Schetchiksg.ru

Счетчик СГ
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

При протекании тока по сопротивлению в нем выделяется тепло

При протекании тока по сопротивлению в нем выделяется тепло

Электрический ток, проходя через проводник, нагре­вает его по закону Джоуля — Ленца. Выделение тепла при нагреве происходит по всему объему, пронизываемому током. Нагрев за счет сопротивления проводников отличается от действия таких источников тепла, как газовое пламя, дуга и др.

В простейшей форме механизм сопротивления проводника и вы­деление в нем тепла при протекании тока можно представить сле­дующим образом. Свободные электроны проводника под действием приложенного напряжения приобретают ускорение и дополнитель­ный запас кинетической энергии. Двигаясь между атомами, состав­ляющими структуру проводника, некоторые электроны сталкива­ются с атомами и передают им часть своей кинетической энергии. Это приводит к усилению тепловых колебаний атомов проводника, т. е. к повышению его температуры.

Наличие в металле проводника искажений решетки и несовер­шенств всякого рода увеличивает вероятность столкновения элект­ронов с атомами, т. е. повышает сопротивление проводника, В част­ности, к числу факторов, увеличивающих сопротивление металли­ческих проводников, относятся упругие искажения решетки, все виды дислокаций, внедрения чужеродных атомов в кристалличе­скую решетку и другие дефекты.

Сопротивление металлических проводников выражается извест­ной формулой

где р — удельное сопротивление металла, ом • см

I — длина проводника, см;

s — площадь поперечного сечения проводника, см».

Для некоторых металлов и сплавов значения р при температуре 18—20 °С даны ниже:

Малоуглеродистая сталь. . 12—15

Нихром. 100—110

Влияние температуры на удельное со­противление. Для чистых немагнитных металлов сопротив­ление с повышением температуры растет приблизительно по линей­ному закону:

Рг — Ро (1 + «Т), (И 1.27)

где рг — удельное сопротивление при Т °С, ом • см;

р0 — то же при О °С, ом • см;

а — температурный коэффициент электрического сопротивле­ния, 1/°С; в среднем

Т — температура нагрева проводника, °С.

Для ферромагнитных метал­лов, а также для сплавов (на­пример, сталей) зависимость со­противления от температуры гораздо более сложная.

На рис. 41 показаны кри­вые рг — / (Т) для чистого же­леза (1), малоуглеродистой стали (2) и аустенитной нержавеющей стали 1Х18Н9 (5).

Существуют сплавы, для кото­рых значение а близко к нулю.

Сопротивление кон­такта. Если пропускать электрический ток через сжатые детали, то в месте соприкоснове­ния их будет наблюдаться значительное падение напряжения. Это результат контактного сопротивления. Последнее зависит от суже­ния линий тока, от характера механической обработки соприка­сающихся деталей, величины давления в контакте, а также от тем­пературы и потому меняет свое значение в весьма широких пределах.

Поверхность деталей имеет выступы и впадины. Поэтому при сближении детали соприкасаются лишь в отдельных точках. Сум­марная площадь контактирующих участков значительно меньше сечения всего проводника. Поверхность их, к тому же, не всегда бывает идеально чистой. Загрязнение ее оксидами, маслами и т. п. в общем приводит к увеличению сопротивления контакта. Вели­чина контактного сопротивления Rк зависит также от свойств ме­талла и давления, приложенного в контакте. С ростом давления часть выступов сминается, площадь соприкосновения деталей уве­личивается, окисные и другие пленки на поверхности разрушаются, что в конечном счете приводит к падению контактного сопротив­ления.

Для определения RK опытным путем была выведена формула * =

Р — сила сжатия, кГ

а — показатель, зависящий от металла и состояния его поверх­ности; величина а колеблется в пределах 0,5—1,0.

Следует обратить внимание, что сопротивление контакта почти не зависит от его кажущейся площади.

Удельное контактное сопротивление для стальных пластин с тщательно очищенной поверхностью гк — 0,004 — f- 0,006 ом, а для алюминиевых ставов гк = 0,001 — н 0,0015 ом.

Рис. 42. Кривые зависимости контакт — Рис. 43. Кривые

ного сопротивления малоуглеродистой зависимости элект-

стали от температуры и сжатия. ровной (2, 2‘) и

Читайте так же:
Тепловое действие тока сопротивление

Сопротивление контакта очень сильно от содержания в нем

изменяется при его нагреве. С увеличением FeO. температуры контакта сопротивление слоя

металла вблизи контактирующей поверхности увеличивается и, казалось бы, следовало ожидать повышения общего сопротивления. Однако в действительности снижается предел текучести металла, сминаются выступы на поверхностях контакта, растет площадь контактирующих участков и общее сопротивление в контакте па­дает.

Зависимость контактного сопротивления малоуглеродистой ста­ли от температуры и сжатия показана на рис. 42. Для других материалов, например для алюминиевых сплавов, кривые RK — — f (Г) имеют примерно такой же характер.

Сопротивление жидких проводников. Жидкими проводниками электрического тока в условиях сварки чаще всего служат расплав­ленные металлы и различные шлаки.

Тепло, выделяющееся при протекании тока через расплавлен­ный металл или шлак, для ряда способов сварки играет существен­
ную роль в тепловом балансе всего процесса. Так, при сварке пол флюсом электрическая дуга всегда шунтируется расплавленным шлаком, вследствие чего часть электрической мощности неизбежно расходуется на его перегрев. Если электропроводность шлака ве­лика, часть тока, протекающего через него, увеличивается настолько, что тепловой баланс дуги нарушается и поддержание устойчивого горения ее становится невозможным. Еще большее значение имеет тепло, выделяющееся при протекании тока через шлак, для электро — шлаковой сварки. Механизм протекания тока в жидких металлах и шлаках различен и потому их сопротивление меняется по разным законам — в зависимости, например, от температуры.

Перенос электрического заряда в жидких металлах осуществля­ется свободными электронами таким же путем, как и в твердых металлических проводниках. Подтверждением однотипности этого механизма в твердых и жидких металлах служит отсутствие скачка на кривой электропроводности в области температур перехода металла из твердого состояния в жидкое. Сопротивление жидких металли­ческих проводников, как и твердых, увеличивается с повышением температуры.

Природа проводимости расплавленных шлаков весьма сложна. Большинство исследователей считает, что наряду с ионной прово­димостью, которая характерна для жидких шлаков как электро­литов, в них имеет место и электронная, а также некоторые другие виды проводимости. Преобладание того или иного механизма про­текания тока зависит прежде всего от химического состава шлаков. На рис. 43 показан характер изменения ионной (кривые 1,1′) и элек­тронной (кривые 2,2′) проводимостей шлака в зависимости от’со- держания в нем FeO (кривые 1, 2 — приcaQ_|_siO = 0,2; 1′,2’— при

С увеличением температуры ионная составляющая электропро­водности расплавленных шлаков увеличивается, чему способствует уменьшение вязкости шлаков и повышение подвижности ионов. Вследствие этого с ростом температуры жидких шлаков удельное сопротивление их обычно снижается, тогда как для металлических проводников оно возрастает. Важно отметить, что общая электро­проводность расплавленных сварочных флюсов сильно повышается с увеличением содержания в них фторидов (CaF2, NaF, Na3AlFe и др.), образующих легкоподвижные ионы, и уменьшается от внед­рения в расплав сложных малоподвижных анионов типа SWV-, Мп*СУ

На’рис. 44, а приведены результаты исследований характера изменения общей электропроводности для некоторых фторидних и силккомарганцевых расплавленных флюсов в зависимости от тем­пературы. Видно, что с повышением температуры электропровод-

Рис. 44. Кривые зависимости электропроводности флюсов от тем­пературы.

Мощность резистора

Как рассчитать мощность резистора?

У резистора есть довольно важный параметр, который целиком и полностью влияет на надёжность его работы. Этот параметр называется мощностью рассеивания. Он уже упоминался в статье о параметрах резистора.

Сама по себе мощность постоянного тока рассчитывается по простой формуле:

Как видим, мощность зависит от напряжения и тока. В реальной цепи через резистор протекает определённый ток. Поскольку резистор обладает сопротивлением, то под действием протекающего тока резистор нагревается. На нём выделяется какое-то количество тепла. Это и есть та мощность, которая рассеивается на резисторе.

Если в схему установить резистор меньшей мощности рассеивания, чем требуется, то резистор будет нагреваться и в результате сгорит. Поэтому, если в схеме нужно заменить резистор мощностью 0,5 Ватт, то ставим на 0,5 Ватт и более. Но никак не меньше !

Читайте так же:
Тепловое действие тока калориметр

Каждый резистор рассчитан на свою мощность. Стандартный ряд мощностей рассеивания резисторов состоит из значений:

  • 0,125 Вт
  • 0,25 Вт
  • 0,5 Вт
  • 1 Вт
  • 2 Вт
  • Более 2 Вт.

Чем больше резистор по размерам, тем, как правило, на большую мощность рассеивания он рассчитан.

Допустим, у нас есть резистор с номинальным сопротивлением 100 Ом. Через него течёт ток 0,1 Ампер. На какую мощность должен быть рассчитан этот резистор?

Тут нам потребуется формула. Выглядит она так:

R(Ом) – сопротивление цепи (в данном случае резистора);

I(А) – ток, протекающий через резистор.

Все расчёты следует производить, строго соблюдая размерность. Так, если сопротивление резистора не 100 Ом, а 1 кОм, то в формулу нужно подставить значение в Омах, т.е. 1000 Ом (1 кОм = 1000 Ом). Тоже правило касается и других величин (тока, напряжения).

Рассчитаем мощность для нашего резистора:

Мы получили мощность 1 Ватт. Теперь небольшое отступление.

В реальную схему необходимо устанавливать резистор с мощностью в полтора – два раза выше рассчитанной.

Поэтому нам подойдёт резистор мощностью 2 Вт (см. стандартный ряд мощностей резисторов).

Также есть и другая формула для расчёта мощности. Она применяется в том случае, если неизвестен ток, который протекает через резистор.

Всё бы хорошо, но в жизни бывают случаи, когда применяется последовательное или параллельное соединение резисторов. Как рассчитать мощность рассеивания для каждого из резисторов в последовательной или параллельной цепи?

Допустим, нам требуется заменить резистор сопротивлением 100 Ом. Протекающий через него ток равен 0,1 Ампер. Следовательно, мощность этого резистора 1 Ватт.

Для его замены можно применить два соединённых последовательно резистора сопротивлением 20 Ом и 80 Ом. На какую мощность должны быть рассчитаны эти резисторы?

Для последовательной цепи действует одно правило. Через последовательно соединённые резисторы течёт один и тот же ток. Теперь применим формулу для расчёта мощности и получим, что мощность рассеивания резистора на 20 Ом должна быть равна 0,2 Вт, а резистора на 80 Ом — 0,8 Вт. Выбираем резисторы согласно стандартному ряду мощностей:

Как видим, если сопротивления резисторов будут разные, то и мощность на них будет выделяться разная.

Мощность, рассеивающаяся на резисторе, зависит в первую очередь от тока, который течёт через данный резистор. А ток зависит от сопротивления резистора. Поэтому, если вы соединяете последовательно резисторы разных номиналов, то и рассеивающаяся мощность распределиться между ними.

Это обстоятельство необходимо учитывать при самостоятельном конструировании электронных самоделок иначе при неправильном подборе резисторов может получиться так, что на одном резисторе выделиться больше мощности, чем на другом, и он будет работать в тяжёлом температурном режиме.

Чтобы не ломать голову и не рассчитывать мощность каждого в отдельности резистора, можно поступать так:

Мощность каждого резистора, входящего в составляемую нами цепь (параллельную или последовательную) должна быть равна мощности заменяемого резистора. Иными словами, если нам надо заменить резистор, мощностью 1 Вт, то каждый из резисторов для его замены должен иметь мощность не менее 1 Ватта. На практике это самое быстрое и эффективное решение.

Для параллельного соединения резисторов нужно учитывать, что через резистор с меньшим сопротивлением протекает больший ток. Следовательно, и мощности на нём будет рассеиваться больше.

Активное и реактивное сопротивление. Треугольник сопротивлений

Активное и реактивное сопротивление — сопротивлением в электротехнике называется величина, которая характеризует противодействие части цепи электрическому току. Это сопротивление образовано путем изменения электрической энергии в другие типы энергии. В сетях переменного тока имеется необратимое изменение энергии и передача энергии между участниками электрической цепи.

Читайте так же:
Что такое тепловое действие электрического тока в физике

Активное и реактивное сопротивление

При необратимом изменении электроэнергии компонента цепи в другие типы энергии, сопротивление элемента является активным. При осуществлении обменного процесса электроэнергией между компонентом цепи и источником, то сопротивление реактивное.

В электрической плите электроэнергия необратимо преобразуется в тепло, вследствие этого электроплита имеет активное сопротивление, так же как и элементы, преобразующие электричество в свет, механическое движение и т.д.

В индуктивной обмотке переменный ток образует магнитное поле. Под воздействием переменного тока в обмотке образуется ЭДС самоиндукции, которая направлена навстречу току при его увеличении, и по ходу тока при его уменьшении. Поэтому, ЭДС оказывает противоположное действие изменению тока, создавая индуктивное сопротивление катушки.

С помощью ЭДС самоиндукции осуществляется возвращение энергии магнитного поля обмотки в электрическую цепь. В итоге обмотка индуктивности и источник питания производят обмен энергией. Это можно сравнить с маятником, который при колебаниях преобразует потенциальную и кинетическую энергию. Отсюда следует, что сопротивление индуктивной катушки имеет реактивное сопротивление.

Самоиндукция не образуется в цепи постоянного тока, и индуктивное сопротивление отсутствует. В цепи емкости и источника переменного тока изменяется заряд, значит между емкостью и источником тока протекает переменный ток. При полном заряде конденсатора его энергия наибольшая.

В цепи напряжение емкости создает противодействие течению тока своим сопротивлением, и называется реактивным. Между конденсатором и источником происходит обмен энергией.

После полной зарядки емкости постоянным током напряжение его поля выравнивает напряжение источника, поэтому ток равен нулю.

Конденсатор и катушка в цепи переменного тока работают некоторое время в качестве потребителя энергии, когда накапливают заряд. И также работают в качестве генератора при возвращении энергии обратно в цепь.

Если сказать простыми словами, то активное и реактивное сопротивление – это противодействие току снижения напряжения на элементе схемы. Величина снижения напряжения на активном сопротивлении имеет всегда встречное направление, а на реактивной составляющей – попутно току или навстречу, создавая сопротивление изменению тока.

Настоящие элементы цепи на практике имеют все три вида сопротивления сразу. Но иногда можно пренебречь некоторыми из них ввиду незначительных величин. Например, емкость имеет только емкостное сопротивление (при пренебрежении потерь энергии), лампы освещения имеют только активное (омическое) сопротивление, а обмотки трансформатора и электромотора – индуктивное и активное.

Активное сопротивление

В цепи действия напряжения и тока, создает противодействие, снижения напряжения на активном сопротивлении. Падение напряжения, созданное током и оказывающее противодействие ему, пропорционально активному сопротивлению.

При протекании тока по компонентам с активным сопротивлением, снижение мощности становится необратимым. Можно рассмотреть резистор, на котором выделяется тепло. Выделенное тепло не превращается обратно в электроэнергию. Активное сопротивление, также может иметь линия передачи электроэнергии, соединительные кабели, проводники, катушки трансформаторов, обмотки электромотора и т.д.

Отличительным признаком элементов цепи, которые обладают только активной составляющей сопротивления, является совпадение напряжения и тока по фазе. Это сопротивление вычисляется по формуле:

R = U/I, где R – сопротивление элемента, U – напряжение на нем, I – сила тока, протекающего через элемент цепи.

На активное сопротивление влияют свойства и параметры проводника: температура, поперечное сечение, материал, длина.

Реактивное сопротивление

Тип сопротивления, определяющий соотношение напряжения и тока на емкостной и индуктивной нагрузке, не обусловленное количеством израсходованной электроэнергии, называется реактивным сопротивлением. Оно имеет место только при переменном токе, и может иметь отрицательное и положительное значение, в зависимости от направления сдвига фаз тока и напряжения. При отставании тока от напряжения величина реактивной составляющей сопротивления имеет положительное значение, а если отстает напряжение от тока, то реактивное сопротивление имеет знак минус.

Активное и реактивное сопротивление, свойства и разновидности

Рассмотрим два вида этого сопротивления: емкостное и индуктивное. Для трансформаторов, соленоидов, обмоток генераторов и моторов характерно индуктивное сопротивление. Емкостный вид сопротивления имеют конденсаторы. Чтобы определить соотношение напряжения и тока, нужно знать значение обоих видов сопротивления, которое оказывает проводник.

Читайте так же:
При увеличении силы тока тепловая мощность

Реактивное сопротивление образуется при помощи снижения реактивной мощности, затраченной на образование магнитного поля в цепи. Снижение реактивной мощности создается путем подключения к трансформатору прибора с активным сопротивлением.

Конденсатор, подключенный в цепь, успевает накопить только ограниченную часть заряда перед изменением полярности напряжения на противоположный. Поэтому ток не снижается до нуля, так как при постоянном токе. Чем ниже частота тока, тем меньше заряда накопит конденсатор, и будет меньше создавать противодействие току, что образует реактивное сопротивление.

Иногда цепь имеет реактивные компоненты, но в результате реактивная составляющая равна нулю. Это подразумевает равенство фазного напряжения и тока. В случае отличия от нуля реактивного сопротивления, между током и напряжением образуется разность фаз.

Катушка имеет индуктивное сопротивлением в схеме цепи переменного тока. В идеальном виде ее активное сопротивление не учитывают. Индуктивное сопротивление образуется с помощью ЭДС самоиндукции. При повышении частоты тока возрастает и индуктивное сопротивление.

На индуктивное сопротивление катушки оказывает влияние индуктивность обмотки и частота в сети.

Конденсатор образует реактивное сопротивление из-за наличия емкости. При возрастании частоты в сети его емкостное противодействие (сопротивление) снижается. Это дает возможность активно его применять в электронной промышленности в виде шунта с изменяемой величиной.

Треугольник сопротивлений

Схема цепи, подключенной к переменному току, имеет полное сопротивление, которое можно определить в виде суммы квадратов реактивного и активного сопротивлений.

Если изобразить это выражение в виде графика, то получится треугольник сопротивлений. Он образуется, если рассчитать последовательную цепь всех трех видов сопротивлений.

По этому треугольному графику можно увидеть, что катеты представляют собой активное и реактивное сопротивление, а гипотенуза является полным сопротивлением.

Методичка по физике / ЛР6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ,

К.П.Д. ИСТОЧНИКА ТОКА И СИЛЫ ТОКА В ЦЕПИ ОТ НАГРУЗКИ

Цель работы — исследование зависимости полезной мощности, к.п.д. источника тока и силы тока в цепи от нагрузки.

Приборы и принадлежности: исследуемый источник тока, реостат, вольтметр, амперметр и ключ.

Краткие сведения из теории

При комнатной температуре (Т ≈ 300 К) электроны проводимости в металле можно рассматривать как классические частицы массой m и зарядом е, равномерно распределенные по объему проводника. Они находятся в постоянном хаотическом тепловом движении и взаимодействуют с атомами проводника только при столкновениях. Взаимодействием между электронами можно пренебречь. Движение электронов проводимости по объему проводника аналогично движению молекул газа, поэтому очень часто говорят, что электроны проводимости образуют в металле «электронный газ».

Так как движение электронов проводимости при отсутствии внешних полей хаотично, средняя скорость теплового движения электронов равна нулю. Однако после включения внешнего однородного электрического поля напряженностью Е на электроны проводимости действует сила F =еЕ, которая одинакова для всех электронов. Под действием этой силы электроны получают дополнительную ско­рость υ в противоположном вектору Е направлении (см. рис. 6.1). Среднее время τ, в течение которого электрон проводимости движется в поле Е между двумя столкновениями с ионами проводника, называется временем свободного пробега.

Будем считать, что в результате столкновения с атомом металла электрон полностью теряет дополнительную скорость υ, которую он приобрел в электрическом поле.

Из классической теории электропроводности металлов следует, что удельное сопротивление проводника можно вы­числить по формуле

, (6.1)

где n — число электронов проводимости в единице объема.

Рассмотрим движение электрона проводимости после столкновения с атомом решетки проводника. В начальный момент его дополнительная скорость υ равна нулю. Ускорение, с которым движется электрон в электрическом поле, равно a = E.

Читайте так же:
При равномерно возрастающей силе тока выделилось количество теплоты

Это значит, что за время свободного пробега дополнительная скорость электрона увеличится от 0 до величины υmax:

υmax = Eτ,

а его полная скорость составит u‘ = u + υmax. В результате столкновения с атомом решётки проводника электрон теряет дополнительную скорость υmax, увеличивая энергию колебаний атомов решетки. За время свободного пробега τ каждый электрон в среднем один раз сталкивается с атомами крис­таллической решетки и передает им энергию:

.

Общее количество энергии, которое получат атомы решетки за время τ, будет равно: , где V — объем проводника. Иначе говоря, полная мощность Р, рассеиваемая в проводнике, вычисляется по формуле

.

Она равна энергии, которую получают атомы проводника от электронов проводимости в единицу времени. Выразим мощ­ность Р, рассеиваемую во всем объеме проводника, исполь­зуя формулу (6.1), в следующем виде:

,

где j – плотность тока (j = E закон Ома в дифференциальной форме).

Учитывая, что для цилиндрического проводника объем V = SL и падение напряжения U = EL, получим: (закон Джоуля — Ленца), где . Мощность, выделяемая в единице объема, вычисляется по формуле (закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме).

Таким образом, в рамках классической теории электропроводности получен закон Джоуля — Ленца. На основании предыдущего рассмотрения движения электронов в проводнике можно сделать следующий вывод. В рамках классической теории выделение тепла в проводнике при протекании по нему электрического тока объясняется увеличением энергии колебаний атомов решетки проводника в ре­зультате столкновений с электронами проводимости, уско­ренными в электрическом поле.

Рассмотрим цепь, состоящую из источника тока с внут­ренним сопротивлением R и электродвижущей силой Э (см. рис. 6.2) и резистора с переменным сопротивлением R.

Сила тока в цепи

. (6.2)

Мощность, расходуемая во внешнем участке цепи, называется по­лезной мощностью источника тока, так как она может быть использо­вана для практических целей. Она равна

, (6.3)

где U падение напряжения на внешнем сопротивлении R.

Полная мощность источника тока .

Коэф­фициент полезного действия источника тока

. (6.4)

С учетом формулы (6.2) и того, что U = IR, выражения для полезной мощности и к.п.д. примут следующий вид:

. (6.5)

Исследование выражений (6.2) и (6.5) показывает, что требования получения максимального тока в цепи, максимальной полезной мощности и максимального к.п.д. противоречивы (см. рис. 6.3). Для получения возможно большего тока сопротивление нагрузки должно быть малым по сравнению с внутренним сопротивлением источника, но при этом близки к нулю полезная мощность и к.п.д.: почти вся совершаемая источником работа идет на выделение тепла во внутреннем сопротивлении. Чтобы получить максимальную полезную мощность, следует взять нагрузку с сопротивлением, равным внутреннему сопротивлению источника, но величина к.п.д. при этом составит только 0,5. Любую полезную мощность, меньшую максимальной, можно получить при двух значениях сопротивления нагрузки. В практических целях для получения заданной полезной мощности в этом случае следует выбирать нагрузку с большим сопротивлением, так как к.п.д. при этом выше.

Описание экспериментальной установки

Схема установки представлена на рис.6.2. В цепь ис­точника постоянного тока включены реостат R, электроизме­рительные приборы (амперметр А и вольтметр V) и ключ К.

Порядок выполнения работы

Собрать схему, изображенную на рис.6.2.

Выбрать предел измерений по амперметру и записать в протокол наблюдений:

а) предел измерений амперметра в амперах;

б) число делений по шкале амперметра;

в) класс точности амперметра;

Повторить выбор предела измерений для вольтметра и записать в протокол наблюдений его параметры.

Изменяя сопротивление реостата R, снять отсчеты по амперметру и вольтметру, соответствующие каждому положению движка реостата (всего 15 точек). Результаты занести в таблицу (см. табл. 6.1).

Разомкнуть внешнюю цепь ключом К и измерить вольт­метром электродвижущую силу источника Э. Результат за­нести в протокол наблюдений.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию