Закон Джоуля-Ленца (8 класс)
Как мы знаем, электрический ток может производить разное действие: химическое, магнитное, тепловое и так далее. В сегодняшнем занятии мы рассмотрим тепловое действие тока и описывающие его законы.
Начнем с того, почему вообще наблюдается тепловое действие тока. Рассмотрим для примера металлический проводник, через который бежит электрический ток. Свободные электроны (которые, собственно, и обеспечивают протекание тока) разгоняются электрическим полем. Далее при своем движении они взаимодействуют с ионами вещества и передают им свою энергию. В результате увеличивается интенсивность колебаний ионов, что и выражается в нагреве проводника.
Сформулируем еще раз основную мысль, как происходит передача энергии. Вначале источник тока (например, батарейка) создает в проводнике электрическое поле. Через поле он передает свою энергию свободным электронам. Те, в свою очередь, сталкиваются с ионами и передают свою энергию им. Таким образом, источник тока вызывает нагрев проводника.
Переведем наше качественное объяснение на язык формул. Как мы знаем, работа тока на участке цепи выражается как U*I*t . В неподвижном проводнике вся эта работа переходит в тепловую энергию. Значит, мы можем написать, что Q = A = U*I*t. Наконец, использовав закон Ома и заменив через него напряжение, получим окончательную формулу.
Итак, Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка.
Q = I^2 * R * t
Этот закон установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем. По этой причине его называют законом Джоуля-Ленца.
Отметим также, что, в зависимости от поставленной задачи, закон Джоуля-Ленца можно выражать и через напряжение:
Q = U^2 * t / R
Если же нас интересует мощность нагревательного элемента (то есть количество тепла, выделяемого в единицу времени), то ее можно рассчитать по формуле
P = I^2 * R либо U^2 / R
От теории перейдем к практике. Тепловое действие тока широко применяется в различных приборах и установках. Самые очевидные примеры из этой области: электрическая плитка, утюг, кипятильник. В каждом из этих устройств расположен нагревательный элемент из материала с большим удельным сопротивлением. Также отметим, что материал должен выдерживать значительную температуру, не разрушаясь.
Попробуйте теперь самостоятельно определить, в каких еще бытовых приборах используется тепловое действие тока.
Сейчас мы уже знаем достаточно, чтобы выполнять конкретные практические расчеты. Например, вычислим, какой длины нужно взять нихромовую проволоку, чтобы изготовить электрическую плитку мощностью 1.5 кВт. Для удобства будем считать, что площадь сечения такой проволоки 0.2 кв. мм.
Сначала запишем все величины, которые нам даны.
Напряжение бытовой сети, к которой подключается электроплитка — 220 В. Ее мощность, как было сказано — 1500 Вт. Удельное сопротивление проволоки возьмем из таблицы, площадь поперечного сечения также дана.
В данном упражнении мы скомбинируем две формулы. Первая из сегодняшнего урока — выражает мощность нагревательного элемента. Вторая изучалась нами ранее — она определяет сопротивление проводника через его параметры. Из них можно выразить интересующую нас длину проволоки.
Как мы видим, расчетная длина проволоки получилась довольно значительной — порядка 6 метров. Чтобы уместить такую длину в достаточно малом объеме электроприбора, проволоку обычно сворачивают в спираль и укладывают «змейкой».
Еще один нагревательный элемент, который всем нам знаком — это обычная лампа накаливания. Ее идея состоит в том, чтобы разогреть металл настолько сильно, чтобы он испускал видимый свет. В выпускаемых лампах температура нити составляет примерно 2.5 тысячи градусов цельсия. Большинство металлов при такой температуре уже плавятся, поэтому для изготовления нити накаливания берут вольфрам. Его температура плавления примерно 3400 градусов цельсия.
Нить лампы, если увеличить ее, представляет уже знакомую нам спираль.
А если увеличить еще — то не просто спираль, а спираль, закрученную в спираль (так называемую биспираль). Это нужно для того, чтобы через многократное увеличение длины достичь требуемого сопротивления нити.
У классической лампы накаливания есть две проблемы.
1. Чтобы нить не окислялась, из колбы откачивают воздух. Однако это приводит к тому, что в вакууме вольфрам интенсивно испаряется, и лампа быстро перегорает. Чтобы избежать этого, современные лампы заполняются инертными газами, например, азотом или аргоном. В результате средний срок службы лампы составляет около 1000 часов.
2. Более серьезным недостатком ламп накаливания является то, что в видимый свет они преобразуют лишь 5% используемой энергии (остальные 95% - не видимое нами инфракрасное излучение). Человечество давно пыталось найти замену столь неэффективным источникам освещения. В частности, были изобретены люминесцентные лампы, которые позже стали выпускаться в компактном виде (для применения в быту).
Теперь же и те, и другие вытесняются светодиодными лампами. Последние имеют значительно бОльший срок службы (10 и более тысяч часов), и намного меньшее потребление энергии. При замене обычных ламп на светодиодные ориентируются на следующее (примерное) правило: «для такой же освещенности требуется светодиодная лампа мощностью в 7 раз меньшей». То есть, например, для замены 100-ваттной лампы требуется всего лишь 14-ваттная светодиодная лампа.
Начнем с того, почему вообще наблюдается тепловое действие тока. Рассмотрим для примера металлический проводник, через который бежит электрический ток. Свободные электроны (которые, собственно, и обеспечивают протекание тока) разгоняются электрическим полем. Далее при своем движении они взаимодействуют с ионами вещества и передают им свою энергию. В результате увеличивается интенсивность колебаний ионов, что и выражается в нагреве проводника.
Сформулируем еще раз основную мысль, как происходит передача энергии. Вначале источник тока (например, батарейка) создает в проводнике электрическое поле. Через поле он передает свою энергию свободным электронам. Те, в свою очередь, сталкиваются с ионами и передают свою энергию им. Таким образом, источник тока вызывает нагрев проводника.
Переведем наше качественное объяснение на язык формул. Как мы знаем, работа тока на участке цепи выражается как U*I*t . В неподвижном проводнике вся эта работа переходит в тепловую энергию. Значит, мы можем написать, что Q = A = U*I*t. Наконец, использовав закон Ома и заменив через него напряжение, получим окончательную формулу.
Итак, Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка.
Q = I^2 * R * t
Этот закон установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем. По этой причине его называют законом Джоуля-Ленца.
Отметим также, что, в зависимости от поставленной задачи, закон Джоуля-Ленца можно выражать и через напряжение:
Q = U^2 * t / R
Если же нас интересует мощность нагревательного элемента (то есть количество тепла, выделяемого в единицу времени), то ее можно рассчитать по формуле
P = I^2 * R либо U^2 / R
От теории перейдем к практике. Тепловое действие тока широко применяется в различных приборах и установках. Самые очевидные примеры из этой области: электрическая плитка, утюг, кипятильник. В каждом из этих устройств расположен нагревательный элемент из материала с большим удельным сопротивлением. Также отметим, что материал должен выдерживать значительную температуру, не разрушаясь.
Попробуйте теперь самостоятельно определить, в каких еще бытовых приборах используется тепловое действие тока.
- Кофеварка
- миксер
- мясорубка
- тостер
- мультиварка
Сейчас мы уже знаем достаточно, чтобы выполнять конкретные практические расчеты. Например, вычислим, какой длины нужно взять нихромовую проволоку, чтобы изготовить электрическую плитку мощностью 1.5 кВт. Для удобства будем считать, что площадь сечения такой проволоки 0.2 кв. мм.
Сначала запишем все величины, которые нам даны.
Напряжение бытовой сети, к которой подключается электроплитка — 220 В. Ее мощность, как было сказано — 1500 Вт. Удельное сопротивление проволоки возьмем из таблицы, площадь поперечного сечения также дана.
В данном упражнении мы скомбинируем две формулы. Первая из сегодняшнего урока — выражает мощность нагревательного элемента. Вторая изучалась нами ранее — она определяет сопротивление проводника через его параметры. Из них можно выразить интересующую нас длину проволоки.
Как мы видим, расчетная длина проволоки получилась довольно значительной — порядка 6 метров. Чтобы уместить такую длину в достаточно малом объеме электроприбора, проволоку обычно сворачивают в спираль и укладывают «змейкой».
Еще один нагревательный элемент, который всем нам знаком — это обычная лампа накаливания. Ее идея состоит в том, чтобы разогреть металл настолько сильно, чтобы он испускал видимый свет. В выпускаемых лампах температура нити составляет примерно 2.5 тысячи градусов цельсия. Большинство металлов при такой температуре уже плавятся, поэтому для изготовления нити накаливания берут вольфрам. Его температура плавления примерно 3400 градусов цельсия.
Нить лампы, если увеличить ее, представляет уже знакомую нам спираль.
А если увеличить еще — то не просто спираль, а спираль, закрученную в спираль (так называемую биспираль). Это нужно для того, чтобы через многократное увеличение длины достичь требуемого сопротивления нити.
У классической лампы накаливания есть две проблемы.
1. Чтобы нить не окислялась, из колбы откачивают воздух. Однако это приводит к тому, что в вакууме вольфрам интенсивно испаряется, и лампа быстро перегорает. Чтобы избежать этого, современные лампы заполняются инертными газами, например, азотом или аргоном. В результате средний срок службы лампы составляет около 1000 часов.
2. Более серьезным недостатком ламп накаливания является то, что в видимый свет они преобразуют лишь 5% используемой энергии (остальные 95% - не видимое нами инфракрасное излучение). Человечество давно пыталось найти замену столь неэффективным источникам освещения. В частности, были изобретены люминесцентные лампы, которые позже стали выпускаться в компактном виде (для применения в быту).
Теперь же и те, и другие вытесняются светодиодными лампами. Последние имеют значительно бОльший срок службы (10 и более тысяч часов), и намного меньшее потребление энергии. При замене обычных ламп на светодиодные ориентируются на следующее (примерное) правило: «для такой же освещенности требуется светодиодная лампа мощностью в 7 раз меньшей». То есть, например, для замены 100-ваттной лампы требуется всего лишь 14-ваттная светодиодная лампа.
|
Приглашаем на наш
youtube-канал
youtube-канал