Sfera-perm.ru

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

Единица измерения количества теплоты выделяемого проводником с током

Действия электрического тока

Мы не обладаем возможностью увидеть электроны, бегущие по проводнику. Как же тогда можно обнаружить ток в проводнике? Наличие электрического тока можно обнаружить по косвенным признакам. Так как, ток, протекая по проводнику, оказывает воздействие на него.

Вот некоторые из признаков:

  1. тепловой;
  2. химический;
  3. магнитный.

Тепловое действие тока

Благодаря такому действию тока мы можем освещать помещения с помощью ламп накаливания. А, так же, используем различные нагревательные электроприборы – конвекторы, электроплиты, утюги (рис. 1).

Используя метровый кусок никелиновой проволоки (рис. 2), можно продемонстрировать нагревание проводника при протекании по нему электрического тока. Для заметного провисания нагретой проволоки из-за теплового увеличения длины и наблюдения красноватого ее свечения будет достаточно тока в 2 — 3 Ампера.

Кусок провода нагревается, когда по нему протекает электрический ток. Чем больше ток в проводнике, тем больше он нагреется. Длина нагретого проводника увеличивается.

Подробнее о выделившемся количестве теплоты можно прочитать в статье о законе Джоуля-Ленца (ссылка).

Примечание: Нихром, никелин, константан – сплавы металлов, обладающие большим удельным сопротивлением (ссылка). Проволоки, изготовленные из таких сплавов, используются в различных нагревательных электроприборах.

Химическое действие тока

Электрический ток, проходя через растворы некоторых кислот, щелочей или солей, вызывает выделение из них вещества. Это вещество осаждается на электродах – пластинках, опущенных в раствор и подключенных к источнику тока.

Такое действие тока используют в гальванопластике – покрытии металлом некоторых поверхностей. Применяют никелирование, омеднение, хромирование, а, так же, серебрение и золочение поверхностей.

С помощью раствора медного купороса можно продемонстрировать выделение вещества под действием тока. Водный раствор этой соли имеет голубоватый оттенок. Пропуская электрический ток (ссылка) через раствор, можно обнаружить выделение меди на одном из электродов (рис. 3).

На каком электроде будет выделяться медь

Медь в растворе купороса присутствует в виде положительных ионов. Тела, имеющие разноименные заряды, притягиваются. Поэтому, ионы меди будут притягиваться к пластинке, имеющей заряд со знаком «минус». То есть, пластинке, подключенной к отрицательному выводу источника тока. Такую пластинку называют отрицательным электродом, или катодом.

Вторую пластинку, подключенную к положительному выводу батареи, называют анодом.

Примечание: Медный купорос можно найти в хозяйственном магазине. Его химическая формула (large CuSO_<4>). Он используется в сельском хозяйстве для опрыскивания листвы плодовых деревьев, кустарников и овощных культур – к примеру, томатов, картофеля. Входит в составы различных растворов, применяемых в борьбе с болезнями растений и насекомыми-вредителями.

Применение химического действия тока в медицине

Химическое действие тока применяют не только в гальванопластике.

Пропускание электрического тока через растворы вызывает в них движение заряженных частиц вещества – положительных и отрицательных ионов. Человеческое тело содержит жидкости, в которых растворены некоторые вещества. А значит, в таких жидкостях присутствуют ионы.

Прикладывая специальные электроды, смоченные растворами лекарств на отдельные участки тела, и пропуская через них маленькие токи, можно вводить в организм некоторые лекарственные препараты (рис. 4).

Такое введение лекарств называют электрофорезом и используется в физиопроцедурных кабинетах поликлиник и санаториев.

Магнитное действие тока

Медь сама по себе не притягивается к магниту. В этом можно убедиться с помощью небольшого магнита и кусочка медного провода (рис. 5а).

На рисунке 5 кусок медного провода подвешен к двум штативам с помощью тонких нитей, не проводящих электрический ток.

Однако, во время протекания электрического тока, медный проводник начинает взаимодействовать с магнитом — притягиваться, или отталкиваться от него (рис. 5б).

С магнитом взаимодействует не сам медный проводник, а ток, протекающий по этому проводнику.

Почему проводок с током взаимодействует с магнитом

Электрический ток — это большое количество электронов, бегущих по проводку от одного его края к другому краю. Электроны обладают зарядом.

Читайте так же:
Настройка тепловых расцепителей автоматических выключателей

Вокруг движущихся зарядов возникает магнитное поле. Благодаря этому проводок с током превращается в маленький магнитик. И начинает взаимодействовать с магнитом, притягиваясь к нему, или отталкиваясь от него.

При этом, проводок, как более легкий предмет, будет двигаться. А магнит продолжит оставаться на месте. Из-за того, что его масса значительно больше массы кусочка провода.

Направление движения проводка зависит от полярности его подключения к батарейке и, от того, как располагаются полюса магнита.

На магнитном действии тока основано действие электромагнита.

Самодельный электромагнит

Его легко изготовить из куска гибкой изолированной медной проволоки и железного гвоздя.

Гвоздь нужно обернуть кусочком бумаги – гильзой (рис. 6). Затем на гильзу нужно намотать 200 – 300 витков тонкого медного провода в изоляции. К выводам полученной катушки нужно подключить батарейку от карманного электрического фонаря.

Во время протекания тока, к гвоздю притягиваются различные мелкие железные предметы – скрепки, кнопки, гвоздики, железные стружки, опилки и т. п.

Отсоединив батарейку, увидим, что как только ток прекращается, гвоздь перестает притягивать к себе железные предметы.

Рамка с током и подковообразный магнит

Провод, обладающий достаточной жесткостью, можно изогнуть в виде плоской фигуры – прямоугольника, квадрата, окружности. Эластичные же провода навивают на жесткий каркас, изготовленный из подходящего материала – фанеры, картона, пластмассы и т. д. Такой изогнутый провод образует рамку. Проволочную рамку часто называют контуром.

Проволочная рамка, по которой течет электрический ток, может ориентироваться в магнитном поле.

Чтобы убедиться в этом, проведем такой эксперимент. Используем для него подковообразный магнит и проводник, изогнутый в виде прямоугольной рамки. Подвесим рамку к лапке штатива с помощью нити. Размеры рамки нужно выбрать так, чтобы она поместилась между полюсами магнита.

Сначала используем только подвешенную рамку (рис. 7а), без магнита. Подключим к рамке источник тока. Можно убедиться, что после подключения тока рамка продолжает висеть неподвижно. Отключим источник тока.

Теперь поместим магнит так, чтобы рамка находилась между его полюсами (рис. 7б) и, пропустим по цепи электрический ток. Легко заметить, что во время протекания тока рамка поворачивается и ориентируется по магнитному полю. А когда цепь размыкается, рамка возвращается в первоначальное положение.

Примечание: Если изменить полярность подключения источника к рамке, то она будет поворачиваться в противоположную сторону.

Замечательное свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле, используют в различных измерительных приборах. Один из таких приборов – гальванометр.

Устройство гальванометра

Гальванометром прибор назвали в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани. Этот прибор способен измерять маленькие электрические токи (постоянные).

На схемах прибор обозначают кружком, внутри которого расположена большая латинская буква G. На некоторых схемах внутри круга находится стрелка, направленная вертикально вверх.

  • подковообразный магнит и
  • находящуюся внутри него рамку, содержащую витки тонкого медного провода (рис. 8).

Подвижная рамка находится на оси и может вокруг нее поворачиваться.

К рамке прикреплена стрелка. Она указывает, на какой угол рамка повернулась во время протекания в ней электрического тока.

Угол поворота отмечают по делениям шкалы.

Кто такой Луиджи Гальвани

Гальвани был одним из основателей учения об электричестве.

Обнаружил, что в местах контакта различных видов металлов возникает электрическое напряжение.

Проводил опыты с использованием железного ключа и серебряной монеты.

Изучал сокращения мышц под воздействием электричества и пришел к выводу, что мышцы управляются электрическими импульсами, поступающими по нервным волокнам из мозга.

Читайте так же:
Количество теплоты в катушке с током

В итальянском городе Болонья неподалеку от здания Болонского университета находится памятник Гальвани. Он находится на площади Piazza Luigi Galvani, носящей имя ученого.

В его честь, так же, назвали один из кратеров на обратной стороне Луны.

А Болонский лицей назван именем Гальвани еще с 1860-го года.

О приборах магнитоэлектрической системы

Такие приборы, содержащие проводящую рамку и небольшой магнит, называют приборами магнитоэлектрической системы. Они получили широкое распространение из-за своего сравнительно простого устройства.

Шкалы приборов можно градуировать в различных единицах измерения, в зависимости от измеряемых физических величин. На основе таких приборов изготавливают вольтметры, амперметры, омметры и т. п.

Единица измерения количества теплоты выделяемого проводником с током

Для подсчета количества теплоты Q, выделяющейся при прохождении переменного тока по проводнику с активным сопротивлением R, нельзя использовать максимальное значение мощности, так как оно достигается только в отдельные моменты времени. Необходимо использовать среднюю за период мощность . Из векторной диаграммы (рис. 7.11) видно, что . Поэтому . Тогда как для постоянного тока . Если ввести действующие значения силы тока и напряжения, положив и , то выражение для средней мощности примет вид , и при , как и для постоянного тока – .

Таким образом, действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, который за время, равное периоду колебаний тока, выделяет такое же количество теплоты, что и переменный ток.

В электротехнике приборы проградуированы по действующим значениям. Поэтому при измерениях нужно учитывать, что в действительности максимальные значения тока и напряжения в 1,5 раза выше тех значений, которые показывают приборы.

В формулу для средней мощности входит , который называют коэффициентом мощности. Он определяет, насколько эффективно происходит передача энергии от источника к потребителю. Действительно, так как , то при , и мощность максимальна. Если включить реактивную нагрузку, то , и, чтобы получить ту же мощность, нужно увеличивать и , но тогда увеличиваются потери на джоулево тепло, что невыгодно. Поэтому нужно уменьшать реактивное сопротивление. Например, в случае наличия в цепи большой индуктивности, имеет смысл включить в цепь емкость.

Единица измерения количества теплоты

Количеством теплоты или просто теплотой ($Q$) называют внутреннюю энергию, которая без совершения работы передается от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой в процессах теплопроводности или лучеиспускания.

Джоуль — единица измерения количества теплоты в системе СИ

Единицу количества теплоты можно получить из первого начала термодинамики:

[Delta Q=A+Delta U left(1right),]

где $A$ — работа термодинамической системы; $Delta U$ — изменение внутренней энергии системы; $Delta Q$ — количество теплоты, подводимое к системе.

Из закона (1), а тем более из его варианта для изотермического процесса:

[Delta Q=A left(2right).]

очевидно, что в Международной системе единиц (СИ) джоуль (Дж) — единица измерения энергии и работы.

Через основные единицы джоуль легко выразить, если использовать определение энергии ($E$) вида:

где $c$ — скорость света; $m$ — масса тела. Исходя из выражения (2), имеем:

С джоулем используют все стандартные приставки системы СИ, обозначающие десятичные дольные и кратные единицы. Например, $1кДж=<10>^3Дж$; 1МДж =$<10>^6Дж$; 1 ГДж=$<10>^9Дж$.

Эрг — единица измерения количества теплоты в системе СГС

В системе СГС (сантиметр, грамм, секунда) теплота измеряется в эргах (эрг). При этом одни эрг равен:

[1 эрг=1 динcdot 1 см.]

Принимая во внимание то, что:

получаем соотношение между джоулем и эргом:

Калория — единица измерения количества теплоты

В качестве внесистемной единицы измерения количества теплоты используется калория. Одна калория равна количеству теплоты, которое следует передать воде массой один килограмм, чтобы нагреть ее на один градус Цельсия. Соотношение между джоулем и калорией следующее:

Читайте так же:
Тепловой автоматический выключатель контакты

[1калapprox 4,2 Дж.]

Если говорить точнее, то различают:

  • Международную калорию, она равна: [1 кал=4,1868 Дж;;]
  • термохимическую калорию: [1 кал=4,184 Дж;;]
  • 15-градусная калория, используемая для термических измерений: [1 кал=4,1855 Дж;;]

Часто калории используют с десятичными приставками, такими как: ккал (килокалория) $1ккал=<10>^3кал$; Мкал (мегакалория) 1Мкал =$<10>^6кал$; Гкал (гигакалория) 1 Гкал=$<10>^9кал$.

Иногда килокалорию называют большой калорией или килограмм-калорией.

Примеры задач с решением

Задание. Какое количество теплоты поглощает водород массой $m=0,2$кг при его нагревании от $t_1=0^circ!C>$ до $t_2=100^circ!C>$ при неизменном давлении? Запишите ответ в килоджоулях.

Решение. Запишем первое начало термодинамики:

[Delta Q=A+Delta U left(1.1right).]

Изменение внутренней энергии, если считать водород идеальным газом равно:

[Delta U=frac<2>fracRDelta T left(1.2right),]

где $i=5$ — число степеней свободы молекулы водорода; $mu =2cdot <10>^<-3>frac<кг><моль>$; $R=8,31 frac<Дж><мольcdot К>$; $Delta T=t_2-t_1$. По условию мы имеем дело с изобарным процессом. Работа в изобарном процессе равна:

Учитывая выражения (1.2) и (1.3) преобразуем первое начало термодинамики для изобарного процесса к виду:

[Delta Q=fracRDelta T +frac<2>fracRDelta T=fracRDelta Tleft(1+frac<2>right) left(1.4right).]

Проверим, в каких единицах измеряется теплота, если ее вычислить по формуле (1.4):

[Delta Q=frac<0,2><2•<10>^<-3>>cdot 8,31cdot 100left(1+frac<5><2>right)approx 291cdot <10>^3left(Джright)=291 left(кДжright).]

Ответ. $Delta Q=291 $ кДж

Задание. Гелий, имеющий массу $m=1 г$ нагрели на 100 К в процессе, изображенном на рис.1. Какое количество теплоты передано газу? Ответ запишите в единицах системы СГС.

Решение. На рисунке 1 изображен изохорный процесс. Для такого процесса первое начало термодинамики запишем как:

[Delta Q=Delta U left(2.1right).]

Изменение внутренней энергии найдем как:

[Delta U=frac<2>fracRDelta T left(2.2right),]

где $i=3$ — число степеней свободы молекулы гелия; $mu =4frac<г><моль>$; $R=8,31cdot <10>^7 frac<эрг><мольcdot К>$; $Delta T=100 К.$ Все величины записаны в СГС. Проведем вычисления:

[Delta Q=frac<3><2>cdot frac<1><4>cdot 8,31cdot <10>^7cdot 100approx 3cdot <10>^9(эрг) ]

Ответ. $Delta Q=3cdot <10>^9$ эрг

Сила тока: определение, как найти, расчет в проводнике

  • Природа происхождения
  • Модель электрической цепи
  • Единица измерения
    • В чем измеряется
    • В честь кого названа единица измерения
  • Как найти силу тока
    • В проводнике
    • В цепи
    • Формулы
  • Как можно измерить силу тока
    • Описание прибора
  • Примеры нахождения силы тока в задачах

Сила тока — физическая величина, которая позволяет дать количественную характеристику току. Она обозначается буквой I и численно равна заряду, который за единицу времени протекает через поперечное сечение проводника.

Природа происхождения

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля.

В качестве частиц выступают:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

  • в металлических проводниках — электроны;
  • в полупроводниках — дырки или электроны;
  • в вакууме — электроны (при определенных условиях);
  • в газах — электроны и ионы;
  • в растворах и расплавах электролитов — ионы.

Пока по проводнику не течет электрический ток частицы движутся хаотично. И их количество перетекших в одном направлении примерно соответствует и количеству частиц, перетекших в противоположном направлении.

Но ситуация меняется после того, как по проводнику пускают ток. В этом случае количество движущихся в одном направлении частиц значительно возрастает. И чем больше их проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше и сила тока.

Модель электрической цепи

Лучше понять физический смысл рассматриваемой величины можно на примере механической модели электрической цепи. В качестве ее возьмем водопроводную сеть частного дома.

Читайте так же:
Где устанавливают выключатель теплого пола

Для того, чтобы вода начала поступать в водопровод из скважины или колодца необходим насос. Поэтому его можно рассматривать в качестве аналога батареи или иного источника тока. Он создает в системе давление, которое и приводит воду в движение. Соответственно трубы выступают роли проводников, молекулы воды — электронов, а краны — электрических переключателей.

Чем сильнее напор в водопроводной системе, тем большее количество воды, а вернее ее молекул, протекает через поперечное сечение трубы за каждую секунду. Отсюда можно сделать вывод, что чем больше сила тока, тем сильнее и его действие.

Воздействие тока силой до 0,5 мА (частота 50 Гц) человек не ощущает. При силе от 2 до 10 мА возникают болезненные сокращения мышц. А удар током силой свыше 100 мА грозит развитием фибрилляции желудочков и остановкой сердечной деятельности.

Единица измерения

Так как сила тока — это количественная величина, то в физике есть и единица ее измерения. Она позволяет проводить сравнительный анализ различных токов и их действий.

В чем измеряется

Формула силы тока записывается так:

где (triangle t) — это единица времени, а (triangle q) — количества электрического заряда, протекшего за указанный промежуток времени через поперечное сечение проводника.

В Интернациональной системе (СИ) заряд измеряется в Кулонах, а время — в секундах. В соответствии с этим единица измерения силы тока — Кулон/секунду. По международному соглашению ее стали называть Ампером.

В 1948 году было предложено определять силу тока по взаимодействию двух проводников, расположенных в вакууме на расстоянии одного метра друг от друга и длиной в один метр.

За силу тока в 1 A принимают такой ток, при котором два проводника притягиваются друг к другу (ток течет в одном направлении) или отталкиваются (ток течет в разных направлениях) с силой 0,0000002 H.

На практике очень часто применяются кратные единицы силы тока:

1 кА = 103 А, 1 мкА = 10-6 А, 1 мА = 10-3 А

В честь кого названа единица измерения

Единица измерения силы тока была названа в честь французского ученого Андрэ-Мари Ампер. Его называют «отцом» учения о электромагнетизме. Именно он ввел в науку такие термины как электрический ток, электростатика и электродинамика, гальванометр, напряжение, электродвижущая сила, соленоид. Амперу удалось найти доказательство теоремы «О циркуляции магнитного поля» и описать математически силу взаимодействия между токами.

Как найти силу тока

С проблемой определения силы тока сталкиваются и при решении задач, и в повседневной жизни. Вычислить этот параметр для проводника или электрической цепи можно не только путем проведения измерений, но и при помощи формул.

В проводнике

Основными величинами, характеризующими электрический ток, являются сила, напряжение и сопротивление. Взаимосвязь между ними была установлена экспериментальным путем в 1826 году Георгом Омом. В последствии она была сформулирована в виде закона, который и был назван в честь ученого.

Закон Ома: сила тока в участке цепи или проводнике обратно пропорциональна сопротивлению и прямо пропорциональна напряжению.

Рассчитать силу тока в проводнике также можно, если разделить мощность на напряжение.

При протекании тока происходит нагревание проводника. И по количеству выделившегося тепла на основании закона Джоуля-Ленца возможно провести вычисление силы тока.

В цепи

Реальный источник тока всегда обладает своим внутренним сопротивлением.

Закон Ома для полной цепи формулируется так: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна сумме внутреннего и внешнего сопротивления.

Формулы

Закон Ома для участка цепи:

Читайте так же:
Регулировка теплового реле автоматического выключателя

где R — сопротивление проводника, а U — напряжение.

Закон Ома для полной цепи:

где ε — электродвижущая сила источника тока, R + r — сумма сопротивлений источника и внешней нагрузки.

Формула, для определения силы тока по мощности и напряжению:

где P — мощность, а U — напряжение.

Закон Джоуля-Ленца: при протекании по проводнику тока происходит выделение тепла (Q), которое равно произведению квадрата силы тока (I) на время (t), которое он протекал и на сопротивление проводника (R).

Математически формула выглядит так:

Исходя из нее можно вывести еще одну формулу для расчета силы тока:

Как можно измерить силу тока

Для измерения силы тока используется прибор, называемый амперметром. На электрических схемах он обозначается буквой А, заключенной в окружность.

В любом проводнике замкнутой цепи, собранной последовательно, протекает электрический ток одинаковой величины. Поэтому для его измерения достаточно просто разомкнуть эту цепь в любом месте и подключить амперметр. Нельзя подключать его к источнику тока при отсутствии устройства потребления.

Ток бывает переменный и постоянный. И для его измерения необходимы разные устройства. На шкале амперметров для постоянного тока имеется одно из следующих обозначений — «-», «DC» или указание на полярность подключения. Амперметры, предназначенные для измерения силы переменного тока обозначаются « (sim) » или «АС».

Амперметр для постоянного тока необходимо включать в цепь с соблюдением полярности, то есть к клемме прибора, имеющей обозначение «+», присоединяют провод, идущий от положительного электрода.

Если на источнике тока отсутствует указание полярности, то узнать ее можно по электрической схеме. Короткая линия всегда соответствует «минусу», а длинная — «плюсу».

Амперметр для переменного тока не имеет полярности и подключается без ее учета.

Описание прибора

Амперметр — это один из электроизмерительных приборов. Он обладает очень низким сопротивлением, чтобы не оказывать влияния на величину измеряемой силы тока. Ведь закон Ома гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Это означает, что чем больше сопротивление проводников, тем меньше сила тока.

Шкала прибора может быть градуирована не только в А, но и в других кратных единицах — мкА, мА, кА.

  • аналоговые (стрелочные);
  • цифровые (электронные).

Измерители стрелочного типа не нуждаются в источнике питания, так как потребляют электрический ток непосредственно из измеряемой цепи. Но они показывают величину силы тока с некоторой задержкой, а не мгновенно.

Электронные амперметры практически полностью лишены такого недостатка как инерционность. Современные процессоры, используемые в этих моделях, обеспечивают частоту обновления показателей до 1000 в минуту. Их недостатком является высокая цена и необходимость отдельного источника питания для функционирования.

Примеры нахождения силы тока в задачах

Задача №1

Определите силу тока проводнике, имеющем сопротивление 55 Ом при напряжении в сети 220В.

Решение

Вычисление

Ответ: сила тока в проводнике 4,4 А.

Задача №2

Сила тока в резисторе при напряжении 100В (U1) составляет 4 А (I1). Если напряжение увеличить на 20В (Δ U), как изменится сила тока (I2), протекающего через этот резистор?

Решение

По условию задачи сопротивление резистора не изменяется. Тогда:

Вычисление

Ответ: сила тока станет 4,8 А.

Задача №3

Определите силу тока в цепи с внешним сопротивлением 10 Ом и источником постоянного тока, ЭДС которого составляет 15В, а внутреннее сопротивление – 1 Ом.

Решение

Вычисление

Задача №4

При какой силе тока (I) проволока с сопротивлением (R) 20 Ом за 300 секунд (t) выделит 6 кДж теплоты (Q)?

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector