Підручник Фізика 8 клас - А. М. Сердюченко - Освіта 2016 рік

Розділ 4. Електричний струм

ЧАСТИНА II. ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА

§ 39. Теплова дія електричного струму. Закон Джоуля-Ленца. Електронагрівальні прилади

Думки вголос

Я знатиму закон, яким буду користуватися, пояснюючи дії електричних теплових приладів.

Електричний струм нагріває провідники. Це явище нам дуже добре відоме. Його використовують в багатьох електричних приладах (праска, електрична піч, нагрівач). Нагрівання провідників пояснюють тим, що в металах вільні електрони, переміщуючись під дією електричного поля, взаємодіють з йонами кристалічних ґраток і передають їм свою енергію. Внутрішня енергія провідника збільшується за рахунок роботи електричного струму, завдяки чому виникає тепловий ефект. Нагріваються не лише металеві провідники, але й рідини і гази, коли через них проходить електричний струм.

У XIX столітті незалежно один від одного англієць Дж. Джоуль і російський фізик Е. X. Ленц вивчали нагрівання провідників електричним струмом і експериментально встановили такий закон, який отримав назву закон Джоуля — Ленца:

Кількість теплоти, яка виділяється в провіднику зі струмом, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника і часу проходження струму:

Q = І2 ∙ R ∙ t

Цей закон можна отримати не лише експериментально, а й теоретично, якщо прирівняти кількість теплоти, яка виділяється в провіднику, і роботу струму, вважаючи що вона йде на виділення тепла: А = Q; А = U ∙ I ∙ t. Значить, Q = U ∙ I ∙ t. За законом Ома: U = І ∙ R, Q = I2 ∙ R ∙ t. Можна ще записати формулу для кількості теплоти іншого виду:

Експериментально закон Джоуля — Ленца можна перевірити, зібравши таке електричне коло: калориметр з водою, металева спіраль, термометр, вольтметр, амперметр, джерело струму (мал. 150).

Кількість теплоти, яка виділиться в цьому досліді в спіралі, знаходимо за двома формулами*:

Q = c ∙ m ∙ ∆t° (1)

Q = l ∙ U ∙ t. (2)

* Щоб не плутати значення символів у формулах (1) і (2), температуру позначено як t°.

Мал. 150. Електричне коло 186

Мал. 151. Електронагрівальні прилади

Значення кількості теплоти, підраховані за формулами (1) і (2), повинні збігатися, що і підтверджує справедливість закону Джоуля—Ленца.

Електронагрівальні прилади (мал. 151) знайшли широке застосування в нашому житті. Основною частиною таких приладів є нагрівальний елемент. Зазвичай це ніхромовий дріт, закручений у вигляді спіралі. В електрокамінах нагрівальні спіралі розміщують всередині трубок із жаростійкого скла. У сучасних прасках дротяні спіралі розміщують всередині металевих трубок, їх заповнюють спеціальною ізоляційною речовиною, щоб витки спіралі не дотикались один до одного та до металевих трубок. Використання ніхрому — речовини з великим питомим опором — і щільне розміщення ніхромової спіралі веде до того, що основна кількість теплоти виділяється саме в нагрівальному елементі, а не в підвідних проводах.

Користуючись електричними побутовими приладами, потрібно пам’ятати, що одночасне вмикання потужних електроприладів може привести до значного збільшення сили струму, сильного нагрівання проводів, і, як наслідок, до загоряння ізоляції.

В освітлювальну мережу квартир обов’язково включають запобіжники (мал. 152, а, б). Їх призначення — відразу вимкнути лінію, якщо сила струму стане більшою за норму.

Мал. 152. Запобіжники: а — плавкі; б — автоматичні

Автоматичний вимикач (запобіжник) призначений для захисту кабелів, проводів і споживачів від перевантаження і короткого замикання, виконує одночасно функції захисту і управління. Під час проходження струмів через автоматичний вимикач зі значеннями, що перевищують допустимі, відбувається нагрів біметалічної пластини, що призводить до її згину і розчіплювання контактів. Біметалева пластина — це пластина з двох різних металів, які, нагріваючись, по-різному змінюють свою довжину.

Підсумки

• Провідники нагріваються, коли через них проходить електричний струм. Теплова дія струму використовується в електронагрівальних приладах.

• Кількість теплоти, яка виділяється при проходженні електричного струму, визначають за законом Джоуля—Ленца: Q = І2∙ R ∙ t.

Перевір свої знання

1. Спіраль електроплитки дуже сильно нагрівається під час проходження нею електричного струму. Чому значно менше нагріваються дроти, за допомогою яких електроплитка підключена до джерела струму?

2. Чому для плавких запобіжників не використовують залізний дріт замість свинцевого?

3. Чому у плавких запобіжниках використовують дріт, набагато тонший, ніж у проводах, що з’єднують джерело струму та споживачів?

Завдання

1. Яка кількість теплоти виділиться за 1 хвилину в резисторі опором 60 Ом, якщо до нього прикладена напруга 20 В?

2. Скільки часу була включена електрична праска потужністю 1,5 кВт, якщо витрати енергії склали 180 кДж?

3. Яка кількість теплоти виділиться в нитці електролампи за 1 годину, якщо ниткою лампи проходить струм 1 А за напруги 100 В?

4. Плавкий запобіжник, розрахований на силу струму 10 А, увімкнений в мережу напругою 220 В. Який може бути загальний опір всіх приладів, увімкнених в мережу?

5. В електричному чайнику за 10 хв можна нагріти 0,2 л води на 10 °С. Скільки води можна нагріти на 10 °С за 10 хв в цьому чайнику, якщо збільшити напругу в мережі вдвічі? Теплові втрати не враховувати.

6. Яку масу води можна нагріти від 25 °С до 75 °С за 4 хв з електричним нагрівачем, який виготовлено з 11 м нікелінового дроту з площею перерізу 0,5 мм2, якщо нагрівач живиться від мережі 220 В і його ККД 75 %?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити