Краткая теория.
Тепловое действие тока используется не только в физике, но и в промышленности
для обеспечения технологических процессов. Нагрев обеспечивается за счет выделения
тепла в проводящих материалах. При прохождении электрического тока через металлический проводник электроны сталкиваются с нейтральными молекулами или с молекулами потерявшими электроны, в местах контакта деталей при пропускании электрического тока.
Выделение тепла при пропускании электрического тока обеспечивается за счет физического процесса носящего название закон Джоуля – Ленца.
Формула для работы A = UIt.
В неподвижных проводниках вся работа тока идет лишь на нагревание проводников, т.
е. на то, чтобы увеличь их внутреннюю энергию.
Из закона Ома для участка цепи U = IR. Если это учесть, то Q = I2 Rt.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению
квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.
Это и есть закон Джоуля – Ленца.
Необходимо заметить, что формулы Q = I2 Rt, Q = UIt и Q = U2 t/R, вообще говоря, не
идентичны. Дело в том, что первая формула всегда определяет превращение
электрической энергии во внутреннюю, т. е. количество теплоты. По другим формулам в общем случае определяют расход электрической энергии, идущей как
на нагревание, так и на совершение механической работы. Для неподвижных
проводников эти формулы совпадают.
Вы неоднократно наблюдали тепловое действие тока в бытовых приборах, в
с лампах накаливания. Накал лампы возрастал при увеличении
тока. Но нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от
сопротивления проводников.
Запомнить!!!
Нагревание проводников зависит от их сопротивления.
Чем больше сопротивление проводника, тем больше он нагревается.
!!!!
Устройство лампы накаливания:
На рисунке изображена газонаполненная лампа накаливания. Концы спирали 1
приварены к двум проволокам, которые проходят сквозь стержень из стекла 2 и
припаяны к металлическим частям цоколя 3 лампы: одна проволока — к винтовой
нарезке, а другая — к изолированному от нарезки основанию цоколя 4 Для
включения лампы в сеть ее ввинчивают в патрон. Внутренняя часть патрона
содержит пружинящий контакт 5, касающийся основания цоколя лампы, и
винтовую нарезку 6, удерживающую лампу. Пружинящий контакт и винтовая
нарезка патрона имеют зажимы, к которым прикрепляют провода от сети.
Тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и
установках.
В домашних условиях широко применяют электрические плитки, утюги, чайники, кипятильники, тостеры, бойлеры и т.д..
В промышленности тепловое действие тока используют для выплавки специальных сортов стали и многих других металлов, для электросварки.
В сельском хозяйстве с помощью электрического тока обогревают теплицы, инкубаторы, сушат зерно.
Основная часть всякого нагревательного электрического прибора — нагревательный
элемент. Нагревательный элемент представляет собой проводник с большим
удельным сопротивлением, способный, кроме того, выдерживать, не разрушаясь,
нагревание до высокой температуры (до 1000—1200 °С).
Чаще всего для изготовления нагревательного элемента применяют сплав никеля, железа, хрома и марганца, известный под названием «нихром». Удельное сопротивление нихрома
ρ= 1,1 Ом∙мм2/м что примерно в 70 раз больше удельного сопротивления меди.
Большое удельное сопротивление нихрома дает возможность изготовлять из него
весьма удобные — малые по размерам — нагревательные элементы.
Ответить на вопросы:
1. Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается?
2. Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали
нагревательных элементов?
3. Две проволоки одинаковой длины и сечения - железная и медная - соединены
параллельно. В какой из них выделится большее количество теплоты?
4. Спираль электрической плитки укоротили. Как изменится количество
выделяемой в ней теплоты, если плитку включить в то же напряжение?
4. В чем проявляется тепловое действие тока? При каких условиях оно
наблюдается?
6. Почему, когда по проводнику пропускают электрический ток, проводник
удлиняется?
Решить три задачи с целью закрепления материала.
Задача №1. Определите количество теплоты, которое дает электроприбор мощностью 2 кВт за
10 мин работы?
Задача № 2. Какое количество теплоты выделится в течение часа в проводнике
сопротивлением 10 Ом при силе тока 2 А?
Задача №3. Какое сопротивление нужно включить в сеть с напряжением 220 В, чтобы в
нем за 10 мин выделилось 66 кДж теплоты?