Sfera-perm.ru

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

Опыт тепловое действие электрического тока

Тепловое действие электрического тока – закон Джоуля-Ленца

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.

Приведите примеры использования теплового действия тока в быту технике

Главная > Теория > Тепловое действие тока

Электроток, проходящий по проводниковому элементу, за счет ударения свободных электронов об ионы и атомы нагревает его. Тепловое действие тока можно наблюдать во всех аспектах жизни человека: от работающих ламп накаливания и бытовых приборов до получения цветных металлов и добычи азота.


Самодельный нагревательный прибор с нихромовой спиралью, что нагревается под воздействием электротока

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.

Читайте так же:
Производство теплостойкого обмоточного провода

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.

Практическое значение

Понятно, что количество выделяемого тепла зависит от плотности тока и проводимости определенного вещества. Наглядно соответствующие влияния можно регистрировать в ходе последовательного пропускания тока 2 и 50 А через контрольную медную жилу сечением 2 мм кв. Во втором эксперименте нагрев будет значительно сильнее. Его можно уменьшить, увеличив диаметр проводника.

Снижение потерь энергии

Рассмотренный пример демонстрирует нежелательное явление для линий электропередач. Использование части энергии на обогрев окружающего пространства увеличивает потери воздушных линий. Превышение порогового значения провоцирует разрушение жил, защитных оболочек. Чрезмерное повышение температуры – причина возникновения пожаров.

Подобные явления происходят, если выбрана чрезмерная сила тока, либо недостаточно поперечное сечение проводника. Количество тепла, выделяемого в линии, обратно пропорционально зависит от квадрата напряжения (U) на подключенном потребляющем устройстве. Повышением U можно уменьшить потери. Однако подобное действие увеличивает вероятность короткого замыкания, ухудшает общие параметры безопасности.

Выбор проводов для цепей

Отмеченные выше проблемы теплового разрушения в значительной мере зависят от удельного сопротивления (Rу). Для наглядности можно использовать материалы со значительно различающимися характеристиками.

Расчеты количества теплоты (Q, Дж) для образцов длиной 1 м сечением 1 мм кв. при силе тока 5А за 30 секунд:

  • медь – 12,75;
  • сталь – 75;
  • никелин – 315.

Особое внимание следует уделять параметрам силовых кабелей, которые должны сохранять целостность в процессе реальной эксплуатации. Как правило, бытовые линии монтируют в глубине строительных конструкций. Такой способ подразумевает хорошую защищенность от неблагоприятных внешних воздействий. Вместе с тем возрастают затраты на исправление ошибок и устранение последствий аварий.

Чтобы использовать кабельную продукцию правильно, следует руководствоваться тематическими нормативами, которые изложены в ПУЭ. Для упрощения выбора предлагаются специализированные таблицы, в которых приведены результаты расчетов с учетом следующих важных факторов:

  • тип изоляции;
  • длительность и величина перегрузок;
  • особенности прокладки.

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.

Читайте так же:
Длина провода термодатчика для теплого пола

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.

Лампочка накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и увеличению возможностей для использования электричества. То, как применяются результаты исследований, можно рассмотреть на примере обычной лампочки накаливания.

Она устроена таким образом, что внутри протягивается нить, изготовленная из вольфрамовой проволоки. Этот металл является тугоплавким с высоким удельным сопротивлением. При проходе через лампочку осуществляется тепловое действие электрического тока.

Энергия проводника трансформируется в тепловую, спираль нагревается и начинает светиться. Недостаток лампочки заключается в больших энергетических потерях, так как лишь за счет незначительной части энергии она начинает светиться. Основная же часть просто нагревается.

Чтобы лучше это понять, вводится коэффициент полезного действия, который демонстрирует эффективность работы и преобразования в электроэнергию. КПД и тепловое действие тока используются в разных областях, так как имеется множество устройств, изготовленных на основании этого принципа. В большей степени это нагревательные приборы, электрические плиты, кипятильники и другие подобные аппараты.

Использование теплового действия электрического тока в устройстве теплиц и инкубаторов

Электрический ток
Использование теплового действия электрического тока в устройстве теплиц и инкубаторов.

2. Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.

3. Использование теплового действия электрического тока в устройстве теплиц.

4. Использование теплового действия электрического тока в устройстве инкубаторов.

Современный мир уже немыслимо представить без электричества. Электрический ток используется человеком повсеместно. Бытовые электроприборы прочно заняли свое место в жилище человека, в промышленности, на транспорте и различных учреждениях тоже нельзя обойтись без использования электричества.

Однако сельские жители, особенно пожилого возраста по-прежнему продолжают относиться осторожно к использованию электрического тока.

Цель доклада: Показать, как можно использовать электрический ток для нужд сельского хозяйства.

Подобрать литературу по теме доклада

Анализ и обобщение источников литературы

Выступление с докладом перед аудиторией.

Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.

При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается. Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Джоуля — Ленца. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I2, сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Количество тепла, выделяющегося в проводе, пропорционально объему провода и приращению температуры, а скорость отдачи тепла в окружающее пространство пропорциональна разности температур провода и окружающей среды.

В первое время после включения цепи разность температур провода и окружающей среды мала. Только небольшая часть тепла, выделяемого током, рассеивается в окружающую среду, а большая часть тепла остается в проводе и идет на его нагревание. Этим объясняется быстрый рост температуры провода в начальной стадии нагрева.

По мере увеличения температуры провода растет разность температур провода и окружающей среды, увеличивается количество тепла, отдаваемое проводом. В связи с этим рост температуры провода все более замедляется. Наконец, при некоторой температуре устанавливается тепловое равновесие: за одинаковое время количество теплоты выделяющегося в проводе становится равным количеству теплоты выделяющемуся во внешнюю среду.

Формула расчета и ее элементы

Суть явления понятна из упомянутого выше общего определения. Движущиеся электроны взаимодействуют с ионами вещества проводника с преобразованием механической энергии в теплоту. Увеличение силы тока повышает интенсивность процесса.

Читайте так же:
Примеры тепловое действие электрического тока химическое действие электрического тока

Наглядный пример – электролиз. При опускании в раствор подключенных к батарее пластин положительно заряженные ионы и электроны движутся в противоположных направлениях. Достаточно высокий ток провоцирует перемещение примесей с последующим осаждением на поверхности электродов. Одновременно происходит нагрев жидкости.

При подключении к источнику медного проводника химические реакции отсутствуют. Если исключить механические воздействия (электромагнитная индукция, движение ионов в растворе), вся работа тока в соответствующей цепи будет направлена только на увеличение внутренней энергии вещества.

Следовательно, во втором примере работу (A) можно принять равной увеличению энергетического потенциала, который выражается соответствующим количеством теплоты (Q). Основная формула:

где:

  • U – напряжение;
  • I – ток;
  • t – время.

Для удобства расчетов можно использовать иные эквиваленты на основе формул закона Ома:

  • U = I * R;
  • R – электрическое сопротивление проводника;
  • значит, Q = I2 * R * t.

Примеры действия электрического тока

Как известно, увидеть движущиеся заряды (электроны, ионы) мы не можем, так как они очень малы. Но как тогда можно обнаружить электрический ток?

ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

При протекании электрического тока могут происходить различные явления, которые называются действиями электрического тока.

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Электрический ток, протекая по проводам, вызывает их нагревание.

Присоединим к полюсам источника тока железную или никелевую проволоку. Замкнув ключ, можно наблюдать, как проволока провиснет, т. е. она нагреется и удлинится. Таким образом её можно даже раскалить докрасна.

Именно на тепловом действии тока основана работа различных бытовых нагревательных приборов, таких, как электрический чайник, электрические плитки, утюги и др. Нить лампочки раскаляется и начинает светиться.

ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Как показывает опыт, на электродах, опущенных в раствор электролитов, происходит выделение чистого вещества. Этот процесс называется электролизом. Например, пропуская ток через раствор медного купороса, можно выделить чистую медь.

Электрический ток в металлах не вызывает никаких химических изменений. Химическое действие тока происходит только в растворах и расплавах электролитов.

МАГНИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

На большой железный гвоздь намотаем тонкий изолированный провод. Концы провода через ключ соединим с источником тока.

Если замкнуть ключ, то гвоздь намагнитится и будет притягивать к себе гвоздики, железные стружки, опилки. С прекращением тока в проводнике магнитные свойства гвоздя исчезнут.

Явление взаимодействия катушки с током и магнита лежит в основе работы прибора, называемого гальванометром. С помощью гальванометра можно судить о наличии тока и его направлении. Стрелка прибора связана с подвижной катушкой. Когда в катушке появляется электрический ток, стрелка отклоняется.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Металлическую рамку соединим с источником тока. При пропускании электрического тока через рамку она остаётся висеть неподвижно. Но если эту рамку поместить между полюсами подковообразного магнита, то она начнёт поворачиваться.

В этом опыте мы наблюдали механическое действие электрического тока, которое заключается в том, что электрический ток при протекании по рамке, помещённой между полюсами магнита, вызывает её вращение.

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.

Читайте так же:
Тепловые расцепители автоматических выключателей срабатывают

Угол поворота отмечают по делениям шкалы.

Кто такой Луиджи Гальвани

Гальвани был одним из основателей учения об электричестве.

Тепловое Действие Тока Электрического.
Основы Электричества.

Тема — Тепловое Действие Тока Электрического. Основы Электричества.

Электрическая энергия способна вызывать нагрев проводника. Данное явление большинству хорошо известно. Этот эффект можно пояснить тем, что имеющиеся свободные электроны в различных металлах, совершая перемещение под воздействием электрического поля, непосредственно взаимодействуют с атомами либо ионами самого вещества электрического проводника. При своём протекании электроны передают атомам и ионам часть своей энергии. Работа тока электрического повышает скорость внутренних колебаний атомов и ионов, в итоге внутренняя энергия проводника также повышается.

Давайте с Вами подробней рассмотрим тепловое действие тока электрического. На опыте можно увидеть, что в металлических неподвижных проводниках вся совершаемая работа электрического тока тратится на повышение их внутренней энергии. Разогретый электрический проводник сообщает приобретённую энергию соседним телам, но уже посредствам прямой теплопередачи. Следовательно, имеющееся количество теплоты, которое выделяется электрическим проводником, где протекает ток, количественно равно значению работы тока:

А (работа) = U (напряжение)•I (ток)•t (время)

Давайте с Вами обозначим меру количества имеющейся теплоты через букву «Q». Опираясь на сказанное Q(количество теплоты) = A(работа), либо Q(количество теплоты) = U•I•t. Для того что бы выразить тепловое действие тока электрического, используя законом Ома и определить количество теплоты. Применим следующую формулу: Q = I•R•I•t, то есть «Q=I2•R•t». Выделяемое проводником количество теплоты равно произведению квадрата тока, электрического сопротивления проводника и затраченному времени.

Есть довольно большое количество различных электронагревательных устройств (электроплиты, самовары, утюги, кипятильники, фены, обогреватели), в которых применяется тепловое действие электрического тока. Главным элементом нагрева является высокоомная спираль из некоторых видов материала, которые имеют высокое удельное сопротивление. Данная спираль устанавливается в специальные керамические диэлектрические изоляторы.

В электроприборах, которые изначально предназначены для подогрева различных жидкостей, изолированная электрическая спираль располагается в трубках из специальной нержавеющей стали. Ее электрические выводы также хорошо изолируются от имеющихся металлических частей электроприборов. Рабочая температура этой спирали остается неизменной. Это объясняется тем, что довольно быстро устанавливается баланс между затраченной электрической энергией и тем количеством теплоты, которое отдаётся через теплообмен.

Кроме электрической спирали, которая проявляет тепловое действие тока электрического, также хорошо преобразует электроэнергию в свет и тепло — электрическая дуга. Ее повсеместно применяют для электрической сварки, а также в качестве интенсивного светового источника. Плазменное тело электрической дуги обладает очень высокой температурой, при которой даже расплавляются наиболее тугоплавкие материалы. По этой причине электрическая дуга широко применяется в дуговых электрических печах для расплавки различных металлов.

Различные электрические цепи изначально рассчитаны на определенную величину силы тока. Если по какой либо причине величина тока в электрической цепи увеличивается и становится больше предельно допустимой, то силовые электрические провода могут сильно нагреться, а имеющаяся покрывающая их диэлектрическая изоляция — сгорит. Основными причинами чрезмерного увеличения значения силы тока в электросети может послужить одновременное подключение мощных потребителей (электрических плиток), либо же короткое замыкание.

Кроме устройств и приборов, которые применяют тепловое действие тока электрического для непосредственного разогрева различных сред, ещё используют защитную функцию этого явления. То есть, мы знаем, что в случае чрезмерного протекания электрического тока по электрической цепи могут происходить неблагоприятные события, как для самого электрооборудования (цепи, проводки), так и для безопасности человека. Для того что бы ограничить силу тока используют некоторые виды защитных устройств. Это всем известные плавкие предохранители и тепловые вставки. Их работа заключается в оперативном срабатывании и последующем отключении электроцепи при возникновении повышенного (относительно нормы) значения тока в электрической цепи.

Читайте так же:
Признаки теплового действия электрического тока

Тема урока: «Тепловое действие тока»

Презентация к уроку

Загрузить презентацию (393 кБ)

Цель урока: организовать деятельность учащихся, направленную на изучение теплового действия электрического тока и первичное закрепление полученных знаний.

Задачи урока:

  • Предметные:
    • создать условия для формирования понятия тепловое действие электрического тока;
    • создать условия для изучения и практического применения закона Джоуля-Ленца.
  • Метапредметные:
    • создать условия для формирования исследовательских навыков;
    • продолжить развитие умения проводить физический эксперимент;
    • продолжить развитие умения выделять главное при работе с текстом предметного содержания.
  • Личностные:
    • формировать коммуникативные навыки учащихся;
    • развивать терпимость при работе в группах;
    • продолжить развитие мотивации к предмету.

План урока

Учитель: Здравствуйте, ребята. Я рада снова видеть вас и надеюсь на взаимность.

I. Постановка проблемы

– Прежде чем мы приступим к уроку, я хотела бы, чтобы каждый из вас настроился на продуктивную работу. Настроились? Прекрасно! А теперь давайте приступим к работе.
Учитель собирает цепь состоящую из последовательно соединенных источника тока, ключа, лампочки. Лампочка со временем начинает нагреваться. (Ведется диалог).

Учащиеся пытаются ответить на вопросы:

  • Почему лампочка нагревается?
  • Какие действия тока вы знаете?
  • Каковы причины возникновения теплового действия тока?
  • Сколько энергии потребляем мы каждый день?

II. Проверка подготовки к уроку

Тестовое задание на знание формул мощности и работы тока (Приложение 1)
Учитель: Прежде чем мы ответим на последний вопрос, давайте вспомним от каких величин зависит яркость свечения лампочки.
(поменялись листиками и проверили друг у друга правильность выполнения):
(12 правильных заданий – «3»;
15-20 заданий – «4»;

    • адания «5»)

III. Изучение нового материала

Вывод: Следовательно, выделяется количество теплоты. Q = A = UIt
Этот закон открыли два ученых, отдельно друг от друг, Джоуль и Ленц.
Закон Джоуля-Ленца.

Учитель: При каких условиях количество теплоты, выделяющееся в проводнике, можно вычислять по двум другим формулам?
При последовательном соединении I = const, Q = I 2 Rt
При параллельном соединении U = const, Q = U 2 t/R

IV. Осмысление (реализация)

Учитель: Сейчас разделимся на три группы (Приложение 2)

1 группа – Выяснить, как зависит количество теплоты от длины проводника при последовательном и параллельном соединении. Решить задачу (Приложение 3)
2 группа – Выяснить, как зависит количество теплоты от площади сечения проводника при последовательном и параллельном соединении. Решить задачу (Приложение 3)
3 группа – Выяснить, как зависит количество теплоты от удельного сопротивления проводника при последовательном и параллельном соединении. Решить задачу (Приложение 3)

Учитель: Заполняем таблицу на основе выполненных заданий (каждая группа заполняет свой столбик):

Зависимость Q от SЗависимость Q от LЗависимость Q от p
Последовательное соединение
Параллельное соединение

V. Закрепление изученного материала

Учитель: Молодцы. Теперь вернемся к вопросу вначале урока – Сколько энергии потребляем мы каждый день?

Задания в парах: Рассчитайте сколько в доме потребляется электроэнергии в день (Приложение 4)

Вывод (примерно):

1. 4 лампочки по 7 Вт, 7 часов в день
2. Компьютер – 6 часов
3. Телевизор – 11 часов
4. Холодильник – 24 часа

VI. Рефлексия – создание синквейнов (правила составления синквейнов слайд №13-16)
Примерный ответ учащихся:

Ток
Электрический, опасный
Движет, нагревает, убивает
Ток важен в жизни
Есть контакт!

VII. Домашнее задание. §21, задания 1-3

Урока время истекло
Я вам ребята благодарна
За то, что встретили тепло
И поработали ударно

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector