Buderus-trade.ru

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

Закон Джоуля-Ленца. Плавкий предохранитель

Закон Джоуля-Ленца. Плавкий предохранитель.

Photo of author

Наверняка многие из вас обращали внимание на то, что при прохождении тока через проводник он нагревается и порой довольно сильно. В чем же тут причина и как можно рассчитать степень нагрева? Сегодня мы обсудим все эти вопросы и найдем на них ответы!

В одной из предыдущих статей мы разбирались с понятием тока и выяснили, что возникновение такого явления как электрический ток связано, в первую очередь, с перемещением заряженных частиц (электронов/ионов) по проводнику. Так вот, эти перемещающиеся частицы сталкиваются с молекулами и атомами вещества, из которого состоит проводник, и передают им часть своей кинетической энергии. В результате этого процесса внутренняя энергия проводника увеличивается, что и приводит к нагреву. Очевидно, что чем больше ток (большее количество электронов перемещается по проводнику), тем больше будет возникать столкновений и, соответственно, проводник будет нагреваться сильнее.

Закон Джоуля-Ленца.

Зависимость количества теплоты от параметров электрической цепи вывели двое ученых — Д. Джоуль и Э. Ленц. Причем они пришли к одинаковому результату независимо друг от друга. И закон этот, что абсолютно логично, получил название закон Джоуля-Ленца 🙂 Формулировка выглядит следующим образом.

Давайте запишем формулу:

Применив уже изученный нами закон Ома, мы можем получить несколько измененные выражения для расчета количества теплоты, выделяемого электрическим током:

Явление нагрева проводника при прохождении по нему тока широко применяется в различных бытовых приборах — утюгах, чайниках , обогревателях и т. д. Ключевым элементом любого из этих устройств является нагревательный элемент, который чаще всего выполнен в форме спирали. Вот так выглядит нагревательный элемент паяльного фена:

Нагреватель.

Плавкий предохранитель.

Кроме того, явление нагрева проводника используется в очень важном элементе практически любой электрической цепи, а именно в плавком предохранителе:

Плавкий предохранитель.

Давайте разберемся, как он работает и какие функции выполняет.

Любой электрический прибор, любая электрическая цепь рассчитаны на определенные значения тока. При превышении этой величины происходит чрезмерный нагрев элементов цепи и проводников. А это приводит в лучшем случае к выходу прибора из строя, а в худшем — к воспламенению. Для того, чтобы обезопасить цепь необходимо как то ограничить протекающий по ней ток. Вот именно эта задача и стоит перед плавким предохранителем 🙂

Главной частью предохранителя является тонкая проволока из легкоплавкого материала, которая расположена внутри специальной трубки. Толщина проволоки рассчитана так, что она выдерживает определенное значение протекающего через нее тока. А при превышении силы тока свинцовая проволока плавится и цепь оказывается разомкнутой. Таким образом, сам предохранитель выходит из строя, но разрывая электрическую цепь, спасает все остальные элементы (более дорогостоящие) от поломки. А конструктивно плавкий предохранитель выполнен таким образом, что никаких нежелательных побочных эффектов, например взрывов и возникновения открытого огня, не возникает. Как видите, это действительно полезнейший элемент практически любой электрической цепи!

Читайте так же:
Розетка ламинат для теплого пола

На этой позитивной ноте мы заканчиваем наш сегодняшний разговор о процессе нагрева проводников при прохождении электрического тока, до встречи в будущих статьях!

Конспект урока на тему «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца»

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

1. Какие три величины связывают закон Ома?

(I, U, R; сила тока, напряжение, сопротивление.)

2. Как формулируется закон Ома?

(Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.)

3. Что представляет собой электрический ток в металлах?

(Эл-ий Ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов )

4. Какова зависимость силы тока от напряжения?

( Во сколько раз увеличивается напряжение в цепи, во столько же раз увеличивается и сила тока)

5. Как выразить работу тока за некоторое время?

6. Как рассчитать мощность электрического тока?

7. При каком соединении все потребители находятся при одной и той же силе тока?

(При последовательном соединении)

На (слайде 4) изображены электроприборы(потребители электрического тока):

утюг, электроплитка, электрическая лампа, электрическая дрель, электрический чайник, паяльник
вопросы к учащимся:

Назвать приборы изображенные на слайде.

Какой прибор не вписывается в общий ряд? Уберите лишний.

Чем вы руководствовались, делая выбор?

Какое действие электрического тока проявляется в выбранных приборах?

Выяснить, почему проводники нагреваются? (слайд 5)

Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение

электронов. Провод — это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь»

между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам, заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия

ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника,

и следовательно его температура. А это и значит что, проводник нагревается

От каких величин зависит нагревание проводника? (слайд 6)

Многочисленные опыты показывают, что чем больше сила тока в проводнике тем и количество теплоты, выделившееся в проводнике будет больше. Значит, нагревание проводника зависит от силы тока ( I ).

(Чем больший электрический заряд пройдет через поперечное сечение проводника в единицу времени, тем большее количество теплоты он выделит)

Но не только сила тока отвечает за то, что выделяется большое количество теплоты.

Был проведен эксперимент.

(Были взяты 3 проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения, но из разного вещества. Все проводники соединены между собой последовательно. Следовательно, сила тока на всех участках цепи одинаковая. Но при включении в цепь все 3 проводника выделили разное количество теплоты.

Следовательно, количество теплоты зависит не только от силы тока, но и от того, из какого вещества изготовлен проводник. Точнее — от электрического сопротивления проводника ( R )

Читайте так же:
Тепловое действие тока обусловлено выберите ответ

(Сравнить удельное сопротивление проводников в таблице)

Вопр. Что нужно чтобы проводник нагревался сильнее?

Вывод: Чтобы проводник нагревался сильнее, он должен обладать большим удельным сопротивлением.

От чего зависит количество теплоты в проводнике с током?

Вывод: Количество теплоты, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, зависит от силы тока в этом проводнике и от его электрического сопротивления.

Закон, определяющий тепловое действие тока – ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

Рассказать о английском физике Джеймсе Прескотте Джоулье (1818-1889 гг.)

и русском физике Ленц Эмилий Христианович (1804 – 1865)

Как записывается закон Джоуля-Ленца

Q = I 2 Rt

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Q – количество теплоты — [Дж]

I – сила тока – [ A ]

R – сопротивление – [Ом]

t – время – [ c ]

Формулу, которую мы получили, в точности соответствует формуле, которую мы изучили ранее. Это формула работы электрического тока

A = UIt из закона Ома I = U / R следует U = IR следовательно A = IRIt что соответствует закону Джоуля-Ленца Q = I 2 Rt

Вывод: Количество теплоты электрического тока равно работе электрического тока.

Закрепление (Систематизация знаний)

1) В чем проявляется тепловое действие тока?

(В нагревании проводника)

2) Как можно объяснить нагревание проводника с током?

(Движущиеся электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и передают им свою энергию)

3) Какие превращения энергии происходят при протекании тока через проводник?

(Электрическая энергия превращается во внутреннюю)

4) Как по закону Джоуля – Ленца рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике?

Определить количество теплоты, выделяемое проводником, сопротивление которого 35 Ом, в течении 5 минут. Сила тока в проводнике 5 А.

Урок физики в 8-м классе "Нагревание проводников. Закон Джоуля-Ленца"

Оборудование: компьютер, проектор, экран.

Тип урока: Изучение нового материала.

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

Читайте так же:
Выключатель тепловой защиты чайника

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.

Читайте так же:
Комплекты теплоотражательные для пожарных ток 200

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.

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!

Презентация по теме: "Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца"

Нажмите, чтобы узнать подробности

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:

Читайте так же:
Schneider electric автоматические выключатели с тепловой защитой

Q=I 2 Rt

Q – количество теплоты — [Дж]

I – сила тока – [A]

R – сопротивление – [Ом]

t – время – [c]

Количество теплоты электрического тока равно работе электрического тока.

Решим задачу Определить количество теплоты, выделяемое проводником, сопротивление которого 35 Ом, в течении 5 минут. Сила тока в проводнике 5 А. Дано: Решение: Си R=35 Ом Q=I 2 Rt - Q= (5A) 2 . 35 Ом . 300 с = 262500Дж = 300 с t=5 мин - I=5 А = 262,5 кДж Q= ? Ответ: Q=262,5 кДж

Решим задачу

Определить количество теплоты, выделяемое проводником, сопротивление которого 35 Ом, в течении 5 минут. Сила тока в проводнике 5 А.

Q=I 2 Rt

Q= (5A) 2 . 35 Ом . 300 с = 262500Дж =

Ответ: Q=262,5 кДж

  • Задача №2
  • 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?
  • 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);

2. 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;

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector