Тепловое действие электрического тока закон джоуля ленца это

Тепловое действие тока. Закон Джоуля – Ленца.
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

План урока Тепловое действие тока. Закон Джоуля – Ленца.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Тепловое действие тока. Закон Джоуля – Ленца.

Урок физики в 11 классе

1. Сформировать представление о тепловом действии электрического тока, о причинах этого действия.
2. Установить количественный закон теплового действия тока – закон Джоуля-Ленца.
3. Выявить (в ходе практической работы) зависимость выделившейся энергии от сопротивления проводника.

Совершенствовать интеллектуальные умения (наблюдать, сравнивать, применять ранее усвоенные знания в новой ситуации, размышлять, анализировать, делать выводы)

1. Учить видеть практическую пользу знаний.
2. Продолжить формирование коммуникативных умений.

Методическая тема: применение активных форм познавательной деятельности учащихся на уроке.

1. Карточки с задачами (Приложение 1).
2. Ответы к задачам на обратной стороне доски.
3. Оборудование на партах: низковольтные лампы на подставке – 4 шт., 2 ключа, соединительные провода, 2 источника тока.

При изучении данной темы, учащиеся могут активно использовать знания, полученные ими при изучении курса физики 8 класса.

План проведения занятия

Приветствие, формулировка темы урока, плана работы

Готовятся к работе.

Принятие темы урока

Предлагает учащимся задачи разного уровня сложности по пройденной ранее теме. К доске приглашает трех учеников для решения задач.

Решенные задачи комментирует.

Получают карточку с тремя задачами. Каждый выбирает одну из предложенных задач, в зависимости от уровня усвоения темы. 3 ученика работают самостоятельно у доски, остальные решают задачу в тетрадях. Если ученик решил задачу на месте раньше, чем у доски, то можно сверить ответ. При условии, что получен верный ответ, можно решить задачу следующего уровня.

На доске приведено решение трех задач, в тетрадях решена как минимум одна задача. Решение задач прокомментировано.

3. Акцентуация знаний. Подготовка учащихся к активному восприятию, усвоению знаний

Предлагает учащимся ответить на вопросы.

• Какое устройство называют

• Для каких целей резисторы

можно включать в цепь, соединяя их различными способами?

• Приведите примеры

различного соединения потребителей тока, с которыми вы встречались в быту.

• На каком физическом

явлении основано действие этих

• Назовите еще устройства и

приборы, в которых используется тепловое действие электрического тока.

• Проводник постоянного

• С целью изменения

сопротивления, а следовательно силы тока и напряжения на отдельных участках цепи.

• Люстры, гирлянды,

электрические конфорки и т.д.

• Тепловое действие тока —

при прохождении тока,

• Кипятильник, паяльник,

Учащиеся готовы к восприятию новой темы. Мотивация изучения данной темы.

4. Изучение нового материала

• Итак, электрический ток оказывает тепловое действие. Какова причина этого действия? Предлагает выяснить на примере металлических проводников.

• В результате столкновений электронов с ионами кристаллической решетки, ионы получают дополнительный импульс от электронов, что увеличивает амплитуду колебания ионов, среднюю кинетическую энергию решетки, а следовательно, и температуру проводника.

Предлагает вопросы для обсуждения:

• К чему приводит нагревание

• Как определить количество

теплоты, выделяющееся при этом?

К доске приглашает учащегося для вывода формулы (закона Джоуля — Ленца)

Сообщает, что честь открытия количественного закона теплового действия тока принадлежит английскому физику Джеймсу Прескотту Джоулю (1818-1889 гг.). В 1841 г. он установил, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально его сопротивлению и квадрату силы тока. Независимо от Джоуля российский физик Эмилий Христианович Ленц (1804-1865 гг.) в 1842 г. нашел ту же закономерность, позднее она получила название закона Джоуля-Ленца.

Просит ответить на вопросы:

• Какие еще законы физики

носят двойное название?

• А если в электрической

цепи несколько потребителей, то какой из них выделит большее количество теплоты?

Предлагает проверить это на практике. С помощью имеющегося на столах оборудования, просит учащихся выяснить зависимость выделившейся энергии от сопротивления лампы при последовательном и параллельном соединении ламп.

Организует обсуждение результатов.

• Важной характеристикой

электрического прибора является энергия, потребленная им в единицу времени, т.е. мощность. Каков физический смысл этой величины? Какова формула для расчета мощности, в каких единицах выражается эта величина?

Рассуждают, вспоминая строение металлов, изображая схему строения металлов на доске и в тетрадях. Объясняют нагревание проводника столкновениями электронов с ионами.

Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца. Мощность электрического тока.

Тепловое действие электрического тока. При передаче электрической энергии по проводнику часть ее расходуется на преодоление сопротивления проводника. Проводник при этом нагревается, т. е. часть электрической энергии превращается в тепловую. Количество выделенного тепла зависит от величины тока, напряжения на зажимах потребителя и времени действия тока.

Закон Джоуля — Ленца гласит: мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля.

Математически может быть выражен в следующей форме:

Где — мощность выделения тепла в единице объёма, — плотность электрического тока,
— напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды.

Мощность электрического тока (P) — это работа, совершаемая током за единицу времени.

Если электрический ток совершает в течение времени t работу А, то мощность будет равна:

§ P-мощность электрического тока, [Вт];

§ А-работа электрического тока, [Дж];

§ t- время, в течении которого совершается работа А,[сек]

Работа, совершаемая электрическим током равна А=UIt.

Подставив это значение в выражение мощности получим:

Произведя сокращение, получим окончательное выражение для мощности:

Таким образом, мощность, развиваемая электрическим током на участке цепи, прямо пропорциональна величине тока и напряжению на данном участке.

Из закона Ома знаем, что U=IR

Подставим в формулу вместо U равное ему произведение IR, получим:

Единицей электрической мощности называют ватт [Вт].

Дата добавления: 2015-01-30 ; просмотров: 23 | Нарушение авторских прав

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

Двигаясь в любом проводнике, электрический ток передает ему какую-то энергию, из-за чего проводник нагревается. Энергетическая передача осуществляется на уровне молекул: в результате взаимодействия электронов тока с ионами или атомами проводника часть энергии остается у последнего.

Тепловое действие тока приводит к более быстрому движению частиц проводника. Тогда его внутренняя энергия возрастает и трансформируется в тепловую.

Формула расчета и ее элементы

Тепловое действие тока может быть подтверждено разными опытами, где работа тока переходит во внутреннюю проводниковую энергию. При этом последняя возрастает. Затем проводник отдает ее окружающим телам, то есть осуществляется теплопередача с нагреванием проводника.

Формула для расчета в этом случае следующая: A=U*I*t.

Количество теплоты можно обозначить через Q. Тогда Q=A или Q=U*I*t. Зная, что U=IR, получается Q=I*R*t, что и было сформулировано в законе Джоуля-Ленца.

Закон теплового действия тока — закон Джоуля-Ленца

Проводник, где протекает электрический ток, изучали многие ученые. Однако, самых заметных результатов удалось добиться Джеймсу Джоулю из Англии и Эмилию Христиановичу Ленцу из России. Оба ученых работали отдельно и выводы по результатам экспериментов делали независимо один от другого.

Они вывели закон, позволяющий оценить тепло, получаемое в результате действия тока на проводник. Его назвали законом Джоуля-Ленца.

Рассмотрим на практике тепловое действие тока. Примеры возьмем следующие:

1. Обычную лампочку.
2. Нагревательные приборы.
3. Предохранитель в квартире.
4. Электрическую дугу.

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.

Устройство обогревательных приборов

Обычно в конструкции всех приборов для нагревания есть металлическая спираль, в функцию которой и входит нагрев. Если нагревается вода, то спираль устанавливается изолированно, и в таких приборах предусматривается соблюдение баланса между энергией из сети и тепловым обменом.

Перед учеными постоянно ставится задача по снижению энергетических потерь и поиску лучших путей и наиболее эффективных схем их внедрения, чтобы уменьшить тепловое действие тока. Используется, например, способ повышения напряжения во время передачи энергии, благодаря чему сокращается сила тока. Но такой способ, в то же время, понижает безопасность функционирования линий электропередач.

Другим исследовательским направлением является выбор проводов. Ведь именно от их свойств зависят потери тепла и другие показатели. Кроме того, при работе нагревательных приборов происходит большое выделение энергии. Поэтому спирали изготавливаются из специально предназначенных для этих целей, способных выдержать высокие нагрузки, материалов.

Квартирные предохранители

Чтобы улучшить защиту и обезопасить электрические цепи, используются особые предохранители. В роли главной части выступает проволока из легкоплавкого металла. Она проходит в пробке из фарфора, имеет винтовую нарезку и контакт в центре. Пробку вставляют в патрон, расположенный в фарфоровой коробке.

Свинцовая проволока является частью общей цепи. Если тепловое действие электрического тока резко возрастет, сечение проводника не выдержит, и он начнет плавиться. В результате этого сеть разомкнется, и не случится токовых перегрузок.

Электрическая дуга

Электрическая дуга является довольно эффективным преобразователем электрической энергии. Она используется при сварке металлических конструкций, а также служит мощным световым источником.

В основу устройства входит следующее. Берут два угольных стержня, подсоединяют провода и прикрепляют их в изолирующих держателях. После этого стержни подключают к источнику тока, который дает малое напряжение, но рассчитан на большую силу тока. Подключают реостат. Угли в городскую сеть включать запрещается, так как это может стать причиной пожара. Если коснуться одним углем о другой, то можно заметить, как сильно они раскалятся. Лучше не смотреть на это пламя, потому что оно вредно для зрения. Электрическую дугу используют в печах для плавки металла, а также в таких мощных осветительных приборах, как прожекторы, кинопроекторы и прочее.

Закон Джоуля — Ленца

Закон Джо́уля — Ле́нца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем [1] .

Содержание

• 1 Определения
• 2 Практическое значение
  • 2.1 Снижение потерь энергии
  • 2.2 Выбор проводов для цепей
  • 2.3 Электронагревательные приборы
  • 2.4 Плавкие предохранители
• 3 См. также
• 4 Примечания

Определения

В словесной формулировке звучит следующим образом [2]

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании постоянного электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля

Математически может быть выражен в следующей форме:

w = vec j cdot vec E = sigma E^2

где w — мощность выделения тепла в единице объёма, vec j — плотность электрического тока, vec E — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды, а точкой обозначено скалярное произведение.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах [3] :

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка

В интегральной форме этот закон имеет вид

dQ = I^2 R dt Q = intlimits_^ I^2 R dt

где dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t₁ до t₂. В случае постоянных силы тока и сопротивления:

А применяя закон Ома можно получить следующие эквивалентные формулы:

Q = V^2 t / R = I V t

Практическое значение

Снижение потерь энергии

При передаче электроэнергии тепловое действие тока в проводах является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно, значит ток в сети I на проводах и нагрузке одинаков. Мощность нагрузки и сопротивление проводов не должны зависеть от выбора напряжения источника. Выделяемая на проводах и на нагрузке мощность определяется следующими формулами

Q_w = R_w cdot I^2 Q_c = V_c cdot I

Откуда следует, что Q_w = R_w cdot Q_c^2 / V_c^2 . Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение R_w cdot Q_c^2 является константой, то тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе. Повышая напряжение мы снижаем тепловые потери в проводах. Это, однако, снижает электробезопасность линий электропередачи.

Выбор проводов для цепей

Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников.

Электронагревательные приборы

Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.

За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.

Плавкие предохранители

Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.