Тепловое действие тока | Физика

Когда электрический ток проходит по проводнику, проводник нагревается. Это явление было открыто в 1800 г. французским ученым Антуаном Фуркруа. Пропустив ток через железную спираль, он сумел раскалить ее до очень высокой температуры. Через 41 год тепловым действием тока заинтересовался английский физик Дж. Джоуль, а еще через год российский ученый Э. X. Ленц. Ими было установлено, что

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

Теперь этот закон называют законом Джоуля-Ленца. Математически он выражается в виде следующей формулы:

Q=I²Rt.      (19.1)

Нагревание током проводника обусловлено взаимодействием носителей тока со встречными атомами или ионами вещества. В результате этого взаимодействия внутренняя энергия проводника возрастает и он нагревается. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающей среде. Эта энергия и представляет собой то количество теплоты, которое определяется по закону Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца был открыт экспериментально. Но ему можно дать и теоретическое обоснование.

Когда электрический ток проходит по проводнику, совершается работа, определяемая выражением (18.2): A = IUt. Но U = IR. Поэтому

A = I²Rt.

Если проводник, по которому идет ток, остается неподвижным и в нем не происходит никаких химических реакций, то вся эта работа идет на увеличение его внутренней энергии. При этом количество теплоты, выделяемое проводником с током, совпадает с работой тока и поэтому определяется тем же выражением.

При очень большом токе металлический проводник может раскалиться и перегореть (расплавиться). На этом основано действие

плавких предохранителей. Их назначение — автоматическое отключение электрической цепи, когда в ней начинает идти ток больше допустимого. Условное обозначение предохранителя приведено в таблице 2 (см. § 9).

На рисунке 46 изображен предохранитель, используемый в радиоэлектронной аппаратуре. Его главной частью является проволочка из легкоплавкого металла (например, свинца), толщина которой рассчитана на определенный ток (0,5 А, 1 А, 2 А и т. д.). Если сила тока по той или иной причине (например, при коротком замыкании) превысит допустимое значение, проволочка расплавится и цепь окажется разомкнутой.

Электрическая проводка в жилых зданиях рассчитана, как правило, на 6 А или 10 А. Используемые для ее защиты квартирные предохранители (пробки) показаны на рисунке 47, а, б. В первом случае (см. рис. 47, а) после перегорания нити заменяют всю пробку, во втором случае (см. рис. 47, б) лишь ее плавкую вставку.

??? 1. Почему проводник, по которому идет ток, нагревается? 2. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца. 3. Каково назначение предохранителей? 4. Расскажите об устройстве и принципе действия плавких предохранителей. Как они обозначаются на схемах? 5. Перечислите известные вам устройства, в которых используется тепловое действие тока.

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца

Цели урока:

Образовательная:

• Способствовать формированию у учащихся представления о тепловом действии электрического тока и его причинах.
• Вывести закона Джоуля-Ленца.
• Содействовать в понимании практической значимости данной темы.

Развивающая:

• Развитие интеллектуальных умений учащихся (наблюдать, сравнивать, применять ранее усвоенные знания в новой ситуации, размышлять, анализировать, делать выводы)

Воспитательная:

• формирование коммуникативных умений учащихся.
• содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира;

Оборудование: компьютер, проектор, экран, презентация к уроку, источник тока, амперметр, вольтметр, низковольтная лампа на подставке, ключ, соединительные провода, три провода из разного металла, настольная лампа.

Тип урока: Изучение нового материала.

Ход урока

І. Организационный момент

– Здравствуйте, ребята! Я рада вас сегодня видеть на нашем уроке! Посмотрите друг на друга. Улыбнитесь, пошлите друг другу положительные эмоции и начнём урок!

Слайд 2

Эпиграф: 

Науки все глубже постигнуть стремись, 

Познанием вечного жаждой томись. 
Лишь первых познаний блеснет тебе свет, 
Узнаешь: предела для знания нет. 

Фирдоуси 

Учитель: Эти слова по праву можно отнести к разделу «Электрические явления». Было сделано немало открытий, осветивших нашу жизнь в прямом и переносном смысле. А сколько еще вокруг нас осталось не исследованным! Хочется надеяться, что сегодняшний урок разбудит у вас, восьмиклассников, жажду новых познаний и стремление использовать открытые эффекты и закономерности на практике. 

У вас на столе лежат оценочные листки (приложение 1), куда вы будете вносить оценки за все ваши действия, а в конце выставите итоговую оценку за урок. Подпишите их пожалуйста.

II. Мотивация

Мы с вами на прошлом уроке познакомились с двумя новыми величинами электричества: это работа и мощность. Сегодня придём к новому названию одной из величин.

На данном этапе учитель предлагает учащимся самостоятельно сформулировать цель урока.

На столе стоит электрическая лампа, учитель включает её. 

Учитель: Ребята попробуйте это объяснить с точки зрения физики. Почему лампочка горит? Почему это происходит?

Учащиеся: Основная часть лампы – спираль из тонкой вольфрамовой проволоки, она нагревается до 3000 °С, при такой температуре достигает белого накала и светится ярким светом и даёт тепло.

Какое действие тока мы здесь с вами наблюдаем?

Разомкнув ключ потрогать лампочку.

Что произошло с лампочкой? (Нагрелась)

Какое действие электрического тока вы наблюдаете? 

Если лампочка долго горит, можно ли её выкрутить голыми руками? Почему?

(Световое и Тепловое)

Здесь мы наблюдаем тепловое действие электрического тока.

Учитель: Тепловое действие тока находит очень широкое применение в быту и промышленности. Как вы думаете, как в быту используется тепловое действие тока?

Учащиеся: Электронагревательные приборы: утюги, кипятильники, электрические чайники, нагреватели, электроплиты, фены и т.д.

Учитель: В промышленности также широко используют тепловое действие электрического тока в паяльниках, сварочных аппаратах.

На столе у меня стоят разные электрические приборы, которыми вы пользуетесь в повседневной жизни,

Что это за приборы? Для чего они нужны? Что ими делают?

Посмотрим характеристики.

Паяльник и утюг нельзя трогать рукой, можно обжечься, а феном мы сушим голову и не испытываем ожога. Почему?

Учитель: А теперь попытаемся сформулировать тему нашего урока. (Ребята рассуждают)

Слайд 2

Итак, мы имеем дело с тепловым действием тока, следовательно, тема сегодняшнего урока «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля–Ленца». Записываем тему урока в тетрадь.

Каких целей мы должны сегодня достичь?

Слайд 3

Цели урока:

• объяснить явление нагревания проводников электрическим током;
• установить зависимость выделяющейся при этом тепловой энергии от параметров электрической цепи;
• сформулировать закон Джоуля – Ленца; 
• формировать умение применять этот закон для решения физических задач.

ІІІ. Актуализация опорных знаний

Фронтальный опрос.

Слайд 4

Вспомним изученный ранее материал:

• Что называют электрическим током? (Упорядоченное движение заряженных частиц)
• Что представляет собой электрический ток в металлах? (Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов)
• Какие действия тока вам известны? (Тепловое, электрическое, магнитное, химическое)
• Какие три величины связывают закон Ома? (
  I, U, R; сила тока, напряжение, сопротивление.).
• Как формулируется закон Ома? (Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.)
• Чему равна работа электрического тока на участке цепи? (равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого протекал ток А = U*I*t )
• Что такое мощность электрического тока? (физическая величина характеризующая быстроту совершения работы электрическим током)
• Что такое электрическое сопротивление? (физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать протеканию электрического тока в этом проводнике)
•  От каких величин зависит сопротивление? (длины проводника, площади поперечного сечения, рода вещества) Рассмотреть как зависит сопротивление от длины проводника, площади поперечного сечения.
• При каком соединении все потребители находятся при одной и той же силе тока? (При последовательном соединении)
•  Закон сохранения и превращения энергии. (Во всех явления, происходящих в природе, энергия не возникает ни откуда и не исчезает бесследно. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.)

Все, что стоит на столе – это потребители электрического тока.

Слайд 5

Потребители электрического тока

Какой прибор не вписывается в общий ряд? Уберите лишний.

Чем ты руководствовался, делая выбор?

Какое действие электрического тока проявляется в выбранных приборах? (Тепловое)

Во всех приборах есть нагревательный элемент. А у дрели щётки, они ни чего не нагревают.

IV. Изучение нового материала

Давайте потрем ладошки. Что мы совершаем, когда трём ладошками? (работу). Что мы чувствуем? (тепло). Почему они нагреваются?

(Ребята рассуждают.)

Остановимся на тепловом действии электрического тока. Электрический ток нагревает проводник. Объясняется нагревание тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, щелочей, кислот, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи.

Можно сказать, что количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Слайд 6

Почему же проводники нагреваются?

Рассмотрим на примере движении одного электрона по проводнику.

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.

В неподвижных металлических проводниках вся работа электрического тока идёт на увеличение внутренней энергии.

Слайд 7

Переход работы тока в теплоту

• Электроны направленно движутся
• Сталкиваются с ионами
• Передают им часть энергии
• Ионы колеблются быстрее
• Увеличивается внутренняя энергия проводника
• Выделяется теплота
• По закону сохранения и превращения энергии A = Q

Слайд 8

Вывод закона Джоуля – Ленца

А = IUt

A = Q

Q = IUt , U = IR – закон Ома, Q = I*I*R*t, Q = I²Rt

Q = IUt , I = U/R – закон Ома, Q = U*t*U/R

где Q – выделившееся количество теплоты в Джоулях, R – сопротивление в Омах, I – сила тока в Амперах, t – время в секундах.

Единица измерения работы в СИ: Джоуль.

Слайд 9

Исследование зависимости количества выделяемой теплоты от параметров цепи

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи?

Гипотеза 1. Количество теплоты зависит от силы тока в цепи

Гипотеза 2. Количество теплоты зависит от сопротивления проводника

Соблюдайте технику безопасности!

Для дальнейшей работы нам нужно поделиться на три группы: две группы экспериментаторов и группа теоретиков.

Деление на группы.

Обращаемся к теме урока и формулируем проблему: Что же нам интересно узнать по теме урока?

Слайд 10

Задания для теоретиков

Группа теоретиков будет на примере решения задач получать зависимость выделяемой теплоты от силы тока в цепи и сопротивления.

При прохождении по спирали электрического чайника ток совершает работу. Вся работа идет на нагревание проводника.

• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 5 мин., если сопротивление спирали 200 Ом, а сила тока в цепи 3А?
• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 5 минут, если сопротивление спирали 100 Ом, а сила тока в цепи 3А?
• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 10 минут, если сопротивление спирали 200 Ом, а сила тока в цепи 3 А?

Задания для экспериментаторов

По каким признакам можем судить, где теплоты выделяется больше, а где меньше? На ощупь(?!), термометром(?), по накалу лампы.

Наша задача: исследовать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи.

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи? Я готова выслушать ваши предположения, ребята.

А видна ли эта зависимость теоретически? Да, Q=A, A=IUt, Q =RI²t

Группы экспериментаторов могут приступать к выполнению своих исследований.

Не забывайте о соблюдении техники безопасности!

Карточки с заданием: электрическая цепь, состоящая из нескольких последовательно соединенных проводников различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая).

По формуле Q = I²Rt, если R = pL/S, сделать вывод как нагреваются проводники, если длина проводника L и площадь поперечного сечения S одинаковы.

1 группа: От силы тока в цепи.

Карточки с заданием: электрическая цепь состоящая из источника тока, лампы, ключа, реостата, амперметра, (соединительные провода).

Замкнули цепь и изменяли сопротивление, что наблюдаем?

Что произошло с силой тока?

Как накал лампы зависит от силы тока?

(Чем больше сила тока, тем ярче горит лампочка, а значит больше тепла она выделяет.)

Вывод: количество теплоты зависит от силы тока.

2 группа: От сопротивления цепи.

Карточки с заданием: электрическая цепь, состоящая из 3 последовательно соединенных проводников, одинаковой длины и площади поперечного сечения и различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая), источника тока, ключа, (соединительные провода).

(Были взяты 3 проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения, но из разного вещества (медная, стальная, никелиновая). 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.(При отключении цепи с помощью электронного термометра убедились, что температура проводников разная, Больше нагрелся проводник (никелиновый) с большим удельным сопротивлением, меньше всего нагрелся медный проводник, с меньшим удельным сопротивлением ). Медные провода поэтому используют для проводки, ещё алюминиевые, они дешевле.

Вывод: чем больше удельное сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается.

Слайд 11

Вывод: количество теплоты зависит от того, из какого вещества изготовлен проводник, т. е. от удельного сопротивления проводника. Точнее – от электрического сопротивления проводника (R).

Вещество	Удельное сопротивление Ом мм2/м	Нагрев проводника
Медь	0,017	слабый
Сталь	0,1	средний
Никелин	0,42	сильный

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

Слайд 12

Сделаем вывод.

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.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889 гг.) – английский физик.

Обосновал на опытах закон сохранения энергии.

Установил закон определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил её зависимость от температуры.

Ленц Эмилий Христианович (1804 – 1865) – русский физик.

Один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.

Слайд 13

Решим задачу.

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

Дано: R = 35 Ом t = 5 мин I = 5 А _________ Q= ?

Си - 300с —

Решение: Q=I2Rt Q= (5A)2 · 35 Ом · 300 с = 262500Дж = 262,5 кДж Ответ: Q=262,5 кДж

Слайд 14

Формулой Q = I²Rt удобно пользоваться при расчете количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же (I = I₁ = I₂).

Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению. 

Т.е. чем больше R, тем больше Q и наоборот.

Припараллельном соединениипроводников ток в них различен, но напряжение на концах цепи одно и то же. И поэтому расчет количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле Q = U²t/R. Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению, то есть чем больше R, тем меньше Q.

Спираль электрической плитки укоротили. Изменится ли от этого накал плитки и как, если ее включить в сеть электрического тока? 

(Накал будет больше.)

Слайд 15

Систематизация знаний

• В чем проявляется тепловое действие тока? (В нагревании проводника)
• Как можно объяснить нагревание проводника с током? (Движущиеся электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и передают им свою энергию)
• Какие превращения энергии происходят при протекании тока через проводник? (Электрическая энергия превращается во внутреннюю)
• Как по закону Джоуля – Ленца рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике? (Q = I²Rt)

В рабочих картах урока поставьте оценку за урок.

Выяснить, какое количество учащихся поставили себе за урок «5», «4», «3» и ничего не поставили. (Приложение 1).

Сообщение оценки учащимся за работу на уроке

Слайд 16

V. Рефлексия

А сейчас оцени свою деятельность на уроке, и нарисуй свое настроение:

Нарисуй настроение: В левом верхнем углу оценочного листа.

 Своей работой на уроке доволен, чувствовал себя комфортно, настроение после урока хорошее.

 Своей работой на уроке не доволен, чувствовал себя не совсем комфортно, настроение после урока плохое.

 Состояние на уроке безразличное, урок никак не изменил моего эмоционального состояния и настроения.

Слайд 17

Домашнее задание у вас на каточках.

§ 53, Упр. 27 (1-3).

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!

До свидания! Спасибо за урок!

§ 14. Тепловое действие тока

Выделение тепла при прохождении электрического тока.

При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.

Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I², сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Q = I²Rt (34)

Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.

Допустимая сила и плотность тока.

Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. Оно происходит, например, в различных производственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электроплитах, электрических паяльниках и пр.), в электрических лампах накаливания, аппаратах для электрической сварки и пр.

Однако во многих электрических устройствах, например в электрических машинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превращение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности тока J (сила тока I, приходящаяся на 1 мм² площади s поперечного сечения проводника):

J = I/s (35)

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь
или алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр. Например, допустимая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна превышать 3—6 А/мм², в нити осветительной электрической лампы — 15 А/мм².

В проводах силовых и осветительных сетей плотность тока может быть различной в зависимости от площади поперечного сечения провода и его изоляции. Например, для медных проводов с резиновой изоляцией и площадью поперечного сечения 4 мм² допускается плотность тока 10,2 А/мм², а 50 мм² — только 4,3 А/мм²; для неизолированных проводов тех же площадей сечения — 12,5 и 5,6 А/мм².

Уменьшение допустимой плотности тока при увеличении площади поперечного сечения провода объясняется тем, что в проводах с большей площадью сечения отвод тепла от внутренних слоев затруднен, так как сами они окружены нагретыми слоями. Для неизолированных проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных.

Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электрических сетей обугливается и даже горит, что может привести к короткому замыканию и пожару. Неизолированные же провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.

Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание.

Для этой цели в технике широко используют плавкие предохранители, автоматические выключатели и другие устройства.

Нагрев в переходном сопротивлении.

Повышенный нагрев проводника, как следует из закона Ленца — Джоуля, может происходить г не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения отдельных проводников.

При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников (рис. 32) электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла.

В результате место неплотного соединения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгоранию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при соединении проводов на э. п. с. и тепловозах концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, ко-

Рис. 32. Схемы выделения тепла и возникновения искрения при неплотном электрическом контакте

торые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопротивления между контактами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.

 

Урок 30. закон джоуля-ленца. эдс — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 30. Закон Джоуля — Ленца. ЭДС

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Работа электрического тока;

2) Мощность электрического тока;

3) Закон Джоуля — Ленца;

4) Сторонние силы;

5) Электродвижущая сила.

Глоссарий по теме

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения на этом участке и времени, в течении которого совершалась работа.

Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока.

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

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением электростатических (кулоновских) сил, называются сторонними силами.

Электродвижущая сила (ЭДС) в замкнутом проводящем контуре равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к этому заряду.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

1. Г.Я. Мякишев., Б.Б.Буховцев., Н.Н.Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 343 – 347.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа,2009.- 68 – 74.

Дополнительная литература.

http://kvant.mccme.ru/1972/10/zakon_dzhoulya-lenca.htm

Основное содержание урока

При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу, равную произведению заряда, прошедшего через проводник, и напряжения.

Сила тока равна отношению заряда прошедшего через проводник ко времени прохождения

Выразим заряд из формулы силы тока

через силу тока и время:

после подстановки в формулу (1) получим

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток.

Из закона Ома для участка цепи выразим напряжение через силу тока и напряжение

и подставив в формулу работы получим:

При последовательном соединении проводников для определения работы тока удобнее пользоваться этой формулой, так как сила тока одинакова во всех проводниках.

При параллельном соединении проводников формулой:

так как напряжение на всех проводниках одинаково.

Работа тока показывает, сколько электроэнергии превратилось в другие виды энергии за конкретный период времени. Для электроэнергии справедлив закон сохранения энергии.

Мощность определяется по формуле:

Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока.

Так же формулу для мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах:

Если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химических действий, то происходит только нагревание проводника.

Электрическое поле действует с силой на свободные электроны, которые начинают упорядоченно двигаться, одновременно участвуя в хаотическом движении, ускоряясь в промежутках между столкновениями с ионами кристаллической решетки. Во время этих столкновений расходуется кинетическая энергия заряженных частиц. Именно эта энергия и становится теплом. Последующие столкновения электронов с другими ионами увеличивают амплитуду их колебаний и соответственно температуру всего проводника.

В неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии:

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

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

При последовательном соединении большее количество теплоты выделяется в проводнике с большим сопротивлением, а при параллельном соединении – с меньшим.

Измерения, приводящие к закону Джоуля-Ленца, можно выполнить, поместив в калориметр с водой проводник с известным сопротивлением и пропуская через него ток определенной силы в течение известного времени. Количество выделяющейся при этом теплоты определяют, составив уравнение теплового баланса.

Если соединить проводником два металлических шарика, несущих заряды противоположных знаков, под влиянием электрического поля этих зарядов в проводнике возникает кратковременный электрический ток. Заряды быстро нейтрализуют друг друга, и электрическое поле исчезнет.

Чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство, которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды, должны действовать силы неэлектростатического происхождения. Одно лишь электрическое поле заряженных частиц не способно поддерживать постоянный ток в цепи.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (то есть кулоновских), называют сторонними силами. Необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи объясняет закон сохранения энергии.

Электростатическое поле потенциально. Работа этого поля при перемещении в нем заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — проводник нагревается. Следовательно, в цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий ее в цепь. Работа этих сил вдоль замкнутого контура отлична от нуля. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле.

Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращенно ЭДС).

Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к величине этого заряда:

Электродвижущую силу выражают в вольтах.

Разбор тренировочных заданий

1. Электрочайник со спиралью нагревательного элемента сопротивлением 30 Ом включен в сеть напряжением 220 В. Какое количество теплоты выделится в нагревательном элемента за 5 мин?

1) 7260000 Дж;

2) 2200 Дж;

3) 484000 Дж.

Дано:

R=30Ом

U=220B

t=5мин=300с

Найти Q-?

Решение. Количество теплоты выделяемой нагревательным элементом определяется законом Джоуля – Ленца:

Правильный ответ 3) 484000 Дж.

2. Определите работу сторонних сил при перемещении по проводнику заряда 10 Кл, если ЭДС равно 9 В. Ответ округлите до десятых.

Дано:

q=10Кл

=9В

Найти: А_ст

Решение. Из формулы ЭДС выражаем

Правильный ответ: 90 Дж.

Тепловое действие тока. Закон Джоуля–Ленца

+
—
+
+
—
+
+
—
—
+
+
+
Количество теплоты,
выделяемое проводником,
по которому течёт
электрический ток равно
работе тока.
Джеймс Прескотт Джоуль
1818–1889 гг.
Эмилий Христианович Ленц
1804–1865 гг.
Закон Джоуля-Ленца
Количество теплоты, выделяемое
проводником с током, равно
произведению квадрата силы
тока, сопротивления и времени
прохождения тока.
Q=
2
I Rt
Q=A
А = IUt
Q = IUt
U = R∙I
Q = IRIt
Q=
2
I Rt
Q = IUt
Формула определяет
количество теплоты в
общем случае, когда
известны сила тока,
напряжение и время.
Q=
2
I Rt
Формула чаще
используется при
рассмотрении количества
теплоты, выделяемое в
последовательно
соединённых
сопротивлениях, когда
сила тока одинакова.
Лампа Накаливания
Строение лампочки
вольфрамовая нить
цоколь
стеклянный балон
Cпирали нагревательных
приборов изготавливаются
из нихромовой проволоки.
Спираль
Спираль помещают в
керамические изоляторы
с хорошей
теплопроводностью.
Провода, подводящие
электрический ток к
электронагревательным
приборам, остаются
холодными.
220
Обычно в жилых и производственных помещениях,
офисах, магазинах электрические приборы
подключаются параллельно, что даёт возможность
обеспечивать независимость в их работе.
Если в сеть включён один
потребитель, то сила тока в общей
цепи будет такая же,
как и в самом приборе.
2,3 A
0,45 A
9A
0,45А + 2,3 А + 9 А = 11,75А
Максимальное значение тока
в проводах в квартире: не более 10 А.
Плавкий предохранитель
«Автоматические пробки»
Назначение
предохранителей —
отключение линии, если сила
тока превысит допустимую
норму.
Короткое замыкание — соединение
концов участка цепи проводником,
сопротивление которого очень мало
по сравнению с сопротивлением участка
цепи.

Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля

Слайд #1

Физика 8 класс Учитель Мухаметдинова М. Д. Алматинская обл, Жамбылский р — н, Улькенская средняя школа.

Слайд #2

Тема: Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца. Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается? Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек? Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?

Слайд #3

Соберем электрическую цепь из последовательно включенных лампы накаливания и реостата. При замыкании цепи лампа горит. Это объясняется тем, что при прохождении тока спираль лампы нагревается и дает свечение.

Слайд #4

Нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников. При одинаковой силе тока накал ламп разный. Лампа слева нагревается сильнее, а то что справа — слабее. Вывод: Чем больше сопротивление проводника, тем больше он нагревается.

Слайд #5

Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания? Спираль лампы должна выдерживать высокие температуры, значит нужно выбрать материал с высокой температурой плавления. Наибольшей температурой плавления обладает вольфрам.

Слайд #6

Свойства металла для нагревательных элементов. Должен обладать наибольшим сопротивлением. (Q ~ R) Должен выдерживать высокие температуры. Это — НИХРОМ.

Слайд #7

Русский исследователь Эмилий Христианович Ленц и английский физик Джеймс Джоуль в 19 веке установили зависимость выделившейся теплоты от силы тока и сопротивления. Количество теплоты прямо пропорционально квадрату силы тока в цепи, сопротивлению проводника и времени, в течение которого ток течет по проводнику.

Слайд #8

Закон Джоуля — Ленца. Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. Q = I2 R t

Урок «Работа электрического тока. Закон Джоуля — Ленца»

Урок №__

Тема урока: Работа электрического тока. Закон Джоуля – Ленца.

Цели урока:

• Образовательные: 

  • выяснить причины нагревания проводника с током;

  • усвоить закона Джоуля Ленца, показать универсальность закона сохранения и превращения энергии.

• Развивающие:  

  • развитие  коммуникативных навыков через разнообразные виды речевой деятельности;

  • развитие таких аналитических способностей учащихся, как умение анализировать, сопоставлять, сравнивать, обобщать познавательные объекты, делать выводы;  развития памяти,  внимания, воображения.

• Воспитательные: содействовать повышению уровня мотивации на уроках через средства обучения.

Оборудование: электронагревательные приборы, проводник для демонстрации нагревания электрическим током, источник питания, соединительные провода.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Структура урока:

I. Организационный этап.
II. Мотивация. 
III. Актуализация опорных знаний. 
IV. Изучение нового материала. 
V. Закрепление и обратная связь.
VI. Домашнее задание.

ХОД УРОКА

I. Организационный этап

Сообщение темы урока, целей и плана урока.

II. Мотивация

Учитель: Тепловое действие тока находит очень широкое применение в быту и промышленности. Как вы думаете, как в быту используется тепловое действие тока?

Ученики: Утюги, кипятильники, электрические чайники, нагреватели, плиты.

Учитель: В промышленности используется в паяльниках, сварочных аппаратах.

III. Актуализация опорных знаний

Фронтальный опрос:

Учитель: С чего состоит каждое вещество, которое нас окружает?

Учитель: Чтобы понять, почему нагревается проводник, нужно вспомнить какая связь между температурой вещества и движением молекул или атомов, из которых оно состоит.

Учитель: Что называется  электрическим током?

Учитель: Условия возникновения тока?

Учитель: Прибор для измерения электрического тока?

IV. Изучение нового материала

Учитель: В быту нас окружают различные электрические нагревательные приборы: электрическая плита, лампа накаливания, паяльник, фен. Все они устроены примерно одинаково. Электрический ток нагревает проводник. Это явление всем известно.

Демонстрация:

На опыте с нихромовой проволокой видно, что когда сила тока достигает 3А проволока начинает светится, а при 5А она разогревается до яркого оранжевого цвета.

Как выделяемое в проволоке тепло связано с протеканием по ней электрического тока?

Рассмотрим проводник к которому приложено напряжение в 1В. Создано внутри проводника электрическое поле, совершает над зарядом работу в 1Дж, перешедший с одного конца проводника на другой. Поскольку проводник обладает сопротивлением, разгоняемые электрическим током электроны все время сталкиваются с атомами проводника, их кинетическая энергия переходит в тепловую энергию и проводник нагревается.

В общем случае если напряжение равно U, а электрический заряд q, значит совершенная полем работа равна А= U* q. Из формулы  I =  ,  q = It, получим формулу работы электрического тока A = UIt.

Запишем в тетради:

q – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника

Из формулы  I =  ,  q = It, где I – сила тока, t – время прохождения тока.
Работу тока можно вычислить  так: A = UIt

Из сказанного выше следует, что количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Q = A

Из закона Ома для участка цепи I =  ,   U = IR, где R – сопротивление проводника.

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

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

Вопрос: От чего зависит количество теплоты выделяемое электрическим током?

Из опыта мы можем сделать вывод, что нагревание проводников зависит от их сопротивления. Чем больше сопротивление проводника, тем большее количество теплоты он выделяет.

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. Поэтому принято называть данный закон «Законом Джоуля – Ленца» на честь открывателей.

По данному свойству (свойству накала провода при протекании электрического тока по проводнику) основа принцип работы ламп накаливания. А историческую справку по открытию ламп накаливания нам подготовила Денисова М.

Историческая справка.

V. Закрепление и обратная связь

Решим задачи:

1. В проводнике сопротивлением 2 Ом сила тока 20 А. Какое количество теплоты выделится в проводнике за 1 мин?

Дано:           СИ:               Решение:

=60с

Найти:

Q-?

Ответ: Q=48кДж

2. Электрический паяльник рассчитан на напряжение 12 В силу тока 5 А. Какое количество теплоты выделится в паяльнике за 30 мин работы?

Дано:                 СИ:                       Решение:

U=12 В , ,

I=5 А

t=30 мин =1800с

Найти:

Q=?
Ответ: Q=108000 Дж

VII. Рефлексия

Учащимся раздаются карточки с заданием для самостоятельного решения.

Рабочая карточка урока Написать как обозначают и в каких единицах измеряют: Силу тока: Напряжение: Сопротивление: Работа электрического тока: Количество теплоты: Запишите формулы для расчета работы электрического тока: Запишите формулу закона Ома для участка цепи: ……. Выразите из закона Ома другие величины: В спирали электроплитки сопротивлением 80 Ом сила тока 2 А. Сколько времени была включена в сеть плитка, если в ней выделилось 320 кДж тепла?

VI. Домашнее задание

Прочитать параграф 40, задача в тетради.

Задача:

Сколько времени нагревалась проволока сопротивлением 20 Ом, если при силе тока 1 А в ней выделилось 6 кДж теплоты.

Закон нагрева Джоуля | Electrical4U

Когда ток течет по электрической цепи, столкновение между электронами и атомами проволоки вызывает выделение тепла. Сколько тепла выделяется при протекании тока по проводу и от каких условий и параметров зависит выделение тепла? Джеймс Прескотт Джоуль, английский физик, придумал формулу, которая точно объясняет это явление. Это известно как закон Джоуля .

Что такое закон нагрева Джоуля

Тепло, выделяемое за счет протекания тока в электрическом проводе, выражается в джоулях.Теперь математическое представление и объяснение закона Джоуля дается следующим образом.

1. Количество тепла, производимого в токопроводящем проводе, пропорционально квадрату количества тока, протекающего по проводу, когда электрическое сопротивление провода и время протекания тока постоянны.
2. Количество выделяемого тепла пропорционально электрическому сопротивлению провода, когда ток в проводе и время протекания тока постоянны.
3. Тепло, выделяемое из-за протекания тока, пропорционально времени протекания тока, когда электрическое сопротивление и величина тока постоянны.

Когда эти три условия объединяются, результирующая формула выглядит так:

Здесь «H» — это тепло, генерируемое в Джоулях, «i» — ток, протекающий по проводящему проводу в амперах, а «t» — это время в секундах. Уравнение состоит из четырех переменных. Когда известны какие-либо три из них, можно вычислить еще один.Здесь «J» — постоянная величина, известная как механический эквивалент тепла Джоуля. Механический эквивалент тепла можно определить как количество рабочих единиц, которые при полном преобразовании в тепло дают одну единицу тепла. Очевидно, значение J будет зависеть от выбора единиц работы и тепла. Было обнаружено, что J = 4,2 джоуля / кал (1 джоуль = 10 ⁷ эрг) = 1400 фут-фунт / CHU = 778 фут-фунт / B Th U. Следует отметить, что приведенные выше значения не очень точны, но достаточно хороши для общих работ.

Теперь, согласно закону Джоуля, I ² Rt = работа, выполненная электрически в джоулях, когда I ампер тока поддерживается через резистор сопротивлением R Ом в течение t секунд.

Удаляя по очереди I и R в приведенном выше выражении с помощью закона Ома, мы получаем альтернативные формы как.

Закон Джоуля — Пояснение к видео

Если вы предпочитаете видео-объяснение, мы подробно обсудим закон Джоуля в видео ниже.

Логический класс | Дом

ТОК ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Введение:

Когда через проводник проходит электрический ток, через некоторое время проводник нагревается и выделяет тепло.Это происходит из-за преобразования некоторой электрической энергии, проходящей через проводник, в тепловую. Этот эффект электрического тока называется тепловым эффектом тока.

Когда ток течет по проводнику, в проводнике генерируется тепловая энергия. Нагревательный эффект электрического тока зависит от трех факторов:

• Сопротивление R проводника. Чем выше сопротивление, тем больше тепла.
• Время t, в течение которого течет ток.Чем больше время, тем больше выделяется тепла.
• Величина тока I. Чем выше сила тока, тем больше выделяется тепла.

Следовательно, эффект нагрева, создаваемый электрическим током I через проводник сопротивления R в течение некоторого времени, t определяется как H = I ² Rt. Это уравнение называется уравнением Джоуля электрического нагрева.

Электроэнергия и мощность

Работа, совершаемая при проталкивании заряда по электрической цепи, определяется выражением w.d =

VIt

Так что мощность, P = w.d / t = VI

Электроэнергия, потребляемая электроприбором, определяется как P = VI = I ² R = V ² / R

Области применения нагрева электрическим током

Большинство бытовых электроприборов таким образом преобразуют электрическую энергию в тепло. К ним относятся лампы накаливания, электрический нагреватель, электрический утюг, электрический чайник и т. Д.

В осветительных приборах

1. Лампы накаливания — изготовлены из вольфрамовой проволоки, заключенной в стеклянную колбу, из которой удален воздух.Это связано с тем, что воздух окисляет нить накала. Нить нагревается до высокой температуры и становится раскаленной добела. Вольфрам используется из-за его высокой температуры плавления; 3400 ⁰ Колба заполнена неактивным газом, например. аргон или азот при низком давлении, что снижает испарение вольфрамовой проволоки. Однако одним из недостатков инертного газа является то, что он вызывает конвекционные токи, которые охлаждают нить накала. Эта проблема сводится к минимуму за счет наматывания проволоки таким образом, чтобы она занимала меньшую площадь, что снижает потери тепла за счет конвекции.
2. Люминесцентные лампы — эти лампы более эффективны по сравнению с лампами накаливания и служат намного дольше. У них есть пары ртути в стеклянной трубке, которая при включении испускает ультрафиолетовое излучение. Это излучение заставляет порошок в трубке светиться (флуоресцировать), то есть испускать видимый свет. Из разных порошков получаются разные цвета. Обратите внимание, что люминесцентные лампы дороги в установке, но их эксплуатационные расходы намного меньше.

В электрическом обогреве

1. Электрические плиты — электрические плиты раскалены докрасна, и произведенная тепловая энергия поглощается кастрюлей посредством теплопроводности.
2. Электрические обогреватели — лучистые обогреватели становятся красными при температуре около 900 ⁰ C, а испускаемое излучение направляется в комнату с помощью полированных отражателей.
3. Электрические чайники — нагревательный элемент размещается внизу чайника так, чтобы нагреваемая жидкость покрывала его. Затем тепло поглощается водой и распределяется по всей жидкости за счет конвекции.

Электрические утюги — когда через нагревательный элемент протекает ток, выделяемая тепловая энергия передается на основание из тяжелого металла, повышая его температуру.Затем эта энергия используется для прессования одежды. Температуру утюга можно контролировать с помощью термостата (биметаллической планки).

Когда между концами резистора приложена разность потенциалов V, электрический

Поле

будет действовать на свободные электроны. Работа электрического поля на бесплатном

электронов за время t равно W = Vq

Вт = V это W = i2 Rt

ii) Эта работа, совершаемая полем, преобразуется в тепловую энергию резистора через столкновения с решеткой.{2}} \)

б) Тепло, выделяемое в данном резисторе заданным током, пропорционально времени, в течение которого в нем существует ток, т. Е. \ (H \ propto t \)

c) Тепло, выделяемое в резисторе заданным током в заданное время, пропорционально его сопротивлению.

v) Электрический нагреватель, электрический утюг, электрическая лампочка, электрическая плита — вот некоторые из инструментов, которые воздействуют на тепловой эффект Джоуля и преобразуют электрическую энергию в тепловую.Эффект Джоуля необратим .

Джоулев нагрев , также известный как омический нагрев и резистивный нагрев , представляет собой процесс, при котором прохождение электрического тока через проводник производит тепло. Первый закон Джоуля , также известный как закон Джоуля-Ленца , ^[1] , утверждает, что мощность нагрева, создаваемая электрическим проводником, пропорциональна произведению его сопротивления на квадрат тока: Джоулевое нагревание влияет на весь электрический проводник, в отличие от эффекта Пельтье, который передает тепло от одного электрического спая к другому.

Постоянный ток :

Самая общая и основная формула для Джоулева нагрева:

{\ displaystyle P = (V_ {A} -V_ {B}) I}, где

• P — мощность (энергия в единицу времени), преобразованная из электрической энергии в тепловую,
• I — ток, проходящий через резистор или другой элемент,
• {\ displaystyle V_ {A} -V_ {B}} — падение напряжения на элементе.{2} / R} где R — сопротивление.

  Переменный ток :

  Основная статья: Питание переменного тока

  Когда ток меняется, как в цепях переменного тока,

  \ (P \ влево (т \ вправо) = U \ влево (т \ вправо) I \ влево (т \ вправо) \)

  , где t — время, а P — мгновенная мощность, преобразуемая из электрической энергии в тепло.

  Намного чаще средняя мощность представляет больший интерес, чем мгновенная мощность:

  \ ({{P} _ {avg}} = {{U} _ {rms}} {{I} _ {rms}} = I_ {rms} ^ {2} R = U_ {rms} ^ {2} / R \)

  {\ displaystyle P_ {avg} = U _ {\ text {rms}} I _ {\ text {rms}} = I _ {\ text {rms}} ^ {2} R = U _ {\ text {rms}} ^ { 2} / R}, где «avg» обозначает среднее значение за один или несколько циклов, а «rms» обозначает среднеквадратичное значение.{*}} \ right) \)

  , где \ (\ varnothing \) — разность фаз между током и напряжением, {\ displaystyle \ operatorname {Re}} Re означает действительную часть, Z — комплексное сопротивление, а Y * — комплексное сопряжение проводимости. (равно 1/ Z * ).

  Химическое воздействие электрического тока :

  Прохождение электрического тока через проводящую жидкость вызывает химические реакции.Получающиеся эффекты получили название химического

  .

  воздействия токов. Процесс нанесения слоя любого желаемого металла на другой материал с помощью электричества называется гальваникой.

  1. Найдите энергию, рассеиваемую за 5 минут электрической лампочкой с нитью накала 500 Ом, подключенной к источнику питания 240 В.

  Решение:

  E = Pt = V2 / R * t = (240 ² * 5 * 60) / 500 = 34,560 Дж.

  2. Электрическая лампочка имеет маркировку 100 Вт, 240 В. Вычислить:
  i) Ток через нить накала
  ii) Сопротивление нити накала лампы .

  Решение:

  P = VI I = P / V = ​​100/240 = 0,4167A
  По закону Ома V = IR R = V / I = 240 / 0,4167 = 575,95 Ом.

  1. Для нагрева воды используется погружной нагреватель мощностью 2,5 кВт. Вычислить:

  i) Рабочее напряжение нагревателя, если его сопротивление составляет 24 Ом

  ii) Преобразование электрической энергии в тепловую за 2 часа.

  Решение

  P = VI = I ² R

  I = (2500/24) ^1/2 = 10,2062A

  В = ИК = 10,2062 * 24 = 244,9488 В

  E = VIt = Pt = 2500 * 2 * 60 * 60 = 1,8 * 10 ⁷ Дж

  ИЛИ E = VIt = 244,9488 * 10,2062 * 2 * 60 * 60 = 1,8 * 10 ⁷ Дж.

  1. Найдите напряжение на клеммах E ₁ и E ₂ , как показано на рисунке.

  Решение:

  Ток на рисунке

  \ (I = \ frac {9-3} {10} = 0,6A \)

  \ ({{V} _ {1}} = {{E} _ {1}} + I {{r} _ {1}} = 3 + 0,6 \ times 1 = 3,6 В; {{V} _ {2}} = {{E} _ {2}} — Я {{r} _ {2}} = 9-0,6 \ умножить на 2 = 7,8 В \)

  2. Рассчитайте установившийся ток в показанном резисторе 2 Вт .Внутреннее Сопротивление батареи незначительно, а емкость конденсатора составляет 0,2 м F.

  Решение:

  Сопротивление параллельной комбинации резисторов 2 Вт и 3 Вт равно

  .

  \ (\ frac {1} {R} = \ frac {1} {2} + \ frac {1} {3} = \ frac {5} {6} \ Rightarrow \, \, \, \, \, R = 1.2 \, \, \ Omega \)

  Это сопротивление последовательно с 2,8 W , что дает общее эффективное сопротивление

  = 1,2 + 2,8 W = 4 W . {2}} {Power} \, \, = \, \, \ frac {100 \, x \, 100} {1000} \, \, \, = \, \, 100 \, \ Omega \)

  И как рассеивается 62.{2}} {{{R} _ {H}}} \, \, = \, \, 62.5 \)

  В _В = 25 В.

  .

  Закон Джоуля

  — Введение, определение, уравнение и часто задаваемые вопросы

  1. Электрическое нагревательное устройство

  Некоторые электрические устройства, такие как электрический утюг, электрический тостер и электрический нагреватель, основаны на принципе нагревающего эффекта электрического тока.В этих устройствах нихром (сплав никеля и хрома) используется в качестве нагревательного элемента во многих электрических устройствах. Это происходит по следующим причинам. Нихром

  • имеет высокое удельное сопротивление.

  • Нихром имеет высокую температуру плавления.

  • Нихром не окисляется легко.

  2. Проволока предохранителя

  Проволока предохранителя — это сплав, содержащий 37% свинца и 63% олова. Провод предохранителя всегда подключается последовательно в электрических цепях.Поскольку он имеет высокое сопротивление и низкую температуру плавления, когда через электрическую цепь протекает электрический ток большой величины, плавкий провод плавится, тем самым размыкая цепь и предотвращая любое повреждение электрических устройств.

  3. Электрическая лампочка

  Нить накаливания электрической лампы обеспечивает очень высокое сопротивление прохождению электрического тока, поэтому выделяется большое количество тепла. Эта нить накала, нагретая до накала, излучает свет. Обычно используется вольфрамовая нить с очень высокой температурой плавления 3380 ° C.Нить накала электрической лампочки заключена в стакан с инертным газом под низким давлением.

  Электродуговая и электросварка также основаны на нагревании электрическим током.

  Эффект нагрева электрическим током по закону Джоуля бесполезен, когда эта концепция применяется к таким системам, как трансформаторы и динамо-машины. Это устройства, которые помогают снизить потери энергии из-за нагревающего воздействия электрического тока.

  Еще несколько применений нагревающего эффекта электрического тока:

  • Водонагреватель

  • Лампа накаливания (когда ее нить нагревается, она излучает свет).

  • Предохранитель (плавится предохранитель и останавливает протекание тока в цепи, сводя к минимуму повреждение бытовой техники)

  • Электроутюг

  • Электроплита.

  • Термисторы: Термисторы — это разновидности резисторов, сопротивление которых изменяется при изменении температуры.

  Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводники. Элементарная классическая теория электропроводности металлов.Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Закон Кирхгофа для разветвленной цепи.

  Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводники. Элементарная классическая теория электропроводности металлов. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Закон Кирхгофа для разветвленной цепи.

  § 3. Зависимость сопротивления проводника от температуры.Сверхпроводники

  
  С повышением температуры сопротивление проводника линейно увеличивается.

  где R ₀ — сопротивление при t = 0 ° C; R — сопротивление при температуре t , α — коэффициент теплового сопротивления, показывает, как при изменении сопротивления проводника температура изменяется на 1 градус. Для чистых металлов при не слишком низких температурах, т. Е. Можно написать

  При определенной температуре (0,14-20 К), называемой «критическим», сопротивление проводника резко снижается до 0 и металл становится сверхпроводящим.Впервые в 1911 году он обнаружил в Камерлинг-Оннесе ртуть. В 1987 году была создана керамика, переходящая в сверхпроводящее состояние при температурах выше 100 К, в так называемые высокотемпературные сверхпроводники — ВТСП.

  § 4 Элементарная классическая теория электропроводности металлов

  Носителями в металлах являются свободные электроны, т. Е. Слабосвязанные электроны с ионами кристаллической решетки металла.Наличие свободных электронов объясняется тем, что при образовании кристаллической решетки металла при сближении изолированных атомов валентные электроны слабо связаны с атомными ядрами, отрываются от атома металла, становясь «свободными» обобществленными принадлежащими не отдельному человеку атом и вся материя, и может двигаться дальше. В классической электронной теории эти электроны рассматриваются как электронный газ со свойствами одноатомного идеального газа.

  Электроны проводимости в отсутствие электрического поля внутри металла беспорядочно перемещаются и сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла.Тепловое движение электронов, будучи хаотичным, не может вызвать ток. Средняя тепловая скорость электронов

  = 300.

  2. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Выразите силу тока и плотность тока со скоростью v упорядоченного движения электронов в проводнике.

  За время d t через сечение S проводника пройдет N электронов

  ,;

  , следовательно, даже при очень высоких плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов вызывает электрический ток, намного меньший, чем скорость теплового движения.

  1. Электрический ток в цепи задается за время, где L —

  длина цепочки, = 3 · 10 ⁸ м / с — скорость света в вакууме. Электрический ток в цепи пропадает практически одновременно с ее замыканием.

  1. Длина свободного пробега электронов порядка λ должна быть равна периоду кристаллической решетки метана λ @ 10 ^-10 .

  2. С повышением температуры увеличивается амплитуда колебаний кристаллической решетки ионов и электронная чаша, обращенная к колеблющимся ионам, поэтому уменьшается длина свободного пробега, а сопротивление металла увеличивается.

     Недостатки классической теории электропроводности металлов:

  1. (1)

  , потому что ~, n и λ ≠ f (T) ρ ~,

  , т.е. согласно классической теории электропроводности, удельное сопротивление пропорционально квадратному корню из температуры, а исходя из опыта, оно линейно зависит от температуры, ρ ~

  2.Дает неверное значение молярной теплоемкости металлов. Согласно закону Дюлонга и Пти _μ = 3 R и классической теории = 9/2 R = C _{μ ионная решетка} = 3 R + C _{μ одноатомная электронный газ} = 3/2 R .

  3. Средняя длина свободного пробега электронов из (1) при подстановке экспериментального значения ρ и теоретического значения дает 10 ^-8 , что на два порядка больше, чем длина свободного пробега, предполагаемая в теории ( 10 ^-10 ).

  § 5. Работа и электроснабжение. Закон Джоуля-Ленца

  
  Поскольку заряд передается на проводник под действием электростатического поля, его работа составляет

  Мощность — выполненная работа за единицу времени

  [P] = Вт (Вт).

  Если ток является неподвижным проводником, вся работа по току идет на нагрев металлического проводника, и закон сохранения энергии

  –

  Закон Джоуля-Ленца.

  Удельный ток мощности — это количество тепла, выделяемого проводником на единицу объема за единицу времени.

  –

  Закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме.

  § 5 Правила Кирхгофа для разветвленной цепи
  

  Любая точка разветвленной цепи, в которой сходятся не менее трех проводников тока, называется узлом. В этом разговоре часть узла положительная, а выходящая — нет.

  Первое правило Кирхгофа : алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю

  Первое правило Кирхгофа следует из закона сохранения заряда (заряд, поступивший в узел, есть снимающий заряд).
  Второе правило Кирхгофа: в любом замкнутом контуре, случайно выбранном в разветвленной цепи, алгебраическая сумма произведений сил тока на сопротивление соответствующих участков этой цепи равна алгебраической сумме ЭДС.происходящие в цепи.

  При расчете сложных цепей постоянного тока по правилам Кирхгофа следует:
  1. Выберите произвольное направление токов на всех этапах цепи, фактическое направление токов определяется для решения проблемы, если желаемый ток становится положительным, направление правильное, если отрицательное, противоположное его истинному направлению. выбрал.

  2. Выберите направление контура. Продукт положительный, когда ток на участке совпадает с направлением прохождения, и наоборот.ЭДС положительная, если они вырабатывают ток, направленный в сторону контура — против отрицательной.

  3. Записано первое правило на узел N -1.

  4. Напишите вторые правила Кирхгофа для замкнутых контуров, которые могут быть размещены в цепочке. Каждая рассматриваемая схема должна содержать хотя бы один элемент, которого нет в предыдущих схемах.
  Количество независимых уравнений, но в соответствии с первым и вторым правилом Кирхгофа, равно количеству различных токов в разветвленной цепи.Следовательно, учитывая ЭДС и сопротивление всех участков без разветвлений, можно рассчитать все токи.

  .

  Эффект Пельтье — обзор

  Интенсивная термодинамика

  В отличие от вышеупомянутого обширных (совокупных) термодинамических свойств, Онсагер (1931a, b) и Пригожин (1955) сосредоточились на интенсивных термодинамических свойствах систем малых пространственно-временных элементов. .Это тонкое, но важное различие в том, что предположение о линеаризуемости локальных сил и потоков является разумным для интенсивных переменных , но это не обязательно разумное предположение для экстенсивных переменных. Причина этого в том, что может быть задан сколь угодно малый элемент пространства-времени, так что он находится в приблизительном устойчивом состоянии со своим непосредственным окружением (например, Oster et al ., 1971; Landsberg, 1972). В самом деле, это основа для большинства схем дискретизации пространства-времени; и даже применимо в задачах с гидродинамической турбулентностью, где водовороты образуются на многих масштабах, а энергия каскадом проходит через эти водовороты во все меньшие масштабы, пока молекулярная диссипация не происходит посредством диффузии (около шкалы длины Колмогорова; Колмогоров, 1941).Ландсберг (1972) назвал такие элементы квазистационарного состояния «локальными полустабильными равновесиями с небольшими отклонениями от эталонных состояний» и даже поднял это различие до уровня 4-го закона термодинамики (см. Глоссарий). Независимо от этого, это важное различие, которое, кажется, было потеряно в литературе, которая имеет тенденцию сосредотачиваться в первую очередь на обширных (например, эксергетических) и теоретико-информационных (например, MEP) традициях.

  Онзагер сосредоточился на системе отсчета открытых, неравновесных термодинамических систем, которые, как говорят, находятся в «линейном диапазоне.Такие системы являются обобщением хорошо известных явлений, таких как закон диффузии Фика, закон теплопроводности Фурье и закон Ома электрического тока. Помимо этих широких связей, необходимо выделить два существенных результата. Первым результатом является наличие взаимных отношений . То есть градиент одного процесса преобразования энергии может влиять на скорость другого, казалось бы, несвязанного процесса преобразования. Хорошо известным конкретным физическим примером этой взаимности сил и потоков является эффект Зеебека , когда электроны текут в присутствии температурного градиента, который служит основой термопары; и обратный поток тепла с приложением электричества, известный как эффект Пельтье , который служит основой для термистора.Для термоэлектромагнитной связи они известны как эффекты Нернста – Эттингсгаузена . Такое же взаимное соединение существует в химических реакциях и динамике клеточных мембран (Oster et al ., 1971; Glansdorff et al ., 1974; Mikulecky, 1985).

  В экологическом контексте это актуально в том смысле, что можно ожидать, что сети кормления продемонстрируют сложные косвенные эффекты между, казалось бы, несвязанными процессами преобразования энергии, такими как дыхание, фотосинтез, эвапотранспирация, рост, или во взаимоотношениях между организмами через конкуренцию, хищничество, потребление и т. Д. мутуализм и др., при наличии биохимических и физических градиентов. И действительно, есть корреляции между многими из этих метаболических процессов (Kleiber, 1947; von Bertalanffy, 1950) и динамикой потребителей. Другой пример можно увидеть в сложной бентосно-пелагической взаимосвязи озер как функции градиентов питательных веществ, кислорода и pH (Regier and Kay, 1996) или связанной концепции морского биологического углеродного насоса (т. Е. Продуктивности в зависимости от градиентов углерода; Eppley and Peterson, 1967) и даже взаимосвязь между эвапотранспирацией и профилями минералов отложений (градиентами) в тропической и умеренной средах.Ряд других потенциальных связей также был идентифицирован Одумом и Пинкертоном (1955).

  Онзагер также продемонстрировал второй революционный результат: любые вариации (т. Е. Флуктуации) этих сил или потоков будут иметь тенденцию к уменьшению и достижению некоторого устойчивого состояния. Эта концепция аналогична ожиданию уменьшения градиента в обширных термодинамических школах , однако она часто неправильно понимается или игнорируется обширными термодинамическими школами.Существенная разница заключается в явном ожидании локального «устойчивого состояния» или «гомеостаза» в подходе интенсивного . На уровне организма это ожидание гомеостаза не считается неожиданным в литературе, поскольку оно является необходимым ограничением для непрерывности жизни и поэтому не оспаривается. Однако на популяционном, экологическом, эволюционном или даже планетарном уровнях организации аргументы, касающиеся гомеостаза, обычно встречались со скептицизмом и насмешками и уничижительно обозначались как «витализм», «ламаркизм», «панглоссианство» или «телеологический» (e. .г., Тэнсли, 1935; Гулд и Левонтин, 1979; Докинз, 1986; Mayr, 1991; Гримм и Виссел, 1997). В этом контексте важность состоит в том, что этот термодинамический принцип обеспечивает общую направленность изменения, которая очевидна без обращения к телеологии, ожидания, основанного на простой и общепринятой направленности времени.

  Это ожидание, что динамические системы будут развиваться в направлении локального интенсивного уменьшения энтропии , получило более сильное основание благодаря формальной демонстрации того, что вторая производная по времени от локальной интенсивной энтропии может рассматриваться как локальная функция Ляпунова ( Пригожин, 1955).Это означает, что локальная интенсивная энтропия действует как принцип локального экстремума ; то есть существует сильное ожидание локального гомеостаза . Пригожин распространил этот анализ на химические реакции и использовал термин «диссипативные структуры» для обозначения локально структурированных потоков вещества и энергии (реакций), что приводит к низкой локальной плотности энтропии за счет «экспорта» энтропии в внешняя среда, и, таким образом, соблюдая общие ожидания глобальной внешней (совокупной) энтропии , чтобы увеличиваться с течением времени.Интерпретация состоит в том, что эти иерархические каскадов диссипативных структур (рис. 1C; Choi and Patten, 2001) представляют локальных отклонений от равновесия, которые действуют аналогично каскаду энергии в турбулентных явлениях (Колмогоров, 1941). . (Соотношения Онзагера представляют собой аппроксимацию принципа Ле-Шателье , выраженного в терминах энтропии . Точнее, диагонали феноменологических коэффициентов Онзагера представляют линейные эффекты первого порядка, согласованные с принципом Ле Шателье и вне диагонали линеаризованные косвенные / перекрестные эффекты; фон Берталанфи, 1950.)

  Были предприняты попытки распространить этот анализ устойчивости по Ляпунову в нелинейную область с использованием вариационных принципов Николисом и Пригожиным (1989). Но неудивительно, что нет никаких гарантий, что универсальные критерии устойчивости существуют в нелинейных системах; они, как правило, имеют сложные режимы устойчивости или аттракторов (Byers and Hansell, 1996). Интересно, что Крукс (1999) и Англия (2013) предполагают, что некоторые статистические обобщения все еще возможны в сильно неравновесных условиях, поскольку производство энтропии может быть связано с вероятностями марковских переходов в статистически-флуктуационном представлении процесса биохимических реакций (т.е., в теоретико-информационном смысле). Но опять же, нам потребуется сильная или, по крайней мере, правдоподобная вероятностная экологическая модель, прежде чем мы сможем попробовать этот подход.

  Следовательно, существует много глубоких связей между отношениями Онзагера к множеству хорошо известных физических и химических процессов. Остается вопрос, как они связаны с биологическими и экологическими процессами. Этому уделяли внимание фон Берталанфи (1950), Одум и Пинкертон (1955), Остер и др. . (1971), Пригожин и др. .(1972), Mikulecky (1985) и Choi и др. . (1999). Экологически значимой мерой этого является производство тепла или связанные с ним процессы, которые генерируют это тепло: дыхание (биохимические анализы или аллометрическая оценка по размерной структуре; Choi et al ., 1999). Однако, поскольку разработка Онзагера направлена ​​на интенсивных термодинамических переменных, это дыхание необходимо нормализовать по соответствующему биологическому объему или биомассе. Таким образом, было доказано и продемонстрировано, что локальная интенсивная энтропия Производство наиболее легко аппроксимируется соотношением дыхание / биомасса (также известное как «Наименьшее удельное рассеяние»; Choi et al ., 1999). Слово « специфический » использовалось для обозначения локальной интенсивной природы этих термодинамически связанных переменных, связанных с анализом Онзагера. Действительно, размерные отношения между этими процессами (накопление биомассы и потеря дыхания) и лежащие в их основе соображения эффективности (например, биологическая аллометрия; Kleiber, 1947, von Bertalanffy, 1950) создают критические ограничения, которые связывают интенсивный с обширные термодинамических переменных (Choi et al ., 1999; Fath и др. ., 2004). Изучение этих интенсивных термодинамических процессов в экосистемах показывает многообещающие из-за их тесной связи с идеями стабильности и целостности в системах, которые являются продуктом многочисленных процессов, охватывающих все более и более широкие диапазоны в пространстве-времени и организационных масштабах, таких как деградация окружающей среды. , доступность ресурсов и быстрое изменение окружающей среды (Чой и Паттен, 2001).

  Наконец, с характерным дальновидным мышлением Одум и Пинкертон (1955) попытались сделать обобщение от интенсивного до экстенсивного , исследуя термодинамическую эффективность.Используя в качестве основы линейную неравновесную термодинамику (например, Onsager, 1931a, b; Prigogine, 1955), они отметили квадратичную форму выходной мощности как функцию эффективности в приближениях Онзагера. Наличие этих максимумов мощности было предложено для обоснования эвристических аргументов Лотки (1922) в пользу ожидания максимальной пропускной способности в системах, работающих в соответствии с дарвиновским отбором (и, возможно, принципом наименьшего действия). (Гипотеза Одума (Odum, 1996)) представляет собой естественное продолжение этих идей в его попытке деконструировать экосистемы с помощью анализа интегральных путей.)

  Эффект джоулевого нагрева

  Электромагнетизм Эффект нагрева Джоуля

  Определение Джоулева нагрева

  Джоулевое нагревание (также называемое резистивным или омическим нагревом) описывает процесс, при котором энергия электрического тока преобразуется в тепло при прохождении через сопротивление.

  В частности, когда электрический ток протекает через твердое тело или жидкость с конечной проводимостью, электрическая энергия преобразуется в тепло за счет резистивных потерь в материале.Тепло генерируется в микромасштабе, когда электроны проводимости передают энергию атомам проводника посредством столкновений.

  Отопительный контур: Распределение температуры в результате джоулева нагрева. Отопительный контур: Распределение температуры в результате джоулева нагрева.

  Джоулевое нагревание в дизайне

  В некоторых случаях джоулев нагрев имеет отношение к конструкции электрического устройства, в то время как в других он является нежелательным эффектом.

  Пара приложений, которые полагаются на джоулев нагрев, включают нагревательные плиты (непосредственно) и микроклапаны для регулирования жидкости (косвенно, посредством теплового расширения).

  Побочные эффекты

  В случае, если эффект нежелателен в конструкции, можно предпринять усилия, чтобы уменьшить его. Это особенно актуально с точки зрения компонентов электрических систем, таких как проводники в электронике, электрические нагреватели, линии электропередач и предохранители. Нагревание этих структур может привести к их разрушению или даже расплавлению.Чтобы предотвратить перегрев компонентов и устройств, инженеры могут включить в конструкцию конвекционное охлаждение.

  Ниже приведен пример механического напряжения, вызванного в нагревательном контуре за счет джоулева нагрева. При приложении напряжения к цепи электропроводящий слой над стеклянной пластиной вызывает джоулев нагрев. Это, в свою очередь, влияет на структурную целостность цепи и вызывает изгиб стеклянной пластины.

  Отопительный контур: наибольшая нагрузка отмечена красными областями.Стеклянная пластина в цепи изгибается из-за нагрева пластины и расширения цепи. Отопительный контур: наибольшая нагрузка отмечена красными областями. Стеклянная пластина в цепи изгибается из-за нагрева пластины и расширения цепи. Дата публикации: 31 октября 2014 г.
  Последнее изменение: 21 февраля 2017 г.

  joule’s_laws

  Законы Джоуля — это пара законов, касающихся тепла, выделяемого током, и зависимости энергии идеального газа от давления, объема и температуры соответственно.

  Рекомендуемые дополнительные знания

  Первый закон Джоуля , также известный как эффект Джоуля , представляет собой физический закон, выражающий соотношение между теплотой, генерируемой током, протекающим через проводник. Он назван в честь Джеймса Прескотта Джоуля, изучавшего это явление в 1840-х годах. Это выражается как:

  Где Q — тепло, выделяемое постоянным током I , протекающим через проводник с электрическим сопротивлением R , за время t .Когда ток, сопротивление и время выражаются в амперах, омах и секундах соответственно, единицей измерения Q является джоуль. Первый закон Джоуля иногда называют законом Джоуля-Ленца , поскольку позже он был независимо открыт Генрихом Ленцем. Эффект нагрева проводников, по которым протекает ток, известен как джоулев нагрев.

  Первый закон Джоуля тесно связан с законом Ома и, таким образом, легко выводится из него. Ниже приводится краткий обзор того, как связаны эти два закона, для получения подробной информации см. Закон Ома.

  Второй закон Джоуля гласит, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от его объема и давления, а зависит только от его температуры.

  Связь с законом Ома

  Первый закон Джоуля тесно связан с законом Ома и, таким образом, легко выводится из него. Ниже приводится краткое описание взаимосвязи этих двух законов.

  или

  Закон Ома

  Мощность, рассеиваемая на резисторе

  Объединив два приведенных выше уравнения и представив их в терминах I и R:

  Мощность, рассеиваемая в резисторе, выраженная в силе тока [ватт или джоуль / сек]

  Для получения дополнительной информации о Power см. Power (физика).Наконец, количество мощности, рассеиваемой резистором, — это количество работы, проделанной на резисторе (т.

  No related posts.