Какие явления свидетельствуют о тепловом действии тока изменение свойств
Пишу для школьников (для лучшего понимания ими основ физики). Материал излагаю в соответствии с признанной ныне научной трактовкой физических явлений.
Электрический ток проявляет себя по тепловому, химическому (наблюдается в электролитах) и магнитному (действие тока на магнитную стрелку или другой проводник с током) действиям.
Тепловое действие проявляется в том, что при протекании тока по проводнику (пусть это будет провод), проводник нагревается. Выделившееся при этом количество теплоты равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника и на время протекания тока по проводнику:
Такая зависимость была установлена опытным путём русским физиком Ленцем и английским физиком Джоулем независимо друг от друга, и носит название закона Джоуля – Ленца.
Проверить эту зависимость можно с помощью калориметра.
Для этого в калориметр (закрытый сосуд с двойными стенками) надо налить воду и опустить в неё проводник с известным сопротивлением (на рисунке он показан в виде спирали). Проводник подключен к электрической цепи.
Количество теплоты, выделившееся при прохождении тока по проводнику, равно количеству теплоты, полученному водой, и найдётся из формулы
то есть количество теплоты, полученное водой, равно произведению теплоёмкости воды на массу воды в калориметре и на разность конечной и начальной температур воды.
Меняя силу тока в проводнике убедимся, что количество выделившейся теплоты пропорционально квадрату силы тока.
Опуская в воду проводники разных сопротивлений и пропуская по ним одинаковый ток убедимся, что количество выделившейся теплоты пропорционально сопротивлениям проводников.
Пропуская ток в течение разных промежутков времени убедимся, что количество выделившейся теплоты пропорционально промежутку времени.
Таким образом, экспериментально можно проверить справедливость закона Джоуля – Ленца:
Выражение закона Джоуля – Ленца, полученное из опыта, надо подтвердить теорией. Сделаем это.
В Занятии 50, рассматривая разность потенциалов между двумя точками электрического поля (или электрическое напряжение между ними), мы получили формулу, связывающую это напряжение с работой сил электрического поля:
Вспомним, каков физический смысл последнего уравнения:
Напряжение между двумя точками электрического поля численно равно работе, совершаемой электрической силой при переносе единичного положительного заряда из одной точки поля в другую
или
Напряжение между двумя точками электрического поля равно отношению работы, совершённой электрической силой при переносе заряда из одной точки в другую, к величине этого заряда.
В Занятии 56 дано определение силы тока:
Под силой тока в проводнике понимается заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Объединив эти формулы, получим выражение для работы, совершаемой силой электрического поля (или кратко её называют работой тока):
Для однородного участка цепи (не содержащего источник тока) выполняется закон Ома в таком виде:
Тогда работа тока
Если проводник с током неподвижен, то вся эта работа, совершаемая силой электрического поля (или электрическим полем) перейдёт в тепло. Тогда
Таким образом, рассуждая теоретически, приходим к такому же выражению, называемому законом Джоуля – Ленца.
Задача.
Чередующиеся куски медной, железной и никелиновой проволок одинаковых размеров, спаянные между собой последовательно, включены в электрическую цепь. Какие проволоки будут нагреваться сильнее?
Решение. При последовательном соединении проволок по ним течёт один и тот же ток. Тогда, согласно закону Джоуля – Ленца,
сильнее будут нагреваться проводники, имеющие большее сопротивление. Сопротивления кусков проволоки одинаковых размеров пропорциональны удельным сопротивлениям материала проволок:
Удельное сопротивление меди равно 1,7 10 -8 Ом м;
железа 12 10 -8 Ом м;
никелина (сплава меди, никеля и марганца) равно 40 10 -8 Ом м.
Таким образом, при последовательном соединении сильнее всего будет нагреваться никелиновая проволока. Меньше всего нагревается медная проволока, поэтому она и используется в качестве электрических проводов.
Провод и нить лампочки накаливания в электрической цепи соединены последовательно. Теперь можем ответить на такой вопрос:
Почему при одном и том же токе нить лампочки раскаляется добела, а провод практически не нагревается?
Ответ: потому что удельное сопротивление вольфрама гораздо больше удельного сопротивления меди.
Теперь к этой задаче поставим другой вопрос:
Какие проволоки будут нагреваться сильнее, если их соединить между собой параллельно?
Здесь закон Джоуля – Ленца лучше выразить через напряжение, так как при параллельном соединении кусков проволоки они будут находиться под одинаковым напряжением:
Согласно этой формуле, при параллельном соединении кусков проволок, чем меньше сопротивление проволоки, тем больше ею выделяется тепла, то есть больше всего тепла выделит медная проволока.
(см. продолжение в следующей статье)
К.В. Рулёва
Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Сообщите друзьям о существовании этого канала.
Предыдущая запись: Решение задач на закон Ома для цепи с конденсаторами.
Следующая запись: Работа тока. Объяснение теплового действия тока электронной теорией. “Скорость тока”.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ниже идут ссылки на статьи, опубликованные после занятия 58 на тему “Тепловое действие тока”.
Работа тока. Объяснение теплового действия тока электронной теорией.
Работа и мощность электрического тока. Лампы накаливания.
Решение задач на мощность тока.
Полезная мощность. Полная мощность. КПД электрической цепи.
Ещё раз о зарядке и разрядке конденсатора.
Решение задач на нахождение мощности и КПД в цепях постоянного тока.
Занятие 59. Электрический ток в электролитах.
Нахождение массы вещества, выделившегося на электродах.
Устройство и принцип работы аккумулятора.
Занятие 60. Электрический ток в газах.
Ионизация и пробой воздуха.
Занятие 61. Электрический ток в вакууме. Электронные лампы.
Занятие 62. Электрический ток в полупроводниках.
Принцип работы полупроводниковых триодов.
Усилительные свойства полупроводниковых триодов.
Занятие 63. Магнитное поле постоянного тока.
Что происходит в железе при его намагничивании? Магнитное поле Земли.
Занятие 64. Намагничивание ферромагнетиков. Потери энергии от гистерезиса.
Занятие 65. Применение теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции.
Занятие 66. Действие магнитного поля на электрический ток. Сила Ампера.
Источник
Пишу для школьников (для лучшего понимания ими основ физики). Материал излагаю в соответствии с признанной ныне научной трактовкой физических явлений.
В предыдущей статье говорилось о том, что прохождение тока по проводнику сопровождается выделением тепла. Количество выделившейся теплоты находится по формуле:
Такая зависимость между количеством выделившейся теплоты, силой тока в проводнике, временем его прохождения по проводнику и сопротивлением проводника была получена опытным путём Ленцем и Джоулем, и носит название закона Джоуля – Ленца.
Такая же формула получается из теории с использованием понятий электрического напряжения и силы тока.
Направленное движение свободных электронов в проводнике (электрический ток) появляется только, если между концами проводника создано электрическое напряжение (или в проводнике создано электрическое поле).
Тогда силы электрического поля, перемещая свободные электроны в проводнике, совершают работу (ещё говорят, что работу совершает электрическое поле).
Работа всегда совершается за счёт энергии, в данном случае она совершается за счёт энергии электрического поля (электрической энергии).
Работа электрического поля находится через произведение электрического заряда, протекающего через сечение проводника, и напряжения между концами проводника:
Переносимый через сечение проводника заряд можно выразить через произведение силы тока на время протекания тока через сечение проводника:
Тогда имеем
Это основная формула для нахождения работы тока, она применима во всех случаях.
Если проводник однородный (пусть это будет часть провода), то
Тогда для работы тока получим ещё два уравнения, которые можно применять для нахождения работы тока в однородном (не содержащем источник тока) участке цепи:
В неподвижном однородном проводнике вся совершённая током работа переходит в тепло
Пришли к такому же уравнению, которое Ленц и Джоуль получили опытным путём.
Итак, при прохождении тока по однородному неподвижному участку цепи вся энергия электрического поля (электрическая энергия) переходит в тепловую энергию.
Если проходящий по проводнику ток совершает ещё и механическую работу (например, заставляя работать мотор), то работа тока лишь частично переходит в тепло, а частично идёт на совершение внешней работы (работы мотора), которая больше выделившегося тепла.
Какие бы случаи не рассматривались, закон Джоуля – Ленца
всегда справедлив для нахождения теплоты, выделившейся при прохождении по проводнику электрического тока.
Выделяющееся тепло нагревает проводник и окружающую среду.
Чем больше ток в проводнике, тем выше его температура и тем больше тепла теряется (уходит в окружающее пространство).
Но температура проводника не может повышаться всё время. Через некоторый промежуток времени наступает тепловое равновесие – температура проводника достигает такого значения, когда потери тепла в окружающее пространство становятся равными количеству тепла, выделяемому проводником за то же время.
Величина установившейся температуры проводника зависит от тока, температуры окружающей среды, от материала проводника, его сечения и других факторов.
Важно, чтобы установившаяся температура проводника (провода) не была слишком высокой, а ток в проводнике не превышал некоторого значения (номинального тока).
Но почему проводник с током выделяет тепло?
Посмотрим, как отвечает на этот вопрос электронная теория (электронная теория – это теория, объясняющая свойства тел наличием и движением в них электронов).
На пути направленного движения электронов в проводнике находятся ионы кристаллической решётки металла. Сталкиваясь с ними, электроны передают свою кинетическую энергию ионам решётки, заставляя их более интенсивно колебаться около своих положений равновесия. Энергия колебательного движения ионов и определяет температуру проводника.
Чем больше напряжение между концами проводника, тем больше ток в проводнике и тем больше скорость упорядоченного движения электронов, то есть тем большей энергией они обладают. Возрастает энергия колебательного движения ионов, увеличивается температура проводника.
Так энергия электрического тока преобразуется в энергию теплового движения ионов, составляющих кристаллическую решётку металла.
Свойство электрической энергии превращаться в тепловую энергию широко используется в электронагревательных приборах, в работе ламп накаливания.
С увеличением температуры растёт электрическое сопротивление проводника, так как с увеличением энергии колебательного движения ионов, число столкновений с ними свободных электронов растёт.
Ещё подумаем над ответом на такой вопрос:
Почему говорят о скорости упорядоченного движения электронов в металле ( она составляет несколько мм в секунду), когда на свободный электрон в металле действует электрическая сила (он должен двигаться с ускорением)?
На этот вопрос электронная теория даёт такой ответ.
При движении электрона от столкновения с ионом до следующего столкновения электрон двигается с ускорением. Но если взять некоторое расстояние, пройденное электроном в направлении против поля (при упорядоченном движении электронов), то на электрон действует и электрическая сила, и уравновешивающая её сила сопротивления со стороны решётки. Равнодействующая этих сил равна нулю, что соответствует равномерному движению.
Тогда возникает другой вопрос: почему при замыкании электрической цепи лампочки начинают светить сразу, с какой скоростью распространяется ток по проводам?
Прежде рассмотрим опыт, позволяющий наглядно продемонстрировать условия существования тока в проводнике и порассуждать, как происходит передача электрической энергии по проводам и с какой скоростью.
Вверху рисунка показан ключ, которым можно замкнуть или левую половину цепи, или правую.
В левой половине рисунка изображена электрическая машина, механическим вращением её дисков осуществляют разделение положительных и отрицательных зарядов и подачей их на обкладки конденсатора. В электрической машине механическая энергия преобразуется в электрическую.
Между обкладками конденсатора создаётся разность потенциалов, на которую указывает угол расхождения листков электрометра.
Зарядив конденсатор и повернув ключ вправо, замыкают правую половину цепи, включающую в себя конденсатор, гальванометр и лампочку.
Между концами провода, подключенного к конденсатору, возникла разность потенциалов и по нему прошёл ток, который проявил себя по накалу нити лампочки, то есть при прохождении тока по нити лампочки выделилась энергия в виде света и тепла.
Электрическая энергия поля конденсатора перешла в световую и тепловую энергию. Конденсатор разрядился, на это укажет опадание листков электрометра.
Процесс прохождения заряда по проводнику электронная теория описывает так.
Так как ток – это направленное движение электронов. а электроны находятся в избытке на отрицательной обкладке конденсатора, то они начинают стекать с неё, то есть перемещаться в ближний участок провода – на этом участке начинается движение электронов, изменяющее электрическое поле участка. Затем такой же процесс будет происходить в соседнем участке провода и так далее.
Одновременно, вследствие индукции, уменьшается положительный заряд второй обкладки, к ней электроны притекают из соседнего участка провода.
Так движение электронов (и изменение электрического поля) передаётся от одного участка провода к другому. Когда движение электронов дойдёт до лампочки, она вспыхнет. Это происходит практически сразу при замыкании ключа.
Считается, что этот процесс происходит со скоростью близкой к скорости света – это и есть “скорость тока”.
Не надо думать, что электроны в этом опыте перемещаются от одной обкладки конденсатора до другой – они лишь передают энергию электронам соседних участков.
Со “скоростью тока” распространяется электрическое поле в проводе или электрическая энергия. Скорость же упорядоченного движения электронов при этом составляет всего несколько мм в секунду.
Итак, в статье рассмотрено, как электронная теория объясняет выделение теплоты при прохождении тока по проводнику (превращение электрической энергии в тепловую) и механизм распространения тока по проводам. Выделение тепла связывается со столкновениями электронов при их упорядоченном движении в проводнике с ионами кристаллической решётки проводника. Скорость распространения тока в проводнике связывается со скоростью распространения электрического поля в нём посредством свободных электронов.
К.В. Рулёва
Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Сообщите друзьям о существовании этого канала.
Предыдущая запись: Занятие 58. Тепловое действие тока. Закон Джоуля – Ленца.
Следующая запись: Работа и мощность электрического тока. Лампы накаливания.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Источник
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.
Закон Джоуля-Ленца
Поскольку разность потенциалов (напряжение) на нагрузке равна работе, которую совершит единичный заряд, двигаясь по нагрузке, то для вычисления работы тока, необходимо напряжение умножить на заряд, прошедший через нагрузку. Заряд же равен произведению тока, проходящего по нагрузке, на время прохождения. Таким образом:
$$A=Uq=UIt$$
Детальным изучением теплового действия электрического тока в середине XIXв занимались независимо Д.Джоуль (Великобритания) и Э.Ленц (Россия).
Рис. 2. Джоуль и Ленц.
Было выяснено, что если нагрузка неподвижна, то вся работа электрического тока в этой нагрузке перейдет в тепло:
$$Q=A$$
Как правило, напряжение на элементах электрической цепи различно, а ток в ней общий. Поэтому для определения теплового действия удобнее выразить напряжение через ток, учитывая сопротивление:
$$U=IR$$
Окончательно имеем:
$$Q=I^2Rt$$
То есть, количество тепла, образующееся в нагрузке, равно произведению значения тока в квадрате, сопротивления и времени. Этот вывод носит название Закона Джоуля-Ленца.
Иногда ток нагрузки неизвестен, но известно ее сопротивление и подводимое напряжение. В этом случае удобнее выразить ток через известные величины:
$$I={Uover R},$$
и, подставив в формулу выше, получаем:
$$Q={U^2over R}t$$
Из данной формулы можно видеть интересный факт – если в нагревательной плите сгорит часть спирали, и мы просто исключим сгоревшие места, то сопротивление спирали уменьшится, а поскольку напряжение сети останется прежним, то тепло, выделяемое плитой, возрастет. Мощность плитки увеличится.
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.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда – пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.7. Всего получено оценок: 273.
Источник