Schetchiksg.ru

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

Применение теплового действия тока в технике примеры

Портал для школьника. Самоподготовка

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 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 изучали многие ученые. Однако, самых заметных результатов удалось добиться 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 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 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 электрического тока.

Тепловое действие электрического тока ( согласно закону Джоуля — Ленца) определяется сопротивлением биологических тканей, значением тока и временем существования электрической цепи через тело человека. Тепло, образующееся при прохождении тока через биоткани, вызывает перегрев и гибель клеток, причем наиболее выраженные изменения наблюдаются на кратчайшем пути тока. Поражения кожи в местах входа и выхода тока различны по форме и размеру в зависимости от характера контакта с токонесущими проводниками: от точечных меток до полного обугливания тканей, а распространенность некроза кожи обычно меньше, нем глубжележащих тканей. Степень поражения тканей пропорциональна их проводимости, изменяющейся в широких пределах. Биологические ткани по удельному сопротивлению в порядке его возрастания распределяются следующим образом: нервы, кровеносные сосуды, мышцы, кожа, сухожилия, жировая ткань, кости.

Просмотр содержимого документа
«Тепловое действие электрического тока. »

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

Тепловое действие электрического тока.

Подготовил: студент группы АМ-142

Под руководством: преподавателя физики

Барсукова Юлия Николаевна

г. Кемерово 2015 г.

При протекании тока по проводнику происходит нагревание проводника. Как показывают опыты, количество выделяемой теплоты тем больше, чем больше сила тока и чем больше сопротивление проводника. Подвесим железную проволоку и пропустим по ней ток, включив в цепь реостат и амперметр. Увеличивая силу тока в цепи, наблюдаем сначала провисание проволоки от нагревания, а затем при достаточно большой силе тока красное каление. Дальнейшее увеличение силы тока может привести к перегреванию проволоки. На основании опытных данных можно утверждать, что в электрической цепи происходит ряд превращений энер­гии. При перемещении заряда вдоль электрической цепи кулоновскими и сто­ронними силами совершается работа А. Если электрическая цепь в рассматрива­емой системе координат находится в состоянии покоя, а ток, протекающий по ней, постоянен (I= const), то совершаемая работа

А = IUt. (1)

По формуле (1) можно вычислить работу, совершаемую электрическим то­ком, независимо от того, в какой вид энергии превращается электрическая энер­гия. Эта работа может пойти на увеличение внутренней энергии проводника, т.е. его нагревание, на изменение механической энергии, например на движение проводника с током в магнитном поле, и т.д.

Необратимые преобразования электрической энергии в тепловую можно объяснить взаимодействием электронов с ионами металлического проводника. Стал­киваясь с ионами металлического проводника, электроны передают им свою энер­гию. Вследствие этого увеличивается интенсивность колебаний ионов около положения равновесия. А с чем большей скоростью колеблются ионы, тем выше температура проводника. Ведь температура — это мера средней энергии хаоти­ческого движения атомов, из которых состоит проводник.

Читайте так же:
Ток в тепловозе тэм2

Чтобы вычислить электрическую энергию, затраченную на нагревание провод­ника, нужно знать падение напряжения на данном участке проводника U = IR. Подставляя в формулу (1) это выражение, получаем

А = I 2 Rt, или Q = I 2 Rt. (2)

Формула (2) выражает закон Джоуля — Ленца:

количество теплоты, которое выделяется в проводнике с током, пропор­ционально квадрату силы тока, времени его прохождения и сопротивле­нию проводника.

Работа электрического тока. Предположим, нас интересует механическая работа, которую совершает электродвигатель, если U напряжение сети, R сопротивление обмотки, I — сила тока, текущего по обмотке. Очевидно, что на механическую работу Амех, совершаемую двигателем, расходуется часть энергии электрического тока. При работе двигателя обмотка его будет нагреваться. На основании закона сохранения энергии можно утверждать, что энергия электрического тока (IUt) превращается в механическую (Амех) и тепловую (I 2 Rt) энергии:

IUt = Амех + I 2 Rt, Амех = IUt — I 2 Rt.

Прибор, служащий для измерения энергии электрического тока, называется электрическим счетчиком. Полная работа, совершаемая источником тока, ЭДС которого ξ определяется формуле

Единица работы электрического тока джоуль (Дж).

Мощность электрического тока. Мощность — это отношение работы электрического тока ко времени t, за которое совершается работа:

Единица мощности электрического тока — ватт (Вт).

Тепловое действие электрического тока играет большую роль в современной технике. Рассмотрим некоторые примеры его применения, тепловом действии тока основано устройство теплового гальванометра, его представлена на рис. 1. Концы металлической проволоки 2 закреплены неподвижно в металлических колодках 1 и 3. Проволока 2 выполнена из неокисляемого упругого материала. В середине проволока 2 оттягивается нитью 5, проходящей через блок 4 и скрепленной с пружиной 6. При прохождении электрического тока по проволоке 2 она нагревается и удлиняется, ее прогиб увеличивается. Вследствие этого нить 5 перемещается и поворачивает блок 4. С блоком 4 скреплена стрелка гальванометра, поэтому поворот блока соответствует отклонению стрелки на некоторый угол. Если шкала прибора градуирована в единицах силы тока, то прибор называется амперметром.

Рис. 1.

Часто используются различного типа электрические нагревательные приборы и электрические печи. К электрическим нагревательным приборам относятся плав­кие предохранители («пробки»), которые служат для устранения опасности корот­кого замыкания. Обычно это тонкие медные или свинцовые проволочки, вводимые последовательно в цепь электрического тока и рассчитанные таким образом, чтобы они плавились при токе, превышающем то значение, на которое рассчитана цепь.

К нагревательным приборам можно отнести и лампочки накаливания. Первая лампочка была изобретена в 1872 г. электротехником А. Н. Лодыгиным. Она пред­ставляла собой стеклянный баллон, в котором между толстыми медными прово­лочками укреплялся угольный стержень. При пропускании тока угольный стер­жень раскалялся и давал свет. Усовершенствованием ламп накаливания занима­лись Т. Эдисон, И. Ленгмюр и др.

В настоящее время в качестве нити накаливания ламп используется вольфра­мовая проволока с температурой плавления 3370 °С. Чем выше температура нити, тем большая часть излучаемой энергии отдается в виде света. В 1913 г. появились лампочки, баллоны которых заполнялись инертным газом (аргоном). Присутствие аргона замедляет испарение нити, и срок службы ламп увеличивается.

Лампа накаливания представлена на рис. 2. Она имеет вольфрамовую нить или спираль 1, укрепленную на металлической ножке 3, внутри которой прохо­дят проволочки 2, подводящие ток к спирали. Для откачки воздуха служит тру­бочка 4, которая после удаления воздуха запаивается. Лампа имеет металличес­кий цоколь 5 и изолированный от цоколя контакт 6, к которому припаиваются провода оси нити накаливания. Цоколь и контакт 6 при вворачивании лампочки в патрон соединяются с проводами электрической сети.

Рис. 2.

Нагревательными приборами являются электроплита, электроутюг, электро­чайник и т.д., которые нашли широкое применение в домашнем обиходе. Для со­здания высоких температур служат электрические печи. Температура внутри печи может достигать 2500-3000 °С. Для этого в печах в качестве токопроводящего: вещества применяются тугоплавкие металлы, например молибден. Электричес­кие печи нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства. Еще одним важным применением теплового действия тока является кон­тактная сварка, которая применяется для сваривания металлов со значительным удельным сопротивлением (никель, тантал, молибден и др.).

Экспертиза травм от воздействия электричества

Экспертиза при воздействии электричества относится к группе судебно-медицинских исследований. Наиболее часто поражения электричеством встречаются в быту при взаимодействии с электроприборами, а также на производстве при несоблюдении техники безопасности. Гораздо реже происходит контакт с атмосферным электричеством (удар молнии). Электрический ток является довольно мощным травматическим фактором, он оказывает на организм человека механическое, тепловое и электрохимическое воздействие. Несмотря на то, что среди всего травматического разнообразия повреждения в результате контакта с электрическим током случаются в 1,5-2% случаев, по количеству смертельных исходов электротравма занимает одно из ведущих мест.

Степень воздействия электричества на организм человека определяется такими характеристиками тока, как напряжение, частота, сила тока. Воздействовать может как постоянный ток, так и переменный. Контакт с переменным током, имеющим частоту в 50 герц и популярное для бытовых сетей напряжение размером 220 или 360 ватт, может привести к смерти человека от электротравмы. Постоянный ток более высокого напряжения – от 450-ти до 550-ти ватт – представляет собой меньшую опасность. Ток, обладающий силой в 1 ампер, в подавляющем большинстве случаев приводит к летальному исходу.

На результат соприкосновения человека с электрическим током влияют также условия окружающей среды, состояние кожных покровов и здоровья человека, а также длительность контакта. Плотная сухая кожа обладает довольно высоким показателем сопротивления электричеству. Влажная, тонкая кожа, слизистые оболочки, наличие пота на поверхности кожи улучшают проводимость электрического тока. Наиболее сильное воздействие ток оказывает на детей и людей пожилого возраста.

Постоянные токи более высокого напряжения менее опасны и только в редких случаях вызывают наступление смерти. Это следствие феномена, при котором между источником тока и человеческим телом возникает так называемый «эффект вспышки», представляющий собой электрическую дугу. При таком воздействии значительная часть электрической энергии преобразуется в тепловую и вызывает местную реакцию, а именно – ожоги.

Виды воздействия электрического тока на ткани и органы человеческого тела

Контакт с электрическим током вызывает различные повреждения органов и тканей, а также функциональные нарушения работы систем человеческого организма. Изучением данных изменений занимается экспертиза при воздействии электричества. Современная судебно-медицинская экспертная практика выделяет следующие типы влияния электрического тока на организм человека:

  1. Специфическое повреждающее действие.
  2. Неспецифическое повреждающее действие.
  3. Механическое повреждающее действие.
  4. Термическое повреждающее действие.
  5. Электрохимическое повреждающее действие.

Специфическое повреждающее воздействие заключается в раздражении и возбуждении гладкой и скелетной мускулатуры, нервной ткани. Оно вызывает фибрилляцию сердечных желудочков, спазм диафрагмы и голосовых связок, остановку дыхания. При специфическом воздействии также развиваются тонические судороги скелетных мышц, сопровождающиеся отрывными переломами, вывихами и разрывами мышечных фасций.

Читайте так же:
Тепловое действие электрического тока используется в генераторах трансформаторах

При неспецифическом повреждающем воздействии электрического тока развивается раздражение тканей железистых органов, которое сопровождается выбросом большого количества физиологически активных веществ – катехоламинов. К природным катехоламинам относятся дофамин, адреналин и норадреналин. На клеточном уровне наблюдается нарушение калиево-натриевых концентрационных градиентов и мембранных потенциалов, что приводит к сбоям процессов передачи возбуждения, а потом и к остановке сердца.

Механическое повреждающее действие приводит к разрывам тканей. Электрические токи большой силы производят взрывообразный эффект, в результате которого организму наносятся значительные повреждения, в том числе полные отрывы частей тела.

Термическое повреждающее действие оказывается в результате преобразования электрической энергии в тепловую, вызванного сопротивлением тканей при прохождении через них электрического тока. Этот эффект описывается законом Джоуля-Ленца. Последствия данного воздействия представляют собой ожоги различной степени и площади. Если термическое воздействие оказывается в течение длительного времени, отдельные участки тела обугливаются, а на костях образуется выпот расплавленного (а впоследствии застывшего) фосфорнокислого кальция в виде белых округлых пустотелых капель, размером от одного до пяти миллиметров – так называемые «жемчужные бусы». Пустоты внутри этих шариков образуются вследствие испарения воды, содержащейся в костях.

Электрохимическое повреждающее действие выражается в нарушении ионного баланса в тканях, которое является причиной специфического вытягивания клеток в виде метелочки, щетки или частокола, видимых при микроскопическом исследовании. Электрохимическое воздействие вызывает также значительное изменение физико-химического равновесия органических жидкостей (в том числе крови), что приводит к отсроченному летальному исходу в результате токсикоза.

Повреждения, причиняемые организму человека электрическим током

Экспертиза при воздействии электричества выделяет следующие разновидности травматических последствий контакта к источником или проводниками электрического тока:

  • Общая электротравма или электрический удар.
  • Местная электротравма, приводящая к повреждению тканей.
  • Электрические знаки (электрометки).
  • Металлизация кожи.
  • Механические повреждения.

К электрическим ударам относят травмы, включающие повреждения всего организма в целом вследствие резкого изменения привычной жизнедеятельности основных органов и систем человеческого тела. Согласно наблюдаемым патологическим процессам, возникающим в результате воздействия электрического тока, выделяют четыре степени электротравмы:

  • I степень – сопровождается судорожными сокращениями мышц при сохранении сознания.
  • II степень – потеря сознания вместе с судорожными сокращениями мышц.
  • III степень – наблюдается потеря сознания, которая сопровождается нарушением функционирования дыхательной и/или сердечно-сосудистой системы.
  • IV степень – наступает клиническая смерть.

Местные электротравмы представляют собой электрические ожоги, степень которых определяется физическими характеристиками электрического тока и длительностью воздействия.

Электрометками или электрическими знаками называют характерные поражения, в основном являющиеся результатом совокупного механического и химического действия электрического тока. Электрометки наблюдаются как пятна с четко выраженными границами, размером от одного до трех миллиметров, имеющие бледно-желтую или серую окраску. Форма электрических знаков может быть овальной или округлой, при этом кратерообразного характера, с углублением в центре. В отдельных случаях электрометки приобретают форму источника тока, с которым произошел контакт.

Специфической разновидностью электроповреждений является металлизация кожи, возникающая в результате проникновения мельчайших металлических частиц в поверхностные слои кожи. Металлы расплавляются в результате воздействия электрической дуги, а также во время непосредственного плотного прикосновения кожных покровов к металлической токоведущей части. В зависимости от вида и состава металла образуется характерная окраска металлизированной поверхности.

В результате длительного одновременного специфического и механического действия электрического тока возникают механические повреждения. Подобные травмы наблюдаются в виде разрывов кожи, сухожилий, нервной ткани и кровеносных сосудов. Иногда встречаются переломы костей и вывихи суставов.

Следует заметить, что в отдельных случаях электротравма возникает без прямого контакта с источником тока. Такие повреждения могут быть вызваны в результате возникновения вольтовой дуги или при образовании шагового напряжения. Шаговое напряжение – это разность потенциалов, которые возникают на расстоянии, равном промежутку между стопами при выполнении обычного шага. Например, в случае обрыва электролинии и попадании провода на землю, ток распределяется вокруг разрыва по поверхности почвы в радиусе, примерно равном десяти метрам. По мере удалении от места разрыва, ток постепенно сходит на нет. если войти в этот незримый круг, разница электрических потенциалов под правой и левой стопами вызывает повреждение, называемое шаговой электротравмой. Причем, поражение тем тяжелее, чем больше расстояние между стопами, так как разница потенциалов увеличивается пропорционально длине шага.

Экспертиза при воздействии электричества в случаях поражения атмосферным электричеством

После удара молнии на теле пострадавшего наблюдаются практически такие же повреждения, как и при воздействии электрического тока. Пострадавший теряет сознание, что может сопровождаться судорожными сокращениями мускулатуры. Нарушения работы основных жизнеобеспечивающих функций, как, например, остановка сердцебиения и прекращение дыхания в результате воздействия разряда на сосудодвигательный и дыхательный центр, расположенный в продолговатом мозге, могут стать причиной наступления летального исхода. Основное действие, оказываемое молнией, заключается в механическом и тепловом воздействии. Обычно наблюдаются ярко выраженные опаления волос, иногда – отрывы конечностей. На одежде потерпевшего присутствуют множественные разрывы, имеющие оплавленные или опаленные края. Также оплавляются металлическая фурнитура на одежде и металлические детали обуви. В результате расширения капилляров на коже пострадавшего в месте контакта с молнией образуются древовидные полосы красного или светло-розового цвета. Их называют «знаками молнии». Знаки молнии видны с течение 24-48 часов после наступления смерти и исчезают, если надавить на них пальцами.

В ходе производства экспертизы при воздействии электричества, для установления удара молнии как основной причины патологических изменений, приведших к смерти, для достоверности экспертных выводов принято полагаться не только на исследование тела, но и на анализ места происшествия. Так, в месте, куда ударила молния, обычно обнаруживаются характерные признаки – обугливание, расщепление столбов и деревьев, оплавленные конгломераты почвы и углубления на поверхности земли, имеющие форму воронки. Неподалеку от обнаруженного тела пострадавшего часто находят трупы птиц и животных, которые тоже попали в область воздействия молнии.

Правовая база производства экспертизы при воздействии электричества

Часть 2 статьи 293 Уголовного кодекса РФ предписывает ответственность должностному лицу за халатность, повлекшую за собой летальный исход или нанесение тяжкого вреда здоровью пострадавшего.

Часть 3 той же статьи предусматривает более суровое наказание за то же деяние, приведшее к смерти двух и более людей.

Подобная халатность может проявляться в виде пренебрежения правилами безопасности или нарушения требований нормативных документов, которые повлекли за собой травмы, вызванные воздействием электричества на организм пострадавшего (или пострадавших).

Вопросы, на которые отвечает специалист по производству экспертизы при воздействии электричества

  1. Какова истинная причина смерти? Наступила ли смерть в результате воздействия электрического тока?
  2. На какой части тела пострадавшего находится область контакта с источником или проводником электрического тока?
  3. Как именно располагался пострадавший относительно источника тока?
  4. Какие внешние, а также внутренние факторы привели к наступлению смерти от воздействия электрического тока?
  5. Какие хронические заболевания были у пострадавшего?
  6. Каково содержание алкоголя в крови потерпевшего?
  7. Имеются ли на теле пострадавшего иные повреждения, не связанные с воздействием электрического тока?
  8. Какова давность образования повреждений, а также характер, механизм образования и локализация?
Читайте так же:
Чем измеряется тепловое действие электрического тока 1

Проведение экспертизы по уголовному делу

Согласно Постановлению Пленума Верховного Суда Российской Федерации от 21 декабря 2010 г. N 28 «О судебной экспертизе по уголовным делам» экспертиза по уголовному делу может быть проведена либо государственным экспертным учреждением, либо некоммерческой организацией, созданной в соответствии с Гражданским кодексом Российской Федерации и Федеральным законом «О некоммерческих организациях», осуществляющих судебно-экспертную деятельность в соответствии с принятыми ими уставами.

Коммерческие организации и лаборатории, индивидуальные предприниматели, образовательные учреждения, а также некоммерческие организации, для которых экспертная деятельность не является уставной, не имеют право проводить экспертизу по уголовному делу. Экспертиза, подготовленная указанными организациями в рамках уголовного процесса, может быть признана недопустимым доказательством, т.е. доказательством, полученным с нарушением требований процессуального закона.

Недопустимые доказательства не могут использоваться в процессе доказывания, в том числе, исследоваться или оглашаться в судебном заседании, и подлежат исключению из материалов уголовного дела.

Так как АНО «Судебный эксперт» является автономной некоммерческой организацией, а проведение судебных экспертиз является её основной уставной деятельностью (см. раздел «Документы организации»), то она имеет право проводить экспертизы в том числе и по уголовным делам.

Презентация на тему: Принцип действия электрического тока

Различные действия электрического тока Сергеева .в.е Г.Удомля УСОШ № 4 900igr.net

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц. Для существования электрического тока необходимы следующие условия: наличие свободных электрических зарядов в проводнике; наличие внешнего электрического поля для проводника.

Классификация источников тока Источник тока Способ разделения зарядов Применение Фотоэлемент Действие света Солнечные батареи Термоэлемент Нагревание спаев Измерение температуры Электромехани-ческий генератор Совершение механической работы Производство промышленной электрической энергии Гальванический элемент Химическая реакция Фонарики, радиоприемники Аккумулятор Химическая реакция Автомобили

3 2 1 Источники тока – это устройства, преобразующие любой вид энергии в электрическую

Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. До конца XVIII века все технические источники тока были основаны на электризации трением. Наиболее эффективным из этих источников стала электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях; в результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака). Электрофорная машина

Тепловой источник тока – внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию. Термопара Если две проволоки из разных металлов спаять с одного края, а затем нагреть место спая, то в них возникает ток – заряды при нагревании спая разделяются. Термоэлементы применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях в качестве датчика температуры. Термоэлемент (термопара)

Энергия света c помощью солнечных батарей преобразуется в электрическую энергию. Солнечная батарея При освещении некоторых веществ светом, в них появляется ток – световая энергия превращается в электрическую энергию. В данном приборе заряды разделяются под действием света. Фотоэлементы применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах. Фотоэлемент

Электромеханический генератор. Заряды разделяются путем совершения механической работы. Применяется для производства промышленной электроэнергии. Электромеханический генератор Генератор (от лат. generator — производитель) – устройство, аппарат или машина, производящая какой-либо продукт.

Устройство гальванического элемента Гальванический элемент – химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительной реакцией.

Аккумулятор – химический источник тока многоразового действия. Если поместить в раствор соли два угольных электрода, то гальванометр не показывает наличие тока. Если же аккумулятор предварительно зарядить, то его можно использовать в качестве самостоятельного источника тока. Существуют различные типы аккумуляторов: кислотные и щелочные. Заряды в них разделяются также в результате химических реакций. Аккумулятор Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных потребителей.

Действия электрического тока

1. Тепловое действие тока. 1. Тепловое действие тока. Ток, проходя по проводнику, нагревает его

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

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

Магнитопровода изготовляют из магнитно-мягких материалов – обычно из электротехнической или качественной конструкционной стали, литой стали и чугуна, железоникелевых и железокобальтовых сплавов. Электромагнит — устройство, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Электромагнит Обмотки электромагнитов изготовляют из изолированного алюминиевого или медного провода, хотя есть и сверхпроводящие электромагниты.

Это катушка, состоящая из большого числа витков провода, намотанного на деревянный каркас. Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к ее концам, при отключении тока они падают. Электромагнит

Магнитное действие катушки с током можно значительно усилить, не меняя число ее витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введенное внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки. Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом. Электромагнит — одна из основных деталей многих технических приборов. Электромагнит

Включим в цепь, содержащую катушку, реостат и при помощи него будем изменять силу тока в катушке. При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении — ослабляется. Электромагнит

Дугообразный электромагнит, удерживающий якорь (железную пластинку) с подвешенным грузом. Электромагниты Электромагнит разборный демонстрационный ЭМРД.

Применение электромагнитов Электромагниты однофазные переменного тока предназначены для дистанционного управления исполнительными механизмами различного промышленного и бытового назначения. Электромагниты широко применяют в технике благодаря их замечательным свойствам. Они быстро размагничиваются при выключении тока, их можно изготавливать (в зависимости от назначения) самых различных размеров, во время работы электромагнита можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.

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.»

отрицательное: 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

Читайте так же:
Тепловое действие тока в домашних условиях

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.

положительное: 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.

ТЕСТ 1. Какое действие электрического тока используется в электрических лампочках? Тепловое Магнитное Химическое Механическое

2. Какое действие электрического тока используется при поднимании деталей при помощи электромагнита: Тепловое Магнитное Химическое механическое

3. Какое действие электрического тока используется в гальванометрах: Тепловое Магнитное химическое механическое

4. Какое действие электрического тока используется при золочении и серебрении ювелирных изделий: Тепловое Магнитное химическое механическое

5. Какое действие электрического тока используется при работе электрической швейной машины: Тепловое Магнитное химическое механическое

Задача 1 Какое количество теплоты выделится в следующих проводниках за 5 минут? № приемник напряжение Сила тока время Количество теплоты 1 Лампочка карманного фонаря 6 В 0,28 А 300 сек 1008 ДЖ 2 Электрическая плитка 220 В 2,5А 300 сек 412500 ДЖ 3 Сетевая лампа 220 В 0,315 А 300 сек 6548 ДЖ 4 Нагревательная спираль 9,2 В 3,19 А 300 сек 28086 ДЖ

Задача 2 Кипятильник с сопротивлением R опустили в воду массой m при температуре T1 и включили в сеть напряжением U . Через некоторое время кипятильник выключили. Найдите температуру воды. № напряжение время сопротивление Масса воды Начальная температура Конечная температура 1 220 В 1200 сек 160 Ом 0,5 кг 20 С — 2 220 В 1200 сек 160 Ом 1,2 кг 20 С 92,2 С 3 220 В 2100 сек 95 Ом 1,13 кг 6 С — 4 220 В 2100 сек 295 Ом 1,13 кг 6 С 78,8 С 5 36 В 240 сек 14 Ом 0,21 кг 17 С 42,2 С

Задача 3 Какое количество вещества выделится на электроде при следующих параметрах: металл Сила тока Химический эквивалент время Масса вещества Никель 2 А 0,36*10-6 50 мин 1800 мг Олово 1,8 А 0,62*10-6 10 мин 650 мг Серебро 0,86 А 0,12*10-6 4 мин 210 мг Хром 1,42 А 0,18*10-6 57 мин 870 мг Цинк 2,86 А 0,34*10-6 36 мин 2120 мг

Применение теплового действия электрического тока в быту

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.

Магнитное действие тока

Медь сама по себе не притягивается к магниту. В этом можно убедиться с помощью небольшого магнита и кусочка медного провода (рис. 5а).

На рисунке 5 кусок медного провода подвешен к двум штативам с помощью тонких нитей, не проводящих электрический ток.

Однако, во время протекания электрического тока, медный проводник начинает взаимодействовать с магнитом — притягиваться, или отталкиваться от него (рис. 5б).


Рис. 5. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле, благодаря этому проводник взаимодействует с магнитом

С магнитом взаимодействует не сам медный проводник, а ток, протекающий по этому проводнику.

Почему проводок с током взаимодействует с магнитом

Электрический ток — это большое количество электронов, бегущих по проводку от одного его края к другому краю. Электроны обладают зарядом.

Вокруг движущихся зарядов возникает магнитное поле. Благодаря этому проводок с током превращается в маленький магнитик. И начинает взаимодействовать с магнитом, притягиваясь к нему, или отталкиваясь от него.

При этом, проводок, как более легкий предмет, будет двигаться. А магнит продолжит оставаться на месте. Из-за того, что его масса значительно больше массы кусочка провода.

Направление движения проводка зависит от полярности его подключения к батарейке и, от того, как располагаются полюса магнита.

На магнитном действии тока основано действие электромагнита.

Самодельный электромагнит

Его легко изготовить из куска гибкой изолированной медной проволоки и железного гвоздя.

Гвоздь нужно обернуть кусочком бумаги – гильзой (рис. 6). Затем на гильзу нужно намотать 200 – 300 витков тонкого медного провода в изоляции. К выводам полученной катушки нужно подключить батарейку от карманного электрического фонаря.


Рис. 6. Из подручных материалов можно изготовить самодельный электромагнит

Во время протекания тока, к гвоздю притягиваются различные мелкие железные предметы – скрепки, кнопки, гвоздики, железные стружки, опилки и т. п.

Отсоединив батарейку, увидим, что как только ток прекращается, гвоздь перестает притягивать к себе железные предметы.

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:

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:

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:

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:

и, подставив в формулу выше, получаем:

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.

Химическое действие тока

Электрический ток, проходя через растворы некоторых кислот, щелочей или солей, вызывает выделение из них вещества. Это вещество осаждается на электродах – пластинках, опущенных в раствор и подключенных к источнику тока.

Такое действие тока используют в гальванопластике – покрытии металлом некоторых поверхностей. Применяют никелирование, омеднение, хромирование, а, так же, серебрение и золочение поверхностей.

С помощью раствора медного купороса можно продемонстрировать выделение вещества под действием тока. Водный раствор этой соли имеет голубоватый оттенок. Пропуская электрический ток (ссылка) через раствор, можно обнаружить выделение меди на одном из электродов (рис. 3).


Рис. 3. Из раствора медного купороса при протекании тока выделяется медь, осаждаясь на одном из электродов

Читайте так же:
Оборудование для наблюдение теплового действия электрического тока

На каком электроде будет выделяться медь

Медь в растворе купороса присутствует в виде положительных ионов. Тела, имеющие разноименные заряды, притягиваются. Поэтому, ионы меди будут притягиваться к пластинке, имеющей заряд со знаком «минус». То есть, пластинке, подключенной к отрицательному выводу источника тока. Такую пластинку называют отрицательным электродом, или катодом.

Вторую пластинку, подключенную к положительному выводу батареи, называют анодом.

Примечание: Медный купорос можно найти в хозяйственном магазине. Его химическая формула (large CuSO_<4>). Он используется в сельском хозяйстве для опрыскивания листвы плодовых деревьев, кустарников и овощных культур – к примеру, томатов, картофеля. Входит в составы различных растворов, применяемых в борьбе с болезнями растений и насекомыми-вредителями.

Применение химического действия тока в медицине

Химическое действие тока применяют не только в гальванопластике.

Пропускание электрического тока через растворы вызывает в них движение заряженных частиц вещества – положительных и отрицательных ионов. Человеческое тело содержит жидкости, в которых растворены некоторые вещества. А значит, в таких жидкостях присутствуют ионы.

Прикладывая специальные электроды, смоченные растворами лекарств на отдельные участки тела, и пропуская через них маленькие токи, можно вводить в организм некоторые лекарственные препараты (рис. 4).


Рис. 4. На химическом действии тока основан электрофорез

Такое введение лекарств называют электрофорезом и используется в физиопроцедурных кабинетах поликлиник и санаториев.

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.

Электрический ток, проходя через любой проводник, сообщает ему некоторое количество энергии. В результате этого проводник нагревается. Передача энергии происходит на молекулярном уровне, т. е., электроны взаимодействуют с атомами или ионами проводника и отдают часть своей энергии. В результате этого, ионы и атомы проводника начинают двигаться быстрей, соответственно можно сказать, что внутренняя энергия увеличивается и переходит в тепловую энергию. Данное явление подтверждается различными опытами, которые говорят о том, что вся работа, которую совершает ток, переходит во внутреннюю энергию проводника, она в свою очередь увеличивается. После этого уже проводник начинает отдавать её окружающим телам в виде тепла. Здесь уже в дело вступает процесс теплопередачи, но сам проводник нагревается. Этот процесс рассчитывается по формуле: А=U·I·t А – это работа тока, которую он совершает, протекая через проводник. Можно также высчитать количество теплоты, выделяемое при этом, ведь это значение равно работе тока. Правда, это касается, лишь неподвижных металлических проводников, однако, такие проводники встречаются чаще всего. Таким образом, количество теплоты, также будет высчитываться по той же форме: Q=U·I·t. История открытия явления В своё время свойства проводника, через который протекает электрический тока, изучали многие учёные. Особенно среди них были заметны англичанин Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Каждый из них проводил свои собственные опыты, а вывод они смогли сделать независимо друг от друга. На основе своих исследований, они смогли вывести закон, который позволяет дать количественную оценку выделяемого тепла в результате воздействия электрического тока на проводник. Данный закон получил название «Закон Джоуля-Ленца». Джеймс Джоуль установил его в 1842 году, а примерно через год Эмиль Ленц пришёл к тому же выводу, при этом их исследования и проводимые опыты никак не были связаны друг с другом. Применение свойств теплового действия тока Исследования теплового воздействия тока и открытия закона Джоуля-Ленца позволили сделать вывод, подтолкнувший развитие электротехники и расширить возможности применения электричества. Простейшим примером применения данных свойства является простая лампочка накаливания. Устройство её заключается в том, что в ней применяется обычная нить накаливания, сделанная из вольфрамовой проволоки. Этот металл был выбран не случайно: тугоплавкий, он имеет довольно высокое удельное сопротивление. Электрический ток проходит через эту проволоку и нагревает её, т. е. передаёт ей свою энергию. Энергия проводника начинает переходить в тепловую энергию, а спираль разогревается до такой температуры, что начинает светиться. Главным недостатком такой конструкции, конечно, является то, что происходят большие потери энергии, ведь только небольшая часть энергии преобразуется в свет, а остальная уходит в тепло. Для этого вводится такое понятие в техники, как КПД, показывающее эффективность работы и преобразования электрической энергии. Такие понятия как КПД и тепловое воздействие тока применяются повсеместно, так как существует огромное количество приборов основанных подобном принципе. Это в первую очередь касается нагревательных приборов: кипятильников, обогревателей, электроплит и т. д. Как правило, в конструкциях перечисленных приборах присутствует некая металлическая спираль, которая и производит нагревание. В приборах для нагревания воды она изолирована, в них устанавливается баланс между потребляемой из сети энергией (в виде электрического тока) и тепловым обменом с окружающей средой. В связи с этим, перед учёными стоит нелёгкая задача по снижению потерь энергии, главной целью является поиск наиболее оптимальной и эффективной схемы. В данном случае тепловое воздействие тока является даже нежелательным, так как именно оно и ведёт к потерям энергии. Самым простым вариантом является повышение напряжения при передаче энергии. В результате снижается сила тока, но это приводит к снижению безопасности линий электропередач. Другое направление исследований – это выбор проводов, ведь от свойств проводника зависят и тепловые потери и прочие показатели. С другой стороны, различные нагревательные приборы требуют большого выделения энергии на определённом участке. Для этих целей изготавливают спирали из специальных сплавов. Для повышения защиты и безопасности электрических цепей применяются специальные предохранители. В случае чрезмерного повышения тока сечение проводника в предохранителе не выдерживает, и он плавится, размыкая цепь, защищая, таким образом, её от токовых перегрузок.

Принцип работы нагревательных приборов

Чтобы правильно оценить эффективность того или иного устройства, применяют коэффициент полезного действия. Данная величина представляет собой отношение полезной энергии ко всему количеству затраченной или потребленной энергии.

Все электрические нагревательные приборы работают на основе теплового действия тока. Их основным элементом, осуществляющим нагрев, служит спираль, материал которой имеет значительное удельное сопротивление. Для ее размещения применяются изоляторы из керамики с высокой теплопроводностью.

В приборах, предназначенных для нагревания жидкостей, для размещения изолированной спирали используются специальные трубки, материалом которых служит нержавеющая сталь.

В процессе работы прибора, его спираль имеет постоянную температуру, за счет баланса, который очень быстро устанавливается между электроэнергией и теплотой, поступающей в окружающую среду.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию