8 класс. Урок 55-56. Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.

Тепловое действие электрического тока

Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока увеличивается скорость колебаний ионов и атомов и внутренняя энергия проводника увеличивается. Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока. Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле:  А = U·I·t

Видеоурок: Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.

Интерактивный учебник: Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.

Интерактивный тест: Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца

Обозначим количество теплоты буквой Q. Согласно сказанному выше Q = A, тогда можно записать: Q = U·I·t. 

Закон, количественно описывающий тепловое действие тока, опытным путем установил английский физик Джеймс Джоуль в 1841 году и независимо от него русский ученый Эмилий Ленц 1842 года. Он называется законом Джоуля-Ленца и читается так:
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения по нему тока.

Для неподвижных проводников эти формулы совпадают. 

Эти формулы можно ис­поль­зо­вать толь­ко тогда, когда вся ра­бо­та элек­три­че­ско­го тока рас­хо­ду­ет­ся толь­ко на на­гре­ва­ние. Если на участ­ке цепи есть по­тре­би­те­ли энер­гии, в ко­то­рых вы­пол­ня­ет­ся ме­ха­ни­че­ская ра­бо­та или про­ис­хо­дят хи­ми­че­ские ре­ак­ции, эти фор­му­лы ис­поль­зо­вать нель­зя (в таких слу­ча­ях при­ме­ня­ют­ся слож­ные ма­те­ма­ти­че­ские рас­чё­ты).

ВАЖНО:

При последовательном соединении большее количество теплоты выделяется на проводнике с большим сопротивлением.

При параллельном соединении большее количество теплоты выделяется на проводнике с меньшим сопротивлением.

Электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Если по той или иной причине сила тока в цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция - воспламениться. Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока, например электрических плиток, или короткое замыкание.

Коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте проводки под током  или при случайном соприкосновении оголенных проводов. 

Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители. Назначение предохранителей - сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Качественные вопросы

1) Две проволоки одинаковых длины и сечения — железный и медный — соединены последовательно. В каком из них выделится большее количество теплоты?

2) Две проволоки одинаковых длины и сечения — железный и медный — соединены параллельно. В каком из них выделится большее количество теплоты?

3) Спираль электрической плитки укоротили. Как изменится количество теплоты, выделяемое в ней, если плитку включить в сеть с тем же напряжением?

2. Учимся решать задачи

1) Какое количество теплоты выделится в течение часа в проводнике сопротивлением 10 Ом при силе тока 2 А?

2) Определите количество теплоты, которое дает электроприбор мощностью 2 кВт за 10 мин. работы?

За­да­ча 3

Какой длины ни­хро­мо­вый про­вод нужно взять, чтобы из­го­то­вить элек­три­че­ский камин, ра­бо­та­ю­щий при на­пря­же­нии 120 В и вы­де­ля­ю­щий 1 МДж теп­ло­ты в час? Диа­метр про­во­да 0,5 мм.

Дано: ; ; ;  ; 

Найти: l

Ре­ше­ние:   Так как вся элек­три­че­ская энер­гия рас­хо­ду­ет­ся на на­гре­ва­ние, то со­глас­но за­ко­ну Джо­у­ля-Лен­ца:

 

От­сю­да со­про­тив­ле­ние про­во­да равно:

 

Также со­про­тив­ле­ние про­вод­ни­ка можно вы­чис­лить по фор­му­ле:

 

При­рав­ня­ем со­про­тив­ле­ние в обеих фор­му­лах и вы­ра­зим длину про­вод­ни­ка (l):

 

 

В этой фор­му­ле неиз­вест­на пло­щадь се­че­ния про­во­ло­ки. Зная диа­метр про­во­ло­ки, вы­чис­лим пло­щадь се­че­ния про­во­ло­ки по фор­му­ле пло­ща­ди круга:

  

Под­ста­вим зна­че­ние    в фор­му­лу для длины про­вод­ни­ка:

 

Про­ве­рив еди­ни­цы из­ме­ре­ния, под­став­ля­ем из­вест­ные зна­че­ния:

 

Ответ: