Sfera-perm.ru

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

Тепловое действие электрического тока в природе

Презентация на тему: Тепловое действие тока

Презентация на тему: Выполнила работу: Хамедова Хасиба 10 класса «А» Тепловое действие тока

Электрический ток. Электрический ток нагревает проводник. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока увеличивается скорость колебаний ионов и атомов и внутренняя энергия проводника увеличивается. Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока. Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле: А = U·I·t. Электрический ток в проводнике

Закон Ома. Обозначим количество теплоты буквой Q. Согласно сказанному выше Q = A, или Q = U·I·t. Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Зная, что U = IR, получим: Q = I·R·I·t, т. е. Q=I ·R·t Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. К этому же выводу, но на основании опытов впервые пришли независимо друг от друга английский ученый Джоуль и русский ученый Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля — Ленца. Закон Ома для участка цепи

Задача на закон Ома для участка цепи.

Устройство лампы накаливания. Рассмотрим устройство лампы накаливания. Нагреваемым элементом в ней является свернутая в спираль тонкая вольфрамовая нить 1. Вольфрам для изготовления нити выбран потому, что он тугоплавок и имеет достаточно большое удельное сопротивление. Спираль с помощью специальных держателей 2 укрепляется внутри стеклянного баллона, наполненного инертным газом, в присутствии которого вольфрам не окисляется. Баллон крепится к цоколю 3, к которому припаян один конец токоведущего провода в точке 4. Второй конец провода через изолирующую прокладку 5 припаян к нижнему контакту. Лампа ввертывается в патрон. Он представляет собой пластмассовый корпус А, в котором имеется металлическая гильза Б с резьбой; к ней присоединен один из проводов сети. Патрон контактирует с цоколем 3. Второй провод от сети присоединен к контакту В, который касается нижнего контакта лампы. Лампы накаливания удобны, просты и надежны, но экономически они невыгодны. Так, например, в лампе мощностью 100 Вт лишь небольшая часть электроэнергии (4 Вт) преобразуется в энергию видимого света, а остальная энергия преобразуется в невидимое инфракрасное излучение и в форме тепла передается окружающей среде.

Коэффициент полезного действия (КПД). Для оценки эффективности того или иного устройства в технике введена специальная величина — коэффициент полезного действия (КПД). Коэффициентом полезного действия называют отношение энергии, полезно преобразованной (работы или мощности), ко всей потребленной энергии, или затраченной (работе или мощности):

Часто КПД выражают в процентах (%). Вычислим КПД электрической лампы накаливания по данным, приведенным выше: h=4/100=0.04=4%; Для сравнения укажем, что КПД лампы дневного света примерно 15%, а у натриевых ламп наружного освещения около 25%. Схема питания лампы дневного света

Существует большое число электрических нагревательных приборов, например электрические плиты, утюги, самовары, кипятильники, обогреватели, электрические одеяла, фены для сушки волос, в которых используется тепловое действие тока. Основным нагревательным элементом является спираль из материала с большим удельным сопротивлением. Она помещается в керамические изоляторы с хорошей теплопроводностью, которые изготовлены в виде своеобразных бус. В приборах, предназначенных для нагревания жидкостей, изолированная спираль помещается в трубки из нержавеющей стали. Ее выводы тоже тщательно изолируются от металлических частей приборов. Температура спирали при работе нагревательного прибора остается постоянной. Объясняется это тем, что очень быстро устанавливается баланс между потребляемой из сети электроэнергией и количеством теплоты, отдаваемым путём теплообмена окружающей среде.

Читайте так же:
Доклад по физике использование теплового действия электрического тока

Электрическая дуга. Очень эффективным преобразователем электрической энергии, дающим много тепла и света, является электрическая дуга. Ее широко используют для электрической сварки металлов, а также в качестве мощного источника света. Для наблюдения электрической дуги надо два угольных стержня с присоединенными к ним проводами закрепить в хорошо изолирующих держателях, а затем подключить стержни к источнику тока, дающему невысокое напряжение (от 20 до 36 В) и рассчитанному на большие силы тока (до 20 А). Последовательно стержням обязательно надо включить реостат. Ни в коем случае нельзя подключать угли в городскую сеть (220 или 127 В), так как это приведет к сгоранию проводов и к пожару. Коснувшись углями друг друга, можно заметить, что в месте соприкосновения они сильно раскалились. Если в этот момент угли раздвинуть, между ними возникает яркое слепящее пламя, имеющее форму дуги. Это пламя вредно для зрения. Пламя электрической дуги имеет высокую температуру, при которой плавятся самые тугоплавкие материалы, поэтому электрическая дуга используется в дуговых электрических печах для плавки металлов. Пламя дуги является очень ярким источником света, поэтому его часто используют в прожекторах, стационарных кинопроекторах и т. д.

Электрические цепи. Электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Если по той или иной причине сила тока в цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция — воспламениться. Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока, например электрических плиток, или короткое замыкание. Коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте проводки под током или при случайном соприкосновении оголенных проводов. Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители. Назначение предохранителей — сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы.

Рассмотрим устройство предохранителей, применяемых в квартирной проводке. Главная часть предохранителя, изображенного на рисунке проволока С из легкоплавкого металла (например, из свинца), проходящая внутри фарфоровой пробки П. Пробка имеет винтовую нарезку Р и центральный контакт К. Нарезка соединена с центральным контактом свинцовой проволокой. Пробку ввинчивают в патрон, находящийся внутри фарфоровой коробки Свинцовая проволока представляет, таким образом часть общей цепи. Толщина свинцовых проволок рассчитана так, что они выдерживают определенную силу тока, например 5, 10 А и т.д. Если сила тока превысит допустимое значение, то свинцовая проволока расплавится и цепь окажется разомкнутой. Предохранители с плавящимся проводником называют плавкими предохранителями.

Читайте так же:
Что такое условный тепловой ток выключателя

Вопросы. Какие изменения вызывает ток в теле человека? Ответ. Почему во время грозы стоять в толпе? Ответ. Почему птицы слетают с провода высокого напряжения, когда включают ток? Ответ.

Ток, проходя через тело человека, воздействует на центральную и периферическую нервные системы, вызывая нарушение работы сердце и дыхания.

Во время грозы опасно стоять в толпе потому, что пары выделяющиеся при дыхании людей увеличивают электропроводность воздуха.

При включении высокого напряжения на перьях птицы возникает статический заряд, из-за наличия которого перья птицы расходятся кисти бумажного султана, соединенного с электростатической

Научная электронная библиотека

1.4 Физиологические особенности функционирования организма человека в условиях статического электричества

Организм человека — сложная система, которая при воздействии на него различных внешних факторов активизирует собственные функции регулирования и защитные реакции. Однако, при таких опасных воздействиях как статическое электричество и низкие температуры, требуется всесторонний учет физиологических особенностей человека.

В зависимости от знака, величины и места накопления электростатического заряда, электрическое поле, им созданное, может оказывать негативное влияние на организм человека и даже представлять опасность его здоровью [17-18].

Стекание с наэлектризованной одежды накопленного на ней электрического заряда посредством газового разряда может стать причиной первичных травм, связанных с прохождением электрического тока через тело человека, ожогом искрой, или в результате возгорания находящихся в окружающей среде опасных веществ, а также вторичных — ушибы и травмы при падении. Даже если возникающий при электризации или нейтрализации сред электрический ток не опасен для человека, длительное воздействие на организм даже слабых токов разрядки вызывает расстройство нервной системы и ухудшает общее состояние человека. Длительное пребывание во внешнем электростатическом поле может вызвать функциональные нарушения нервной и сердечно — сосудистой систем.

Влияние электрического поля на живой организм достаточно сложно, так как система управления живого организма построена на нейро-электрических импульсах (смертельным уровнем тока для человека является 0,1А). Кроме этого, воздействие электрической энергии связано с возникновением электрического разряда через газовый промежуток, который не менее опасен. При газовом разряде концентрация на малой площади огромной температуры (до 20000 К) приводит к появлению огромной тепловой энергии. Этот мощный тепловой поток и является основным поражающим фактором при воздействии электрического разряда, вызывающим возгорание одежды и сильные ожоги (нередко с летальным исходом).

Таблица 1.3 — Физиологические процессы при воздействии электрического поля и электрического тока на человека.

Причины и источники

Электрическое поле, источник которого находится вне человеческого организма, разрушает работу центральной нервной системы и сердечно-сосудистой системы этих систем, нормальное функционирование которых основано на внутренних электрических процессах определенной частоты.

Снижение активности головного мозга, нарушения в работе сердца

образующийся на коже человека (трибоэлектризация)

Нарушение молекулярных структур и проницаемости клеточных мембран, изменение ферментативной активности и ионного состава крови, снижение активности печени и мозга, при Е≥200 кВ/м — уменьшение иммунных и розеткообразующих клеток селезенки, при Е≥260 кВ/м — перестройка сухих волокон ДНК (Е — напряженность электрического поля). Возможно общее нарушение первичного иммунитета.

Пробой и воспламенение производственных газовых смесей

Ожоги различной степени (в том числе открытым пламенем), разрушение кожных покровов, мышечной и костной ткани

Читайте так же:
При равномерно возрастающей силе тока выделилось количество теплоты

Продолжение таблицы 1.3

Под действием внешнего электрического поля возникает направленное движение неполярных молекул, катионов и анионов, обеспечивающих жизнедеятельность человека.

Нарушение нормального функционирования организма

Резкое непроизвольное движение частей тела под действием электрического разряда или его последствий.

Механические повреждения о расположенные вблизи предметы, в результате падения.

Обычная одежда под воздействием тепловой энергии мгновенно вспыхивает, синтетические волокна плавятся прямо на коже человека, усиливая страдания и увеличивая степень ожогов. Все это происходит за доли секунды и оказать помощь практически невозможно [17]. Комплекс физиологических воздействий, которые оказывает на человека электрическое поле, и обусловленный полем электрический ток, условно делят на четыре вида [2, 18-20] (таблица 1.3).

Сведения, представленные в таблице, показывают, что воздействия на человека статического электричества приводят к разносторонним изменениям в организме и представляют угрозу его жизни и здоровью.

Проведенные в ИЗМИРАН (Институт Земного Магнетизма и Ионосферы РАН) [6] измерения показали, что эксплуатация одежды, изготовленной из натуральных материалов, не вызывает значительной электризации кожи человека, в то время как синтетические материалы — наоборот. Негативное влияние на человека оказывает положительный электрический заряд, сгенерированный на поверхности кожи, тогда как незначительный отрицательный заряд оказывает благоприятное воздействие. Отрицательный заряд возникает на коже человека при контакте ее с натуральными материалами, такими как хлопок, шерсть. Воздух, содержащий отрицательные ионы, способствует лечению больных туберкулезом легких, а пребывание человека в среде с избытком положительных ионов приводит к отклонениям от нормальной деятельности сосудистой и нервной систем, вызывает головные боли, сонливость или излишнюю нервозность.

Отрицательное биологическое воздействие большинства синтетических материалов свидетельствуют о том, что к выбору одежды в целом, и специальной защитной одежды в том числе, необходимо подходить очень внимательно [7].

Электрические явления в природе: простые и познавательные примеры

Содержание:

Мы живём в море энергии; нас окружают устройства и агрегаты, работающие благодаря электрической энергии. С её помощью готовится пища, светится лампочка, работают вычислительные устройства (телефон, компьютер), электрические моторы и т. д. Мир без техники и электроники полон проявлений, основанных на переносе электрических зарядов. Приведём примеры и объяснение электрических явлений в природе. Благодаря им человечество освоило этот вид энергии.

Примеры электрических явлений в природе

Какова естественная причина пожаров в степях и саваннах кроме извержения вулканов? Молния. Это слабоизученное и малопонятные человеку явление. Молния – самостоятельный электрический разряд, возникающий в нижних слоях атмосферы во время грозы.

Самостоятельный разряд между облаками и поверхностью планеты самопроизвольно возникает и быстро прекращается, ведь избыточные заряды тучи нейтрализуют электрический ток, пробегающий по каналу молнии.

Природа явления следующая. Молекулы жидкости в облаке передвигаются, между частицами тучи и поверхностью планеты возникает разность потенциалов. Свободные электроны – носители электричества – стремятся к земле по пути с минимальным сопротивлением, попутно ионизируя молекулы воздуха. Так образуется путь для прохождения тока, сила которого в канале достигает десятков тысяч ампер, продолжительность разряда – десятки миллисекунд. Разница давления в плазменном канале молнии с ростом силы тока при прекращении разряда сопровождается ударной волной – громом. Температура внутри канала может повыситься до десятков тысяч °C.

В природе полно примеров иных электрических явлений. Еще одно из них – полярное сияние, порой называемое северным. Представлено свечением атмосферы планеты при взаимодействии её молекул с солнечным ветром.

Читайте так же:
Тепловое действие тока приводит

Огни святого Эльма, перед которым поклонялись предки-мореплаватели. После изучения они оказались коронными разрядами в виде кисточек, образовывающихся на вершинах высоких предметов. К ним относятся мачты, деревья, маяки, башни, вершины одиноких скал. Возникают при напряженности электрического поля атмосферы у острого конца не менее 500 В/м. Наблюдаются при приближении грозового фронта или шторма в море, в метель.

Названы в честь католического покровителя моряков.

Свистящие атмосферики – электромагнитные колебания низкой частоты. Распространяются в созданном ионосферой и поверхностью планеты волноводе. Источник – электрические разряды газовой оболочки Земли. Могут пару раз пройти вокруг планеты от полюса к полюсу. Названы из-за возникающего в радиоэфире характерного свиста.

«Грязные грозы» – формируются при извержении вулкана. Природа явления не изучена, массово оно наблюдалось в Чили, в 2011 г.

Триболюминесценция – свет, испускаемый кристаллом во время его разрушения за счёт прохождения через него электрического тока. Он вызывает эффект свечения. Раздавите в темноте кристаллики сахара или соли, заметите едва видные вспышки синеватого цвета.

Отдельно отметим молнии Кататумбо – продолжительные вспышки в месте впадения одноимённой реки в озеро. Необычность явления заключается в продолжительности и массовости вспышек на протяжении значительного времени. Сочетание ветра с Анд и испаряющегося с болот метана вызывают благоприятные условия для вспышек, которые порой длятся до 10 часов.

Каждая клетка живого организма функционирует благодаря электрической энергии. Например, мембраны клетки поляризованы: внутри они заряжены отрицательно, снаружи – положительно. Известный морской обитатель скат парализует жертв благодаря электрическим разрядам. Есть растения, вырабатывающие электричество вследствие фотосинтеза, такие как arabidopsis thaliana.

Приведите примеры электрических явлений в физике, которые наблюдали сами, видели по телевизору или в интернете.

Проектируем электрику вместе

О скорости распространения электрического тока

Скорость распространения электрического тока.. Скорость движения носителей зарядов в электрическом поле.. От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов. Тепловое действие тока..

При изучении электрического тока часто возникают трудности понимания процессов, которые происходят на атомарном уровне и недоступны нашим органам чувств — электрический ток нельзя увидеть, услышать или пощупать. Это порождает целый ряд вопросов, в частности: почему проводники нагреваются? Какова скорость электронов в проводнике и от чего она зависит? Почему, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно? Попробуем вместе разобраться и ответить на эти и другие интересующие вас вопросы.

Почему лампочка загорается практически мгновенно?

Прежде всего, нужно различать и не смешивать понятия «скорость распространения электрического тока» и «скорость движения носителей заряда» — это не одно и то же.

Когда мы говорим о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения по проводнику электрического поля, которая примерно равна скорости света ( ≈ 300 000 км/сек) . Однако это не означает, что движение носителей зарядов в проводнике происходит с этой огромной скоростью. Совсем нет.

Движение носителей заряда (в проводнике — это свободные электроны) происходит всегда довольно медленно, со скоростью направленного дрейфа от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду, поскольку электрические заряды, сталкиваясь с атомами вещества, преодолевают большее или меньшее сопротивление своему движению в электрическом поле.

Читайте так же:
Тепловое действие тока определяется по формуле

Но дело в том, что свободных электронов в проводнике очень, очень много (если каждый атом меди имеет один свободный электрон, то в проводнике столько подвижных электронов, сколько и атомов меди). Свободные электроны имеются везде в электрической цепи, включая, в том числе, и нить накаливания лампочки, которая является частью этой цепи.
При присоединении проводника к источнику электрической энергии в нем распространяется электрическое поле (со скоростью, близкой к скорости света), которое начинает действовать на ВСЕ свободные электроны практически одновременно.

Поэтому мы не наблюдаем никакого запаздывания между замыканием контактов выключателя и началом свечения лампочки, находящейся за десятки или сотни километров от электростанции. Включили напряжение, свободные электроны начали движение (во всей цепи одновременно), перенесли заряд, передали кинетическую энергию атомам вольфрама (нить накаливания), последняя нагрелась до свечения — вот и светит лампочка.

В случае переменного тока для получения требуемого тепла (рассеиваемой мощности нити накаливания) направление тока не имеет значения. Свободные электроны совершают колебания в соответствии с изменениями электрического поля и переносят заряд туда-обратно. При этом электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки вольфрама, передавая им свою энергию. Это приводит к нагреву нити накаливания лампочки и ее свечению.

От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?

Скорость направленного дрейфа носителей зарядов в электрическом поле пропорциональна величине электрического тока: небольшой ток означает медленную скорость потока зарядов, большой ток означает б о льшую скорость.

На скорость носителей заряда влияет также сопротивление проводника. Тонкий проводник имеет большее сопротивление, проводник большого диаметра имеет меньшее сопротивление. Соответственно, в тонком проводнике скорость потока свободных электронов будет больше, чем в толстом проводнике (при одном и том же токе).

Имеет значение и материал проводника: в алюминиевом проводнике скорость потока электронов будет больше, чем в медном проводнике такого же сечения. Это означает, кроме прочего, что один и тот же ток будет нагревать алюминиевый проводник больше, чем медный.

Тепловое действие тока

Рассмотрим природу теплового действия тока более подробно.
При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток.

Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью.
Поскольку кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается ионам кристаллической решетки при столкновении, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

В случае переменного тока имеет место тот же эффект. С той лишь разницей, что электроны не перемещаются в одном направлении, а под действием переменного электрического поля они колеблются вперед-назад с частотой сети (50/60 Гц), оставаясь практически на месте.
При этом электроны также сталкиваются с атомами кристаллической решетки металла, передают свою кинетическую энергию и это приводит к нагреву кристаллической решетки. При достаточно больших значениях тока сильно разогретая решетка может даже потерять постоянные связи (металл начнет плавиться).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector