>>Физика: Работа и мощность постоянного тока
Электрический ток получил такое широкое применение потому, что он несет с собой энергию . Эта энергия может быть превращена в любую форму.
При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу
. Ее принято называть работой тока
. Сейчас мы напомним сведения о работе и мощности тока .
Работа тока.
Рассмотрим произвольный участок цепи. Это может быть однородный проводник, например нить лампы накаливания, обмотка электродвигателя и др. Пусть за время через поперечное сечение проводника проходит заряд . Электрическое поле совершит при этом работу 
(U
- напряжение между концами участка проводника).
Так как сила тока 
, то эта работа равна:
Формулой 
удобно пользоваться в случае последовательного соединения проводников, так как сила тока в этом случае одинакова во всех проводниках. При параллельном соединении удобна формула 
так как напряжение на всех проводниках одинаково.
Закон Джоуля - Ленца.
Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем (1818-1889) и русским ученым Э. X. Ленцем (1804-1865). Закон Джоуля - Ленца
формулируется следующим образом: количество теплоты, выделяемой проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику:
Мы получили этот закон с помощью рассуждений, основанных на законе сохранения энергии. Формула (15.14) позволяет вычислить количество теплоты, выделяемое на любом участке цепи, содержащем какие угодно проводники.
Мощность тока.
Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель и т. д.) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Поэтому, наряду с работой тока, очень важное значение имеет понятие мощность тока
. Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока.
Согласно этому определению мощность тока
Из этой формулы очевидно, что мощность тока выражается в ваттах
(Вт).
Это выражение для мощности тока можно переписать в нескольких эквивалентных формах, используя закон Ома для участка цепи:
На большинстве приборов указана потребляемая ими мощность.
Прохождение по проводнику электрического тока сопровождается выделением в нем энергии. Эта энергия определяется работой тока - произведением перенесенного заряда и напряжения на концах проводника.
???
1. Что называют работой тока?
2. Что такое мощность тока?
3. В каких единицах выражается мощность тока?
Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский,Физика 10 класс
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиЕсли у вас есть исправления или предложения к данному уроку,
Джеймс Прескотт Джоуль (слева) и Эмилий Христианович Ленц (справа)
Электрические нагреватели всевозможных типов используются человечеством уже столетия, благодаря свойству электрического тока выделять тепло при прохождении через проводник. У этого явления есть и негативный фактор – перегретая электропроводка из-за слишком большого тока часто становилась причиной короткого замыкания и возникновения пожаров. Выделение тепла от работы электрического тока изучалось в школьном курсе физики, но многие позабыли эти знания.
Впервые зависимость выделения теплоты от силы электрического тока была сформулирована и математически определена Джеймсом Джоулем в 1841 году, и чуть позже, в 1842 г., независимо от него, Эмилем Ленцем. В честь этих физиков и был назван закон Джоуля-Ленца, по которому рассчитывают мощность электронагревателей и потери на тепловыделение в линиях электропередач.
В словесном определении, согласно исследований Джоуля и Ленца закон звучит так:
Количество теплоты, выделяемой в определенном объеме проводника при протекании электрического тока прямо пропорционально умножению плотности электрического тока и величины напряженности электрического поля
В виде формулы данный закон выглядит следующим образом:
Выражение закона Джоуля — Ленца
Поскольку описанные выше параметры редко применяются в обыденной жизни, и, учитывая, что почти все бытовые расчеты выделения теплоты от работы электрического тока касаются тонких проводников (кабели, провода, нити накаливания, шнуры питания, токопроводящие дорожки на плате и т. п.), используют закон Джоуля Ленца с формулой, представленной в интегральном виде:
Интегральная форма закона
В словесном определении закон Джоуля Ленца звучит так:
Словесное определение закона Джоуля — Ленца
Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля — Ленца можно записать в упрощенном виде:
Применив закон Ома и алгебраические преобразования, получаем приведенные ниже эквивалентные формулы:
Эквивалентные выражения теплоты согласно закона Ома
Исследования Джоуля и Ленца в области тепловыделения от работы электрического тока существенно продвинули научное понимание физических процессов, а выведенные основные формулы не претерпели изменений и используются по сей день в различных отраслях науки и техники. В сфере электротехники можно выделить несколько технических задач, где количество выделяемой при протекании тока теплоты имеет критически важное значение при расчете таких параметров:
Электроприборы, в которых используется тепловая работа тока
Тепловое действие электрического тока в проводах линий электропередач (ЛЭП) является нежелательным из-за существенных потерь электроэнергии на тепловыделение.
По различным данным в линиях электропередач теряется до 40% всей производимой электрической энергии в мире. Для уменьшения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния, поднимают напряжение в ЛЭП, производя расчеты по производным формулам закона Джоуля – Ленца.
Диаграмма всевозможных потерь электроэнергии, среди которых теплопотери на воздушных линиях составляют львиную долю (64%)
Очень упрощенно тепловую работу тока можно описать следующим образом: двигаются электроны между молекулами, и время от времени сталкиваются с ними, отчего их тепловые колебания становятся более интенсивными. Наглядная демонстрация тепловой работы тока и ассоциативные пояснения процессов показаны на видео ниже:
В качестве примера можно взять гипотетический участок линии электропередач от электростанции до трансформаторной подстанции. Поскольку провода ЛЭП и потребитель электроэнергии (трансформаторная подстанция) соединены последовательно , то через них течет один и тот же ток I. Согласно рассматриваемому тут закону Джоуля – Ленца количество выделяемой на проводах теплоты Q w (теплопотерь) рассчитывается по формуле:
Производимая электрическим током мощность (Q c) в нагрузке рассчитывается согласно закону Ома:
Таким образом, при равенстве токов, в первую формулу можно вставить вместо I выражение Q c /U c , поскольку I = Q c /U c:
Если проигнорировать зависимость сопротивления проводников от изменения температуры, то можно считать R w неизменным (константой). Таким образом, при стабильном энергопотреблении потребителя (трансформаторной подстанции), тепловыделение в проводах ЛЭП будет обратно пропорционально квадрату напряжения в конечной точке линии. Другими словами, чем больше напряжение электропередачи, тем меньше потери электроэнергии.
Для передачи электроэнергии высокого напряжения требуются большие опоры ЛЭП
Данные расчеты справедливы также и в быту при передаче электроэнергии на малые расстояния – например, от ветрогенератора до инвертора. При автономном энергоснабжении ценится каждый Ватт выработанной низковольтным ветряком энергии, и возможно, будет выгодней поднять напряжение трансформатором прямо у ветрогенератора, чем тратиться на большое сечение кабеля, чтобы уменьшить потери электроэнергии при передаче.
При значительном удалении низковольтного ветрогенератора переменного тока для уменьшения потерь электроэнергии будет выгодней подключение через повышающий трансформатор
В бытовых сетях электропроводки расстояния крайне малы, чтобы уменьшения тепловых потерь поднимать напряжение, поэтому при расчете проводки учитывается тепловая работа тока, согласно закону Джоуля – Ленца при выборе поперечного сечения проводов, чтобы их тепловой нагрев не привел к оплавлению и возгоранию изоляции и окружающих материалов. Выбор кабеля по мощности и электропроводки проводятся согласно таблиц и нормативных документов ПУЭ, и подробно описаны на других страницах данного ресурса.
Соотношения силы тока и поперечного сечения проводников
При расчете температуры нагрева радиотехнических элементов, биметаллической пластины автоматического выключателя или плавкого предохранителя используется закон Джоуля – Ленца в интегральной форме, так как при росте температуры изменяется сопротивление данных материалов. При данных сложных расчетах также учитываются теплоотдача, нагрев от других источников тепла, собственная теплоемкость и множество других факторов.
Программное моделирование тепловыделения полупроводникового прибора
Тепловыделяющая работа электрического тока широко применяется в электронагревателях, в которых используется последовательное соединение проводников с различным сопротивлением. Данный принцип работает следующим образом: в соединенных последовательно проводниках течет одинаковый ток, значит, согласно закону Джоуля – Ленца, тепла выделится больше у материала проводника с большим сопротивлением.
Спираль с повышенным сопротивлением накаляется, но питающие провода остаются холодными
Таким образом, шнур питания и подводящие провода электроплитки остаются относительно холодными, в то время как нагревательный элемент нагревается до температуры красного свечения. В качестве материала для проводников нагревательных элементов используются сплавы с повышенным (относительно меди и алюминия электропроводки) удельным сопротивлением — нихром, константан, вольфрам и другие.
Нить лампы накаливания изготовляют из тугоплавких вольфрамовых сплавов
При параллельном соединении проводников тепловыделение будет больше на нагревательном элементе с меньшим сопротивлением, так как при его уменьшении возрастает ток относительного соседнего компонента цепи. В качестве примера можно привести очевидный пример свечения двух лампочек накаливания различной мощности – у более мощной лампы тепловыделение и световой поток больше.
Если прозвонить омметром лампочки, то окажется, что у более мощной лампы сопротивление меньше. На видео ниже автор демонстрирует последовательное и параллельное подключение, но к сожалению, он ошибся в комментарии — будет ярче светить лампа с большим сопротивлением, а не наоборот.
Рассмотрим однородный участок цепи, между концами которого существует напряжение U. При силе тока I за время t через цепь пройдет заряд q = It. Поэтому работа электрического тока на этом участке будет равна:
A = Uq = IUt. (20.1)
Комбинируя законом Ома для однородного участка цепи U = IR, можно получить еще два выражения работы тока:
A = IUt = t = I 2 Rt. (20.2)
Выражение (20.2) справедливо для постоянного тока в любом случае, для какого угодно участка цепи.
Мощность тока, т.е. работа в единицу времени равна:
Р = = IU = = I 2 R. (20.3)
Формулу (20.3) в системе СИ используют для определения единицы напряжения. Единица напряжения вольт есть
[U] = [P] / [I] = 1 Вт/А = 1 В.
Вольт – электрическое напряжение, вызывающее в электрической цепи постоянный ток силой 1 А при мощности 1 Вт.
Если сила тока выражается в Амперах, напряжение - в Вольтах, сопротивление - в Омах, то работа тока выражается в Джоулях, а мощность - в Ваттах. На практике применяются также внесистемные единицы работы тока: ватт×час (Вт×ч) и киловатт×час (кВт×ч). 1 Вт×ч - работа тока мощностью в 1 Вт в течение 1 часа: 1 Вт×ч = 3 600 Вт×с = 3,6×10 3 Дж; 1 кВт×ч = 10 3 Вт×ч = 3,6×10 6 Дж.
В однородном неподвижном проводнике при отсутствии в нем химических превращений вся работа тока идет на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается. По закону сохранения энергии количество теплоты Q, выделившейся в неподвижном проводнике, при пропускании тока за время t равно А, то из (20.2) имеем
Q = IUt = t = I 2 Rt. (20.4)
Выражение (20.4) представляет собой закон Джоуля-Ленца, экспериментально установленный независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. X. Ленцем. Джоуль и Ленц установили свой закон для однородного участка цепи. Однако он справедлив и для неоднородного участка цепи при условии, что действующие в нем сторонние силы имеют нехимическое происхождение.
Выделим в проводнике элементарный цилиндрический объем dV = dS×dl (ось цилиндра совпадает с направлением тока), электрическое сопротивление которого равно R = r×dl/dS. По закону Джоуля - Ленца, за время dt в объеме dV выделится теплота
dQ = I 2 Rdt = (jdS) 2 dt = rj 2 ×dV×dt.
Количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема, называется удельной тепловой мощностью тока. Она равна
w = = rj 2 . (20.5)
Используя дифференциальную форму закона Ома (18.3) из соотношения (20.5) получим:
w = rj 2 = = sЕ 2 = jE. (20.6)
Формулы (20.6) являются обобщенным выражением закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме, пригодным для любого проводника.
Тепловое действие тока находит широкое применение в технике, которое началось с изобретения в 1873 г. русским инженером А. Н. Лодыгиным (1847-1923) лампы накаливания. На нагревании проводников электрическим током основано действие электрических муфельных печей, электрической дуги (открыта русским инженером В. В. Петровым (1761-1834)), контактной электросварки, бытовых электронагревательных приборов и т. д.
Теперь рассмотрим энергетические превращения в замкнутой цепи, содержащей ЭДС (см. рисунок 23). При этом будем учитывать полученные ранее соотношения (18.6), (18.7) и (18.8). Мощность, потребляемая цепью (т.е. мощность, развиваемая источником тока), равна P = EI. Мощности, выделяемые на нагрузке P R и внутреннем сопротивлении P r , соответственно, равны
P R = I 2 R = R = E 2 , P r = I 2 r = E 2 . (20.7)
Согласно закону сохранения энергии P = P R + P r , т.е.
EI = U R I + U r I = I 2 (R+r). (20.8)
Коэффициент полезного действия h источника тока равен:
h = = = = = . (20.9)
Из выражения (20.9) видно, что h достигает наибольшего значения h = 1 в случае разомкнутой цепи (R®¥, при этом P R ®0) и обращается в нуль (h = 0) при коротком замыкании (R = 0).
Зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки R
P R (R) = E 2 (20.10)
изображена на рисунке 26.
Как видно из графика P R (R), одна и та же мощность Р 0 выделяется при двух разных значениях R 1 и R 2 сопротивления нагрузки (при R 1 ¹ R 2 значения КПД различны, т.е. h 1 ¹ h 2). Если в (20.10) вместо P R подставить Р 0 , получим квадратное уравнение, из которого можно определить значения R 1 и R 2:
P 0 (R) = P 0 = E 2 или R 2 + R + r 2 = 0. (20.11)
Значение внешнего сопротивления R max , при котором на нем выделяется максимальная мощность P max , найдем, дифференцируя выражение P 0 (R) по R и приравнивая первую производную нулю:
P 0 (R)¢ R = = E 2 = 0, (20.12)
откуда, с учетом того, что r > 0 и R > 0, получаем R max = r. Полезная мощность, т.е. мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения, если сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению, т.е. при R = r. При этом сила тока в цепи равна:
I max = = = = I кз, (20.13)
т.е. половине силы тока короткого замыкания I кз. В этом случае КПД источника тока равен 0,5 (50 %):
h max = = = . (20.14)
А максимальная мощность, выделяемая на нагрузке, равна
P max = E 2 = E 2 = . (20.15)
Если к квадратному уравнению (20.11) для определения R 1 и R 2 применить теорему Виета, то она дает формулы, связывающие корни этого уравнения:
R 1 + R 2 = - r и R 1 × R 2 = r 2 . (20.16)
Практический интерес представляет вторая формула в (20.16), т.е. (R 1 × R 2 = r 2), которая связывает внутреннее сопротивление источника r и сопротивления нагрузки R 1 и R 2 , при которых на нагрузке выделяется одинаковая мощность (Р 0).
Контрольные вопросы
1 Что называется силой тока? плотностью тока? Каковы их единицы измерения? (Дать определения.)
2 Назовите условия возникновения и существования электрического тока.
3 Что такое сторонние силы? Какова их природа?
4 В чем заключается физический смысл электродвижущей силы, действующей в цепи? напряжения? разности потенциалов?
5 Почему напряжение является обобщенным понятием разности потенциалов?
6 Какова связь между сопротивлением и проводимостью, удельным сопротивлением и удельной проводимостью? Каковы их единицы измерения? (Дать определения.)
7 Что понимают под средней, дрейфовой или упорядоченной скоростью движения носителей тока?
8 Что понимают под напряженностью поля сторонних сил?
9 Выведите законы Ома и Джоуля - Ленца в дифференциальной форме.
10 В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока?
11 Проанализируйте обобщенный закон Ома. Какие частные законы можно из него получить?
12 Как формулируются правила Кирхгофа? На чем они основаны?
13 Как составляются уравнения, выражающие правила Кирхгофа? Как избежать лишних уравнений?
14 Какие участки цепи называют однородными (неоднородными)?
Тесты
1. Выражение представляет собой:
А) силу тока в замкнутой цепи
В) мощность, выделяющуюся во внешней цепи
С) мощность, выделяющуюся во внутренней цепи источника тока
Д) напряжение на зажимах источника тока
Е) работу перемещения единичного положительного заряда по замкнутой цепи
2. Аккумулятор с внутренним сопротивлением r=0,08 Ом при токе I 1 =4 А отдает во внешнюю цепь мощность Р 1 =8 Вт. Какую мощность Р 2 отдаст он во внешнюю цепь при токе I 2 =6 А?
4. Два резистора с одинаковым сопротивлением каждый включаются в сеть постоянного напряжения первый раз параллельно, а второй раз последовательно. Найти соотношение между потребляемыми мощностями в этих случаях.
6. Элемент с ЭДС, равной 6 В, дает максимальную силу тока 3 А. Найдите наибольшее количество теплоты, которое может быть выделено внешним сопротивлением за 2 минуты.
8. Вычислите сопротивление спирали лампы от карманного фонаря, если при напряжении 3,5 В сила тока в ней 280 мА.
10. Какой силы ток должен проходить по проводнику, включенному в сеть напряжением 220 В, чтобы в нем ежеминутно выделялось по 6,6 кДж теплоты?
12. Электрический утюг рассчитан на напряжение 220 В. Сопротивление его нагревательного элемента 88 Ом. Чему равна мощность этого утюга?
14. Аккумуляторная батарея перед зарядкой имела ЭДС Е 1 =90 В, после зарядки Е 2 =100 В. Величина тока в начале зарядки была I 1 =10 А. Какова была величина тока I 2 в конце зарядки, если внутреннее сопротивление батареи r=2 Ом, а напряжение U, создаваемое зарядным устройством, постоянно.
| А) 8 А | В) 9 А | С) 6 А | Д) 5А | Е) 4 А |
15. Коэффициент полезного действия источника тока может быть вычислен по формуле …
17. Два проводника, соединенные последовательно, имеют сопротивление в 6,25 раза большее, чем при их параллельном соединении. Найдите во сколько раз сопротивление одного проводника больше сопротивления другого.
21. Какая работа будет произведена, если к концам проводника с сопротивлением R=10 Ом на время t=20 с приложено напряжение U=12 В?
23. Если элемент с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 2 Ом замкнуть на сопротивление 10 Ом, то мощность, выделяемая во внешней цепи, будет равна …
26. Мощность электронагревательного прибора при уменьшении длины нагревательной спирали вдвое и уменьшении напряжения в цепи вдвое …
А) уменьшится в 8 раз
В) уменьшится в 4 раза
С) уменьшится в 2 раза
Д) увеличится в 2 раза
Е) не изменится
27. Два резистора, сопротивления которых отличаются в n=4,8 раза, включают в цепь постоянного тока при неизменном напряжении в цепи один раз последовательно, а другой – параллельно. Каково отношение тепловых мощностей, выделяющихся на резисторах во втором (Р 2) и в первом (Р 1) случаях?
29. Во сколько раз увеличится сила тока, протекающего по проводнику, если напряжение на концах проводника увеличить в 2 раза, а длину проводника уменьшить в 4 раза?
| А) 2 раза | В) 4 раза | С) раз | Д) 8 раз | Е) 16 раз |
30. Физическая величина, размерность которой можно представить как , является
А) сопротивлением
В) ЭДС источника тока
С) удельным сопротивлением
Д) силой тока
Е) проводимостью
Верные ответы в заданиях отмечены красным цветом.
Закон Джоуля - ЛенцаЗакон Джоуля - Ленца (по имени английского физика Джеймса Джоуля и русского физика Эмилия Ленца, одновременно, но независимо друг от друга открывших его в 1840г) - закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока.
При протекании тока по проводнику происходит превращение электрической энергии в тепловую, причём количество выделенного тепла будет равно работе электрических сил:
Q = WЗакон Джоуля - Ленца: количество тепла, выделяемого в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени его прохождения.
При передаче электроэнергии тепловое действие тока является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Поскольку передаваемая мощность линейно зависит как от напряжения, так и от силы тока, а мощность нагрева зависит от силы тока квадратично, то выгодно повышать напряжение перед передачей электроэнергии, понижая в результате силу тока. Повышение напряжения снижает электробезопасность линий электропередачи. В случае применения высокого напряжения в цепи для сохранения прежней мощности потребителя придется увеличить сопротивление потребителя (квадратичная зависимость. 10В, 1 Ом = 20В, 4 Ом). Подводящие провода и потребитель соединены последовательно. Сопротивление проводов (R
w
) постоянное. А вот сопротивление потребителя (R
c
) растет при выборе более высокого напряжения в сети. Также растет соотношение сопротивления потребителя и сопротивления проводов. При последовательном включении сопротивлений (провод - потребитель - провод) распределение выделяемой мощности (Q
) пропорционально сопротивлению подключенных сопротивлений. 
; 
; ; ток в сети для всех сопротивлений постоянен. Следовательно имеем соотношение Q
c
/ Q
w
= R
c
/ R
w
; Q
c
и R
w
это константы (для каждой конкретной задачи). Определим, что . Следовательно, мощность выделяемая на проводах обратно пропорциональна сопротивлению потребителя, то есть уменьшается с ростом напряжения. так как 
. (Q
c
- константа); Объеденим две последние формулы и выведем, что ; для каждой конкретной задачи - это константа. Следовательно, тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе.Ток проходит равномерно.
Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при сборке электрических цепей достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют, в частности, выбор сечения проводников.
Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.
За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы . В них используется нагревательный элемент - проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.
Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.
Эмилий Христианович Ленц (1804 - 1865) – русский знаменитый физик. Он является одним из основоположников электромеханики. С его именем связано открытие закона, определяющего направление индукционного тока, и закона, определяющего электрическое поле в проводнике с током.
Кроме того, Эмилий Ленц и английский учёный-физик Джоуль, изучая на опыте тепловые действия тока, независимо один от другого открыли закон, согласно которому количество теплоты, которое выделяется в проводнике, будет прямо пропорционально квадрату электрического тока, который проходит по проводнику, его сопротивлению и времени, в течение которого электрический ток поддерживается неизменным в проводнике.
Данный закон получил название закон Джоуля – Ленца, формула его выражает следующим образом:
где Q – количество выделившейся теплоты, l – ток, R – сопротивление проводника, t – время; величина k называется тепловым эквивалентом работы. Численное значение этой величины зависит от выбора единиц, в которых производятся измерения остальных величин, входящих в формулу.
Если количество теплоты измерять в калориях, ток в амперах, сопротивление в Омах, а время в секундах, то k численно равно 0,24. Это значит, что ток в 1а выделяет в проводнике, который обладает сопротивлением в 1 Ом, за одну секунду число теплоты, которое равно 0,24 ккал. Исходя из этого, количество теплоты в калориях, выделяющееся в проводнике, может быть рассчитано по формуле:
В системе единиц СИ энергия, количество теплоты и работа измеряются единицами – джоулями. Поэтому коэффициент пропорциональности в законе Джоуля – Ленца равен единице. В этой системе формула Джоуля – Ленца имеет вид:
Закон Джоуля – Ленца можно проверить на опыте. По проволочной спиральке, погружённой в жидкость, налитую в калориметр, пропускается некоторое время ток. Затем подсчитывается количество теплоты, выделившейся в калориметре. Сопротивление спиральки известно заранее, ток измеряется амперметром и время секундомером. Меняя ток в цепи и используя различные спиральки, можно проверить закон Джоуля – Ленца.
На основании закона Ома
Подставляя значение тока в формулу (2), получим новое выражение формулы для закона Джоуля – Ленца:
Формулой Q = l²Rt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, выделяемого при последовательном соединении, потому что в этом случае электрический ток во всех проводниках одинаков. Поэтому, когда происходит последовательное соединение нескольких проводников, в каждом из них будет выделено такое количество теплоты, которое пропорционально сопротивлению проводника. Если соединить, например, последовательно три проволочки одинаковых размеров – медную, железную и никелиновую, то наибольшее количество теплоты будет выделяться из никелиновой, так как удельное сопротивление её наибольшее, она сильнее и нагревается.
Если проводники соединить параллельно, то электрический ток в них будет различен, а напряжение на концах таких проводников одно и то же. Расчёт количества теплоты, которое будет выделяться при таком соединении, лучше вести, используя формулу Q = (U²/R)t.
Эта формула показывает, что при параллельном соединении каждый проводник выделит такое количество теплоты, которое будет обратно пропорционально его проводимости.
Если соединить три одинаковой толщины проволоки – медную, железную и никелиновую – параллельно между собой и пропустить через них ток, то наибольшее количество теплоты выделится в медной проволоке, она и нагреется сильнее остальных.
Беря за основу закон Джоуля – Ленца, производят расчёт различных электроосветительных установок, отопительных и нагревательных электроприборов. Также широко используется преобразование энергии электричества в тепловую.
Рассмотрим однородный проводник, к концам которого приложено напряжение U. За время dt через сечение проводника переносится заряд dq = Idt. Так как ток представляет собой перемещение заряда dq под действием электрического поля, то, по формуле (84.6), работа тока
(99.1)
Если сопротивление проводника R, то, используя закон Ома (98.1), получим
(99.2)
Из (99.1) и (99.2) следует, что мощность тока
(99.3)
Если сила тока выражается в амперах, напряжение - в вольтах, сопротивление - в омах, то работа тока выражается в джоулях, а мощность - в ваттах. На практике применяются также внесистемные единицы работы тока: ватт-час (Вт-ч) и киловатт-час (кВт-ч). 1 Вт×ч - работа тока мощностью 1 Вт в течение 1 ч; 1 Вт-ч = 3600 Вт-с = 3,6-103 Дж; 1 кВт-ч=103 Вт-ч=3,6-106 Дж.
Количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема, называется удельной тепловой мощностью тока. Она равна
(99.6)
Используя дифференциальную форму закона Ома (j = gE)и соотношение r = 1/g, получим
(99.7)
Формулы (99.6) и (99.7) являются обобщенным выражением закона Джоуля - Ленца в дифференциальной форме, пригодным для любого проводника.
Тепловое действие тока находит широкое применение в технике, которое началось с открытия в 1873 г. русским инженером А. Н. Лодыгиным (1847-1923) лампы накаливания. На нагревании проводников электрическим током основано действие электрических муфельных печей, электрической дуги (открыта русским инженером В. В. Петровым (1761-1834)), контактной электросварки, бытовых электронагревательных приборов и т. д.
Нина холод
Закон Джоуля Ленца определяет выделенное количество тепла на участке электрической цепи обладающей конечным сопротивлением при прохождении тока через нее. Обязательным условием является тот факт, что на этом участке цепи должны отсутствовать химические превращения. Возьмём проводник, к концам которого приложено напряжение. Следовательно, через него протекает ток. Таким образом, электростатическое поле и внешние силы совершают работу по перемещению электрического заряда от одного конца проводника к другому.
Если при этом проводник остается неподвижный и внутри него не происходят химические превращения. То вся работа, затрачиваемая внешними силами электростатического поля, идет на увеличение внутренней энергии проводника. То есть на его разогрев.
Работа тока - это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника;
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.
Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:
По закону сохранения энергии:
работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока.
В системе СИ:
ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА
При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам
Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.
В системе СИ:
[Q] = 1 Дж
МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.
В системе СИ:
Электростатика и законы постоянного тока - Класс!ная физика
Следы на песке
Если вам приходилось, гулять по пляжу во время отлива, то, вероятно, вы заметили, что, как только нога ступает на мокрый твердый песок, он немедленно подсыхает и белеет вокруг вашего следа. Обычно это объясняют тем, что под тяжестью тела вода «выжимается» из песка. Однако это не так, потому что песок не ведет себя подобно мочалке. Почему же белеет песок? Будет ли песок оставаться белым все время, пока вы стоите на месте?
Оказывается...
Побеление песка на пляже впервые объяснил Рейнольде в 1885 г. Он показал,
что объем песка увеличивается, когда на него наступают. До этого песчинки были «упакованы» самым плотным образом.
Под действием деформации сдвига, которая возникает под подошвой ботинка, объем, занимаемый песчинками, может
лишь увеличиться. В то время как уровень песка поднимается резко, уровень воды может подняться лишь в результате
капиллярных явлений, а на это требуется время. Поэтому на дне следа ноги песок некоторое время оказывается выше уровня воды -
он сухой и белый.
