Alma38.ru

Электро Свет
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

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.

тепловое действие тока

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.

тепловое действие тока примеры

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.

закон теплового действия тока

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.

Читайте так же:
Светодиодная лампочка мигает выключатель с подсветкой

тепловое действие электрического тока

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

тепловое действие тока используется

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.

§ 35. Действия электрического тока

Мы не можем видеть движущиеся в металлическом проводнике электроны. О наличии электрического тока в цепи мы можем судить лишь по различным явлениям, которые вызывает электрический ток. Такие явления называют действиями тока. Некоторые из этих действий легко наблюдать на опыте.

Тепловое действие тока можно наблюдать, например, присоединив к полюсам источника тока железную или никелиновую проволоку (рис. 54). Проволока при этом нагревается и, удлинившись, слегка провисает. Её даже можно раскалить докрасна. В электрических лампах, например, тонкая вольфрамовая проволочка нагревается током до яркого свечения.

Тепловое действие тока

Рис. 54. Тепловое действие тока

Химическое действие тока состоит в том, что в некоторых растворах кислот (солей, щелочей) при прохождении через них электрического тока наблюдается выделение веществ. Вещества, содержащиеся в растворе, откладываются на электродах, опущенных в этот раствор. Например, при пропускании тока через раствор медного купороса (CuS04) на отрицательно заряженном электроде выделится чистая медь (Си). Это используют для получения чистых металлов (рис. 55).

Химическое действие тока

Рис. 55. Химическое действие тока

Магнитное действие тока также можно наблюдать на опыте. Для этого медный провод, покрытый изоляционным материалом, нужно намотать на железный гвоздь, а концы провода соединить с источником тока (рис. 56). Когда цепь замкнута, гвоздь становится магнитом (намагничивается) и притягивает небольшие железные предметы: гвоздики, железные стружки, металлические опилки. С исчезновением тока в обмотке (при размыкании цепи) гвоздь размагничивается.

Магнитное действие тока

Рис. 56. Магнитное действие тока

Рассмотрим теперь взаимодействие между проводником с током и магнитом.

На рисунке 57 изображена висящая на нитях небольшая рамочка, на которую навито несколько витков тонкой медной проволоки. Концы обмотки присоединены к полюсам источника тока. Следовательно, в обмотке существует электрический ток, но рамка висит неподвижно.

Рамка с током неподвижна

Рис. 57. Рамка с током неподвижна

Читайте так же:
Распределительная коробка розетка выключатель лампа

Если эту рамку поместить теперь между полюсами магнита, то она станет поворачиваться (рис. 58).

Рамка с током между полюсами магнита поворачивается

Рис. 58. Рамка с током между полюсами магнита поворачивается

Явление взаимодействия катушки с током и магнита используют в устройстве прибора, называемого гальванометром.

На рисунке 59, а показан внешний вид школьного гальванометра, а на рисунке 59, б — его условное изображение на схемах. Стрелка гальванометра связана с подвижной катушкой, находящейся в магнитном поле. Когда в катушке существует ток, стрелка отклоняется. Таким образом, с помощью гальванометра можно судить о наличии тока в цепи.

Гальванометр

Рис. 59. Гальванометр

Следует заметить, что из всех рассмотренных нами действий электрического тока магнитное действие тока наблюдается всегда, какой бы проводник тока ни был — твёрдый, жидкий или газообразный.

«тепловое действие тока в электронагревательных приборах»

Сейчас мы живем в XXI веке — веке инноваций и информационных технологий, развитие техники далеко ушло вперед. Люди до того привыкли к этим «диковинам», что перестали уделять внимание, пропуская мимо глаз, все то, что их окружает. Не многие знают, как работают электрические чайники на их кухне, электрокипятильники, которыми они пользуются. В магазинах представлен большой ассортимент электронагревательных приборов, и я решила сравнить стоимость приборов с их качеством, именно поэтому я исследовала кпд электронагревательных приборов.

Я решила исследовать тепловое действие тока на бытовых электронагревательных приборах. Моя работа содержит знания о тепловом действии тока, его мощности; КПД и его типах, законе Джоуля-Ленца и его практическое применение. Я рассмотрела устройство электронагревательных приборов, провела практическую часть.

В исследовании, которое я провела, мною было рассчитано количество теплоты, потребляемое электронагревательными чайниками различных форм и марок, работа тока, во время процесса нагревания и КПД электронагревательных приборов. Исследование показало, что в ходе всего процесса КПД всех электронагревательных чайников было практически одинаковым, а кпд кипятильника было сравнимо с КПД электрочайников.

Результаты исследований расширяют знания по темам представленным в работе, они помогут учащимся 8 и 10 классов в проведении опытов и исследований, а так же потенциальным покупателям при покупки электронагревательных приборов.

Сравнить КПД электронагревательных приборов и проанализировать полученные данные.

Рассмотреть тепловое действие тока.

Изучить КПД электронагревательных приборов.

Познакомиться с устройством электронагревательных приборов.

Провести практическую часть и проанализировать полученный результат.

Методы работы над проектом:

анализ источников информации, проведение эксперимента, составление таблиц и диаграмм

« Электрический ток — упорядоченное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля».[1]

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 I 2 , сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в Омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока».[1]

Читайте так же:
Провод от лампочки заряда аккумулятора

«При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Эта работа выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени.

Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах».[2]

Коэффициент полезного действия

«Коэффициент полезного действия (кпд) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно h = Wпол/Wcyм.КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:

г де А— полезная работа, Q -затраченная работа

В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии».[2]

«Различают КПД отдельного элемента (ступени) машины или устройства и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе.

КПД первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д.

Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и др. виды КПД. Общий КПД системы равен произведению частных кпд, или кпд ступеней».[2]

Закон Джоуля— Ленца

«Закон Джоуля— Ленца — физический закон , дающий количественную оценку теплового действия электрического тока . Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцом .

В словесной формулировке звучит следующим образом

Мощность тепла , выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

Математически может быть представлен в следующей форме:

где w— мощность выделения тепла в единице объёма, математической форме этот закон имеет вид

Где Q – количество теплоты необходимое для нагревания воды (полезное количество теплоты), А – работа электрического тока (затраченная работа).

где с – удельная теплоемкость воды (берем из таблицы),

ρ – плотность воды,

t 2 , t 1 – конечная и начальная температуры воды при нагревании.

P – потребляемая прибором мощность,

t – время закипания

электрические чайники различных фирм,

термометр для измерения температуры воды.

Определить потребляемую мощность чайника и кипятильника по паспорту прибора.

Наполнить чайник водой известного объема

Измерить температуру воды термометром

Включить чайник и довести воду до кипения. Измерить время закипания.

Рассчитать количество теплоты, которое потребовалось для нагревания воды по формуле (2).

Рассчитать работу электрического тока по формуле (3).

Рассчитать КПД по формуле (1).

Провести измерения для кипятильника и для чайников различных фирм. Результаты занести в таблицу и сделать выводы

В результате выполнения работы я определила КПД кипятильника и чайников.

КПД кипятильника оказался для нас неожиданно большим, и сравним с КПД чайников. Как я и ожидала КПД чайников мало отличаются друг от друга. Самый большой КПД у чайников «Siemens» и «Bork».

В чайнике «Braun» было совсем небольшое количество накипи, его КПД оказался самым маленьким. Я думаю, что именно присутствие накипи значительно снижает КПД.

В январе 2012 года я сформулировала заключение проекта и дополнила приложение своей исследовательской работы. Проанализировав полученные результаты, я составила диаграммы, которые показывают зависимость качества прибора от его цены. (Цифрами на диаграммах представлены чайники в той последовательности, в которой они указаны в таблицы выше).

Читайте так же:
Ударило током от патрона для лампы

И пришла к следующим выводам: КПД электронагревательных приборов мало отличалось друг от друга, но стоимость многих из них превышала показатель качества. Самим высоким показателем качества обладают чайники марок: «Philips», «Siemens», «Bork», низким чайник под маркой «Braun», но показатель его стоимости выше других чайников.

Но все-таки безопаснее и удобнее пользоваться электрочайниками, чем кипятильниками.

Я провела исследования, основанные на принципах КПД. В ходе работы я выяснила, что принцип действия большинства электронагревательных приборов основан на законе Джоуля-Ленца и КПД .

Данная работа может быть использована в качестве дополнительного материала при изучении темы КПД в 8 и 10 классах, а так же потенциальным покупателям поможет при покупки электронагревательных приборов.

В ходе моей исследовательской работы я выяснила КПД электронагревательных приборов, сравнила полученные результаты между собой и сделала выводы. Как я и ожидала КПД чайников, мало отличаются друг от друга. Самый большой КПД у чайников «Siemens» и «Bork». КПД кипятильника оказался для нас неожиданно большим, и сравним с КПД чайников, что говорит о качестве его работы. В чайнике «Braun» было совсем небольшое количество накипи, его КПД оказался самым маленьким. Я думаю, что именно присутствие накипи значительно снижает КПД. Этот вопрос я рассмотрю в следующей работе.

В процессе работы над проектом я достигла всех целей и задач, поставленных мною выше. Работа над проектом оказалась интересной и увлекательной.

Список источников литературы.

5 Буянтуев А.Б. Основы научных исследований. Лабораторный практикум.

3 Джоуля — Ленца закон // Большая советская энциклопедия .

2 Пёрышкин А. В. Физика. 8 класс — Дрофа, 2005. — 191 с. — 50 000 экз.

4 Сивухин Д. В. Общий курс физики — М.: Наука , 1977. — Т. III. Электричество. — С. 186. — 688 с

Электрическая лампочка тепловое действие тока

Действия электрического тока — это те явления, которые вызывает электрический ток.
По этим явлениям можно судить есть или нет электрический ток в цепи.

Тепловое действие тока.

— электрический ток вызывает разогревание металлических проводников вплоть до свечения.

Химическое действие тока.

— при прохождении электрического тока через электролит возможно выделение веществ, содержащихся в растворе, на электродах.
— наблюдается в жидких проводниках.

Магнитное действие тока.

— проводник с током приобретает магнитные свойства.
— наблюдается при наличии электрического тока в любых проводниках (твердых, жидких, газообразных).

А СМОЖЕШЬ ЛИ ТЫ СООБРАЗИТЬ

Открытие физика Араго в 1820 г. заключалось в следующем: когда тонкая медная проволока, соединенная с источником тока, погружалась в железные опилки, то они приставали к ней.
Объясните это явление.
В коробке перемешаны медные винты и железные шурупы.
Каким образом можно быстро рассортировать их, имея аккумулятор, достаточно длинный медный изолированный провод и железный стержень?

ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА.

Физиологическое действие тока на ранней стадии развития науки об электричестве было единственным, о котором было известно ученым, и было основано на собственных ощущениях экспериментаторов.

Одним из первых, кто ощутил на себе действие тока, был голландский физик П.Мушенбрук, живший в 18 веке. Получив удар током он заявил, что "не согласился бы подвергнуться ещё раз такому испытанию даже за королевский трон Франции."

Читайте так же:
Схема подключения лампочки через выключатель без распределительной коробки

Электрический ток вызывает изменения в нервной системе, выражающиеся в ее раздражении или параличе. При воздействии электрического тока возникают судорожные спазмы мышц.
Принято говорить, что электрический ток человека "держит": пострадавший не в состоянии
выпустить из рук предмет — источник электричества.
___

При поражении достаточно сильным электрическим током происходит судорожный спазм диафрагмы — главной дыхательной мышцы в организме — и сердца.
Это вызывает моментальную остановку дыхания и сердечной деятельности. Действие электрического тока на мозг вызывает потерю сознания. Соприкасаясь с телом человека, электрический ток оказывает также тепловое действие, причем в месте контакта возникают ожоги III степени.
___

Постоянный ток менее опасен, чем переменный в электросети, который даже под напряжением 220В может вызвать очень тяжелое поражение организма. Действие электрического тока на человека усиливается при наличии промокшей обуви, мокрых рук, которым свойственна повышенная электропроводность.
___

При поражении молнией на теле пострадавшего возникает древовидный рисунок синюшного цвета. Принято говорить, что молния оставила свое изображение.
В действительности при поражении молнией происходит паралич подкожных сосудов.

Электрошок — электрическое раздражение мозга , с помощью которого лечат некоторые психические заболевания.
Дефибрилляторы — электрические медицинские приборы, используемые при восстановлении нарушений ритма сердечной деятельности посредством воздействия на организм кратковременными высоковольтными электрическими разрядами.
Гальванизация — пропускание через организм слабого постоянного тока, оказывающего болеутоляющий эффект и улучшающий кровообращение.

Работая с электроприборами, будь осторожен!

Любознательным

По ковру ходить опасно!

Иногда вас может «ударить током», если вы просто пройдетесь по ковру или поерзаете на сиденьи автомобиля. Очевидно, при этом каким-то образом накапливается заряд. Можете ли вы более подробно объяснить, что именно происходит? Почему, например, вас «бьет током», когда вы идете по ковру, но ничего не случается, если вы стоите на нем? Почему эти эффекты зависят от времени года?

Оказывается.
Когда два материала (скажем, подошвы туфель и ковер) соприкасаются, электроны из одного из них туннелируют через поверхностный энергетический барьер в другой. Поскольку ни тот, ни другой из этих материалов не является хорошим проводником, электроны могут переходить с одной поверхности на другую лишь в тех точках, где материалы плотно соприкасаются. Таким образом, чем больше поверхность контакта между материалами, тем больше будет переходить электронов. При трении одной поверхности о другую площадь контакта значительно возрастает, благодаря чему достигается переход большого числа электронов. Материал, который теряет электроны, заряжается положительно, материал, который принимает их, заряжается отрицательно. Если воздух влажный, избыточный заряд быстро переходит с материала на взвешенные в воздухе капельки воды. Уменьшению заряда могут способствовать также частицы дыма. Если же такого разряда не происходит, то при обычном контакте двух материалов может возникнуть весьма значительная разность потенциалов.
Если, например, перед тем как выйти из машины, вы поерзаете на сиденье, то потенциал вашего тела может оказаться на 15 кВ выше потенциала земли.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector