Buderus-trade.ru

Теплотехника Будерус
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

16. Работа и мощность тока. Закон джоуля – ленца

16. Работа и мощность тока. Закон джоуля – ленца.

Работа тока — это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника; Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:

По закону сохранения энергии:работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока.В системе СИ:

ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦАПри прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.В системе СИ:[Q] = 1 Дж. МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА— отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.

В системе СИ:

17.Магнитное поле. Закон ампера. Индукция и напряженность магнитного поля.

Магнитное поле — это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела. Закон Ампера устанавливает, что на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, индукция которого В, действует сила, пропорциональная силе тока и индукции магнитного поля:F = B I l sinα,где α — угол между векторами магнитной индукции и тока, B — индукция магнитного поля,I — сила тока в проводнике,l — длина проводника.Эта формула закона Ампера оказывается справедливой для прямолинейного проводника и однородного поля.Если проводник имеет произвольную формулу и поле неоднородно, то Закон Ампера принимает вид:dF = I B dl sinα,где dF — сила, с которой магнитное поле действует на бесконечно малый проводник с током I,dl — элемент длины проводника.Размерность:[dF] = Н,[I] = A,[B] = Н / (А · м),[l] = м.Направление силы dF определяется по правилу вычисления векторного произведения, которое удобно запомнить при помощи правила правой руки.Сила dF максимальна, когда элемент проводника с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции (α = 90, sinα = 1):dFmax = I B dl. Напряжённость магни́тного по́ля (стандартное обозначение Н) — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B ивектора намагниченности M.В Международной системе единиц (СИ): где — магнитная постоянная.В системе СГС:

В простейшем случае изотропной (по магнитным свойствам) среды и в приближении достаточно низких частот изменения поля B и H просто пропорциональны друг другу, отличаясь просто числовым множителем (зависящим от среды) B = μ H в системе СГС или B = μμ H в системе СИ (см.Магнитная проницаемость, также см. Магнитная восприимчивость).В системе СГС напряжённость магнитного поля измеряется в эрстедах (Э), в системе СИ — в амперах на метр (А/м). В технике эрстед постепенно вытесняется единицей СИ — ампером на метр.1 Э = 1000/(4π) А/м ≈ 79,5775 А/м. 1 А/м = 4π/1000 Э ≈ 0,01256637 Э.

18.Закон Биосавара-Лапласса. Его применение для расчета магнитных полей. Закон Био — Савара — Лапласа для проводника с током I, элемент dl которого создает в некоторой точке А индукцию поля dB, записывается в видегде dl — вектор, по модулю равный длине dl элемента проводника и совпадающий по направлению с током, r—радиус-вектор, проведанный из элемента dlпроводника в точку А поля, r — модуль радиуса-вектора r. Направление dB перпендикулярно dl и r, т. е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Это направление может быть найдено по правилу нахождения линий магнитной индукции (правилу правого винта): направление вращения головки винта дает направление dB, если поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе.Модуль вектора dB определяется выражением

где  — угол между векторами dl и r.Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности:

Расчет характеристик магнитного поля (В и Н) по приведенным формулам в общем случае сложен. Однако если распределение тока имеет определенную сим­метрию, то применение закона Био — Савара — Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет просто рассчитать конкретные поля. Рассмотрим два примера.1. Магнитное поле прямого тока — тока, текущего по тонкому прямому проводу бесконечной длины (рис. В произвольной точке А, удаленной от оси проводника на расстояние R, векторы dB от всех элементов тока имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа («к вам»). Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. В качестве постоянной интегрирования выберем угол (угол между векторами dl и r), выразив через него все остальные величины. Из рис. 165 следует, что

Читайте так же:
Тепловое действие тока последствия

(радиус дуги CD вследствие малости dl равен r, и угол FDC по этой же причине можно считать прямым). Подставив эти выражения в (110.2), получим, что магнитная индукция, создаваемая одним элементом проводника, равна(110.4)Так как угол для всех элементов прямого тока изменяется в пределах от 0 до , то, согласно (110.3) и (110.4)Следовательно, магнитная индукция поля прямого тока2. Магнитное поле в центре кругового проводника с током (рис. 166). Как следует из рисунка, все элементы кругового проводника с током создают в центре магнитные поля одинакового направления — вдоль нормали от витка. Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. Так как все элементы проводника перпендикулярны радиусу-вектору (sin =1) и расстояние всех элементов проводника до центра кругового тока одинаково и равно R, то, согласно (110.2),ТогдаСледовательно, магнитная индукция поля в центре кругового проводника с током

19.Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру. Закон полного тока. Циркуляцией магнитного поля Н по заданному замкнутому кон- туру L называется интеграл следующего видаконтур L произвольной формы, лежащий в плоскости, перпендикулярной к бесконечному линейному току / (рис. 3.23). Ток перпендикулярен к плоскости рисунка и направлен от нас (крестик на чертеже). Линии напряженности магнитного поля представляютсобой концентрические окруж­ности в плоскости рисунка, на­правленные по часовой стрелке.Выберем направление обхода контура L также по часозой стрелке. Рассмотрим отрезок кон­тура d. Вектор напряженности магнитного поля направлен пер­пендикулярно к радиусу-вектору г и составляет с отрезком dl угол Таким образом Hdl=Hdlcosft.Проведем два бесконечно близ­кие радиуса-вектора, проходящих через начало и конец dI и составляющих друг с другом угол dtp, и вектор di0, перпендикулярный к этим радиусам-векторам.

произведение напряженности поля Н в точках контура на длину этого контура l равно току I, пронизывающему поверхность, ограниченную данным контуром.Таким образом,В общем случае поверхность могут пронизывать несколько токов Тогда определяют так называемый полный ток, т. е. находят алгебраическую сумму токов ( ∑I). Для этого случая можно записать:Это выражение носит название закона полного тока Закон полного тока является основным законом при расчете магнитных цепей и дает возможность в некоторых случаях легко определить напряженность поля.

Нагревание проводников электрическим током закон джоуля ленца

Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, кислот, щелочей, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействует с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводников 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, выделяемого проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле: A=UIt

Пользуюсь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Зная, что U = IR, получим: Q = IRIt, т. е. Q = I 2 Rt

Закон Джоуля-Ленца: Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9032 — | 7258 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Разделы: Физика

Цель урока:

  • Формирование у учащихся представления о тепловом действии электрического тока и его причинах.
  • Вывести закона Джоуля-Ленца.
  • Содействовать в понимании практической значимости данной темы.
  • Развивать интеллектуальных умений учащихся (наблюдать, сравнивать, применять ранее усвоенные знания в новой ситуации, размышлять, анализировать, делать выводы)
  • Формировать коммуникативных умений учащихся.
  • содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира;

Оборудование: компьютер, проектор, экран.

Тип урока: Изучение нового материала.

Читайте так же:
Расчет тока для теплого пола

Ход урока

I. Организационный этап.

Приглядывайтесь к облакам,
Прислушивайтесь к птицам,
Притрагивайтесь к ручейкам –
Ничто не повторится.
За часом час, за мигом миг
Впадайте в изумление.
Всё будет так, и всё не так
Через одно мгновение…

На данном этапе учитель предлагает учащимся самостоятельно сформулировать цель урока.

II. Активизация знаний.

Вспомним некоторые вопросы, которые потребуются, чтобы изучить новую тему:

  1. Что называют электрическим током? (Упорядоченное движение заряженных частиц)
  2. Какие действия тока вам известны? (Тепловое, электрическое, магнитное, химическое)
  3. Чему равна работа тока? (A=IUT)
  4. В каких единицах измеряется работа? (Джоулях)
  5. Закон Ома. (I=U/R U=IR R=U/I)
  6. Закон сохранения и превращения энергии. (Во всех явления, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.)
  7. Вставьте пропущенные в формулах буквы. Выразите единицы измерения.

III. Изучение нового материала.

Давайте потрем ладошки. Что мы чувствуем? Почему они нагреваются?

Исследуя на опыте нагревание проводников током, русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) и английский физик Джеймс Джоуль (1818–1889) установили, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении через него электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока I и времени t, в течение которого поддерживается ток в проводнике. Этот закон, носящий название закона Джоуля – Ленца, можно выразить следующей формулой:

(1)
где Q – выделившееся количество теплоты в джоулях, R – сопротивление в омах, I – сила тока в амперах, t – время в секундах.

Измерения, приводящие к закону Джоуля-Ленца, можно выполнить, поместив в калориметр (рис. 1) проводник с известным сопротивлением R и пропуская через него ток определенной силы I в течение известного времени t. Количество выделяющейся при этом теплоты Q определим, составив уравнение теплового баланса, как это принято при калориметрических измерениях. Производя опыты при различных значениях R, I и t, получим зависимость, выраженную законом Джоуля-Ленца. Пользуясь законом Ома, мы можем выразить силу тока I через напряжение U на концах проводника и его сопротивление R. Подставляя выражение I=U/R в формулу (1), найдем

Рис. 1. Калориметр для проверки закона Джоуля-Ленца

Формулы (1) и (2) позволяют рассчитать количество теплоты, выделяющееся в отдельных проводниках, соединенных последовательно и параллельно. При последовательном соединении во всех проводниках течет ток одной и той же силы (§ 50). Поэтому для сравнения количеств теплоты, выделяющихся в отдельных проводниках, удобнее формула (1). Она показывает, что при последовательном соединении нескольких проводников в каждом выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника. При параллельном соединении ток в проводниках различен, но напряжение на их концах (в точках разветвления) имеет одно и то же значение (§ 50). Поэтому в этом случае удобнее пользоваться формулой (2). Она показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника.

IV. Физкультминутка.

В кабинете физики на одной из стен имеются изображения трёх голубей разного цвета. Под спокойную музыку учащимся предлагается зафиксировать внимание на одном из них, затем закрыть глаза, медленно повернуть голову и мысленно перенести изображение голубя на противоположную стену. То же самое проделывается с остальными изображениями голубей. Тем самым обеспечивается отдых глазам и головному мозгу.

V. Закрепление новых знаний.

Решение задач.

Задача №1

Известно, что безопасным для человека является постоянный ток 100 мкА. Какое количество теплоты выделится за 1 мин в теле человека при прохождении тока от конца одной руки до конца другой руки (при сухой коже), если сопротивление этого участка равно 15000 Ом?

Протекание через тело человека тока большой силы вызывает нагрев и ожог участков тела, разложение крови, непроизвольное сокращение мышц, смерть.

Задача №2

Какое количество теплоты выделяется за 10 мин спиралью электронагревательного прибора, если известны его сопротивление и сила тока в ней.

Q = (10A) 2 × 25 Ом × 600 с

Самостоятельная работа

В-1В-2
1. Как называют единицу работы электрического тока:
А. Ампер (А);
Б. Ом (Ом);
В. Ньютон (Н);
У. Джоуль (Дж);

Д. Вольт (В);
1. Как называют единицу мощности электрического тока:
А. Джоуль (Дж);
У. Ватт (Вт);

В. Ом (Ом);
Г. Вольт (В);
Д. Ампер (А);
Необходимо измерить силу тока в лампе и напряжение на ней. Как следует включить к лампе амперметр и вольтметр:
А. A и V последовательно;
Б. A и V параллельно;
С. А послед.V паралл.;
Г. А паралл. V последов;
2. Для измерения силы тока в лампе и напряжения на ней в цепь включают амперметр и вольтметр. Какой из этих приборов должен быть включен параллельно лампе:
А. Только А;
Б. А и V;
С. Только V;
Г. Ни А, ни V;
3. Определите работу эл. тока на участке цепи за 5 с. При напряжении 10 В и силе тока 2 А:
К. 10 Дж;
Л. 20 Дж;
П. 100 Дж;

Р. 500 Дж.
3. Найдите мощность тока в лампе, при напряжении 20 В и силе тока 5А
О. 10 Вт;
П. 100 Вт;
Л. 50 Вт;
Ж. 20 Вт.
4. Сопротивление спирали 4 Ом, сила тока в ней 2 А. Какова мощность эл. тока:
С. 100 Вт;
Д. 80 Вт;
Е. 160 Вт;
З. 120 Вт.
Напряжение на концах проводника 6 В, его сопротивление 3 Ом. Чему равна работа тока за10 с.:
Е. 120 Дж;
Ж. 100 Дж;
З. 20 Дж;
И. 60 Дж.
5. Какими приборами измеряют работу эл. тока:
Ф. Амперметром;
Ц. Вольтметром;
Ч. Ваттметром;
Х. Электрическими счетчиками.
5. Каким прибором измеряют мощность эл. тока:
Ч. Амперметром;
Р. Вольтметром;
Х. Ваттметром;
Л. Электрическими счетчиками.
Читайте так же:
Определение коэффициента теплопроводности воздуха вблизи нагретой электрическим током нити

VI. Итоги урока.

Итак, подведем итоги.

Мы знаем, что тепловое действие тока объясняется взаимодействием свободных частиц, с ионами или атомами вещества.

В неподвижном проводнике работа тока равна количеству теплоты, выделяемому в проводнике с током.

Мы вывели закон Ома, который позволяет рассчитать количество теплоты и научились применять закон Ома при решении задач.

Выставление оценок за урок.

VII. Домашнее задание.

§53 прочитать, ответить на вопросы, выучить формулы и закон Джоуля-Ленца. Упражнение 27 (№1, №2 – устно), № 3 – по желанию устно.

Учитель обращается к учащимся:

Всё известно вокруг.
Тем не менее, на земле ещё много того,
Что достойно порой удивления
И вашего, и моего.
Удивляйтесь цветам,
Удивляйтесь росе,
Удивляйтесь упругости стали,
Удивляйтесь тому,
Чему люди уже
Удивляться давно перестали!

Почему нагреваются проводники

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В проводниках этими частицами выступают отрицательно заряженные электроны. Воздействие электрического поля сообщает электронам дополнительную кинетическую энергию. В процессе движения они сталкиваются с атомами (или молекулами) проводника, отдавая часть приобретенной энергии. По этой причине начинает увеличиваться внутренняя энергия вещества, что приводит к повышению температуры и выделению тепла.

Рис. 1. Электрический ток в проводнике нагревает проводник

Если взять обычную лампочку накаливания и подключить ее к источнику напряжения через реостат (переменное сопротивление), то можно наблюдать тепловой эффект от протекания тока. Постепенно увеличивая ток, мы можем сначала на ощупь почувствовать, что стеклянная колба лампочки постепенно начнет нагреваться, а затем увидим, как начинает светиться раскаленная нить накаливания.

Заметим, что в этом эксперименте подводящие провода сильно не нагреваются и не светятся. Это происходит потому, что сопротивление нити накаливания намного больше сопротивления подводящих проводов .

Закон Джоуля-Ленца

На основании этого и других экспериментов можно сделать следующие предположения:

  • чем больше сопротивление, тем сильнее нагреваются проводники. То есть количество теплоты Q, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорционально величине сопротивления проводника R;
  • чем больше сила тока, тем большее количества тепла выделяется. При возрастании тока большее количество частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени, то есть число столкновений возрастает, а значит больше энергии передается атомам проводника.

Формулу для вычисления количества тепла получили независимо друг от друга в 1842 г. английский физик Джеймс Джоуль и российский ученый Эмилий Ленц:

Q — количество теплоты, Дж;

Согласно закону Ома:

где U — напряжение, В.

Пользуясь этой формулой, закон Джоуля-Ленца может быть представлен еще в одном варианте, когда известно напряжение на участке проводника, а сила тока неизвестна:

Формулы закона Джоуля-Ленца справедливы тогда, когда работа, совершаемая электрическим током идет исключительно на нагревание. Если в цепи есть потребление энергии на выполнение механической работы (электродвигатель) или на совершение химических реакций (электролит), то для расчета необходимо применять другие формулы.

Плюсы и минусы от нагрева электрическим током

  • Плюсы. Нагревание проводников электрическим током находит свое применение в различных полезных приборах и устройствах: электроплитах, чайниках, кофеварках, кипятильниках, фенах, утюгах, обогревателях.
  • Минусы. Очень часто инженерам-электронщикам приходится бороться с этим эффектом для того, чтобы, например, обеспечить работоспособность электронных плат, которые напичканы огромным количеством электронных деталей, микросхем и т.д. Все эти элементы греются в соответствие с законом Джоуля-Ленца. И если не предпринять меры для принудительного охлаждения с помощью металлических радиаторов или вентиляторов (кулеров), то платы быстро выйдут из строя от перегрева.
Читайте так же:
Удельная теплота тока формула

Рис. 2. Бытовые нагревательные приборы: чайник, утюг, фен, электроплита.

Часто для быстрого соединения проводов многие пользуются способом “скрутки”. Это приводит к значительному увеличению сопротивления, а следовательно, место “скрутки” будет греться сильнее, чем остальная часть проводки. Поэтому скрутка проводов часто бывает причиной пожаров в домах и квартирах. Для улучшения контакта требуется хорошо пропаять это место.

Что мы узнали?

Итак, мы поговорили кратко о нагревании проводников электрическим током. Нагрев проводников происходит из-за того, что электроны, движущиеся упорядоченно с определенной скоростью, сталкиваются с атомами вещества и отдают часть своей энергии, которая переходит в тепло. Количество тепла можно определить, применив формулу Джоуля-Ленца.

Методическая разработка урока физики по теме «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца»

Нажмите, чтобы узнать подробности

Закон в 1831-1842 гг . был получен экспериментально двумя учеными Джоулем и Ленцем независимо друг от друга.

Джеймс Джоуль

(английский физик)

Эмилий Христианович Ленц

( российский физик)

Метод, которым пользовался Ленц был более совершенным, а результаты получены более точные. Вывод из опытов Ленц сделал на несколько лет раньше, но публикация Джоуля опередила публикацию Ленца.

1. Q=I 2 Rt 2. Q= IUt 3. Q= U 2 t / R Первая формула всегда определяет превращения электрической энергии во внутреннюю , т.е. Q . По второй и третьей формулам определяют расход электрической энергии, идущий как на нагревание, так и на совершение механической работы. Для неподвижных проводников эти формулы совпадают.

1. Q=I 2 Rt

2. Q= IUt

3. Q= U 2 t / R

Первая формула всегда определяет превращения электрической энергии во внутреннюю , т.е. Q .

По второй и третьей формулам определяют расход электрической энергии, идущий как на нагревание, так и на совершение механической работы.

Для неподвижных проводников эти формулы совпадают.

Q=I 2 Rt 1 . Как изменится количество теплоты , выделяемое проводником с током, если силу тока в проводнике уменьшить в 2 раза ? 2. Один и тот же проводник включают в электрические цепи, где в нем устанавливаются силы тока 2А и 4А . В какой цепи он выделит большее количество теплоты и во сколько раз ?

Q=I 2 Rt

1 . Как изменится количество теплоты , выделяемое проводником с током, если силу тока в проводнике уменьшить в 2 раза ?

2. Один и тот же проводник включают в электрические цепи, где в нем устанавливаются силы тока и . В какой цепи он выделит большее количество теплоты и во сколько раз ?

Q= I 2 Rt 1 . Два проводника одинаковой длины из одного и того же материала, но разного сечения включены последовательно в цепь. В каком из них выделится большее количество теплоты за одно и тоже время ? Почему? 2. Отрезки одного и того же медного провода разной длины 5м и 10 м подключены к источнику тока последовательно . Какой из них выделит наибольшее количество теплоты?

Q= I 2 Rt

1 . Два проводника одинаковой длины из одного и того же материала, но разного сечения включены последовательно в цепь. В каком из них выделится большее количество теплоты за одно и тоже время ? Почему?

2. Отрезки одного и того же медного провода разной длины 5м и 10 м подключены к источнику тока последовательно . Какой из них выделит наибольшее количество теплоты?

 а) Так как сила тока в последовательно соединенных лампах одинакова , то количество теплоты, выделяемое в единицу времени, больше в лампе с большим сопротивлением. б) Так как при параллельном соединении напряжение на концах ламп одинаково , то количество теплоты, выделяемое на лампе , обратно пропорционально сопротивлению проводника .

а) Так как сила тока в последовательно соединенных лампах одинакова , то количество теплоты, выделяемое в единицу времени, больше в лампе с большим сопротивлением.

б) Так как при параллельном соединении напряжение на концах ламп одинаково , то количество теплоты, выделяемое на лампе , обратно пропорционально сопротивлению проводника .

« оказалось, что электрический ток нагревает проводники, но не все: через растворы кислот, солей и щелочей, где нет кристаллической решетки, электроны проходят беспрепятственно и не передают раствору своей энергии (они не нагреваются). Нагревание же металлического проводника зависит, во-первых, от его сопротивления чем оно меньше, тем больше выделяется в проводнике тепла) (и, во-вторых, от силы тока в нем (чем она больше тем сильнее нагревается проводник). Так если сила тока возрастает в 2 раза, то и количества теплоты выделится в проводнике в 2 раза больше».

« оказалось, что электрический ток нагревает

проводники, но не все: через растворы кислот,

солей и щелочей, где нет кристаллической решетки,

проходят беспрепятственно и не

передают раствору своей энергии (они не нагреваются). Нагревание же металлического проводника зависит, во-первых, от его сопротивления

чем оно меньше, тем больше выделяется в проводнике тепла)

(и, во-вторых, от силы тока в нем (чем она больше тем сильнее нагревается проводник).

Так если сила тока возрастает в 2 раза, то и количества теплоты выделится в проводнике

Физический смысл закона джоуля ленца

Физический смысл закона джоуля ленца. «Закон Джоуля-Ленца и его применение

Эмилий Христианович Ленц (1804 — 1865) — русский знаменитый физик. Он является одним из основоположников электромеханики. С его именем связано открытие закона, определяющего направление и закона, определяющего электрическое поле в проводнике с током.

Кроме того, Эмилий Ленц и английский учёный-физик Джоуль, изучая на опыте независимо один от другого открыли закон, согласно которому количество теплоты, которое выделяется в проводнике, будет прямо пропорционально квадрату электрического тока, который проходит по проводнику, его сопротивлению и времени, в течение которого электрический ток поддерживается неизменным в проводнике.

Данный закон получил название закон Джоуля — Ленца, формула его выражает следующим образом:

где Q — количество выделившейся теплоты, l — ток, R — сопротивление проводника, t — время; величина k называется тепловым эквивалентом работы. Численное значение этой величины зависит от выбора единиц, в которых производятся измерения остальных величин, входящих в формулу.

Если количество теплоты измерять в калориях, ток в амперах, сопротивление в Омах, а время в секундах, то k численно равно 0,24. Это значит, что ток в 1а выделяет в проводнике, который обладает сопротивлением в 1 Ом, за одну секунду число теплоты, которое равно 0,24 ккал. Исходя из этого, количество теплоты в калориях, выделяющееся в проводнике, может быть рассчитано по формуле:

В системе единиц СИ энергия, количество теплоты и работа измеряются единицами — джоулями. Поэтому коэффициент пропорциональности в законе Джоуля — Ленца равен единице. В этой системе формула Джоуля — Ленца имеет вид:

Читайте так же:
Номинальный ток теплового расцепителя обозначение

Закон Джоуля — Ленца можно проверить на опыте. По проволочной спиральке, погружённой в жидкость, налитую в калориметр, пропускается некоторое время ток. Затем подсчитывается количество теплоты, выделившейся в калориметре. Сопротивление спиральки известно заранее, ток измеряется амперметром и время секундомером. Меняя ток в цепи и используя различные спиральки, можно проверить закон Джоуля — Ленца.

На основании закона Ома

Подставляя значение тока в формулу (2), получим новое выражение формулы для закона Джоуля — Ленца:

Формулой Q = l²Rt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, выделяемого при последовательном соединении, потому что в этом случае во всех проводниках одинаков. Поэтому, когда происходит нескольких проводников, в каждом из них будет выделено такое количество теплоты, которое пропорционально сопротивлению проводника. Если соединить, например, последовательно три проволочки одинаковых размеров — медную, железную и никелиновую, то наибольшее количество теплоты будет выделяться из никелиновой, так как её наибольшее, она сильнее и нагревается.

Если то электрический ток в них будет различен, а напряжение на концах таких проводников одно и то же. Расчёт количества теплоты, которое будет выделяться при таком соединении, лучше вести, используя формулу Q = (U²/R)t.

Эта формула показывает, что при параллельном соединении каждый проводник выделит такое количество теплоты, которое будет обратно пропорционально его проводимости.

Если соединить три одинаковой толщины проволоки — медную, железную и никелиновую — параллельно между собой и пропустить через них ток, то наибольшее количество теплоты выделится в она и нагреется сильнее остальных.

Беря за основу закон Джоуля — Ленца, производят расчёт различных электроосветительных установок, отопительных и нагревательных электроприборов. Также широко используется преобразование энергии электричества в тепловую.

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

Закон Джоуля Ленца в интегральной форме в тонких проводах:

Если сила тока изменяется со временем, проводник неподвижен и химических превращений в нем нет, то в проводнике выделяется тепло.

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

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах. Тот же эффект в электрических машинах и аппаратах приводит к непроизвольным затратам энергии (потере энергии и снижении КПД). Тепло, вызывая нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку; при перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокращение срока службы установки.

В формуле мы использовали:

Напряжение в проводнике

Сила тока в проводнике

Рассмотрим Закон Джоуля-Ленца и его применение.

При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию. Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника , в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: Q = А или Q = IUt .

Учитывая, что U = IR , в результате получаем формулу:

Q = I 2 Rt , где

Q — количество выделяемой теплоты (в Джоулях)
I — сила тока (в Амперах)
R — сопротивление проводника (в Омах)
t — время прохождения (в секундах)

Закон Джоуля–Ленца : количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

Где применяется закон Джоуля-Ленца?

1. Например, в лампах накаливания и в электронагревательных приборах применяется закон Джоуля-Ленца. В них используют нагревательный элемент, который является проводником с высоким сопротивлением. За счет этого элемента можно добиться локализованного выделения тепла на определенном участке. Выделение тепла будет появляться при повышении сопротивления, увеличении длины проводника, выбором определенного сплава.

2. Одной из областей применения закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии . Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии. При передаче электроэнергии, передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а сила нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если повышать напряжение, при этом понижая силу тока перед подачей электроэнергии, то это будет более выгодно. Но повышение напряжения ведет к снижению электробезопасности. Для повышения уровня электробезопасности повышают сопротивление нагрузки соответственно повышению напряжения в сети.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector