принца Уэльского — крайняя западная материковая точка Северной Америки: координаты

Упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Такое перемещение зарядов может осуществляться в разных средах посредством тех или иных частиц, иногда – квазичастиц.

Обязательным условием тока является именно упорядоченное, направленное движение. Заряженные частицы — это объекты, которые (как, впрочем, и нейтральные) обладают тепловым хаотическим движением. Однако ток возникает, только когда на фоне этого непрерывного беспорядочного процесса происходит общее перемещение зарядов в некотором направлении.

Вам будет интересно: Прогнозирование спроса: понятие, виды и функции

При движении какого-либо тела, в целом электрически нейтрального, частицы в составе его атомов и молекул, конечно, движутся направленно, но, поскольку разноименные заряды в нейтральном объекте компенсируют друг друга, никакого переноса заряда нет, и говорить о токе в этом случае также не имеет смысла.

Как возникает ток

Рассмотрим простейший вариант возбуждения постоянного тока. Если к среде, где в общем случае присутствуют носители зарядов, приложить электрическое поле, в ней начнется упорядоченное движение заряженных частиц. Явление называется дрейфом зарядов.

Вкратце его можно описать следующим образом. В различных точках поля возникает разность потенциалов (напряжение), то есть энергия взаимодействия электрических зарядов, расположенных в этих точках, с полем, отнесенная к величине этих зарядов, будет различной. Поскольку всякая физическая система, как известно, стремится к минимуму потенциальной энергии, отвечающему равновесному состоянию, заряженные частицы начнут движение, направленное к выравниванию потенциалов. Иначе говоря, поле совершает некоторую работу по перемещению этих частиц.

Вам будет интересно: Организационная система: определение, основные функции, методы управления, задачи и процессы развития

Когда потенциалы выравниваются, обращается в нуль напряженность электрического поля – оно исчезает. Вместе с тем прекращается и упорядоченное движение заряженных частиц – ток. Для того чтобы получить стационарное, то есть не зависящее от времени, поле, необходимо использовать источник тока, в котором, благодаря выделению энергии в тех или иных процессах (например, химических), заряды непрерывно разделяются и поступают на полюса, поддерживая существование электрического поля.

Ток можно получать различными способами. Так, изменение магнитного поля воздействует на заряды во внесенном в него проводящем контуре и вызывает их направленное движение. Такой ток называется индукционным.

Количественные характеристики тока

Главный параметр, с помощью которого ток описывают количественно, – это сила тока (иногда говорят «величина» или просто «ток»). Она определяется как количество электричества (величина заряда или число элементарных зарядов), проходящее за единицу времени сквозь некоторую поверхность, обычно через сечение проводника: I = Q/t. Измеряется ток в амперах: 1 А = 1 Кл/с (кулон в секунду). На участке электрической цепи сила тока прямой зависимостью связана с разностью потенциалов и обратной – с сопротивлением проводника: I = U/R. Для полной цепи эта зависимость (закон Ома) выражается как I = Ԑ/R+r, где Ԑ — электродвижущая сила источника и r – его внутреннее сопротивление.

Отношение силы тока к сечению проводника, через который происходит перпендикулярно ему упорядоченное движение заряженных частиц, называют плотностью тока: j = I/S = Q/St. Данная величина характеризует количество электричества, которое протекает за единицу времени через единицу площади. Чем выше напряженность поля E и электропроводность среды σ, тем больше и плотность тока: j = σ∙E. В отличие от силы тока, эта величина — векторная, и имеет направление по движению частиц, несущих положительный заряд.

Направление тока и направление дрейфа

Вам будет интересно: Решетнев Михаил Федорович: биография, личная жизнь, разработка космических систем и награды

В электрическом поле объекты, переносящие заряд, под действием кулоновских сил будут совершать к противоположному по знаку заряда полюсу источника тока упорядоченное движение. Частицы, заряженные положительно, дрейфуют в сторону отрицательного полюса («минуса») и, наоборот, свободные отрицательные заряды притягиваются к «плюсу» источника. Частицы могут перемещаться и в двух противоположных направлениях сразу, если в проводящей среде присутствуют носители зарядов обоих знаков.

Читайте так же:
Тепловой ток кремниевого диода

По историческим причинам принято считать, что ток направлен так, как движутся положительные заряды – от «плюса» к «минусу». Чтобы избежать путаницы, следует помнить, что хотя в наиболее знакомом всем нам случае тока в металлических проводниках реальное перемещение частиц – электронов – происходит, конечно, в обратном направлении, указанное условное правило действует всегда.

Распространение тока и дрейфовая скорость

Нередко возникают проблемы и с пониманием того, насколько быстро движется ток. Не следует путать два разных понятия: скорость распространения тока (электрического сигнала) и скорость дрейфа частиц – носителей зарядов. Первое – это скорость, с которой передается электромагнитное взаимодействие или — что то же самое — распространяется поле. Она близка (с учетом среды распространения) к скорости света в вакууме и составляет почти 300 000 км/с.

Частицы же совершают свое упорядоченное движение очень медленно (10-4–10-3 м/с). Дрейфовая скорость зависит от напряженности, с которой действует на них приложенное электрическое поле, но во всех случаях она на несколько порядков уступает скорости теплового беспорядочного движения частиц (105–106 м/с). Важно понимать, что под действием поля начинается одновременный дрейф всех свободных зарядов, поэтому ток возникает сразу во всем проводнике.

Виды тока

В первую очередь токи различают по поведению носителей заряда во времени.

  • Постоянным называют ток, не изменяющий ни величину (силу), ни направление перемещения частиц. Это самый простой вариант перемещения заряженных частиц, и с него всегда начинают изучение электрического тока.
  • У переменного тока эти параметры изменяются во времени. В основе его генерирования лежит явление электромагнитной индукции, возникающей в замкнутом контуре, благодаря изменению (вращению) магнитного поля. Электрическое поле в этом случае периодически меняет вектор напряженности на противоположный. Соответственно, изменяются знаки потенциалов, а величина их проходит от «плюса» до «минуса» все промежуточные значения, в том числе и нулевое. В результате этого явления упорядоченное движение заряженных частиц все время меняет направление. Величина такого тока колеблется (обычно синусоидально, то есть гармонически) от максимума до минимума. Переменный ток имеет такую важную характеристику скорости этих колебаний, как частота – количество полных циклов изменения в секунду.

Помимо этой важнейшей классификации, различия между токами можно проводить и по такому критерию, как характер движения носителей заряда по отношению к среде, в которой ток распространяется.

Токи проводимости

Наиболее известный пример тока – это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля внутри какого-либо тела (среды). Оно именуется током проводимости.

В твердых телах (металлы, графит, многие сложные материалы) и некоторых жидкостях (ртуть и другие расплавы металлов) электроны являются подвижными заряженными частицами. Упорядоченное движение в проводнике – это их дрейф относительно атомов или молекул вещества. Проводимость такого рода называют электронной. В полупроводниках перенос зарядов также происходит за счет движения электронов, но по ряду причин удобно пользоваться для описания тока понятием дырки – положительной квазичастицы, представляющей собой перемещающуюся электронную вакансию.

В электролитических растворах прохождение тока осуществляется за счет движущихся к разным полюсам – аноду и катоду – отрицательных и положительных ионов, входящих в состав раствора.

Токи переноса

Газ – в обычных условиях диэлектрик – также может стать проводником, если подвергнуть его достаточно сильной ионизации. Газовая электропроводность носит смешанный характер. Ионизированный газ уже представляет собой плазму, в которой перемещаются и электроны, и ионы, то есть все заряженные частицы. Упорядоченное движение их формирует плазменный канал и называется газовым разрядом.

Читайте так же:
Количество теплоты выделяемое током буква 1

Вам будет интересно: Коннотация — это лексический термин, которым мы пользуем каждый день

Направленное перемещение зарядов может происходить не только внутри среды. Допустим, в вакууме движется пучок электронов или ионов, испускаемых с положительного или отрицательного электрода. Это явление носит название электронной эмиссии и широко используется, к примеру, в вакуумных приборах. Безусловно, такое движение представляет собой ток.

Еще один случай – перемещение электрически заряженного макроскопического тела. Это – тоже ток, поскольку подобная ситуация удовлетворяет условию направленного переноса зарядов.

Все приведенные примеры необходимо рассматривать как упорядоченное движение заряженных частиц. Называется такой ток конвекционным или током переноса. Его свойства, например, магнитные, совершенно аналогичны таковым у токов проводимости.

Ток смещения

Существует явление, не имеющее отношения к переносу зарядов и возникающее там, где наличествует изменяющееся во времени электрическое поле, которое обладает свойством, присущим «настоящим» токам проводимости или переноса: оно возбуждает переменное магнитное поле. Это происходит, например, в цепях переменного тока между обкладок конденсаторов. Явление сопровождается передачей энергии и называется током смещения.

По сути, данная величина показывает, как быстро изменяется индукция электрического поля на некоторой поверхности, перпендикулярной к направлению ее вектора. Понятие электрической индукции включает в себя векторы напряженности поля и поляризации. В вакууме учитывается только напряженность. Что же касается электромагнитных процессов в веществе, то поляризация молекул или атомов, в которых при воздействии поля имеет место движение связанных (не свободных!) зарядов, вносит некоторый вклад в ток смещения в диэлектрике или проводнике.

Название возникло в XIX веке и носит условный характер, так как действительный электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. Ток смещения с дрейфом зарядов никак не связан. Поэтому он, строго говоря, током не является.

Проявления (действия) тока

Упорядоченное движение заряженных частиц всегда сопровождается теми или иными физическими явлениями, по которым, собственно, и можно судить о том, протекает данный процесс или нет. Можно разделить такие явления (действия тока) на три основных группы:

  • Магнитное действие. Движущийся электрический заряд обязательно создает магнитное поле. Если поместить компас рядом с проводником, по которому протекает ток, стрелка совершит поворот перпендикулярно направлению этого тока. На основе данного явления действуют электромагнитные устройства, позволяющие, например, преобразовать электрическую энергию в механическую.
  • Тепловое действие. Ток совершает работу по преодолению сопротивления проводника, результатом чего становится выделение тепловой энергии. Это происходит потому, что при дрейфе заряженные частицы испытывают рассеяние на элементах кристаллической решетки или молекулах проводника и отдают им кинетическую энергию. Если бы решетка, скажем, металла, была идеально правильной, электроны практически не замечали бы ее (это следствие волновой природы частиц). Однако, во-первых, атомы в узлах решетки сами подвержены тепловым колебаниям, нарушающим ее правильность, а во-вторых, дефекты решетки – примесные атомы, дислокации, вакансии – тоже влияют на движение электронов.
  • Химическое действие наблюдается в электролитах. Разноименно заряженные ионы, на которые диссоциирован электролитический раствор, при наложении электрического поля разводятся на противоположные электроды, что приводит к химическому разложению электролита.

За исключением случаев, когда упорядоченное движение заряженных частиц является предметом научных исследований, оно интересует человека в своих макроскопических проявлениях. Важен для нас не ток сам по себе, а перечисленные выше явления, которое он вызывает, благодаря превращениям электрической энергии в другие виды.

Все действия тока играют двоякую роль в нашей жизни. В одних случаях от них необходимо защищать людей и технику, в других – получение того или иного эффекта, вызываемого направленным переносом электрических зарядов, является прямым назначением самых разнообразных технических устройств.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector