Buderus-trade.ru

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

Тепловое действие тока. Закон Джоуля–Ленца

Тепловое действие тока. Закон Джоуля–Ленца

Цель урока: создание условий для формирования у учащихся представления о тепловом действии электрического тока и его причинах; установления количественного закона теплового действия тока и его применения на практике.

  • Образовательные
    • Содействовать формированию 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.

    Урок является отражением работы по методической теме: “Применение активных форм познавательной деятельности учащихся на уроке”.

    • Карточки с задачами (Приложение 1).
    • Ответы к задачам на обратной стороне доски.

    Оборудование на партах: низковольтные лампы на подставке – 4 шт., 2 ключа, соединительные провода, 2 источника тока.

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

    План проведения занятия

    — Какое устройство называют резистором?

    — Для каких целей резисторы можно включать в цепь, соединяя их различными способами?

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

    — На каком физическом явлении основано действие этих приборов?

    — Проводник постоянного сопротивления.

    — С целью изменения сопротивления, а следовательно силы тока и напряжения на отдельных участках цепи.

    — Люстры, гирлянды, электрические конфорки и т.д.

    — Тепловое действие тока — при прохождении тока, проводники нагреваются.

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

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

    Предлагает вопросы для обсуждения:

    — К чему приводит нагревание проводника?

    — Как определить количество теплоты, выделяющееся при этом?

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

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

    Просит ответить на вопросы:

    — Какие еще законы физики носят двойное название?

    — А если в электрической цепи несколько потребителей, то какой из них выделит большее количество теплоты?

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

    Какими явлениями сопровождается электрический ток?

    электрический ток

    Наличие тока в электроцепи всегда проявляется каким-либо действием. Например, работа при конкретной нагрузке или какое-то сопутствующее явление. Следовательно, именно действие электротока говорит о его присутствии как таковом в той или иной электроцепи. То есть, если работает нагрузка, то ток имеет место быть.

    Известно, что электрический ток вызывает различного рода действия. Например, к таковым относятся тепловые, химические, магнитные, механические или световые. При этом различные действия электрического тока способны проявлять себя одновременно. Более подробно о всех проявлениях мы расскажем Вам в данном материале.

    Тепловое явление

    Известно, что температура проводника повышается при прохождении через него тока. В качестве таких проводников выступают различные металлы или их расплавы, полуметаллы или полупроводники, а также электролиты и плазма. Например, при пропускании через проволоку из нихрома электрического тока происходит ее сильное нагревание. Данное явление используют в приборах нагрева, а именно: в электрических чайниках, кипятильниках, обогревателях и т.п. Электродуговая сварка отличается самой большой температурой, а именно нагрев электродуги может достигать до 7 000 градусов по Цельсию. При такой температуре достигается легкое расплавление металла.

    Количество выделяемой теплоты напрямую зависит от того, какое напряжение было приложено к данному участку, а также от электротока и времени его прохождения по цепи.

    Для расчета объемов выделяемой теплоты используется или напряжение, или сила тока. При этом необходимо знание показателя сопротивления в электроцепи, поскольку именно оно провоцирует нагрев из-за ограничения тока. Также количество тепла можно определить при помощи тока и напряжения.

    Химическое явление

    Химическое действие электротока заключается в электролизе ионов в электролите. Анод при электролизе присоединяет к себе анионы, катод – катионы.

    Иными словами, во время электролиза на электродах источника тока происходит выделение определенных веществ.

    Приведем пример: в кислотный, щелочной или же солевой раствор опускаются два электрода. После пропускается по электроцепи ток, что провоцирует создание положительного заряда на одном из электродов, на другом – отрицательного. Ионы, которые находятся в растворе, откладываются на электроде с иным зарядом.

    Химическое действие электротока применяется в промышленности. Так, используя данное явление, осуществляют разложение воды на кислород и водород. Кроме того, при помощи электролиза получают металлы в их чистом виде, а также осуществляют гальваническое покрытие поверхности.

    Магнитное явление

    Электрический ток в проводнике любого агрегатного состояния создает магнитное поле. Иными словами, проводник при электрическом токе наделяется магнитными свойствами.

    Таким образом, если к проводнику, в котором протекает электроток, приблизить магнитную стрелку компаса, то та начнет поворачиваться и займет к проводнику перпендикулярное положение. Если же на сердечник из железа намотать данный проводник и пропустить сквозь него постоянный ток, то данный сердечник примет свойства электромагнита.

    Природа магнитного поля всегда заключается в наличии электрического тока. Объясним: движущиеся заряды (заряженные частицы) образуют магнитное поле. При этом токи противоположного направления отталкиваются, а одинакового направления – притягиваются. Данное взаимодействие обосновано магнитным и механическим взаимодействием магнитных полей электротоков. Выходит, что магнитное взаимодействие токов первостепенно.

    Магнитное действие применяется в трансформаторах и электромагнитах.

    Световое явление

    Самый простой пример светового действия – лампа накаливания. В данном источнике света спираль достигает нужной температурной величины посредством проходящего сквозь нее тока до состояния белого каления. Тем самым и излучается свет. В традиционной лампочке накаливания всего лишь пять процентов всей электроэнергии расходуется на свет, остальная же львиная доля преобразуется в тепло.

    Более современные аналоги, например, люминесцентные лампы наиболее эффективно преобразуют электроэнергию в свет. То есть, около двадцати процентов всей энергии лежит в основе света. Люминофор принимает УФ-излучение, идущее от разряда, что возникает в ртутных парах или в инертных газах.

    Самая эффективная реализация светового действия тока происходит в светодиодных источниках света. Электрический ток, проходя через pn-переход, провоцирует рекомбинацию носителей заряда с излучением фотонов. Лучшими led излучателями света являются прямозонные полупроводники. Изменяя состав данных полупроводников, возможно создание светодиодов для различных световых волн (разной длины и диапазона). Коэффициент полезного действия светодиода достигает 50 процентов.

    Механическое явление

    Напомним, что вокруг проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Все магнитные действия преобразуются в движение. Примером служат электрические двигатели, магнитные подъемные установки, реле и др.

    В 1820 году Андре Мари Ампер вывел известный всем «Закон Ампера», который как раз описывает механическое действие одного электротока на другой.

    Данный закон гласит, что параллельные проводники с электрическим током одинакового направления испытывают притяжение друг другу, а противоположного направления, наоборот, отталкивание.

    Также закон ампера определяет величину силы, с которой магнитное поле воздействует на небольшой отрезок проводника с электротоком. Именно данная сила лежит в основе функционирования электрического двигателя.

    Работа и мощность тока. Тепловое действие тока — ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

    Ввести понятие работы электрического тока; вывести формулу для расчета работы тока. Научиться определять мощность и работу тока в лампе, используя амперметр, вольтметр и часы.

    Оборудование (для кратковременной лабораторной работы):

    Источник питания, низковольтная лампа на подставке, вольтметр, амперметр, ключ, соединительные провода, секундомер (или часы с секундной стрелкой).

    I. Анализ контрольной работы

    — Какая связь между количеством электричества и силой тока?

    — Что является причиной электрического тока?

    — Какую роль выполняет источник тока?

    — Что показывает напряжение на участке цепи?

    III. Работа и мощность тока

    В источнике тока за счет энергии неэлектрического происхождения совершается работа по разделению электрических зарядов и создается электрическое поле. Энергетической характеристикой электрического поля в цепи является напряжение. В замкнутой цепи под действием электрического поля электроны движутся к положительному полюсу источника, т. к. в цепи поддерживается ток.

    Таким образом, за счет энергии электрического поля совершается работа по перемещению электронов. Электроны движутся в проводнике, взаимодействуя при этом с ионами кристаллической решетки металла и, тем самым, изменяют скорость теплового движения ионов. При этом внутренняя энергия проводника увеличивается. Проводник нагревается.

    Вывод: в замкнутой цепи происходит превращение одного вида энергии в другой.

    Во всех случаях, когда происходит превращение одного вида энергии в другой, совершается работа. Электрическое поле, увеличивая скорость теплового движения ионов проводника, совершает работу или, как условно говорят, электрический ток совершает работу. Такая работа совершается в электробытовых приборах (холодильник, утюг, фен, и т. д.).

    где А — работа [Дж];

    U — напряжение [В];

    Для измерения работы необходимо три прибора: вольтметр, амперметр и часы. На практике используют специальный прибор — счетчик. В устройстве счетчика как бы сочетаются три названных выше прибора. Работа рассчитывается по формуле:

    При оплате электроэнергии по счетчику используется «крупная» единица измерения работы тока: киловатт в час.

    IV. Кратковременная лабораторная работа «Измерение мощности и работы тока в электрической лампе»

    Указания к работе:

    1. Соберите цепь из источника питания, лампы, амперметра и ключа, соединив все последовательно.

    2. Измерьте вольтметром напряжение на лампе.

    3. Начертите в тетради схему собранной цепи и запишите показания приборов.

    4. Вычислите мощность тока в лампе.

    5. Заметьте время включения и выключения лампы. По времени ее горения и мощности определите работу тока в лампе.

    6. Проверьте, совпадет ли полученное значение мощности с мощностью, обозначенной на лампе. Если значения не совпадут, объясните причину этого.

    V. Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца

    — Как объяснить, почему проводники обладают сопротивлением?

    — Как понимать выражение: «Внутренняя энергия проводника увеличилась?»

    — Как объяснить нагревание проводника при прохождении по нему тока? В металлах электроны, двигаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами кристаллической решетки вещества проводника и передают им часть своей энергии, приобретенной в результате действия электрического поля. При этом скорость колебательных движений ионов увеличивается, следовательно, увеличивается и их кинетическая энергия, что приводит к увеличению внутренней энергии проводника и его нагреванию.

    Это и есть формула закона Джоуля-Ленца.

    Различные потребители тока, в том числе и нагревательные приборы, как правило, включаются в цепь параллельно. Это приводит к уменьшению сопротивления участка цепи, а следовательно, к увеличению силы тока в цепи. Так как всякий проводник рассчитан на ток определенной величины, то перегрузка цепи приводит к перегреву изоляции, которая может даже воспламениться.

    Для защиты электрических цепей от перегрузки ставят плавкие предохранители. Пользуясь квартирным предохранителем («пробкой»), учитель объясняет его устройство, показывает, как предохранители изображаются на чертежах. На модели демонстрируется, как предохранители отключают линию.

    В качестве модели предохранителя используется узкая полоска фольги. При соединении несущих проводов металлическим штырем сопротивление участка цепи уменьшается, при этом резко возрастает сила тока, что приводит к плавлению фольги. При проведении опыта у демонстрационного стола не должны находиться учащиеся.

    VI. Закрепление изученного

    — Чему равно электрическое напряжение на участке цепи?

    — Какими приборами измеряют работу электрического тока?

    — Что называется мощностью тока? Как рассчитать мощность тока?

    — Какую величину обычно указывают в паспортах приемников тока?

    — Какие единицы работы тока используют?

    — Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током?

    — Как формулируется закон Джоуля-Ленца? Почему он носит такое название?

    VII. Решение задач

    По сопротивлению, к концам которого приложено напряжение 220 В, течет ток с силой 4 А. Определите мощность электрического тока и работу, совершаемую электрическим током за 10 с.

    Мощность тока в цепи равна: Р = U · I,

    Р = 220 В · 4 А = 880 Вт.

    Работа электрического тока на участке цепи: А = Р · t,

    A = 880 Вт · 10 с = 8800 Дж = 8,8 кДж.

    Ответ: Р = 880 Вт, А = 8,8 кДж.

    Расход энергии в электрической лампе при силе тока 0,5 А в течение 8 ч составляет 1728 кДж. Чему равно сопротивление лампы?

    А = 1728 кДж = 1728000 Дж; t = 8ч = 8 · 3600 с.

    Работа электрического тока на участке цепи:

    По закону Ома:

    Ответ: R = 240 Ом.

    Определите стоимость электроэнергии, потребляемой телевизором в течение 2 ч, если стоимость 1 кВт·ч равна 1 руб., а потребляемая телевизором мощность от сети — 150 Вт.

    тариф — 100 руб./кВт·ч

    Работа тока на участке цепи: А = Р · t,

    А = 150 Вт · 2 ч = 300 Вт·ч = 0,3 кВт·ч.

    стоимость = 1 · 0,3 = 30 коп.

    Ответ: стоимость электроэнергии — 30 коп.

    Определите количество теплоты, выделяющейся за каждые 10 мин в электрической печи, включенной в сеть напряжением 220 В, если сила тока в обмотке печи составляет 2 А.

    t = 10 мин = 600 с

    Количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока, т. е.:

    Q = 220 В · 2 А · 600 с = 264000 Дж = 264 кДж.

    Ответ: Q = 264 кДж.

    Проволочная спираль, сопротивление которой в нагретом состоянии равно 55 Ом, включена в сеть напряжением 110 В. Какое количество теплоты выделит эта спираль за 1 мин?

    По закону Джоуля-Ленца: Q = U · I · t (1),

    По закону Ома:

    Подставим (2) в (1):

    Ответ: Q = 13,2 кДж

    Какую массу воды можно нагреть от 10 °С до 100 °С за счет энергии, получаемой за 15 мин электрическим чайником, включенным в сеть напряжением 220 В, при силе тока 2 А? (Ответ: 1 кг.)

    2. Задачи 82, 84, 86;

    3. Трое учащихся (по желанию) готовят доклады о А. Н. Ладыгине, П. Н. Яблокове, Эдисоне.

    Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

    Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

    Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

    Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

    Закон Джоуля – Ленца. Определение, формула, физический смысл

    Закон Джоуля Ленца портреты ученыхЗакон Джоуля – Ленца – закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Сформулирован этот закон был в 1841 году английским учёным Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 году известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он получил своё двойное название — закон Джоуля – Ленца.

    Определение закона и формула

    Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность тепла, выделяемого в проводнике при протекании сквозь него электрического тока, пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

    Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:

    где ω — количество тепла, выделяемого в ед. объема;

    E и j – напряжённость и плотность, соответственно, электрического полей;

    Таблица явлений Закон Джоуля Ленца

    σ — проводимость среды.

    Физический смысл закона Джоуля – Ленца

    Закон можно объяснить следующим образом: ток, протекая по проводнику, представляет собой перемещение электрического заряда под воздействием электрического поля. Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа расходуется на нагрев проводника.

    Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

    Но чрезмерный нагрев проводников с током и электрооборудования допускать нельзя, поскольку это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при коротких замыканиях проводов, когда по проводниках могут протекать достаточно большие токи.

    В интегральной форме для тонких проводников закон Джоуля – Ленца звучит следующим образом: количество теплоты, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока на сопротивление участка.

    Математически эта формулировка выражается следующим образом:

    при этом Q – количество выделившейся теплоты;

    I – величина тока;

    R — активное сопротивление проводников;

    t – время воздействия.

    Значение параметра k принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.

    Закон Джоуля-Ленца имеет достаточно общий характер, поскольку не имеет зависимости от природы сил, генерирующих ток.

    Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

    Область применения

    Областей применения в быту закона Джоуля Ленца – огромное количество. К примеру, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электрообогревателе и мн. др. Это наиболее широко распространенный физический закон в повседневной жизни.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Читайте так же:
    Тепловое действие электрического тока в жидкостях
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector