Sfera-perm.ru

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

Кто открыл тепловое воздействие тока

Кто открыл тепловое воздействие тока

Рассмотрим произвольный участок цепи, к концам которого приложено напряжение U. За время dt через каждое сечение проводника проходит заряд

При этом силы электрического поля, действующего на данном участке, совершают работу:

Разделив работу на время, получим выражение для мощности:

(7.7.1)

Полезно вспомнить и другие формулы для мощности и работы:

(7.7.2)
(7.7.3)

В 1841 г. манчестерский пивовар Джеймс Джоуль и в 1843 г. петербургский академик Эмилий Ленц установили закон теплового действия электрического тока.

Джоуль Джеймс Пресскотт (1818 – 1889) – английский физик, один из первооткрывателей закона сохранения энергии. Первые уроки по физике ему давал Дж. Дальтон, под влиянием которого Джоуль начал свои эксперименты. Работы посвящены электромагнетизму, кинетической теории газов.
Ленц Эмилий Христианович (1804 – 1865) – русский физик. Основные работы в области электромагнетизма. В 1833 г. установил правило определения электродвижущей силы индукции (закон Ленца), а в 1842 г. (независимо от Дж. Джоуля) – закон теплового действия электрического тока (закон Джоуля-Ленца). Открыл обратимость электрических машин. Изучал зависимость сопротивление металлов от температуры. Работы относятся также к геофизике.

Независимо друг от друга Джоуль и Ленц показали, что при протекании тока, в проводнике выделяется количество теплоты:

(7.7.4)

Если ток изменяется со временем, то

.

Это закон Джоуля–Ленца в интегральной форме.

Отсюда видно, что нагревание происходит за счет работы, совершаемой силами поля над зарядом.

Соотношение (7.7.4) имеет интегральный характер и относится ко всему проводнику с сопротивлением R, по которому течет ток I. Получим закон Джоуля-Ленца в локальной-дифференциальной форме, характеризуя тепловыделение в произвольной точке.

Тепловая мощность тока в элементе проводника Δl, сечением ΔS, объемом равна:

.

Удельная мощность тока

.

Согласно закону Ома в дифференциальной форме . Отсюда закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме характеризующий плотность выделенной энергии:

,(7.7.5)

Так как выделенная теплота равна работе сил электрического поля

,

то мы можем записать для мощности тока:

.(7.7.6)

Мощность, выделенная в единице объема проводника .

Приведенные формулы справедливы для однородного участка цепи и для неоднородного.

урок «Тепловое действие тока. Электронагревательные приборы»
методическая разработка по физике (8 класс) по теме

Цели и задачи урока:

  • Изучить тепловое действие электрического тока и показать практическое его применение;
  • Ознакомить учащихся с устройством некоторых электронагревательных приборов;
  • Расширять политехнический кругозор учащихся.

Используется технология Развития критического мышления

Скачать:

ВложениеРазмер
konspekt_uroka.doc65.5 КБ
teplovoe_deystvie_toka.otkrytyy_urok_01.03.12.ppt1.42 МБ

Предварительный просмотр:

Урок по физике в 8 классе по теме:

«Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца. Электронагревательные приборы»

Цели и задачи урока :

  1. Изучить тепловое действие электрического тока и показать практическое его применение;
  2. Ознакомить учащихся с устройством некоторых электронагревательных приборов;
  3. Расширять политехнический кругозор учащихся.

Используется технология критического мышления, класс делится на 3 команды

Методы и приемы

Индивидуальное осмысление «Верите ли вы, что», работа с источниками информации (учебники, раздаточный материал)

Проверка подготовки к уроку

Интерактивный тренинг на знание формулы мощности электрического тока (работа в группах)

Изучение нового материала

Презентация материала по теме. Закрепление на задачах. Просмотр видеофрагментов.

Работа в группах

Работа в группах – расчёт стоимости электроэнергии за месяц. Способы решения проблем повышенного энергосбережения в быту. Выявление причин более выгодного использования энергосберегающих ламп по сравнению с лампой накаливания. Решение задач.

§53,54, упр. 27, задание 8 – по желанию

  1. Индивидуальная работа учащихся – «Верите ли вы, что»: (в своих тетрадях каждый ставит + или — ) (СЛАЙД 2)
  1. 2 ученых, работающих в разных странах и не знакомые друг с другом, почти одновременно сделали одно и то же открытие?
  2. Физический закон носит имена владельца пивоваренного завода и ректора Санкт-Петербургского университета?
  3. В конце 19 века Россию называли родиной света?
  4. Электрическая лампа чаще перегорает в момент замыкания тока и очень редко в момент размыкания?
  5. Наибольший расход электроэнергии в наших квартирах приходится на освещение?
  1. Чтобы узнать правильные ответы, требуется вспомнить изученное и узнать новое.
  2. Интерактивный тренинг на знание формулы мощности электрического тока (слайд 3) http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba075-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_19.swf
  1. Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током? Поработайте с текстом учебника и попробуйте сформулировать это в виде ключевых словосочетаний. (СЛАЙД 4)
  1. Учащиеся делают вывод, что Степень нагрева проводника зависит от его СОПРОТИВЛЕНИЯ (слайд 6), выдвигают предположения, как зависит количество теплоты от способа соединений проводников
  2. Решают по группам задачи (слайды 7 и 8):
  1. Как изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, если силу тока в проводнике увеличить в 2 раза?

(увеличится в 4 раза)

  1. 2 лампы, соединённые последовательно, подключены к источнику тока. Сопротивление первой лампы меньше, чем у второй. Какая лампа будет гореть ярче при замыкании цепи?
  1. 2 лампы, соединённые параллельно, подключены к источнику тока. Сопротивление первой лампы меньше, чем у второй. Какая лампа будет гореть ярче при замыкании цепи?
  1. Применение теплового действия тока (слайды 9 и 10) .
    Посмотрите видеоролик и составьте по нему 2 вопроса другим командам http://www.vesti.ru/videos?vid=247235&doc_type=news&doc_id=322232
  2. Физкультминутка .

Если учитель называет физическую величину, учащиеся поднимают руки и тянутся вверх. Если учитель называет единицу измерения, то учащиеся делают махи руками перед грудью.

Потом 1 команда старается показать последовательное соединение проводников (проводники – учащиеся, соединительные провода – руки), 2 команда – параллельное соединение ,а 3я – смешанное.

  1. Далее команды получают индивидуальные задания, распечатанные тексты, у них в наличие и другие источники информации. Время на подготовку 7 минут.

Группа, которой попалась ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ

Изучите текст и ответьте на вопросы:

  1. Почему лампа накаливания относится к электронагревательным приборам?
  2. Каким требованиям должно обладать вещество нити спирали? Почему?
  3. Зачем нить накала лампы выполняют в виде спирали?
  4. С какой целью из колбы лампы откачивают воздух или помещают инертный газ?
  5. В какой момент чаще перегорает лампа: в момент включения света или в момент выключения света? Почему?
  6. Каков КПД лампы накаливания?
  7. Назовите 3 основных достоинства и 3 основных недостатка лампы накаливания.

Группа, которой попались Энергосберегающие лампы

Изучите текст и ответьте на вопросы:

  1. Каково устройство энергосберегающей (люминесцентной) лампы?
  2. Каков КПД люминесцентной лампы?
  3. Каковы главные достоинства энергосберегающих ламп?
  4. Каковы главные недостатки энергосберегающих ламп?
  5. Что вы думаете об эффективности ли замены ламп накаливания на энергосберегающие?

Группа, которой попалась ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ В МОЁМ ДОМЕ

Ответьте на вопросы:

  1. Ознакомьтесь с паспортами электробытовых приборов, используемых в наших квартирах, найдите их мощность.
  2. Ответьте на вопрос: на какие нужды тратится бОльшее количество электроэнергии у нас дома?
  3. Сделайте расчет (заполнив таблицу) стоимости электроэнергии за месяц 1 семьи.
  4. Рассчитайте, сколько каменного угля надо было бы сжечь, чтобы получить такое же количество энергии, которое мы тратим ежемесячно?
  5. Что представляет собой нагревательный элемент электронагревательного прибора?
  6. Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали и ленты нагревательного элемента?

Команды должны распределить вопросы и задания, организовав работу так, чтобы каждый учащийся занимался посильным заданием и все вопросы были рассмотрены.

Далее – презентация заданий своей группы. (основные выводы, рисунки и пр. выполнены в презентации – слайды 12 — 19 ) Выступающая группа задаёт вопросы тем, кто слушал, обсуждение.

  1. Учащиеся отвечают на вопросы индивидуально (слайд 20):
  1. Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?
  2. Объясните, почему провода, подводящие ток к электрической лампочке, практически не нагреваются, в то время как нить лампочки раскаляется добела?
  3. Если на волоске электролампы образуется изъян (утоньшение), то место изъяна накаляется сильнее остальной части волоска. Почему?
  4. Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?
  1. Возвращаемся к началу урока – «Верю – не верю» и выясняем, что Ответы везде – да!
  2. Рефлексия – создание синквейнов командами.
  3. Домашнее задание.

Учащиеся проявляют умение работать с постоянно обновляющимся информационным потоком в разных областях знаний; умение выражать свои мысли (устно и письменно) ясно, уверенно и корректно по отношению к окружающим; умение вырабатывать собственное мнение на основе осмысления различного опыта, идей и представлений; умение решать проблемы; способность самостоятельно заниматься своим обучением , умение сотрудничать и работать в группе; способность выстраивать конструктивные взаимоотношения с другими людьми.

Применение теплового действия электрического тока — Электрические явления

Цели: выяснить причины перегрузки сети и короткого замыкания, объяснить учащимся назначение предохранителей; изучить устройство лампы накаливания.

Демонстрации: устройство и принцип действия лампы накаливания; устройство и принцип действия предохранителей; устройство и принцип действия электронагревательных приборов.

I. Повторение изученного

Повторить материал, изученный на предыдущем уроке, можно в ходе фронтального опроса по теме «Закон Джоуля-Ленца»:

— В чем проявляется тепловое действие тока? При каких условиях оно наблюдается?

— Почему при прохождении тока проводник нагревается?

— Почему, когда по проводнику пропускают электрический ток, проводник удлиняется?

— По какой формуле можно рассчитать количество теплоты, выделяемое проводником с током?

— Как формулируется закон Джоуля-Ленца?

— Последовательно соединенные медная и железная проволоки одинаковой длины и сечения подключены к аккумулятору. В какой из них выделится большее количество теплоты за одинаковое время?

II. Применение теплового действия электрического тока

На данном уроке необходимо остановиться на использовании теплового действия тока на практике:

а) электрические лампы накаливания;

б) электрические нагревательные приборы;

в) короткое замыкание;

г) плавкие предохранители.

Следует уделить несколько минут на уроке рассмотрению вопросов о коротком замыкании, о назначении и устройстве предохранителей.

К пониманию вопроса о коротком замыкании учащиеся уже достаточно подготовлены. Им уже говорилось, что электрические цепи рассчитаны на определенную силу тока. Если сопротивление цепи по каким-либо причинам уменьшится, то сила тока возрастет и может стать больше допустимой. Естественно, при этом будут нагреваться провода, возможно воспламенение изоляции проводов и даже расплавление проводов. Такое уменьшение сопротивления цепи может возникнуть при включении параллельно дополнительных потребителей. При коротком замыкании ток может достигнуть очень большой величины и возникнет опасность пожара. Избежать этой опасности помогают предохранители.

Предохранитель — это устройство для предотвращения недопустимого и опасного действия установки, машины, аппарата, прибора, оружия и прочего, в результате нарушения нормальных условий и режимов их работы, аварий, неосторожного обращения и др. Наиболее распространены плавкие предохранители для защиты электрических сетей от токов короткого замыкания. Предохранительные клапаны нужны для защиты паровых котлов и напорных воздушных баков (ресиверов) от чрезмерного повышения давления, а также предохранители применяются в ружьях и пистолетах.

Предохранитель плавкий — это устройство для защиты электрических установок от токов коротких замыканий и перегрузок, прерывающие цепь в результате расплавления специального проводника. При возрастании тока в цепи свыше номинального значения в плавких предохранителях происходит расплавление плавких вставок и защищаемого плавкого предохранителя проводов, машин, аппаратов. Различают номинальный ток плавкого предохранителя, на который рассчитаны его токоведущий и контактные несменяемые части и номинальный ток сменяемой плавкой вставки, выполняемой на различные номинальные токи.

Чтобы предотвратить возникновение длительной электрической дуги, плавкая вставка должна иметь длину больше той, при которой может гореть дуга под данным напряжением, поэтому на плавких предохранителях кроме номинального тока, указывается также и наибольшее допустимое рабочее напряжение установки.

Достоинством плавких предохранителей является простота и дешевизна; недостатком — необходимость замены плавких вставок, что особенно затрудняется в установках высокого напряжения. Кроме того, электрические машины защищают плавкие предохранители только от токов коротких замыканий.

На уроке можно также показать фрагменты видеофильмов о применении электрического тока, например: «Из истории электрического освещения»; «Электричество служит людям»; «Работает электрический ток».

Далее заслушиваются доклады учащихся.

1. § 54, 55 учебника; вопросы к параграфу.

2. Сборник задач В. И. Лукашика, Е. В. Ивановой, № 1443, 1444, 1446.

Первые точные опыты, доказывающие эквивалентность количества теплоты, переданного телу, и работы, были выполнены английским ученым Д. Джоулем в середине XIX в.

Интерес к проблеме впервые возник у Джоуля из знакомства с электрическими двигателями, которые только что были изобретены. Джоуль был человеком весьма практического склада ума, и его увлекла идея создать вечный источник энергии. Он изготовил вольтову батарею, запустил от нее примитивный электродвигатель собственной конструкции и увидел, что получить нечто из ничего не удается: цинк в батарее съедался, и замена его обходилась довольно дорого. (Позже Джоуль доказал, к своему собственному удовольствию, что прокормить лошадь всегда дешевле, чем менять цинк в батареях, так что лошадь никогда не будет вытеснена электродвигателем.) Это побудило Джоуля исследовать связь между теплотой и энергией всех видов, и он решил выяснить, существует ли точное количественное соотношение между теплотой и механической энергией.

Джоуль пришел к следующему результату: при совершении работы 4,2 Дж происходит такое же повышение температуры, как и при сообщении телу количества теплоты, равного 1 кал.

Многочисленные последующие опыты самого Джоуля и других ученых подтвердили сделанный вывод. Было экспериментально доказано, что калория есть не что иное, как тепловая единица энергии. Величина 4,2 Дж/кап (или, точнее, 4,1868 Дж/кап) получила название механического эквивалента теплоты: это переводной множитель из тепловых единиц в механические.

В СИ количество теплоты выражают в джоулях, а удельную теплоемкость — в джоулях на килограмм — кельвин. Для воды удельная теплоемкость примерно равна 4190 Дж / (кг · К).

Томас Алва Эдисон (1847-1931)

Томас Алва Эдисон родился в 1847 году. Жил он в маленьком городишке США. Его считали в школе ленивым учеником, хотя внимательный учитель мог бы заметить в нем природную любознательность и склонность к исследованиям. В подвале дома он устроил химическую лабораторию и ставил там различные опыты.

В 12 лет Томас бросил школу и стал разносчиком газет. Потом он освоил профессию телеграфиста, блестяще изучил технику телеграфирования, телеграфный аппарат. Первое изобретение Эдисона связано именно с телеграфным аппаратом. Эдисон сконструировал приставку, которая автоматически и периодически посылала условный сигнал на станцию, подтверждающий, что телеграфист бдительно дежурит у аппарата.

С тех пор в течение более чем 60 лет Эдисон вел напряженную изобретатель? скую работу, хлопотал о внедрении своих технических новшеств в производство.

Эдисон проявлял энергию и упорство в достижении поставленной цели. Так, поставив перед собой задачу создать завод по производству карболовой кислоты, он почти не выходил из лаборатории, но проблему он решил. Для того чтобы создать щелочной аккумулятор, он провел десятки тысяч опытов.

В 1878 г. Эдисон обратился к проблеме электрического освещения, пошел по пути усовершенствования лампы накаливания А. Н. Лодыгина.

За один год он провел 6000 опытов в поисках наилучшего материала для нити лампы накаливания. И хотя лампы Эдисона получили признание, все же лучший материал для нитей — вольфрам предложил А. Н. Лодыгин; нити из вольфрама используются до сих пор в большинстве ламп накаливания.

Телефон изобрел А. Белл, а Эдисон внес в него значительные усовершенствования, которые устраняли посторонние шумы и позволяли хорошо слышать собеседника на любом расстоянии.

Эдисон развивал идеи предшественников, теперь изобретатели разных стран шли по открытому им пути: были созданы граммофон, патефон, электрофон.

Умер Эдисон в 1931 году.

Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

© 2014-2021 Все права на дизайн сайта принадлежат С.Є.А.

4. 3. 017 Законы Ленца

4.3.017 Законы Ленца
(к сожалению, формула воспроизводится не точно)

Физик, геофизик, геодезист, электротехник, географ, путешественник, педагог; профессор Морского кадетского корпуса, Михайловской артиллерийской академии, Главного педагогического института, Михайловского артиллерийского училища; профессор, заведующий кафедрой физики и физической географии, декан физико-математического факультета, ректор Санкт-Петербургского университета; академик Императорской СПб АН, член ряда зарубежных АН и научных обществ Европы; основатель научной школы физиков; один из учредителей Русского географического общества; создатель учебников физики для средних школ; тайный советник — Эмилий Христианович Ленц, настоящее имя Генрих Фридрих Эмиль Ленц (1804—1865) является автором фундаментальных законов электродинамики.

Ленц установил факт обратимости магнитоэлектрической машины и электродвигателя, совместно с академиком Б.С. Якоби разработал методы расчета электромагнитов.

Помимо главного закона сохранения и превращения, в каждом разделе физики есть еще несколько основных законов.

Скажем, в механике это закон Архимеда, закон всемирного тяготения, законы Ньютона и т.д. В электричестве и магнетизме — законы Ома, Кулона и др. Среди них два принадлежат Э.Х. Ленцу: закон его имени (его часто называют правилом) и закон Джоуля — Ленца, открытый в начале 1840-х гг. экспериментальным путем независимо друг от друга обоими учеными.

Ленц получил и интерпретировал результаты раньше Дж. Джоуля, и благодаря более совершенному методу они у него были точнее, но английский физик опередил русского с публикацией. Тут уж ничего не поделаешь — такова планида у русских ученых!

Есть у Ленца и два «довесочка»: в законе электромагнитной индукции Фарадея по закону Ленца определяется знак электродвижущей силы (ЭДС); а еще Эмилий Христианович первым обратил внимание на закон Ома и всячески содействовал его признанию.

После открытия датским ученым Х.К. Эрстедом в 1820 г. электромагнетизма (электродинамики), ученые разных стран — А. Ампер, М. Фарадей, Д.К. Максвелл, Г. Герц и др. добились в новой области науки впечатляющих достижений.

Однако из-за отсутствия точных приборов, а также методов измерения электрических и магнитных величин в формулах и теориях зачастую не было и однозначных трактовок.

В частности, отсутствовала количественная характеристика электромагнитной индукции (явления возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него), не было правила (исключая несколько мнемонических), определяющего направление индуктированных токов и др.

Большую часть этих сложных физических проблем разрешил один из лучших экспериментаторов своего времени Э.Х. Ленц.

В 1833 г. ученый представил Петербургской АН доклад «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией», в котором указал на различное толкование Фарадеем индуцируемых токов в случае вольта-электрической и в случае магнитоэлектрической индукции и объявил, что в обоих случаях действует один и тот же индукционный процесс, подчиняющийся общему правилу: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Теоретические выкладки подкреплялись блестящими экспериментами, показывающими, что индукционный ток всегда противодействует изменению, порождающему его.

С тех пор правило Ленца, предписывая направление движения индукционного тока, действует в электромагнитной индукции как правила уличного движения на городских улицах.

Выводя свое правило, Ленц впервые обосновал и справедливость закона сохранения и превращения энергии при взаимных превращениях механической и электромагнитной энергии. Перемещая магнит или проводник с током вблизи замкнутого проводника, ученый показал, что механическая энергия этого перемещения превращается в электромагнитную энергию тока индукции.

«Работа перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во втором проводнике», — заметил физик (http://elkin52.narod.ru/).

Закон сохранения и превращения энергии в его современном виде был открыт лишь через восемь лет после доклада Ленца немецким физиком Р. Майером.

Работы Ленца в этом направлении позволили ему впервые сформулировать в 1833 г. фундаментальный принцип обратимости электрических машин. Экспериментально доказав обратимость генераторного и двигательного режимов электрических машин, физик совершил настоящий переворот в развитии электротехники.

Не менее значительны исследования Ленцем теплового действия электрического тока.

В 1832 г. ученый впервые обратил внимание на изменение проводимости нагреваемых металлических проводников.

Сконструировав прибор для измерения количества тепла, выделяемого при прохождении тока в платиновой проволоке, ученый провел большую серию опытов, позволивших ему сформулировать в 1843 г. новый закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока: «Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока».

Как уже было сказано, Джоуль, проводя аналогичные эксперименты, выполнил гораздо меньше измерений и пользовался менее точным прибором. Научное сообщество не стало мелочиться и отдало приоритет в открытии закона обоим ученым.

Закон Джоуля — Ленца определяет количество тепла Q, выделяющегося в проводнике при прохождении через него электрического тока: Q пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока I в цепи и времени прохождения тока t.

где а — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранных единиц измерения.

Сфера применения закона обширна. На нем основан расчет всех электрических цепей и электронных схем, электроосветительных установок, нагревательных и отопительных электроприборов.

Согласно закону, для уменьшения тепловых потерь в линиях электропередач повышают передаваемое напряжение, что снижает силу тока, а значит, и нагрев провода. Чтобы проводник чрезмерно не разогревался и не стал источником пожара, ввели нормы расчета сечений проводов.

На принципе разогрева проводника при увеличении его электрического сопротивления устроены все электронагревательные приборы, нагревательные элементы которых изготавливают из специальных тугоплавких сплавов с высоким удельным сопротивлением (нихром, константан) и по возможности большой длины и малого сечения провода.

Для защиты электрических цепей от протекания токов высокой силы используют электрические (плавкие) одноразовые предохранители относительно малого сечения из легкоплавкого сплава. При перегрузке в сети и при коротком замыкании тока эти проводники расплавляются и размыкают цепь, предохраняя ее от перегрева и возгорания.

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Тепловой источник тока схема
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector