Schetchiksg.ru

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

Тепловое действие тока физика кратко

Закон Джоуля — Ленца

Закон Джоуля — Ленца

Закон Джоуля — Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Открыт в 1840 году независимо Джеймса Джоуля и Эмилия Ленца.

В словесной формулировке звучит следующим образом [1]

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

Математически может быть выражен в следующей форме:

где w — мощность выделения тепла в единице объёма, — плотность электрического тока, — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах [2] :

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка

В математической форме этот закон имеет вид

где dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t1 до t2. В случае постоянных силы тока и сопротивления:

Содержание

Практическое значение

Снижение потерь энергии

При передаче электроэнергии тепловое действие тока является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Поскольку передаваемая мощность линейно зависит как от напряжения, так и от силы тока, а мощность нагрева зависит от силы тока квадратично, то выгодно повышать напряжение перед передачей электроэнергии, понижая в результате силу тока. Однако, повышение напряжения снижает электробезопасность линий электропередачи.

Для применения высокого напряжения в цепи для сохранения прежней мощности на полезной нагрузке приходится увеличивать сопротивление нагрузки. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно. Сопротивление проводов () можно считать постоянным. А вот сопротивление нагрузки () растёт при выборе более высокого напряжения в сети. Также растёт соотношение сопротивления нагрузки и сопротивления проводов. При последовательном включении сопротивлений (провод — нагрузка — провод) распределение выделяемой мощности () пропорционально сопротивлению подключённых сопротивлений.

Ток в сети для всех сопротивлений постоянен. Следовательно, выполняются соотношение

и для в каждом конкретном случае являются константами. Следовательно, мощность, выделяемая на проводах, обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки, то есть уменьшается с ростом напряжения, так как . Откуда следует, что . В каждом конкретном случае величина является константой, следовательно, тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе.

Выбор проводов для цепей

Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при сборке электрических цепей достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют, в частности, выбор сечения проводников.

Электронагревательные приборы

Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.

За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.

Читайте так же:
Выключатель теплого пола grand meyer

Плавкие предохранители

Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.

Тепловое действие тока физика кратко

Раздел ОГЭ по физике: 3.9.Закон Джоуля-Ленца
Раздел ЕГЭ по физике: 3.2.8. Работа электрического тока. Закон Джоуля–Ленца

Рассмотрим Закон Джоуля-Ленца и его применение.

При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию. Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: Q = А или Q = IUt . Учитывая, что U = IR, в результате получаем формулу:

Q = I 2 Rt , где

Q — количество выделяемой теплоты (в Джоулях)
I — сила тока (в Амперах)
R — сопротивление проводника (в Омах)
t — время прохождения (в секундах)

♦ Закон Джоуля–Ленца : количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

В XIX в. независимо друг от друга англичанин Д. Джоуль и россиянин Э. Ленц изучали нагревание проводников при прохождении электрического тока и опытным путём обнаружили закономерность: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени: Q = I 2 Rt (в случае постоянных силы тока и сопротивления). Эту закономерность называют законом Джоуля-Ленца. Данный закон дает количественную оценку теплового действия электрического тока.

Применяя закон Ома, можно получить эквивалентные формулы: Q = IUt , Q= U 2 t/R

Где применяется закон Джоуля-Ленца ?

1. Например, в лампах накаливания и в электронагревательных приборах применяется закон Джоуля-Ленца. В них используют нагревательный элемент, который является проводником с высоким сопротивлением. За счет этого элемента можно добиться локализованного выделения тепла на определенном участке. Выделение тепла будет появляться при повышении сопротивления, увеличении длины проводника, выбором определенного сплава.

2. Одной из областей применения закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии. Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии. При передаче электроэнергии, передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а сила нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если повышать напряжение, при этом понижая силу тока перед подачей электроэнергии, то это будет более выгодно. Но повышение напряжения ведет к снижению электробезопасности. Для повышения уровня электробезопасности повышают сопротивление нагрузки соответственно повышению напряжения в сети.

3. Также закон Джоуля-Ленца влияет на выбор проводов для цепей. Потому что при неправильном подборе проводов возможен сильный нагрев проводника, а также его возгорание. Это происходит когда сила тока превышает предельно допустимые значения и выделяется слишком много энергии.

Нагревание проводов является вредным, поскольку приводит к потерям электроэнергии при передаче ее от источника к потребителю. Для уменьшения этих потерь силу тока уменьшают, повышая напряжение источника с тем, чтобы передаваемая мощность осталась прежней. Чтобы избежать электрического пробоя изоляции проводов, их поднимают на большую высоту на мачтах высоковольтных линий электропередач, связывающих крупные электростанции с городами и поселками, отстоящими от них на десятки и сотни километров.

Читайте так же:
Мощность тепловыделения при протекании тока

Вы смотрели конспект урока физики в 8 классе «Закон Джоуля-Ленца и его применение».
Выберите дальнейшие действия:

Действия электрического тока

Урок 35. Физика 8 класс

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Действия электрического тока»

Как мы уже убедились, объяснение электрических явлений требует рассмотрения микроскопических процессов, которые мы не в состоянии увидеть. Поэтому, определить, есть ли ток в том или ином проводнике можно лишь с помощью наблюдений за некоторыми явлениями, которые вызывает электрический ток. Эти явления называют действиями электрического тока.

Одно из самых очевидных действий тока — это тепловое действие. Наверное, многие замечали, что некоторые провода или приборы нагреваются, если через них проходит ток. Кроме того, если закрепить проволоку между полюсами источника тока, то она немного провиснет, когда нагреется.

Также, мы уже затрагивали химическое действие тока, при объяснении работы простейшего аккумулятора. При прохождении тока через тот или иной раствор выделяются положительные и отрицательные частицы.

Существует также и магнитное действие тока, с которым мы подробно ознакомимся чуть позже.

Наблюдая за действиями электрического тока, люди научились не только распознавать его присутствие, но и создавать некоторые приборы для измерения тех или иных параметров.

Зная о действиях тока можно разобраться, как работает кипятильник.

Воткнув его в розетку, мы подключаем его к источнику тока. Провод, как мы помним, состоит из металлического проводника (чаще всего меди или алюминия) и непроводника (такого, как некий слав резины и пластмассы), предназначенного для изоляции. Таким образом, мы можем держаться за провод, несмотря на то, что через него проходит электрический ток. Однако, мы также знаем, что бросив кипятильник в воду, в воде не происходят химические реакции и не происходит короткое замыкание. Значит, металлическая часть кипятильника сделана из металла с хорошей теплопроводностью, но ни в коем случае не находится под напряжением (потому что внутри трубки кипятильника находится электроизолятор с хорошей теплопроводностью).

Нагревание воды с помощью кипятильника или чайника — это наглядный пример превращения энергии в ту или иную форму. Механическая энергия реки используется на гидроэлектростанциях для генерирования электроэнергии, а электроэнергия используется для нагревания воды, т.е. превращается во внутреннюю энергию.

Следует заметить, что на каждом этапе подобных превращений, потери энергии неизбежны. Мы уже знаем, что не существует идеальных двигателей, значит, потери энергии происходят уже на станции. Кроме того, поскольку провода нагреваются, и их тепло передаётся окружающей среде, энергия тоже фактически теряется.

Урок по физике «ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. зАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА» (8 класс)

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

Цель урока: изучить тепловое действие электрического тока, закон Джоуля-Ленца.

Задачи урока:

Образовательная – обеспечить восприятие, осмысление и первичное закрепление закона Джоуля-Ленца, формула и формулировка.

Читайте так же:
Тепловые генераторы переменного тока

Развивающая — способствовать развитию умения работать с формулами, умению решать задачи.

Воспитательная – способствовать развитию коммуникативных навыков, умению работать в группах, парах, способствовать повышению интереса к изучению физики.

1) Организационный этап. Проверка д/з

-Здравствуйте ребята. Прозвенел звонок веселый

Все готовы? Всё готово?

Начинаем наш урок.

В мире много интересного,

Нам порою неизвестного.

Миру знаний нет предела.

Так скорей друзья за дело!

Проверка дз взаимооценивание

У вас на партах есть листы успешности. Запишите пожалуйста в них ваши фамилии. Проверим домашнее задание. Обменяйтесь тетрадями. Инструкция по проверке домашнего задания на партах. Проверяем и выставляем баллы. Если вам что-то непонятно или вы справитесь раньше времени сообщите используя сигнальные знаки. На это задание у вас 3 минуты. Время пошло.

1.Анализ выполнения домашнего задания

1.1. На дом, что было задано заполнить таблицу в тетради: выписать электроприборы, имеющиеся в доме, их мощность, время работы часто используемых приборов, примерный суточный расход электрической энергии, стоимость этой энергии:

Мощность прибора, Вт

Время работы в день, ч

Суточный расход эл.энергии, кВтч

Стоимость этой энергии

Холодильник

Какой прибор потребляет больше энергии за 1с?

Какие приборы, используемые в вашем доме, оказались наиболее энергоемкими?

Каков средний суточный расход электроэнергии в вашем доме?

Все проверили баллы выставили возвращаем тетради. Выставите баллы по домашнему заданию в лист успешности.

Вывод: какой прибор наиболее энергоемкий у вас дома?

2) Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности учащихся.

Ребята без чего не смогли бы работать эти приборы?(без эл тока)

Что такое электрический ток?

Какие действия электрического тока вы знаете?

Включает настольную лампу.

Вопрос учащимся:

Какое действие тока проявляется при свечении лампы? Преобразование каких энергий происходит при этом? Вы догадались какая тема нашего урока?

«Тепловое действие электрического тока» (проговаривают ученики). «Закон Джоуля-Ленца» (добавляет учитель).

Открываем тетради записываем число, тему

Какую цель вы, ребята, ставите перед собой на уроке?

Объяснить причину нагревания проводников электрическим током;

вывести и сформулировать закон Джоуля – Ленца

использовать полученные на уроках знания в повседневной жизни;

научиться применять этот закон для решения задач.

3) Актуализация знаний

Ребята, чтобы лучше понять новый материал нам необходимо вспомнить ранее изученное

Что называется внутренней энергией?

2.Какие существуют способы изменения внутренней энергии?

Что такое количество теплоты?

Что характеризует сила тока?

В чем причина сопротивления, оказываемого проводником току?

Сформулировать закон Ома для участка цепи.

Вспомните формулу для нахождения работы электрического тока.

Молодцы, все вспомнили. Обращаемся к листам успешности. Выставите себе баллы за устную работу.

4)Первичное усвоение новых знаний

Почему при протекании тока в проводнике этот проводник нагревается .

Давайте еще раз вспомним что такое эл. ток. В металлах заряженные частицы какие? Что находится в узлах крист. Решетки? Что происходит с внутр. Энергией и температурой.

Предполагаемый ответ Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлических проводниках – это электроны. Они движутся и взаимодействуют с ионами кристаллической решетки. Свободные электроны в проводнике, разгоняемые электрическим полем, соударяются с ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки, и передают им часть своей энергии. В результате увеличивается внутренняя энергия проводника и его температура растет.

Читайте так же:
Тепловое свойство электрического тока

Однако температура проводника растет не бесконечно. Почему?

Проводник передает полученную энергию окружающим телам.

Как называется энергия, переданная от одного тела к другому?

Количество теплоты

Давайте подумаем, от чего зависит энергия, выделяемая проводником.

записывает предположения учеников на доске.

предлагают варианты : сила тока (чем больше сила тока, тем больше частиц протекает через поперечное сечение проводника)

Можно задать наводящий вопрос: «По спирали лампы и подводящим проводам протекает одинаковый ток, так как они соединены последовательно. Почему же спираль лампы нагревается так, что светится, а подводящие провода почти не нагреваются?»

сопротивление проводника (чем больше сопротивление, тем сильнее частицы взаимодействуют с ионами кристаллической решетки),

время протекания тока (чем дольше протекает ток в проводнике, тем больше энергии выделится).

С другой стороны: за счет чего растет внутренняя энергия проводника?

за счет совершения работы электрическим током

И по закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое в проводнике равно этой работе (при условии, что проводник неподвижен), то есть А = I · U · t . Ребята учитывая что А = Q и то что Q зависит от данных величин попробуйте установить эту зависимость . Делать вы это будете вместе а затем выберете представителя который расскажет и докажет все у доски. Если возникнут вопросы или справитесь раньше назначенного времени воспользуйте сигнальными знаками. На работу 4 минуты.

Отражает ли данная формула те зависимости, которые вы выдвинули?

Нет. Нет зависимости от сопротивления. Надо воспользоваться законом Ома для участка цепи U = I·R. Следовательно, получаем Q = I 2 ·R·t.

Выходит к доске Итог

Коллективно оценить.

Мы с вами теоретическим путем получили закон, который был получен экспериментально независимо друг от друга английским ученым Джеймсом Джоулем и русским ученым Э.Х. Ленцем. Запишите эту формулу в тетрадь. Сформулируйте закон. Проверим по учебнику , запишем в тетрадь.

Историческая справка (слайд1)

Задание «Восстанови формулы».

Предлагаются дифференцированные задания по выбору.

Один вариант выполняет задание «Восстанови формулы» по выбору. Цепочка первого уровня сложности содержит преимущественно основные формулы, во втором уровне сложности – производные. (4 м)

Ребята не забываем выставлять баллы в оценочные листы

Решение задач (5 мин)

Ребята наш урок подходит к завершению. Итак, давайте проанализируем достигнуты ли цели которые вы поставили в начале урока.

Выставление оценок сдать листы.

Ребята, у вас на партах лежат магниты. Пожалуйста их в том месте, которое наиболее отвечает вашему настроение.

Спасибо за урок. До свиданья.

Джоуль Джеймс

Джеймс Джо́уль — английский физик, внесший значительный вклад в становление термодинамики.Экспериментально и теоретически изучал природу тепла и обнаружил её связь с механической работой. Открыл связь между током, текущим через проводник с определённым сопротивлением и выделяющимся при этом количеством теплоты (закон Джоуля — Ленца). Внёс значительный вклад в технику физического эксперимента, усовершенствовал конструкции многих измерительных приборов. В честь Джоуля названа единица измерения энергии — джоуль.

Джеймс Джоуль в 1841 году открыл названный его именем закон, устанавливающий квадратичную зависимость между силой тока и выделенным этим током в проводнике количеством теплоты (фигурирует как закон Джоуля — Ленца, так как 1842 году независимо этот закон был открыт российским физиком Ленцем).

.В 1850-е годы публикует большую серию статей о совершенствовании электрических измерений, предлагая конструкции вольтметров, гальванометров, амперметров, обеспечивающие высокую точность измерений; в целом в течение всей научной практики Джоуль уделял значительное внимание экспериментальной технике, позволяющей получать высокоточные результаты. С детства страдал из-за болезни позвоночника, а с начала 1870-х годов из-за плохого состояния здоровья практически не работал. Скончался в 1889 году.

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

Ленц Эмилий Христианович

Ленц Эмилий Христианович (1804-1865), знаменитый русский физик, академик. Ленц известен своими замечательными работами по электромагнетизму и изучению теплового действия электрического тока. Установил (1833) правило, названное его именем, экспериментально обосновал закон Джоуля — Ленца. В 1842 году Ленц открыл независимо от Джеймса Джоуля закон, согласно которому количество тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока сопротивлению проводника и времени.

Он открыл важные закономерности суточного и годового хода температуры и давления воздуха, ветровой деятельности, испарения воды, конденсации водяного пара и образования облаков, электрических и оптических явлений в атмосфере: объяснил происхождение голубого цвета неба, радуги, кругов около Солнца и Луны и ряда редких атмосферных явлений.

Ленц пришел к выводу, что из-за увеличения плотности воды с широтой в Мировом океане наряду с течениями, вызываемыми ветром и наклоном уровня, должно существовать общее и не менее сильное движение поверхностных вод из тропической зоны в области высоких широт и движение глубинных вод из этих областей в тропическую зону.

Умер Э.Х. Ленц 10 февраля 1865 года.

А теперь выполните тест самостоятельно. Подпишите фамилию, правильный ответ обводите кружком, задачу решите в тетради. Время на выполнение 6 мин. Запишите в тетради коды своих ответов. Сдайте работы и проверьте себя (коды правильных ответов на доске). Поставьте себе отметку: Все правильно – «5»;. 1 ошибка – «4»; 2 ошибки – «3».

1. Работу электрического тока можно вычислить по формуле:

А . IU ; Б . IR ; В . IUt ; Г . ρl / S.

2. Единица измерения количества теплоты:

А. Вт; Б. Дж; В. В; Г. А.

3. Какое количество теплоты выделится в нити электрической лампы в течение 1 минуты, если лампа потребляет ток силой 1 А при напряжении 110 В?

А. 6600Дж; Б. 110Дж;

В. 6,6 кВт; Г. 110 Вт.

4. Три резистора, сопротивления которых равны R 1 = 1 Ом, R 2 = 2 Ом, R 3 = 3 Ом, включены в цепь постоянного тока последовательно. На ка ком резисторе выделится большее количество теплоты?

А. На R 1 ; Б. На R 2 ; В. На R 3 ;

Г. На всех резисторах выделится одинаковое количество теплоты.

1. Количество теплоты, выделяемое проводником с током, находится по формуле:

А . IU ; Б . IR ; В . I 2 Rt ; Г . ρl/S .

2. Единица измерения работы электрического тока:

А. Вт; Б. Дж; В. В; Г. А.

3. Какое количество теплоты выделится за 20 мин в проволочной спирали сопротивлением 20 Ом при силе тока 5А?

А. 2000 Дж; Б. 120 кДж;

В. 10 кДж; Г. 600 кДж.

4. Три резистора, сопротивления которых равны R 1 = 1 Ом, R 2 = 2 Ом, R 3 = 3 Ом, включены в цепь постоянного тока последовательно. На ка ком резисторе выделится меньшее количество теплоты?

А. На R 1 ; Б. На R 2 ; В. На R 3 ;

Г. На всех резисторах выделится одинаковое количество теплоты.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию