Что такое тепловое действие тока примеры

Природа тока в металлах

Нам известно, что атомы вещества состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. Электроны притягиваются ядрами, и чтобы их «оторвать», требуется приложить некоторое усилие. В таком случае мы будем иметь положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны.

Получается, что чтобы в проводнике появился электрический ток, надо вырвать множество электронов из оков атомов и сопровождать их на всем пути действия тока, чтобы их не захватили новые атомы. Очевидно, что для этого потребуется довольно приличная сила. Однако, при возникновении электрического поля, ток начинает бежать в металлических проводниках без всякого усилия. Как же это получается? Какова природа электрического тока в металлах, что они могут беспрепятственно проводить ток практически без потерь?

Природа тока в металлах

Дело в том, что в металлах структура строения вещества такова, что частицы расположены в кристаллических решетках, образованных положительными ионами, то есть ядрами атомов. А отрицательные ионы, то есть электроны, свободно перемещаются между ядрами, не будучи связанными с ними. Заряд всех электронов в спокойном состоянии компенсирует положительный заряд ядер. Когда возникает действующее на электроны электрическое поле, они начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника.

Так образуется электрический ток в металлах. Скорость движения каждого конкретного электрона невелика – около нескольких миллиметров в секунду. Но скорость распространения электрического поля равна скорости света, около 300 000 км/с. Электрическое поле приводит в движение все электроны на своем пути, и ток распространяется в металлических проводах со скоростью света.

Действие электрического тока

С какой бы скоростью ни двигались электроны в металле, мы не можем увидеть это воочию – они слишком малы. Судить о наличии в проводнике тока, мы можем лишь по производимому им действию. Действие электрического тока может быть очень разнообразным. Тепловое действие тока проявляется в нагревании проводника. Это действие широко используется в электронагревательных приборах: чайниках, обогревателях, фенах.

Еще ток обладает химическим действием. В некоторых растворах при воздействии электрическим током выделяются различные вещества. Так добывают чистые вещества из солей и щелочей. Ток обладает также и магнитным действием. Причем магнитное действие тока проявляется всегда и в любых проводниках. Заключается магнитное действие тока в том, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Это поле можно уловить и измерить. Для использования магнитного действия тока сооружают спиральные обмотки из изолированных проводов и пропускают по ним ток. Таким образом, концентрируют и усиливают магнитное действие тока и создают электромагниты.

Электричество и магнетизм вообще неразрывно связаны друг с другом. Самый простой пример: притягивание наэлектризованной расческой волос – есть не что иное, как магнитное действие электрического заряда. Человек очень активно использует магнитные свойства тока. От выработки электроэнергии, в которой преобразуют механическую энергию в электрическую с помощью магнитов, до конкретных электроприборов, производящих обратное преобразование электричества в механическую работу – везде используется магнитное действие тока.

Направление тока

За направление электрического тока в цепи принято направление движения положительных зарядов. А так как мы знаем, что двигается не положительный, а отрицательный заряд – электроны, то соответственно направление тока – это направление, в котором двигались бы положительные заряды, если бы они перемещались. Это направление, противоположное движению электронов.

Почему приняли такое направление? Дело в том, что когда-то не знали, за счет чего в реальности передается электрический заряд, но электричество использовали, и надо было создавать правила и законы для расчетов. И условно приняли за направление тока направление движения положительных зарядов. А когда разобрались, уже никто не стал переписывать заново законы и правила. Поэтому так и осталось. А куда конкретно двигаются электроны, учитывают в случае необходимости.

Что такое тепловое действие тока примеры

Вы уже знаете, что электрическим током называют процесс направленного движения частиц, имеющих электрический заряд. Но как узнать, течет ли в проводнике ток? Ведь увидеть, например, как в металлическом стержне движутся свободные электроны, невозможно. Известно, что о наличии электрического тока мы узнаём благодаря его действиям. Именно о разных действиях тока пойдет речь в этом параграфе.

Узнаём о тепловом и световом действиях электрического тока

Тепловое действие электрического токапроявляется в нагревании проводника, в котором течет ток. Когда вы гладите утюгом, припаиваете деталь электрическим паяльником, готовите на электрической плите или пользуетесь электрочайником, обогреваете комнату электрическим обогревателем, то используете бытовые устройства, функционирование которых основано на тепловом действии тока (рис. 24.1).

Тепловое действие тока широко используют также в промышленности (сварка, резка, плавка металлов) и сельском хозяйстве (обогрев теплиц и инкубаторов, сушка зерна, сенажа).

Проявления теплового действия электрического тока можно наблюдать и в природе: энергия, выделяющаяся во время молнии, может вызвать лесной пожар (рис. 24.2).

Пожар из-за удара молнии является примером, когда тепловое действие тока наносит вред. Приведите другие примеры вредного теплового действия тока.

Если в цепь включить лампу накаливания, ее нить нагреется и начнет излучать свет. В лампе накаливания одновременно с тепловым действием мы наблюдаем световое действие электрического тока. Кстати, в лампе

накаливания в свет преобразуется лишь 5 % электрической энергии (рис. 24.3, а). В последнее время широко используют энергосберегающие лампы — в них в свет преобразуется до 50 % электрической энергии (рис. 24.3, б, в).

Приведите примеры светового действия тока в природе.

Наблюдаем химическое действие электрического тока

Когда через растворы солей, кислот, щелочей проходит ток, на электродах, погруженных в раствор, происходят химические реакции. В таком случае мы имеем дело с химическим действием электрического тока.

Так, если в сосуд с водным раствором купрум (II) сульфата (CuSO₄) опустить два угольных электрода и пропустить через раствор электрический ток (рис. 24.4, а), то через некоторое время один из электродов покроется тонким слоем чистой меди (рис. 24.4, б).

В конце раздела II вы ознакомитесь с разными случаями химического разложения веществ в результате действия электрического тока, а также узнаете о применении этого явления.

Следует отметить, что химическое действие тока проявляется не всегда. Пропустив ток, например, через металлы, мы не обнаружим никаких химических изменений.

Знакомимся с магнитным действием электрического тока

Проводник, в котором течет электрический ток, приобретает магнитные свойства. Убедиться в этом можно с помощью обычного железного гвоздя. Намотаем на гвоздь изолированный провод и пропустим по проводу ток. Гвоздь начнет притягивать к себе железные предметы, то есть проявит магнитные свойства (рис. 24.5).

Работа различных электродвигателей, электроизмерительных приборов возможна только благодаря магнитному действию электрического тока (рис. 24.6).

Подробнее о магнитном действии тока вы узнаете в 9 классе, изучая магнитные явления.

Рассматривая разные действия электрического тока, следует обратить внимание на то, что чаще всего несколько действий проявляются одновременно. Например, во время опыта, демонстрирующего химическое действие тока (см. рис. 24.4), температура раствора купрум (II) сульфата увеличивается, а если возле сосуда поместить магнитную стрелку, она отклонится.

Узнаём о действии электрического тока на организмы

Электрический ток оказывает тепловое, химическое, магнитное действия на организмы, в том числе на человека. Наверное, некоторые из вас посещали в поликлинике кабинет физиотерапии. Многие приборы в этом кабинете предназначены для электролечения: тепловое действие электрического тока используют для прогревания частей тела, химическое и магнитное — для стимулирования деятельности органов, улучшения обмена веществ и т. д.

Следует, однако, помнить, что далеко не всегда электрический ток оказывает на организм человека целебное действие. Ток может вызвать ожог, судороги и даже стать причиной смерти. Поэтому прежде чем пользоваться любым электрическим прибором или устройством, нужно внимательно изучить инструкцию к нему и строго ее соблюдать.

Электрический ток оказывает тепловое действие (нагревание проводника), магнитное действие (отклонение магнитной стрелки, намагничивание железа), может оказывать химическое действие (химическое разложение веществ) и световое действие (свечение лампы). Очень часто разные действия электрического тока проявляются одновременно.

Электрический ток оказывает тепловое, химическое и магнитное действия на организмы, в том числе на человека.

1. Как узнать, есть ли в проводнике ток? 2. Перечислите действия электрического тока. 3. Докажите, что электрический ток оказывает тепловое действие; может оказывать световое действие. 4. Опишите опыт, подтверждающий, что электрический ток оказывает химическое действие. 5. Всегда ли проявляется химическое действие тока? 6. Что нужно сделать, чтобы намагнитить железный гвоздь? 7. Приведите примеры, подтверждающие, что электрический ток воздействует на организм человека. Как это воздействие проявляется? Где его используют?

1. Приведите не упомянутые в § 24 примеры бытовых технических устройств, работа которых основана на тепловом действии тока.

2. Почему использование электрических приборов и устройств требует особой осторожности?

3. Почему вспышка молнии сопровождается громом?

4. Некоторые рыбы, например электрический скат и электрический угорь, используют действие электрического тока для защиты, охоты, ориентации в пространстве. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о таких рыбах больше.

5. Электрообогреватель, работающий в комнате, выделяет в течение суток 81 МДж теплоты. Сколько дров нужно сжечь в камине, чтобы передать комнате такое же количество теплоты? КПД камина 45 %.

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.

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.

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.

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.

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

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

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.

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.

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:

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:

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.

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.

Видео