Sfera-perm.ru

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

Тепловое воздействие тока формула

Тепловое воздействие тока формула

§ 60. Зависимость сопротивления от температуры

Частицы проводника (молекулы, атомы, ионы), не участвующие в образовании тока, находятся в тепловом движении, а частицы, образующие ток, одновременно находятся в тепловом и в направленном движениях под действием электрического поля. Благодаря этому между частицами, образующими ток, и частицами, не участвующими в его образовании, происходят многочисленные столкновения, при которых первые отдают часть переносимой ими энергии источника тока вторым. Чем больше столкновений, тем меньше скорость упорядоченного движения частиц, образующих ток. Как видно из формулы I = enνS, снижение скорости приводит к уменьшению силы тока. Скалярная величина, характеризующая свойство проводника уменьшать силу тока, называется сопротивлением проводника. Из формулы закона Ома сопротивление Ом — сопротивление проводника, в котором получается ток силой в 1 а при напряжении на концах проводника в 1 в.

Сопротивление проводника зависит от его длины l, поперечного сечения S и материала, который характеризуется удельным сопротивлением Чем длиннее проводник, тем больше за единицу времени столкновений частиц, образующих ток, с частицами, не участвующими в его образовании, а поэтому тем больше и сопротивление проводника. Чем меньше поперечное сечение проводника, тем более плотным потоком идут частицы, образующие ток, и тем чаще их столкновения с частицами, не участвующими в его образовании, а поэтому тем больше и сопротивление проводника.

Под действием электрического поля частицы, образующие ток, между столкновениями движутся ускоренно, увеличивая свою кинетическую энергию за счет энергии поля. При столкновении с частицами, не образующими ток, они передают им часть своей кинетической энергии. Вследствие этого внутренняя энергия проводника увеличивается, что внешне проявляется в его нагревании. Рассмотрим, изменяется ли сопротивление проводника при его нагревании.


Рис. 81. Зависимость сопротивления металлов от температуры

В электрической цепи имеется моток стальной проволоки (струна, рис. 81, а). Замкнув цепь, начнем нагревать проволоку. Чем больше мы ее нагреваем, тем меньшую силу тока показывает амперметр. Ее уменьшение происходит от того, что при нагревании металлов их сопротивление увеличивается. Так, сопротивление волоска электрической лампочки, когда она не горит, приблизительно 20 ом, а при ее горении (2900° С) — 260 ом. При нагревании металла увеличивается тепловое движение электронов и скорость колебания ионов в кристаллической решетке, в результате этого возрастает число столкновений электронов, образующих ток, с ионами. Это и вызывает увеличение сопротивления проводника * . В металлах несвободные электроны очень прочно связаны с ионами, поэтому при нагревании металлов число свободных электронов практически не изменяется.

* ( Исходя из электронной теории, нельзя вывести точный закон зависимости сопротивления от температуры. Такой закон устанавливается квантовой теорией, в которой электрон рассматривается как частица, обладающая волновыми свойствами, а движение электрона проводимости через металл — как процесс распространения электронных волн, длина которых определяется соотношением де Бройля.)

Опыты показывают, что при изменении температуры проводников из различных веществ на одно и то же число градусов сопротивление их изменяется неодинаково. Например, если медный проводник имел сопротивление 1 ом, то после нагревания на 1°С он будет иметь сопротивление 1,004 ом, а вольфрамовый — 1,005 ом. Для характеристики зависимости сопротивления проводника от его температуры введена величина, называемая температурным коэффициентом сопротивления. Скалярная величина, измеряемая изменением сопротивления проводника в 1 ом, взятого при 0° С, от изменения его температуры на 1° С, называется температурным коэффициентом сопротивления α. Так, для вольфрама этот коэффициент равен 0,005 град -1 , для меди — 0,004 град -1 . Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры. Для металлов он с изменением температуры меняется мало. При небольшом интервале температур его считают постоянным для данного материала.

Выведем формулу, по которой рассчитывают сопротивление проводника с учетом его температуры. Допустим, что R — сопротивление проводника при 0°С, при нагревании на 1°С оно увеличится на αR, а при нагревании на — на αRt° и становится R = R + αR, или

Читайте так же:
Тепловой расцепитель автоматического выключателя принцип действия

Зависимость сопротивления металлов от температуры учитывается, например при изготовлении спиралей для электронагревательных приборов, ламп: длину проволоки спирали и допускаемую силу тока рассчитывают по их сопротивлению в нагретом состоянии. Зависимость сопротивления металлов от температуры используется в термометрах сопротивления, которые применяются для измерения температуры тепловых двигателей, газовых турбин, металла в доменных печах и т. д. Этот термометр состоит из тонкой платиновой (никелевой, железной) спирали, намотанной на каркас из фарфора и помещенной в защитный футляр. Ее концы включаются в электрическую цепь с амперметром, шкала которого проградуирована в градусах температуры. При нагревании спирали сила тока в цепи уменьшается, это вызывает перемещение стрелки амперметра, которая и показывает температуру.

Величина, обратная сопротивлению данного участка, цепи, называется электрической проводимостью проводника (электропроводностью). Электропроводность проводника Чем больше проводимость проводника, тем меньше его сопротивление и тем лучше он проводит ток. Наименование единицы электропроводности Проводимость проводника сопротивлением 1 ом называется сименс.

При понижении температуры сопротивление металлов уменьшается. Но есть металлы и сплавы, сопротивление которых при определенной для каждого металла и сплава низкой температуре резким скачком уменьшается и становится исчезающе малым — практически равным нулю (рис. 81, б). Наступает сверхпроводимость — проводник практически не обладает сопротивлением, и раз возбужденный в нем ток существует долгое время, пока проводник находится при температуре сверхпроводимости (в одном из опытов ток наблюдался более года). При пропускании через сверхпроводник тока плотностью 1200 а /мм 2 не наблюдалось выделения количества теплоты. Одновалентные металлы, являющиеся наилучшими проводниками тока, не переходят в сверхпроводящее состояние вплоть до предельно низких температур, при которых проводились опыты. Например, в этих опытах медь охлаждали до 0,0156°К, золото — до 0,0204° К. Если бы удалось получить сплавы со сверхпроводимостью при обычных температурах, то это имело бы огромное значение для электротехники.

Согласно современным представлениям, основной причиной сверхпроводимости является образование связанных электронных пар. При температуре сверхпроводимости между свободными электронами начинают действовать обменные силы, отчего электроны образуют связанные электронные пары. Такой электронный газ из связанных электронных пар обладает иными свойствами, чем обычный электронный газ — он движется в сверхпроводнике без трения об узлы кристаллической решетки.

Задача 24. Для изготовления спиралей электрической плитки мастерская получила моток нихромозой проволоки, на бирке которой было написано: «Масса 8,2 кг,Λ диаметр 0,5 мм«. Определить, сколько спиралей можно изготовить из этой проволоки, если сопротивление спирали, не включенной в сеть, должно быть 22 ома. Плотность нихрома 8200 кг /м 3 .

Отсюда где S = πr 2 ; S = 3,14*0,0625 мм 2 ≈ 2*10 -7 м 2 .

Масса проволоки m = ρ1V, или m = ρ1lS, отсюда

Отв.: n = 1250 спиралей.

Задача 25. При температуре 20° С вольфрамовая спираль электрической лампочки имеет сопротивление 30 ом; при включении ее в сеть постоянного тока с напряжением 220 в по спирали идет ток 0,6 а. Определить температуру накала нити лампочки и напряженность стационарного электрического поля в нити лампы, если ее длина 550 мм.

Сопротивление спирали при горении лампы определим из формулы закона Ома для участка цепи:

тогда

Напряженность стационарного поля в нити лампы

Отв.: t 0 Г = 2518°C; Е = 400 в /м.

Тепловое действие электрического тока.

Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. 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:

Читайте так же:
Как снять выключатель теплого пола

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.

Билет 20.

Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул.

Среднее число столкновений :

Для определения представим себе молекулу в виде шарика с определенным диаметром, движущуюся среди других «застывших» молекул. Эта молекула столкнется только с теми молекулами, центры которых находятся на расстояниях, равных или меньших эффективного диаметра молекулы, т е лежат внутри «ломаного» цилиндра такого радиуса.

Эффективный диаметр молекулы d – минимальное расстояние, на которое сближаются центры двух молекул при столкновении.

Среднее число столкновений за 1 с равно числу молекул в объеме «ломаного» цилиндра: = nV

n – концентрация молекул, V=пd^2 , — средняя скорость молекулы или путь, пройденный ею за 1с.

Таким образом, среднее число столкновений: = nпd^2

Средняя длина свободного пробега молекул:

Длина свободного пробега – путь, который проходят молекулы между двумя последовательными столкновениями.

Длина может варьироваться, однако вследствие огромного числа молекул принято брать среднюю длину свободного пробега.

Средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна концентрации молекул, а концентрация пропорциональна давлению:

Закон Ома для участка цепи в дифференциальной форме. Удельные сопротивление, проводимость. Плотность тока.

Если в закон Ома подставить ρ вместо R, получим ,

где величина, обратная удельному сопротивлению (ρ) ϒ = 1/ ρ, называется удельной электрической проводимостью вещества проводника. [См/м] См – сименс.

Учитывая, что U/l = E – напряженность поля в проводнике, I/S = jплотность тока, формулу можно записать в виде j = ϒE

Так как в изотропном проводнике носители тока в каждой точке движутся в направлении вектора Е, то направления j и Е совпадут.

j = ϒE – закон Ома в дифференциальной форме, связывающий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для переменных полей.

Плотность тока j– это векторная физическая величина, показывающая направление электрического тока.

Билет 21

1. Явление диффузии в термодинамически неравновесных системах

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процес­сы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, импульса. К явлениям переноса относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом импульса). Для простоты ограничимся одномерными явлениями переноса. Систему отсчета выберем так, чтобы ось х была ориентирована в направлении переноса.

Диффузия. Явление диффузии заключается в том, что происходит самопроиз­вольное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел; диффузия сводится к обмену масс частиц этих тел, возникает и продолжается, пока существует градиент плотности. Во время становления молекулярно-кинетической теории по вопросу диффузии возникли противоречия. Так как молекулы движутся с огромными скоростями, диффузия должна происходить очень быстро. Если же открыть в комнате сосуд с пахучим веществом, то запах распространяется довольно медленно. Однако противоречия здесь нет. Молекулы при атмосферном давлении обладают малой длиной свободного пробега и, сталкиваясь с другими молекулами, в основном «стоят» на месте.

Явление диффузии для химически однородного газа подчиняется закону Фука:

Читайте так же:
Доклад тепловое действие электрического тока 8 класс

где jm — плотность потока массы — величина, определяемая массой вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, D — диффузия (коэффициент диффузии), dr/dx — градиент плотности, равный скорости изменения плотности на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус показывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности (поэтому знаки jm и dr/dx противоположны). Диффузия D численно равна плотности потока массы при градиенте плотности, равном единице. Согласно кинети­ческой теории газов,D=1/3* 8

По теме «Постоянный ток. Тепловое действие тока. Работа и мощность тока»

Цель: Закрепить знания по теме «Постоянный ток», сформировать умения и навыки нахождения физической величины, её выражение из формулы. Научиться применять формулы и законы изученной темы для решения задач, научиться оценивать реальность полученных результатов.

Теория:

Электрический ток-это упорядоченное движение заряженных частиц. Сила тока равна отношению заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени. Если сила тока со временем не меняется, то ток называется постоянным. Для возникновения и существования электрического тока в веществе. Необходимо, во-первых, наличие свободных заряженных частиц; во-вторых, необходима сила, действующая на них в определённом направлении. На заряженные частицы действует электрическое поле с силой F=qE. Сопротивление проводника R= l/S.Единица сопротивления – Ом. Закон Ома для участка цепи: I=U/R. При упорядоченном движении заряженных частиц электрическое поле совершает работу, её принято называть работой тока. Работа тока А =IU t. Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа. Любой электрический прибор рассчитан на потребление определённой энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока важное значение имеет мощность тока.

Мощность тока равна отношению работы тока за время к этому интервалу времени.P=A/ t=IU=U 2 /R. Мощность измеряется в Ваттах. На большинстве приборов указана потребляемая ими мощность.

Задача1

В проводнике сопротивлением 2 Ом, подключенном к элементу с ЭДС 1,1 В, сила тока равна 0,5 А. Какова сила тока при коротком замыкании элемента?

Дано : R=2 Ом, ε=1,1 В, I = 0,5A Найти I3.

Решение:

Ответ: I3 = 5,5 А.

Задача 2 В каком из двух резисторов мощность тока больше при последовательном (см. рис. а) и параллельном (см. рис. б) соединении? R1 2 ·R следует, что при последовательном соединении мощность тока в резисторе прямо пропорциональна его сопротивлению. При параллельном соединении сила тока в резисторах не одинакова, поэтому использовать формулу P=I 2 ·R нецелесообразно. В этом случае на всех резисторах одно и то же напряжение, поэтому целесообразно воспользоваться формулой P=U 2 /R. Из нее следует, что при параллельном соединении мощность тока в резисторе обратно пропорциональна его сопротивлению.

Ответ: а). Во втором; б). В первом.

Задача 3 Две электрические лампы, мощности которых 60 Вт и 100 Вт, рассчитаны на одно и то же напряжение. Сравните длины нитей накала обеих ламп, если их диаметры одинаковы.

Решение: Мощность равна P=U 2 /R. Поэтому у лампы 100 Вт сопротивление нити накала меньше. Следовательно, ее нить короче, чем у лампы в 60 Вт.

Задача 4 Рассчитайте количество теплоты, которое выделит за 5 минут проволочная спираль сопротивлением 50 Ом, если сила тока 1,5 А.

Дано: СИ Решение:

R = 50 Ом Q = I 2 ·R·∆t = 1,5 2 ·50·300 = 33750 (Дж)

Найти: Q Ответ: Q = 33750 Дж

Задача 5 Определите сопротивление нити накала лампочки, имеющей номинальную мощность 100 Вт, включенной в сеть с напряжением 220 В.

Дано: Решение:

Р = 100 Вт Используя формулы P = I·U, I = U/R, получаем формулу для

U = 220 В вычисления мощности P = U 2 /R.

Найти: Выражаем из этой формулы сопротивление R = U 2 /P.

R R = 220 2 /100 = 484 (Ом)

Ответ: R = 484 Ом

Дата добавления: 2018-11-24 ; просмотров: 186 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Читайте так же:
Доклад использование теплового действия электрического тока в инкубаторах

Тепловая мощность на резисторе — что это такое и как рассчитывается

Практически все электроприборы содержат в своих схемах резисторы. Это объясняется тем, что для каждого прибора или проводника избирается своя сила тока для функционирования. Для того чтобы компенсировать значение между напряжением и движением заряженных частиц, в схемы вводят сопротивление. Основной параметр – это его мощность.

Что такое тепловая мощность резистора

Другое название – рассеивание. Этим понятием называют максимальные токи, которые без вреда могут протекать через него для осуществления работы и образования ЭДС в контактах и т.п.

Важно! Для каждой электрической схемы параметры рассеивания подбираются индивидуально.

Вычисляется по физической формуле с алгебраическими значениями: P = I * R.

  • I – сила тока, Ампер.
  • R – сопротивление, Ом.
  • Р – мощность, Вт.

В физическом плане рассеивание – это способность проводника отдавать тепло в окружающую среду в том количестве, которое не вредит составным частям самого элемента. Это очень важный параметр, так как от него зависит исправность и долговечность электроприбора.

Важно! Все компоненты работают, подчиняясь закону Ома, но сам нагрев происходит из-за разности величин напряжения на входе и выходе. Это и является основным условием движения заряженных частиц через проводник.

Как определить и подобрать мощность

Данный параметр избирается от максимального значения силы заряженных частиц, которые будут протекать через проводник.

Для того чтобы подбирать тепловое рассеивание участков сопротивления для конкретных электроприборов, необходимо изучить параметры входного и выходного напряжения, а также силу электроцепи.

Важно! Необходимо понимать, что городские и промышленные цепи различаются по нагрузке и напряжению. Для бытовых используется 220V, для промышленных часто применяется значение в 380V.

Далее будет представлен стандартный ряд с графическим изображением мощностного отбора резистантов. Абсолютное большинство фабричных электроприборов оснащаются схемами, где указан конкретный диапазон элементов. Такие схемы незаменимы при ремонте и позволяют быстро подбирать необходимое.

Стандартный ряд мощностей и их обозначение на схемах

ВтУсловное обозначение на электросхемах
0,05 Вт
0,125 Вт
0,025 Вт
0,5 Вт
1 Вт
2 Вт
5 Вт

В качестве графических обозначений используются римские цифры и черточки, раскрывающие диапазон от 0,05 до 25

Важно! Очень важно запомнить то, что слабые устройства обозначается косыми линиями.

Формула для расчета мощности тока в активном сопротивлении, как узнать сколько ватт

Как уже было упомянуто, классическая формула для расчета формируется так: квадрат силы движущихся заряженных частиц, помноженный на величину резистента.

Так показатели работоспособности напрямую зависят от напряжения. При работе и возникновении ЭДС частицы протекают через элемент, «осаживаясь» сопротивлением, и происходит нагрев элемента. Нагрев – это выделение тепла, который может быть измерен в Вт.

Важно! Что будет, если неправильно подобрать изделие? Если величина рассеивания слишком маленькая, то сопротивление перегорит, а если установить слишком «сильный» резистант, то движение заряженных частиц не начнется, и произойдет замыкание. Если из строя вышел элемент в 0,5 Вт, то он заменяется точным аналогом с соответствующими параметрами.

Действует еще одно правило подбора – оно касается не графических изображений на схеме, а самого типоразмера устройства. Чем больше элемент по габаритам, тем выше характеристика его параметров.

Как рассчитать рассеивание для сопротивления

Рассеиванием в физике и электромеханике называется процесс образования тепловой энергии, при чем это касается не только резисторов, но и прочих электрических элементов: кабелей, проводов, штекеров и катушек.

Главное не допускать перегрева, так как это кратно снижает долговечность электроприборов и их отдельных элементов. Следующий ряд является типовым в отборе характеристик зависимости производительности от напряжения:

  • 0,125
  • 0,25
  • 0,5
  • 1
  • 2
  • Более 2 Ватт.

Им соответствует значение для сопротивлений, Ом: 10, 20, 25, 50, 60, 100.

Приведем конкретный пример алгебраического вычисления.

Мы имеем изделие с параметром в 10 Ом и пропускаем через него поток заряда в 0,1 А. Используем значения для того, чтобы подставить их в известную формулу с переменными. Получаем P = 1

P(Ватт) – теплота, выделяемая на резисторе;

R(Ом) – сопротивление цепочки;

I(А) – движение заряженных частиц.

Как определить по внешнему виду

Если на схеме имеется конкретное обозначение, то тепловая мощность на резисторе определяется по символам, но как определить параметр по внешнему виду элементов на плате?

Известно, что чем больше площадь поверхности, тем больше она может поглощать или отдавать количества теплоты на резисторе.

Кроме того, существуют буквенные обозначения для российских и импортных устройств.

В – Маломощные от 0,125 до 0,25

W – Маломощные от 0,125 до 0,25

V – Средний диапазон.

Важно! Существуют миниатюрные устройства, на корпусе которых невозможно нанести маркировку. Такие сопротивления окрашиваются в белый, желтый или красный цвет. Цвета в соответствии с диапазонами по возрастающей. В частности, это касается импортных изделий.

Как рассчитать мощность в схеме

Для схем также обязательны знания о силе тока и сопротивлении, без знания этих параметров расчет будет невозможен. Тепловые потери на резисторе формируются из квадрата силы тока, помноженного на сопротивление: P = I² * R (количество теплоты на резисторе формула). Актуальна только при расчетах готовой и известной схемы, во всех случаях предварительного расчета используется прямое значение силы тока, а не ее квадрат.

Величина указывается исключительно в Омах, если используются значения в кило- или мегаомах, то их необходимо округлять до классического значения в одну единицу сопротивления – Ом.

Схема с последовательным соединением элементов

Последовательное соединение означает тот факт, что через все элементы схемы проходит одно и то же значение силы тока. Это означает, что и рассеивание будет тождественным на всех резистантах. Для подсчета необходимо:

  • Суммировать значения на всех участках, то есть: 200 Ом + 100 Ом + 51 Ом + 39 Ом = 390 Ом. Сила тока рассчитывается по закону: I = U/R. Алгебраически значение формируется в следующем виде: I = 100 В / 390 Ом = 0,256 А.
  • Рассчитать параметр: P = 0,256² * 390 Ом = 25,549

Это ответ на вопрос о том, какая тепловая мощность будет выделяться на резисторе r1 в схеме.

Таким образом становится возможным подсчитать индивидуальное рассеивание на каждом участке, указанном в схеме.

Как подобрать резистор на замену

Для замены всегда подбирается точно такой же элемент. Допускается временное использование сопротивлений с параметром на 1 порядок выше, чем у перегоревшего или вышедшего из строя по другим причинам. Это основное условие замкнутого контура в цепи. Установить неисправный участок цепи – означает разомкнуть цепь.

Определить параметры можно приблизительно по маркировке и размерам.

Элементы для замены оснащены выводами с обоих концов – их паяют на плату. Рекомендуется не подрезать выводы, так как они тоже обладают дополнительным сопротивлением.

На резисторе внешней цепи аккумулятора выделяется тепловая мощность 10 Вт

Этот параметр и условие являются актуальными при последовательном подключении трех аккумуляторов. Если к концам подведена внешняя цепь с аккумулятором, то для каждого следующего аккумулятора значение будет увеличиваться в 2 раза. Но поскольку мощность зависит от напряжения через силу тока, то для третьего аккумулятора возрастание мощности составит значение в 25%. Тепловые потери составят 26,9Вт.

Используя сведения, которые были представлены в данной статье, можно самостоятельно и быстро подобрать необходимые элементы электроцепи в электроприборе для замены. Для этого в настоящее время существует множество магазинов электроники, которые удовлетворят запросы самых претенциозных клиентов.

Данную статью можно использовать в качестве конкретного руководства по выбору резисторов не только в бытовые электроприборы, но и в промышленные установки.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector