Buderus-trade.ru

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

Закон Джоуля-Ленца и тепловые потери

Закон Джоуля-Ленца и тепловые потери

Ток, протекающий в любом проводнике, вызывает его нагрев. Собственно, это и есть основное воздействие тока на проводящую среду. Двигаясь между узлами кристаллической решетки, электроны беспрестанно испытывают столкновения.

Из-за этого амплитуда тепловых колебаний атомов металла увеличивается, а скорость движения электронов и величина электрического тока не такая большая, как это могло бы быть теоретически.

Электроны «толкают» атомы – атомы колеблются сильнее. Раз увеличивается интенсивность колебаний, то столкновения происходят еще. Это приводит к еще большему нагреву. Интенсивность и частота столкновений электронов с атомами определяет электрическое сопротивление проводника, а следовательно, и величину тепловых потерь.

Можно предположить, что тепловые потери – явление однозначно отрицательное. Выделяемое тепло снижает коэффициент полезного действия сети, может повредить провода и изоляцию, вызвать возгорание и пожар.

Но на самом деле «электрическое тепло» может быть и очень полезным. Так, в традиционной электрической лампе накаливания именно перегрев спиральной нити вызывает свечение. Поэтому нить выбирается настолько тонкого сечения, чтобы оказывать достаточное сопротивление току, греться, но не перегорать.

При этом, правда, используются и некоторые технологические хитрости, такие как, например, специальный материал нити – тугоплавкий вольфрам, но сути дела это не меняет.

Условно полезным можно считать и выделение тепла при прохождении тока через проводник предохранителя или плавкой ставки. Если бы не это тепло – вставка или предохранитель не могли бы сработать и защитить цепь.

И, уж конечно, никому не нужно долго объяснять, насколько полезным является тепло, выделяемое проводниками в нагревательных элементах электрических плит и электрообогревателей.

Итак, очевидно, что тепловые потери во многих случаях можно было бы назвать и «тепловыми приобретениями». Есть и физический закон, позволяющий теоретически обосновать и рассчитать, на какие же именно «приобретения» мы можем рассчитывать в данной конкретной сети.

Закон этот открыли и исследовали независимо друг от друга два ученых в конце XIX века – Джеймс Джоуль и Эмиль Ленц. Они выяснили, что мощность тепловых потерь в проводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля и плотности электрического тока:

Здесь можно вспомнить закон Ома в дифференциальной форме и записать:

Это дифференциальная форма записи закона Джоуля-Ленца для тепловых потерь. Интереснее, конечно, интегральная форма, позволяющая рассчитать точное количество тепла, выделяемого проводником с током. После интегрирования по времени получаем закон Джоуля-Ленца в такой форме:

То есть, тепла выделится тем больше, чем больше в цепи электрический ток и выше сопротивление проводника. Ну и, разумеется, имеет значение время, в течение которого в этом проводнике протекает ток.

Очень важно то, что зависимость количества теплоты от тока – квадратичная, а от других параметров – прямо пропорциональная. Это означает, что даже при небольшом увеличении тока в цепи нагрев проводников существенно возрастает.

Изменение электрического сопротивления в большую сторону такого эффекта не дает, потому что при этом снижается электрический ток. Именно поэтому мгновенный перегрев проводов возникает при коротком замыкании и стремительном снижении сопротивления, а не при обрыве и устремлении сопротивления к бесконечности.

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля–Ленца

В настоящее время очень много говорят о том, что наша система образования не отвечает современным требованиям. Подготовка выпускников оставляет желать лучшего. Учащиеся тяжело ориентируются в меняющихся ситуациях, не могут самостоятельно приобретать знания и применять их на практике, не умеют грамотно работать с информацией и т.д. Решение этих проблем возможно через личностно-ориентированные технологии обучения, одной из которых является модульная технология.

Читайте так же:
Как найти количество теплоты выделяемое проводником с током

Сущность модульной технологии состоит в том, что взаимодействие педагога и обучающегося в учебном процессе осуществляется на принципиально новой основе: с помощью учебных элементов (модулей) обеспечивается осознанное самостоятельное достижение обучающимися определённого уровня подготовки. Учащийся полностью самостоятельно работает над предложенной ему индивидуальной программой, включающей в себя целевой план действий, информацию и методическое руководство по достижению поставленных дидактических целей. Успешность модульного обучения предопределяется соблюдением паритетных взаимоотношений между педагогом и учащимися. Принцип такого обучения выражает прежде всего его целенаправленность, способствующую формированию мотивации в обучении. Использовать модульную технологию можно как при изучении новых тем, которые учащиеся способны освоить самостоятельно (материал основан на ранее изученном), так и при закреплении, обобщении и систематизации изученного. Учитель на этих уроках выполняет роль консультанта, корректирует и направляет работу ученика. Все эти условия являются благотворной почвой для развития у учащихся способностей использовать имеющиеся знания в новых ситуациях. Модульное обучение обеспечивает самостоятельность приобретения дополнительных знаний к уже известным и их перенос в новые условия, ученик учится самостоятельно организовывать усвоение нового материала.

Модульный урок позволяет решить задачу дифференциации, способствует осознанному подходу к обучению, даёт возможность сориентироваться в предложенном материале и выбрать уровень изучения по своим знаниям, а также формирует стремление к освоению более сложного материала темы.

Рассмотрим примерную логическую структуру содержания урока по модульной технологии.

Хотя модульный урок требует большой затраты времени на подготовку (обдумывание темы и хода урока, подбор материала, оформление урока), работа учителя во время урока облегчается. Кроме того, в процессе такой систематической работы происходит накопление материала, что ведёт к уменьшению времени подготовки в дальнейшем.

Рассмотрим, как можно использовать данную технологию, на примере представленного урока физики. Этот урок стоит в конце темы «Электрические явления», материал не сложен для самостоятельного изучения, т.к. у учащихся к этому времени уже имеется багаж знаний по теме и отработан навык решения задач.

Логическая структура урока по модульной технологии может выглядеть так.

1. Постановка целей урока.

2. Повторение изученного по теме (входной контроль). Первые 5–7 мин можно посвятить проверке качества усвоения материала, для чего дать письменную работу по карточкам с разноуровневыми заданиями или провести устный опрос.

3. Изучение теоретического материала по новой теме. Самостоятельная работа учащихся с использованием учебника и карты учащегося.

4. Закрепление материала. Ответы на вопросы и решение задач.

5. Самопроверка. Решение задач.

6. Осмысление. Ученик возвращается к целям, поставленным в начале урока.

7. Экспертный контроль. Ответы на вопросы учителя, небольшая проверочная работа.

Например (в четырёх вариантах):

Карта учащегося

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля–Ленца

Постановка целей

Сегодня на уроке вы самостоятельно узнаете, почему при прохождении электрического тока по проводникам они нагреваются, познакомитесь с формулой, с помощью которой можно подсчитать количество теплоты, которое выделяет проводник при прохождении через него электрического тока, научитесь решать задачи по теме, а также узнаете интересные факты из биографии великих учёных и изобретателей. Вы уже знакомы с такими понятиями и явлениями, как электрическое поле, электрический ток, сопротивление проводников; знаете такие физические величины, как напряжение U, сила тока I, сопротивление R; знаете закон Ома для участка цепи, формулу для расчёта сопротивления проводника; умеете решать задачи с использованием этих физических величин.

Читайте так же:
Тепловой обратный ток диода

Материал, который вы будете изучать сегодня, покажется несложным. Внимательно читайте инструкцию и строго следуйте ей! Успехов!

Ваша цель на уроке:

– узнать причину нагревания проводников при прохождении через них электрического тока;

– познакомиться с формулой для расчёта количества теплоты, выделяемого проводником при прохождении через него электрического тока (законом Джоуля–Ленца);

– научиться с помощью закона Джоуля–Ленца решать задачи;

Входной контроль

Самостоятельное изучение нового материала

Закрепление изученного

Внимательно прочитайте текст, приведённый ниже. Из содержания параграфа вы узнали, почему электрический ток, проходя через проводники, вызывает их нагрев. Дело в том, что упорядоченно движущиеся под действием электрического поля свободные электроны взаимодействуют с ионами и атомами вещества и, передавая им часть своей энергии, заставляют отклоняться от положения равновесия (т.е. двигаться). В результате этого внутренняя энергия проводника возрастает, он нагревается и отдаёт энергию окружающим телам путём теплопередачи. Но следует помнить, что вся работа электрического тока идёт на увеличение его внутренней энергии лишь в неподвижных проводниках. В подвижных проводниках часть энергии идёт на совершение механической работы. Именно поэтому закон Джоуля–Ленца применим только к неподвижным проводникам.

Экспертный контроль

Ответьте на вопросы и решите задачи на отдельном листке.

1. Какова причина нагревания проводников электрическим током?

2. Почему провода, подводящие электрический ток к нагревательному элементу, сами нагреваются не так сильно, как нагревательные элементы приборов?

3. Какое количество теплоты выделит проводник за 5 с, если его сопротивление 25 Ом, а сила тока в цепи 2 А?

4. Какое количество теплоты выделится в нити накала электрической лампы за 10 мин, если при напряжении 5 В сила тока в ней 0,2 А?

Если вы успели сделать всё, то можете подумать над дополнительными задачами (см. Приложение 2) и ознакомиться с интересными сведениями из биографии Д.Джоуля и Э.Ленца (см. Приложение 3).

* Учебник: А.В.Пёрышкин. Физика-8. – М.: Дрофа, 2004. Сборник задач по физике для 7–9 кл.: В.И.Лукашик, Е.И.Иванова. – М.: Просвещение, 2004.

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

1.9 Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.

Работу сил электрического поля, создающего упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике, т.е. электрический ток, называют работой тока.

Работа, совершаемая электрическим полем по перемещению заряда q на участке цепи, равна:

A=q•U=I•U•t=I 2 *R•t= U 2 /R*t

где I — сила тока на данном участке, U — напряжение на участке цепи, t — время прохождения тока по участку цепи, q == It — электрический заряд (количество электричества), протекающий через поперечное сечение проводника за промежуток времени t. Единицей измерения работы служит джоуль: 1 Дж = 1 А* 1 В* 1 с. 1 Дж есть работа постоянного тока силой в 1 А в течение 1 с на участке напряжением в 1 В.

Читайте так же:
Поврежден провод теплого пола

По закону сохранения энергии эта работа равна изменению энергии проводника.

Мощность электрического тока при прохождении его по про­воднику с сопротивлением R равна работе, совершаемой током за единицу времени:

Единицей измерения мощности электрического тока в СИ служит ватт: 1 Вт = 1 Дж/с. Работу тока можно также определить следующим образом:

Единицей измерения работы также является киловатт-час (кВт • ч) или ватт-час (Вт • ч):

В этих единицах работу обычно выражают в электротехнике. Полную мощность, развиваемую источником тока с ЭДС и внутренним сопротивлением г, когда во внешней цепи включена нагрузка с сопротивлением R, определяют по формуле:

Полная мощность идет на выделение тепла во внешнем и внутреннем сопротивлении.

Полезная мощность (мощность, выделяемая во внешнем со­противлении) равна:

Pполез=I 2 R=e 2 R/(R+r) 2

Она используется в электронагревательных и осветительных приборах.

Теряемая мощность (мощность, выделяемая во внутреннем сопротивлении) равна:

Она не используется.

Мощность тока во всей внешней цепи при любом соединении равна сумме мощностей на отдельных участках цепи.

Работа электрического поля приводит к нагреванию провод­ника, если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения веществ. Поэтому энергия (количество теплоты), выделяемая на данном участке цепи за время t, равна работе электрического тока:

Количество теплоты, выделяющееся проводником при нагре­вании его током, определяют по закону Джоуля-Ленца:

Этот закон был установлен экспериментально английским ученым Джеймсом Джоулем (1818-1889) и русским ученым Эмилием Христиановичем Ленцем (1804—1865) и сформулирован сле­дующим образом.

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

При последовательном соединении проводников с сопротив­лением R1 и R2 количество теплоты, выделенное током в каждом проводнике, прямо пропорционально сопротивлению этих про­водников:

Количество теплоты, выделенное током в параллельно соеди­ненных двух участках цепи без ЭДС с сопротивлениями 2^ и И^, обратно пропорционально сопротивлению этих участков:

1.10. Электрический ток в металлах.

Прохождение тока через металлы (проводники I рода) не со­провождается химическим изменением, следовательно, атомы металла не перемещаются вместе с током. Согласно представле­ниям электронной теории, положительно заряженные ионы (или атомы) составляют остов металла, образуя его кристаллическую решетку. Электроны, отделившиеся от атомов и блуждающие по металлу, являются носителями свободного заряда. Они участву­ют в хаотическом тепловом движении. Эти свободные электроны под действием электрического поля начинают перемещаться упорядоченно с некоторой средней скоростью. Таким образом, прово­димость металлов обусловлена движением свободных электро­нов. Экспериментальным доказательством этих представлений явились опыты, выполненные впервые в 1912 г. советским акаде­миком Леонидом Исааковичем Мандельштамом (1879-1944) и Николаем Дмитриевичем Папалекси (1880-1947), но не опубли­кованные ими. Позже в 1916 г. американские физики Т.Стюарт и Ричард Чейс Толлин (1881-1948) опубликовали результаты своих опытов, оказавшихся аналогичными опытам советских ученых.

Концы проволоки, намотанной на катушку, припаивают к двум изолированным друг от Друга металлическим дискам. При помощи скользящих контактов (щеток) к концам дисков присо­единяют гальванометр.

Катушку приводят во вращение, а затем резко останавлива­ют. Если предположить, что в металле есть свободные заряды, то после резкой остановки катушки свободные заряженные частицы будут двигаться некоторое время относительно проводника по инерции. Следовательно, в катушке возникнет электрический ток, который из-за сопротивления проводника будет длиться не­большое время. Направление этого тока позволит судить о знаке тех частиц, которые двигались по инерции. Так как возникаю­щий ток зависит от величины и массы зарядов, то этот опыт по­зволяет не только предположить существование в металле свобод­ных зарядов, но и определить знак зарядов, их массу и величину (точнее, определить удельный заряд — отношение заряда к массе).

Читайте так же:
Что такое номинальный тепловой ток контактора

Опыт показал, что после остановки катушки в гальванометре возникает кратковременный электрический ток. Направление этого тока говорит о том, что по инерции движутся отрицательно заряженные частицы. Измерив величину заряда, переносимого этим кратковременным током через гальванометр, удалось опре­делить отношение величины свободных зарядов к их массе. Оно оказалось равным е/т = 1,8 • 10 11 Кл/кг, что совпадает со значе­нием такого отношения для электрона, найденным ранее другими способами.

Итак, опыт показывает, что в металлах имеются свободные электроны, упорядоченное движение которых создает в металлах электрический ток.

Под влиянием постоянной силы со стороны электрического поля электроны в металле приобретают определенную скорость упорядоченного движения, которая является постоянной. Упоря­доченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение, т.к. со стороны ионов кристалличес­кой решетки на них действует некоторая тормозящая сила — при столкновениях с ионами свободные электроны передают им кине­тическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. Следовательно, средняя ско­рость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике v см Е. Учиты­вая связь напряженности и разности потенциалов на концах проводника (Е = U/d), можно сказать, что скорость движения электронов пропорциональна разности потенциалов на концах проводника v

От скорости упорядоченного движения частиц зависит сила тока в проводнике: I = qnv S, поэтому сила тока пропор­циональна разности потенциалов на концах проводника I

U, что дает качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

Нагревание проводника при прохождении по нему постоянного тока можно объяснить тем, что кинетическая энергия электронов передается при столкновении ионов кристаллической решетки.

Количественную теорию движения электронов в металле можно построить на основе законов квантовой механики, класси­ческая механика Ньютона неприменима для описания этого движения.

Количество теплоты выделяемое током при прохождении по проводнику

Внимание Скидка 50% на курсы! Спешите подать
заявку

Профессиональной переподготовки 30 курсов от 6900 руб.

Курсы для всех от 3000 руб. от 1500 руб.

Повышение квалификации 36 курсов от 1500 руб.

Лицензия №037267 от 17.03.2016 г.
выдана департаментом образования г. Москвы

Урок физики в 8 классе «Закон Джоуля-Ленца»

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Брянский городской лицей №1 им.А.С.Пушкина»

Конспект урока по физике

выделяющееся в проводнике с током»

Солукова Оксана Анатольевна

Цель урока: показать универсальность закона сохранения и превращения энергии на примере электрических и тепловых процессов, познакомить с законом Джоуля-Ленца.

Оборудование: презентация, проектор, источник тока, проводники с различным сопротивлением, никелиновая проволока, демонстрационный набор по электричеству, ноутбуки, программа «Лабораторные работы по физике. 8 класс», лабораторное оборудование по электричеству, портреты (Джоуль, Ленц), формула.

Читайте так же:
Формула для определения количества теплоты выделяемое проводником с током

Изложение нового материала.

Фронтальная лабораторная работа.

Подведение итогов. Постановка домашнего задания.

Мы продолжаем изучать электрические явления. Начиная изучать электрический ток, мы рассматривали действия, которые он может оказывать. Сегодня на уроке мы рассмотрим более подробно одно из этих действий, а чтобы узнать какое именно, я предлагаю вам сыграть в игру «Составляйка».

Изложение нового материала.

Итак, о каком действии электрического тока мы сегодня будем говорить? (тепловое)

В чем заключается тепловое действие электрического тока? (При прохождении тока по проводнику он нагревается).

Демонстрация: провисание нихромовой проволоки при прохождении электрического тока.

Цель сегодняшнего урока: научиться вычислять количество теплоты, выделяющееся в проводнике при протекании электрического тока, увидеть неразрывную взаимосвязь тепловых и электрических явлений.

Но для начала, давайте выясним, почему при протекании электрического тока проводник нагревается.

Электроны в металлических проводниках движутся под действием электрического поля, которое совершает работу.

Что происходит при движении зарядов вдоль проводника? (Они взаимодействуют с ионами кристаллической решетки)

Как изменяется энергия электронов при этом?( кинетическая энергия электронов уменьшается)

Но исчезнуть бесследно она не может. Куда девается часть энергии электронов? (Она передается ионам?)

Как взаимосвязаны изменение энергии атомов и внутренней энергии проводника? ( при увеличении средней кинетической энергии атомов увеличивается внутренняя энергия проводника)

Таким образом, какой вывод можно сделать о связи работы электрического поля и изменении внутренней энергии проводника? (Внутренняя энергия проводника изменяется за счет совершения работы электрическим полем).

Нагретый проводник посредством теплопередачи отдает энергию окружающим телам.

Это мы с вами и используем в нагревательных приборах.

Демонстрация: различные нагревательные приборы.

А от чего же зависит количество теплоты, которое выделяет проводник?

Мы установили, что А= Q

Демонстрация: нагревание проводников – медного и нихромового.

Обратите внимание, сила тока в проводниках одна и та же, так как они соединены последовательно, но одна проволока нагревается сильнее. Какая?(нихромовая)

Что вы можете сказать об их сопротивлении?

(сопротивления разные, у медного меньше, так как удельное сопротивление меньше).

То есть, количество теплоты зависит от сопротивления проводников. Как зависит от сопротивления?(прямопропорционально)

Выразим напряжение из закона Ома: U = RI

Итак, от каких величин и как зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током? (зависит от силы тока в проводнике и сопротивления проводника)

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении по нему тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

К этому выводу независимо друг от друга впервые пришли английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Христианович Ленц.

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

Обратите внимание, что в нагревательных приборах необходимо использовать проводники, обладающие большим удельным сопротивлением и выдерживающие высокие температуры.

Фронтальная лабораторная работа.

Инструктаж по технике безопасности.

Задание: определить количество теплоты, которое выделяет электрическая лампочка при прохождении через нее электрического тока.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector