Что такое тепловое действие тока

Закон Джоуля-Ленца: определение, формула, применение

что такое тепловое действие тока

Мы ежедневно пользуемся электронагревательными приборами, не задумываясь, откуда берётся тепло. Разумеется, вы знаете, что тепловую энергию вырабатывает электричество. Но как это происходит, а тем более, как оценить количество выделяемого тепла, знают не все. На данный вопрос отвечает закон Джоуля-Ленца, обнародованный в позапрошлом столетии.

В 1841 году усилия английского физика Джоуля, а в 1842 г. исследования русского учёного Ленца увенчались открытием закона, применение которого позволяет количественно оценить результаты теплового действия электрического тока [ 1 ]. С тех пор изобретено множество приборов, в основе которых лежит тепловое действие тока. Некоторые из них, изображены на рис. 1.

Рис. 1. Тепловые приборы

Определение и формула

Тепловой закон можно сформулировать и записать в следующей редакции: «Количество тепла, выработанного током, прямо пропорционально квадрату приложенного к данному участку цепи тока, сопротивления проводника и промежутка времени, в течение которого электричество действовало на проводник».

Обозначим символом Q количество выделяемого тепла, а символами I, R и Δt – силу тока, сопротивление и промежуток времени, соответственно. Тогда формула закона Джоуля-Ленца будет иметь вид: Q = I2*R*Δt

Согласно законам Ома I=U/R, откуда R = U/I. Подставляя выражения в формулу Джоуля-Ленца получим: Q = U2/R * Δt ⇒ Q = U*I*Δt.

Выведенные нами формулы – различные формы записи закона Джоуля-Ленца. Зная такие параметры как напряжение или силу тока, можно легко рассчитать количество тепла, выделяемого на участке цепи, обладающем сопротивлением R.

Дифференциальная форма

Чтобы перейти к дифференциальной форме закона, проанализируем утверждение Джоуля-Ленца применительно к электронной теории. Приращение энергии электрона ΔW за счёт работы электрических сил поля равно разности энергий электрона в конце пробега (m/2)*(u=υmax)2и в начале пробега (mu2)/2 , то есть

Здесь u – скорость хаотического движение (векторная величина), а υmax – максимальная скорость электрического заряда в данный момент времени.

Поскольку установлено, что скорость хаотического движения с одинаковой вероятностью совпадает с максимальной (по направлению и в противоположном направлении), то выражение 2*u*υmax в среднем равно нулю. Тогда полная энергия, выделяющаяся при столкновениях электронов с атомами, образующими узлы кристаллической решётки, составляет:

Это и есть закон Джоуля-Ленца, записанный в дифференциальной форме. Здесь γ – согласующий коэффициент,  E – напряжённость поля.

Интегральная форма

Предположим, что проводник имеет цилиндрическую форму с сечением S. Пусть длина этого проводника составляет l. Тогда мощность P, выделяемая в объёме V= lS составляет:

гдеR – полное сопротивление проводника.

Учитывая, чтоU = I×R, из последней формулы имеем:

  • P = U×I;
  • P = I2R;
  • P = U2/R.

Если величина тока со временем меняется, то количество теплоты вычисляется по формуле:

Данное выражение, а также вышеперечисленные формулы, которые можно переписать в таком же виде, принято называть интегральной формой закона Джоуля-Ленца.

Формулы очень удобны при вычислении мощности тока в нагревательных элементах. Если известно сопротивление такого элемента, то зная напряжение бытовой сети легко определить мощность прибора, например, электрочайника или паяльника.

Физический смысл

Вспомним, как электрический ток протекает по металлическому проводнику. Как только электрическая цепь замкнётся, то под действием ЭДС движение свободных электронов упорядочивается, и они устремляются к положительному полюсу источника питания. Однако на их пути встречаются стройные ряды кристаллических решёток, атомы которых создают препятствия упорядоченному движению, то есть оказывают сопротивление.

На преодоление сопротивления уходит часть энергии движущихся электронов. В соответствии с фундаментальным законом сохранения энергии, она не может бесследно исчезнуть. Она-то и превращается в тепло, вызывающее нагревание проводника. Накапливаемая тепловая энергия излучается в окружающее пространство или нагревает другие предметы, соприкасающиеся с проводником.

На рисунке 2 изображёна схема опыта, демонстрирующего закон теплового действия тока, разогревающего участок провода в электрической цепи.

Рис. 2. Тепловое действие тока

Явление нагревания проводников было известно практически с момента получения электротока, но исследователи не могли тогда объяснить его природу, и тем более, предложить способ оценки количества выделяемого тепла. Эту проблему решает закон  Джоуля-Ленца, которым мы пользуемся по сегодняшний день.

Практическая польза закона Джоуля-Ленца

Присильном нагревании можно наблюдать излучение видимого спектра света, чтопроисходит, например, в лампочке накаливания. Слабо нагретые тела тоже излучаюттепловую энергию, но в диапазоне инфракрасного излучения, которого мы не видим,но можем ощутить своими тепловыми рецепторами.

Допускать сильное нагревание проводников нельзя, так как чрезмерная температура разрушает структуру металла, проще говоря – плавит его. Это может привести к выводу из строя электрооборудования, а также стать причиной пожара. Для того, чтобы не допустить критических параметров нагревания необходимо делать расчёты тепловых элементов, пользуясь формулами, описывающими закон Джоуля-Ленца.

Проанализировав выражение U2/R убеждаемся, что когда сопротивление стремится к нулю, то количество выделенного тепла стремится к бесконечности. Такая ситуация возникает при коротких замыканиях. В это основная опасность КЗ.

В борьбе с короткими замыканиями используют:

  • автоматические выключатели:
  • электронные защитные блоки;
  • плавкие предохранители;
  • другие защитные устройства.

Применение и практический смысл

Непосредственноепревращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономическивыгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современногочеловечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборыпродолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

  • электрочайники;
  • утюги;
  • фены;
  • варочные плиты;
  • паяльники;
  • сварочныеаппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

Закон Джоуля-Ленца без преувеличения можно назвать гениальным. Это один из тех законов, которые повлияли на развитие электротехники.

Источник: https://www.asutpp.ru/zakon-dzhoulya-lentsa.html

Тепловое действие тока

что такое тепловое действие тока

Подключение проводника к источнику питания провоцирует взаимодействие носителей зарядов с молекулярной структурой соответствующего вещества. При определенных условиях этот процесс сопровождается нагревом. Тепловое действие тока используют при создании ТЭНов, предохранителей, других устройств. Примеры расчетов и другие полезные сведения из этой публикации помогут решать различные практические задачи.

Простой эксперимент демонстрирует, как происходит повышение температуры проводника

Формула расчета и ее элементы

Суть явления понятна из упомянутого выше общего определения. Движущиеся электроны взаимодействуют с ионами вещества проводника с преобразованием механической энергии в теплоту. Увеличение силы тока повышает интенсивность процесса.

Наглядный пример – электролиз. При опускании в раствор подключенных к батарее пластин положительно заряженные ионы и электроны движутся в противоположных направлениях. Достаточно высокий ток провоцирует перемещение примесей с последующим осаждением на поверхности электродов. Одновременно происходит нагрев жидкости.

При подключении к источнику медного проводника химические реакции отсутствуют. Если исключить механические воздействия (электромагнитная индукция, движение ионов в растворе), вся работа тока в соответствующей цепи будет направлена только на увеличение внутренней энергии вещества.

Действие электрического тока при подключении к жидкому и металлическому проводнику

Следовательно, во втором примере работу (A) можно принять равной увеличению энергетического потенциала, который выражается соответствующим количеством теплоты (Q). Основная формула:

A = Q = U * I *t,

где:

  • U – напряжение;
  • I – ток;
  • t – время.

Для удобства расчетов можно использовать иные эквиваленты на основе формул закона Ома:

  • U = I * R;
  • R – электрическое сопротивление проводника;
  • значит, Q = I2 * R * t.

Закон теплового действия тока закон Джоуля-Ленца

Действие электрического тока на человека

Рассмотренный выше эффект нагрева был зарегистрирован в начале 19 века. Однако точную зависимость теплоты и силы тока вместе с формулами для вычислений установили позднее в 1841 и 1842 г. ученые Д. Джоуль и Э. Ленц. По их фамилиям получил название соответствующий закон.

Практическое значение

Понятно, что количество выделяемого тепла зависит от плотности тока и проводимости определенного вещества. Наглядно соответствующие влияния можно регистрировать в ходе последовательного пропускания тока 2 и 50 А через контрольную медную жилу сечением 2 мм кв. Во втором эксперименте нагрев будет значительно сильнее. Его можно уменьшить, увеличив диаметр проводника.

Снижение потерь энергии

Рассмотренный пример демонстрирует нежелательное явление для линий электропередач. Использование части энергии на обогрев окружающего пространства увеличивает потери воздушных линий. Превышение порогового значения провоцирует разрушение жил, защитных оболочек. Чрезмерное повышение температуры – причина возникновения пожаров.

Подобные явления происходят, если выбрана чрезмерная сила тока, либо недостаточно поперечное сечение проводника. Количество тепла, выделяемого в линии, обратно пропорционально зависит от квадрата напряжения (U) на подключенном потребляющем устройстве. Повышением U можно уменьшить потери. Однако подобное действие увеличивает вероятность короткого замыкания, ухудшает общие параметры безопасности.

Выбор проводов для цепей

Отмеченные выше проблемы теплового разрушения в значительной мере зависят от удельного сопротивления (Rу). Для наглядности можно использовать материалы со значительно различающимися характеристиками.

Эксперимент с различными проводниками

Расчеты количества теплоты (Q, Дж) для образцов длиной 1 м сечением 1 мм кв. при силе тока 5А за 30 секунд:

  • медь – 12,75;
  • сталь – 75;
  • никелин – 315.
ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Электролиз что это такое

Особое внимание следует уделять параметрам силовых кабелей, которые должны сохранять целостность в процессе реальной эксплуатации. Как правило, бытовые линии монтируют в глубине строительных конструкций. Такой способ подразумевает хорошую защищенность от неблагоприятных внешних воздействий. Вместе с тем возрастают затраты на исправление ошибок и устранение последствий аварий.

Чтобы использовать кабельную продукцию правильно, следует руководствоваться тематическими нормативами, которые изложены в ПУЭ. Для упрощения выбора предлагаются специализированные таблицы, в которых приведены результаты расчетов с учетом следующих важных факторов:

  • тип изоляции;
  • длительность и величина перегрузок;
  • особенности прокладки.

Отдельно рассмотрены в ПУЭ поправочные коэффициенты, учитывающие увеличение сопротивления при росте температуры. Данное явление объясняется повышением частоты колебаний атомов, что создает дополнительные препятствия электрическому току.

Пример:

  • проводник нагревается номинальным током 7 А до +50°C при температуре окружающей среды +25°C;
  • подбирают подходящую продукцию с учетом реальных условий;
  • если кабель будет применяться на открытом воздухе, где температура повышается до +45°C, используют коэффициент 0,45 (допустимый ток уменьшается I=7*0,45=3,15 А);
  • при морозе (-5°С) выбирают иной поправочный множитель:

I=7*1.48= 10.36 А.

Ускорить выбор можно с помощью сводных таблиц. В них приведены допустимые токи для медных (алюминиевых) жил с нормированным сечением.

Электронагревательные приборы

С учетом одинаковой величины тока в любой части единой цепи можно создать конструкцию для намеренного нагрева определенной зоны. Здесь устанавливают проводник с высоким удельным сопротивлением либо уменьшают площадь поперечного сечения. Точный расчет поможет исключить повышение температуры до критического уровня, разрушающего изделие.

Подводящие питание проводники выбирают на основе принципов, изложенных в предыдущем разделе. Они не должны перегреваться чрезмерно в установленных планом условиях эксплуатации.

Плавкие предохранители

Термический разрыв цепи используют для защиты оборудования и потребителей, если сила тока превышает номинальное значение. Специализированные устройства (плавкие предохранители) делают из свинца, стали, других металлов и сплавов.

В нормальном рабочем режиме тепло рассеивается, не вызывает повреждений. После достижения пороговых значений существенно увеличиваются сопротивление и температура.

На определенном уровне происходит разрушение элемента с одновременным отключением источника питания.

Плавкие предохранители оценивают комплексным параметром (К) по формуле:

К=t*I2,

где:

  • I – пороговое значение тока;
  • t – это максимальное время разрушения.

Одноразовые недорогие изделия этой категории рассчитаны на сравнительно небольшие токи (0,25-2 А). Типичная конструкция – тонкая проволока в трубке из кварцевого стекла с контактами для установки на монтажную плату. Такие предохранители устанавливают в радиоаппаратуре для защиты отдельных цепей. Визуальной проверкой можно быстро установить целостность предохранителей.

Вставки, рассчитанные на сильные токи, помещают в песок или другую специальную среду. Такое решение предотвращает образование плазмы, обеспечивает быстрый разрыв цепи. В некоторых модификациях корпус предохранителя создают из специальных материалов, генерирующих газ при сильном нагреве. Он ускоряет гашение дуги. Также применяют механизмы, увеличивающие расстояние между клеммами контактов при возникновении аварийных ситуаций.

К сведению. Для сильноточных цепей выпускают предохранители со сменными вставками.

Применение теплового действия электротока

Тепловое действие электрического тока используется в нагревательных элементах:

  • отопительных приборов;
  • бойлеров;
  • утюгов;
  • стиральных и посудомоечных машин;
  • чайников, кофеварок.

С помощью специального кабеля предотвращают промерзание труб и образование наледей на порогах. Тепловыми «пушками» быстро поднимают температуру в крупных помещениях, ускоряют выполнение штукатурных работ.

Следует отметить перспективность применения электрических конвекторов, по сравнению с классическими радиаторами отопления:

  • простота;
  • компактность;
  • малый вес;
  • долговечность;
  • хорошая совместимость с новейшими системами управления и контроля категории «умный дом».

Отдельно следует отметить высокий уровень безопасности. Защиту сильноточных цепей можно обеспечить дешевыми плавкими предохранителями. Это гораздо дешевле и надежнее, по сравнению с комплексом мероприятий по предотвращению образования газовой смеси.

В типовых предохранителях, кроме цифровых обозначений, номинальную силу тока указывают цветными метками

Не всегда тепловое действие выполняет полезные функции. Устаревшие лампы накаливания, например, значительную часть энергии тратят на бесполезный обогрев окружающего пространства. Значительно эффективнее работают экономичные газоразрядные и светодиодные приборы.

Сопротивление тока: формула

Источник: https://amperof.ru/teoriya/teplovoe-dejstvie-toka.html

§55

что такое тепловое действие тока

Проводники от диэлектриков отличает то, что в них могут направленно двигаться заряженные частицы.

В металлах такими частицами являются электроны, в проводящих жидкостях (электролитах) — ионы, в плазме — ионы и электроны.

При отсутствии электрического поля все частицы движутся хаотически. Средняя кинетическая энергия всех частиц одинакова.

При возникновении электрического поля внутри проводника заряженные частицы начинают двигаться вдоль силовых линий.

Сохраняя хаотическое тепловое движение. На рисунке указаны скорости теплового движения частиц.

Положительно заряженные частицы движутся в направлении напряженности поля, отрицательно — навстречу ему, возникает электрический ток. Частицы, перемещаясь, приобретают дополнительную энергию, которая за счет хаотических соударений передается и незаряженным частицам. В результате происходит увеличение кинетической энергии всех частиц, т.е. увеличивается температура и внутренняя энергия тела.

Следовательно,  электрический ток в веществе вызывает его нагрев. Это явление называется тепловым действием электрического тока.

Чем больший заряд проходит через проводник, тем сильнее проводник разогревается, и тем больше увеличивается его энергия.

Тепловое действие электрического тока используется в электронагревательных приборах.

1.     В быту используется много различных электронагревательных приборов.

К ним относятся: электрический камин, который дает дополнительное тепло в том месте комнаты, где оно вам необходимо; электрические чайники, кофейники служат для нагревания воды; на электроплитках быстро готовится пища; мокрые волосы можно быстро высушить потоком сухого горячего воздуха, создаваемого электрическим феном; выстиранное белье хозяйки гладят электрическим утюгом. Это перечисление можно продолжить. Остановимся подробно на отдельных приборах.

В современных квартирах на кухнях устанавливаются электрические плиты. Они заменили плиты, работающие на твердом топливе, и газовые плиты, так как являются экологически более чистыми: нет продуктов сгорания твердого топлива /золы, шлака, дыма/, не происходит загрязнения окружающей среды.

Электрические плиты имеют также технические преимущества: они снабжены системой автоматического регулирования температуры, которая позволяет при достижении нужной температуры автоматически отключать от электрической сети весь прибор или его часть /электронагревательный элемент духовки или конфорки/.

  При остывании электронагревательного прибора он вновь автоматически включается в сеть.

Конструкция домашних электрических плит очень разнообразна.

На рисунке 186 показана одна из них. На  верхней поверхности плиты две плитки (конфорки).

Нагревательный элемент плитки, изготовленный из нихромовой (нихром – это сплав двух металлов никеля и хрома) проволоки, запрессован в жароупорном керамическом основании, имеющим форму кольца.

(Выбор нихрома определяется тем, что он обладает высокой температурой плавления и не окисляется при высоких температурах. Кроме того свойства нихрома таковы, что при небольшой силе тока в нем выделяется большое количество теплоты).

На передней стенке плиты  помещены специальные переключатели для регулирования степени нагрева плиток и духовки.

2. Тепловое действие тока используется не только в быту, но и в технике.

Примером может служить контактная электросварка. Этот вид электросварки основан на использовании теплоты, выделяющейся в месте соприкосновения (контакта) двух кусков металла, в месте их контакта при прохождении через  них электрического тока.

Свариваемые детали закрепляют между зажимами, приводят в соприкосновение и пропускают через них электрический ток.

В месте контакта  выделяется наибольшее количество теплоты, в результате чего металл сильно нагревается. Когда он благодаря нагреву ,становится пластичным, ток автоматически выключается, и машина сжимает размягченные части деталей настолько сильно, что они прочно соединяются.

Контактная электросварка выполняется автоматически машинами — автоматами.

3. В сельском хозяйстве   тепловоедействие тока  также нашло применение, например, для сушки стогов намоченного дождем сена.

Струи нагретого воздуха от вентилятора и нагревателя поводятся по трубе снизу в самую середину стога и быстро просушивает его. На животноводческих фермах используются специальные аппараты, в которых электрические нагреватели поддерживают температуру, наилучшую для только что родившихся животных.

В инкубаторах из яиц выводятся сотни и тысячи цыплят. В этих «электрических наседках» с большой точностью поддерживается определенная температура /около 38°С/, наиболее благоприятная для развития зародышей в яйцах. А специальный механизм  переворачивает яйца, чтобы они равномерно прогревались со всех сторон.

Электрический ток в веществе вызывает его нагрев. Это явление называется тепловым действием электрического тока.

Чем больший заряд проходит через проводник, тем сильнее проводник разогревается, и тем больше увеличивается его энергия.

Упражнение §55.

Какая основная часть присутствует у всех электронагревательных приборов? Какое действие тока в них используется?

Почему электрическую лампу накаливания можно использовать как электронагревательный прибор? Как устроена лампа накаливания? Какая часть лампы накаливания является основной?

 

Какие электронагревательные приборы вы используете?

Почему для нагревательных элементов электроплит используется нихромовая проволока?

Нагревательный элемент электроплит может быть включен на несколько степеней нагревания. Как этого достигают?

Источник: http://nnpanaioty.narod.ru/phis8/55.htm

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

Двигаясь в любом проводнике, электрический ток передает ему какую-то энергию, из-за чего проводник нагревается. Энергетическая передача осуществляется на уровне молекул: в результате взаимодействия электронов тока с ионами или атомами проводника часть энергии остается у последнего.

Тепловое действие тока приводит к более быстрому движению частиц проводника. Тогда его внутренняя энергия возрастает и трансформируется в тепловую.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Эпу что это такое в электрике

Формула расчета и ее элементы

Тепловое действие тока может быть подтверждено разными опытами, где работа тока переходит во внутреннюю проводниковую энергию. При этом последняя возрастает. Затем проводник отдает ее окружающим телам, то есть осуществляется теплопередача с нагреванием проводника.

Формула для расчета в этом случае следующая: A=U*I*t.

Количество теплоты можно обозначить через Q. Тогда Q=A или Q=U*I*t. Зная, что U=IR, получается Q=I*R*t, что и было сформулировано в законе Джоуля-Ленца.

Закон теплового действия тока — закон Джоуля-Ленца

Проводник, где протекает электрический ток, изучали многие ученые. Однако, самых заметных результатов удалось добиться Джеймсу Джоулю из Англии и Эмилию Христиановичу Ленцу из России. Оба ученых работали отдельно и выводы по результатам экспериментов делали независимо один от другого.

Они вывели закон, позволяющий оценить тепло, получаемое в результате действия тока на проводник. Его назвали законом Джоуля-Ленца.

Рассмотрим на практике тепловое действие тока. Примеры возьмем следующие:

  1. Обычную лампочку.
  2. Нагревательные приборы.
  3. Предохранитель в квартире.
  4. Электрическую дугу.

Лампочка накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и увеличению возможностей для использования электричества. То, как применяются результаты исследований, можно рассмотреть на примере обычной лампочки накаливания.

Она устроена таким образом, что внутри протягивается нить, изготовленная из вольфрамовой проволоки. Этот металл является тугоплавким с высоким удельным сопротивлением. При проходе через лампочку осуществляется тепловое действие электрического тока.

Энергия проводника трансформируется в тепловую, спираль нагревается и начинает светиться. Недостаток лампочки заключается в больших энергетических потерях, так как лишь за счет незначительной части энергии она начинает светиться. Основная же часть просто нагревается.

Чтобы лучше это понять, вводится коэффициент полезного действия, который демонстрирует эффективность работы и преобразования в электроэнергию. КПД и тепловое действие тока используются в разных областях, так как имеется множество устройств, изготовленных на основании этого принципа. В большей степени это нагревательные приборы, электрические плиты, кипятильники и другие подобные аппараты.

Устройство обогревательных приборов

Обычно в конструкции всех приборов для нагревания есть металлическая спираль, в функцию которой и входит нагрев. Если нагревается вода, то спираль устанавливается изолированно, и в таких приборах предусматривается соблюдение баланса между энергией из сети и тепловым обменом.

Перед учеными постоянно ставится задача по снижению энергетических потерь и поиску лучших путей и наиболее эффективных схем их внедрения, чтобы уменьшить тепловое действие тока. Используется, например, способ повышения напряжения во время передачи энергии, благодаря чему сокращается сила тока. Но такой способ, в то же время, понижает безопасность функционирования линий электропередач.

Другим исследовательским направлением является выбор проводов. Ведь именно от их свойств зависят потери тепла и другие показатели. Кроме того, при работе нагревательных приборов происходит большое выделение энергии. Поэтому спирали изготавливаются из специально предназначенных для этих целей, способных выдержать высокие нагрузки, материалов.

Квартирные предохранители

Чтобы улучшить защиту и обезопасить электрические цепи, используются особые предохранители. В роли главной части выступает проволока из легкоплавкого металла. Она проходит в пробке из фарфора, имеет винтовую нарезку и контакт в центре. Пробку вставляют в патрон, расположенный в фарфоровой коробке.

Свинцовая проволока является частью общей цепи. Если тепловое действие электрического тока резко возрастет, сечение проводника не выдержит, и он начнет плавиться. В результате этого сеть разомкнется, и не случится токовых перегрузок.

Электрическая дуга

Электрическая дуга является довольно эффективным преобразователем электрической энергии. Она используется при сварке металлических конструкций, а также служит мощным световым источником.

В основу устройства входит следующее. Берут два угольных стержня, подсоединяют провода и прикрепляют их в изолирующих держателях. После этого стержни подключают к источнику тока, который дает малое напряжение, но рассчитан на большую силу тока. Подключают реостат.

Угли в городскую сеть включать запрещается, так как это может стать причиной пожара. Если коснуться одним углем о другой, то можно заметить, как сильно они раскалятся. Лучше не смотреть на это пламя, потому что оно вредно для зрения.

Электрическую дугу используют в печах для плавки металла, а также в таких мощных осветительных приборах, как прожекторы, кинопроекторы и прочее.

Источник: https://autogear.ru/article/244/122/teplovoe-deystvie-toka-zakon-djoulya-lentsa-primeryi/

Тепловое действие электрического тока

Всем известно, что под воздействием электричества происходит нагревание проводника. Это явление основано на передвижении в металлах свободных электродов. Во время перемещения, происходит их взаимодействие с атомами или ионами, в результате происходит передача энергии.

Это приводит к увеличению скорости колебаний частиц, что увеличивает внутреннею энергию в проводнике. Таким образом, происходит тепловое действие электрического тока, приводящее к последующей отдаче тепловой энергии окружающей среде.

На количество выделяемой теплоты влияют такие факторы, как сила тока, время его действия и сопротивление проводника.

Принцип работы нагревательных приборов

Чтобы правильно оценить эффективность того или иного устройства, применяют коэффициент полезного действия. Данная величина представляет собой отношение полезной энергии ко всему количеству затраченной или потребленной энергии.

Все электрические нагревательные приборы работают на основе теплового действия тока. Их основным элементом, осуществляющим нагрев, служит спираль, материал которой имеет значительное удельное сопротивление. Для ее размещения применяются изоляторы из керамики с высокой теплопроводностью.

В приборах, предназначенных для нагревания жидкостей, для размещения изолированной спирали используются специальные трубки, материалом которых служит нержавеющая сталь.

В процессе работы прибора, его спираль имеет постоянную температуру, за счет баланса, который очень быстро устанавливается между электроэнергией и теплотой, поступающей в окружающую среду.

Эффективность электрической дуги

Наиболее эффективное преобразование электрической энергии в тепловую, происходит при помощи электрической дуги. В данном случае, тепловое действие электрического тока, чаще всего, используется при сварке или в источниках света с большой мощностью.

Для того, чтобы получить электрическую дугу, угольные стержни закрепляются в заизолированных держателях, а, затем, подключаются к току с небольшим напряжением и высокой силой тока. В общую цепь, последовательно со стержнями, включается реостат.

При соприкосновении между собой угли сильно раскаляются, а в момент их раздвигания, появляется яркая, слепящая электрическая дуга. Полученная температура дуги позволяет плавить, практически любые металлы.

Поэтому, данное явление нашло широкое применение на практике в металлургической промышленности и сварке различных материалов.

Задачи на тепловое действие тока

Источник: https://electric-220.ru/news/teplovoe_dejstvie_ehlektricheskogo_toka/2014-08-03-667

Примеры действия электрического тока

Конспект по физике для 8 класса «Примеры действия электрического тока». Какие примеры иллюстрируют различные действия электрического тока.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

Как известно, увидеть движущиеся заряды (электроны, ионы) мы не можем, так как они очень малы. Но как тогда можно обнаружить электрический ток?

ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

При протекании электрического тока могут происходить различные явления, которые называются действиями электрического тока.

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Электрический ток, протекая по проводам, вызывает их нагревание.

Присоединим к полюсам источника тока железную или никелевую проволоку. Замкнув ключ, можно наблюдать, как проволока провиснет, т. е. она нагреется и удлинится. Таким образом её можно даже раскалить докрасна.

Именно на тепловом действии тока основана работа различных бытовых нагревательных приборов, таких, как электрический чайник, электрические плитки, утюги и др. Нить лампочки раскаляется и начинает светиться.

ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Как показывает опыт, на электродах, опущенных в раствор электролитов, происходит выделение чистого вещества. Этот процесс называется электролизом. Например, пропуская ток через раствор медного купороса, можно выделить чистую медь.

Электрический ток в металлах не вызывает никаких химических изменений. Химическое действие тока происходит только в растворах и расплавах электролитов.

МАГНИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

На большой железный гвоздь намотаем тонкий изолированный провод. Концы провода через ключ соединим с источником тока.

Если замкнуть ключ, то гвоздь намагнитится и будет притягивать к себе гвоздики, железные стружки, опилки. С прекращением тока в проводнике магнитные свойства гвоздя исчезнут.

Явление взаимодействия катушки с током и магнита лежит в основе работы прибора, называемого гальванометром. С помощью гальванометра можно судить о наличии тока и его направлении. Стрелка прибора связана с подвижной катушкой. Когда в катушке появляется электрический ток, стрелка отклоняется.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Металлическую рамку соединим с источником тока. При пропускании электрического тока через рамку она остаётся висеть неподвижно. Но если эту рамку поместить между полюсами подковообразного магнита, то она начнёт поворачиваться.

В этом опыте мы наблюдали механическое действие электрического тока, которое заключается в том, что электрический ток при протекании по рамке, помещённой между полюсами магнита, вызывает её вращение.

ДЕЙСТВИЕ ТОКА НА ЧЕЛОВЕКА

Тело человека является проводником электрического тока, который, проходя через организм человека, может производить тепловое, химическое, механическое, биологическое и другое воздействие.

При тепловом действии происходит перегрев и функциональное расстройство органов на пути прохождения тока, возникают ожоги.

Химическое действие тока выражается в электролизе жидкости в тканях организма, в том числе крови, и нарушении её физико-химического состава.

Механическое действие связано с сильным сокращением мышц, вплоть до их разрыва.

Биологическое действие тока выражается в раздражении и перевозбуждении нервной системы.

Действия электрического тока на организм человека используют в медицине.

Дефибрилляторы используют для восстановления ритма сердечной деятельности путём воздействия на организм кратковременных высоковольтных электрических разрядов. При радикулите, невралгии и некоторых других заболеваниях применяют гальванизацию: через тело человека пропускают слабый электрический ток, который оказывает болеутоляющее действие и улучшает кровообращение.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Что такое делитель напряжения

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Примеры действия электрического тока».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Источник: http://xn--8-8sb3ae5aa.xn--p1ai/primery-dejstvija-jelektricheskogo-toka/

Закон Джоуля-Ленца и его применение — УчительPRO

Раздел ОГЭ по физике: 3.9.Закон Джоуля-Ленца
Раздел ЕГЭ по физике: 3.2.8. Работа электрического тока. Закон Джоуля–Ленца

Рассмотрим Закон Джоуля-Ленца и его применение.

При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию.

Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: Q = А или Q = IUt.

 Учитывая, что U = IR, в результате получаем формулу:

Q = I2Rt , где

Q — количество выделяемой теплоты (в Джоулях)
I — сила тока (в Амперах)
R — сопротивление проводника (в Омах)
t — время прохождения (в секундах)

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

В XIX в. независимо друг от друга англичанин Д. Джоуль и россиянин Э.

Ленц изучали нагревание проводников при прохождении электрического тока и опытным путём обнаружили закономерность: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени: Q = I2Rt  (в случае постоянных силы тока и сопротивления). Эту закономерность называют законом Джоуля-Ленца. Данный закон дает количественную оценку теплового действия электрического тока.

Применяя закон Ома, можно получить эквивалентные формулы: Q = IUt,  Q= U2t/R

Где применяется закон Джоуля-Ленца ?

1. Например, в лампах накаливания и в электронагревательных приборах применяется закон Джоуля-Ленца. В них используют нагревательный элемент, который является проводником с высоким сопротивлением. За счет этого элемента можно добиться локализованного выделения тепла на определенном участке. Выделение тепла будет появляться при повышении сопротивления, увеличении длины проводника, выбором определенного сплава.

2. Одной из областей применения закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии. Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии.

При передаче электроэнергии, передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а сила нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если повышать напряжение, при этом понижая силу тока перед подачей электроэнергии, то это будет более выгодно.

Но повышение напряжения ведет к снижению электробезопасности. Для повышения уровня электробезопасности повышают сопротивление нагрузки соответственно повышению напряжения в сети.

3. Также закон Джоуля-Ленца влияет на выбор проводов для цепей. Потому что при неправильном подборе проводов возможен сильный нагрев проводника, а также его возгорание. Это происходит когда сила тока превышает предельно допустимые значения и выделяется слишком много энергии.

Нагревание проводов является вредным, поскольку приводит к потерям электроэнергии при передаче ее от источника к потребителю. Для уменьшения этих потерь силу тока уменьшают, повышая напряжение источника с тем, чтобы передаваемая мощность осталась прежней.

Чтобы избежать электрического пробоя изоляции проводов, их поднимают на большую высоту на мачтах высоковольтных линий электропередач, связывающих крупные электростанции с городами и поселками, отстоящими от них на десятки и сотни километров.

Вы смотрели конспект урока физики в 8 классе «Закон Джоуля-Ленца и его применение».
Выберите дальнейшие действия:

Источник: https://uchitel.pro/%D0%B7%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD-%D0%B4%D0%B6%D0%BE%D1%83%D0%BB%D1%8F-%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B0/

Закон Джоуля-Ленца

Тепловое действие электрического тока – это не что иное, как переход электроэнергии в теплоту. Такой процесс отражается в законе Джоуля-Ленца, какой определяет количественную меру выделенной теплоэнергии.

Согласно этому закону, количественная мера тепла, какое излучается при прохождении электротока, пропорционально квадрату силы этого электротока, сопротивлению проводникового элемента и времени, за которое он протекает через проводник.

Формула, отражающая тепловое действие электротока (закон Джоуля-Ленца):

Q=I2Rt, где:

  • Q – количество теплоты;
  • I – сила электротока;
  • R – электросопротивление проводникового элемента;
  • t – время прохождения электротока.

Из формулы видно, что чем больше или сила электротока, или сопротивление проводника, тем больше теплоты будет выделяться. По этой причине нагревательные элементы в оборудовании и приборах изготавливаются из металлов, имеющих высокое электросопротивление.

Измеряется количество теплоты, выделенное электротоком, в джоулях – сокращенно «Дж».

Демонстрация закона Джоуля-Ленца

Количество тепла, что выделяется при прохождении электротока силой в 1 А через проводниковое сопротивление в 1 Ом за 1 секунду, называется термическим эквивалентом и равно 0,24 малой калории.

Для справки. Малая калория – это количество тепла, которое потребуется 1 г воды, чтобы поднять свою температуру на 1 оС.

Степень проявления теплового действия электротока в проводнике можно наблюдать на специальном приборе, где на зависящее от силы тока расстояние посредством воздуха, нагреваемого проволокой, перемещается ртуть.

Применение теплового действия электротока

Действие электрического тока на человека

Нагревание проводниковой спирали под воздействием электротока, что приводит к свечению ламп накаливания

Применения тепловых свойств электротока очень разнообразны. Наиболее употребительные из них нижеследующие: 

  1. Электрическое освещение, представленное:
  • лампами накаливания, в которых металлическая нить, помещенная в стеклянный баллон с выкаченным из него воздухом, накаливается током до состояния свечения (вместо воздуха лампа может быть наполнена инертным газом, например, азотом);
  • дуговыми фонарями, в которых электрический ток, проходящий через сомкнутые угли (угольные стержни), в момент небольшого их разведения образует искру, и между углями устанавливается вольтова дуга, приводящая в состояние сильного свечения концы углей.
  1. Электронагревательные приборы в виде сосудов и плит для изготовления пищи, утюгов или отопительных приборов, где теплота выделяется в проволоках или тонко раскатанном на слюдяных пластинках металле большого сопротивления;
  2. Сварка или паяние могут осуществляться посредством электрической дуги, какая образуется между подлежащей обработки частью и железным либо угольным стержнем. Возможно формирование вольтовой дуги и между двумя угольными электродами и дальнейшее направление дуги к месту спая путем оттягивания ее с помощью электромагнита;
  3. Применение тепловых свойств электротока в специальных печах для получения определенных веществ, например:
  • получение алюминия производится также с помощью теплового действия свойств электротока, для чего глинозем, содержащий алюминий, закладывается в угольную электропечь, в которой мощная вольтова дуга, образующаяся между ней и углем, расплавляет глинозем, после чего получившаяся жидкая масса подвергается электролизу, причем чистый алюминий выделяется на отрицательном полюсе;
  • получение стали может также осуществляться посредством электропечей с вольтовой дугой, в каких конечный продукт (сталь) получается путем выплавки из чугуна и сборных отбросов из металла теплом, выделяющимся между двумя угольными электродами либо между одним электродом из угля и вторым в виде самой расплавленной массы;
  • фабрикация карбидов производится также с помощью электрических печей;
  • добыча азота из воздуха производится также в электропечах, в которых вольтова дуга переменного тока высокого напряжения оттягивается магнитом к диску либо направляется в высокую трубку, а воздух, прогоняемый через эту дугу, благодаря высокой температуре, образует окись азота, которая перерабатывается в азотную кислоту, а затем в калийную селитру.
  1. Получение озона из воздуха производится путем электрических разрядов источника высокого напряжения, благодаря которым происходят окислительные процессы в воздухе, находящимся между электродами, и выделение озона. Озон широко применяется для отделки тканей, для освежения испорченного воздуха (озонирование) и главным образом для обезвреживания питьевой воды.

Внешний вид электрической печи для производства стали

Тепловое действие тока имеет высокое значение для человека, так как представлено во многих аспектах его жизнедеятельности, в том числе в производственных цепочках многих перерабатывающих, добывающих предприятий.

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/teplovoe-dejjstvie-toka.html

Тепловое действие электрического тока – закон Джоуля-Ленца — Помощник для школьников Спринт-Олимпиады

Одним из явлений, происходящих при прохождении электрического тока по проводнику, является выделение энергии в виде тепла. Рассмотрим тепловое действие электрического тока более подробно.

Тепловое действие электрического тока

Еще в девятнадцатом веке опыты по изучению проводимости свидетельствовали, что ток, проходящий по нагрузке, нагревает ее. Исследования показали, что нагревается не только нагрузка, но и проводники.

Рис. 1. Тепловое действие электрического тока.

Данный факт легко объясним, если вспомнить, что электрический ток – это перемещение зарядов в веществе нагрузки. При движении заряды взаимодействуют с ионами кристаллической решетки, и отдают им часть энергии, которая и переходит в тепло.

Использование теплового действия электричества

Тепловое действие электрического тока находит широкое применение, в первую очередь, в нагревательных приборах.

Еще одним важным направлением использования теплового действия являются плавкие предохранители. Если необходимо отключить электрическую цепь при превышение допустимого тока, то в цепь можно включить плавкий предохранитель.

Рис. 3. Устройство плавкого предохранителя.

Это небольшая колба из негорючего материала, внутри которой проходит плавкая проволочка или лента, сопротивление которой рассчитано так, чтобы при превышении предельного тока она расплавилась, тем самым разорвав электрическую цепь.

Что мы узнали?

Вся работа тока в неподвижной нагрузке превращается в тепло. Тепловое действие электрического тока по закону Джоуля Ленца пропорционально квадрату тока, сопротивлению и времени. Данное явление широко применяется в плавких предохранителях и нагревательных приборах.

ПредыдущаяСледующая

Источник: https://Sprint-Olympic.ru/uroki/fizika/122424-teplovoe-deistvie-elektricheskogo-toka-zakon-djoylia-lenca.html

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
ЭлектроМастер
Как нарисовать электрическую цепь

Закрыть