Berezka7km.ru

Березка 7км
7 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Открытие теплового действия тока

Открытие теплового действия тока

Среди тепловых эффектов, производимых током батареи, самым наглядным, без сомнения, была дуга между двумя угольными проводниками. Уже в 1802 г. Кюрте заметил, что в момент замыкания цепи батареи с помощью железного проводника, соприкасающегося с куском древесного угля, появлялись искры настолько яркие, что они освещали окружающие предметы. Несколько лет спустя Джон Чилдрен <1778—1852) обнаружил, что некоторые кусочки угля, помещенные в цепь, «распространяли такой яркий свет, что даже сияние солнечного диска казалось слабым по сравнению с ним».

Открытие теплового действия тока

Но поистине эффектное явление продемонстрировал в 1810 г. Дэви с помощью большой батареи, состоявшей из 2000 элементов и построенной им на средства Королевского института. Помимо различных опытов по быстрому накаливанию и расплавлению металлов, которыми он поражал публику на своей первой лекции, проведенной после сооружения этой колоссальной батареи, Дэви также провел опыт с кусками угля длиной с дюйм и толщиной в шестую часть дюйма, включенными в цепь батареи. После того как цепь была замкнута, проскочила ярчайшая искра и куски угля накалились добела более чем на половину своей длины, «. когда же оба куска угля стали удалять друг от друга, образовался непрерывный разряд через раскаленный воздух на расстоянии по крайней мере в четыре дюйма в виде необыкновенно яркой широкой световой дуги конической формы, обращенной выпуклостью вверх».

Дэви сразу же проверил, насколько высока температура этой дуги, которая плавила платину, «как будто то был воск в пламени свечи». Длину дуги можно было увеличивать, помещая ее под колпак пневматической машины и разрежая воздух, и если разреженность была достаточно сильной, удавалось получать дугу очень эффектного пурпурного цвета длиной в шесть или семь дюймов.

Ясно, что опыт Дэви, для которого требовалась мощная батарея, повторить было нелегко. Поэтому, когда десять лет спустя, в июле 1820 г., Де ла Риву удалось повторить этот опыт перед Женевским Научным Обществом, это показалось вещью настолько новой, что вплоть до сегодняшнего дня некоторые историки приписывают это открытие женевскому физику.

Если опыт с дугой поражал своей эффектностью, то другие тепловые явления казались весьма запутанными. Так, проведя по совету Волластона опыт с двумя платиновыми проволоками, Чилдрен (1815 г.) обнаружил, что из двух платиновых проволок одинаковой длины, но разного диаметра, подключенных в цепь последовательно, раскалялась только более тонкая, тогда как при параллельном включении раскалялась только более толстая. Дэви (1821 г.), нагревая лампой часть цепи, добивался уменьшения температуры другой ее части, а охлаждая ее льдом, получал увеличение температуры другой части.

Открытие теплового действия тока

Вплоть до 1841 г. все попытки объяснить эти и многие другие странные явления оказывались несостоятельными, но все более укреплялось мнение, что нагревание проводников связано с сопротивлением, которое они оказывают проходящему через них току, так что большему сопротивлению соответствует большее выделение тепла. Это мнение было высказано еще Киннерсли по поводу тепла, выделяемого разрядом лейденской банки. Основываясь на упомянутых выше опытах, Дэви пошел дальше, утверждая, что «. проводящая способность металлов меняется с изменением температуры и уменьшается в том же отношении, в каком растет температура».

Этот закон сейчас хорошо известен, гораздо менее известно, кто открыл его.

«тепловое действие тока в электронагревательных приборах»

Сейчас мы живем в XXI веке — веке инноваций и информационных технологий, развитие техники далеко ушло вперед. Люди до того привыкли к этим «диковинам», что перестали уделять внимание, пропуская мимо глаз, все то, что их окружает. Не многие знают, как работают электрические чайники на их кухне, электрокипятильники, которыми они пользуются. В магазинах представлен большой ассортимент электронагревательных приборов, и я решила сравнить стоимость приборов с их качеством, именно поэтому я исследовала кпд электронагревательных приборов.

Я решила исследовать тепловое действие тока на бытовых электронагревательных приборах. Моя работа содержит знания о тепловом действии тока, его мощности; КПД и его типах, законе Джоуля-Ленца и его практическое применение. Я рассмотрела устройство электронагревательных приборов, провела практическую часть.

В исследовании, которое я провела, мною было рассчитано количество теплоты, потребляемое электронагревательными чайниками различных форм и марок, работа тока, во время процесса нагревания и КПД электронагревательных приборов. Исследование показало, что в ходе всего процесса КПД всех электронагревательных чайников было практически одинаковым, а кпд кипятильника было сравнимо с КПД электрочайников.

Результаты исследований расширяют знания по темам представленным в работе, они помогут учащимся 8 и 10 классов в проведении опытов и исследований, а так же потенциальным покупателям при покупки электронагревательных приборов.

Сравнить КПД электронагревательных приборов и проанализировать полученные данные.

Рассмотреть тепловое действие тока.

Изучить КПД электронагревательных приборов.

Познакомиться с устройством электронагревательных приборов.

Провести практическую часть и проанализировать полученный результат.

Методы работы над проектом:

анализ источников информации, проведение эксперимента, составление таблиц и диаграмм

« Электрический ток — упорядоченное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля».[1]

Тепловое действие тока.

«Выделение тепла при прохождении электрического тока. При
прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.
Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом.

Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I 2 , сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в Омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока».[1]

«При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Эта работа выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени.

Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах».[2]

Коэффициент полезного действия

«Коэффициент полезного действия (кпд) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно h = Wпол/Wcyм.КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:

Читайте так же:
Количество теплоты в проводнике с переменным током

г де А— полезная работа, Q -затраченная работа

В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии».[2]

«Различают КПД отдельного элемента (ступени) машины или устройства и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе.

КПД первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д.

Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и др. виды КПД. Общий КПД системы равен произведению частных кпд, или кпд ступеней».[2]

Закон Джоуля— Ленца

«Закон Джоуля— Ленца — физический закон , дающий количественную оценку теплового действия электрического тока . Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцом .

В словесной формулировке звучит следующим образом

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

Математически может быть представлен в следующей форме:

где w— мощность выделения тепла в единице объёма, математической форме этот закон имеет вид

Где Q – количество теплоты необходимое для нагревания воды (полезное количество теплоты), А – работа электрического тока (затраченная работа).

где с – удельная теплоемкость воды (берем из таблицы),

ρ – плотность воды,

t 2 , t 1 – конечная и начальная температуры воды при нагревании.

P – потребляемая прибором мощность,

t – время закипания

электрические чайники различных фирм,

термометр для измерения температуры воды.

Определить потребляемую мощность чайника и кипятильника по паспорту прибора.

Наполнить чайник водой известного объема

Измерить температуру воды термометром

Включить чайник и довести воду до кипения. Измерить время закипания.

Рассчитать количество теплоты, которое потребовалось для нагревания воды по формуле (2).

Рассчитать работу электрического тока по формуле (3).

Рассчитать КПД по формуле (1).

Провести измерения для кипятильника и для чайников различных фирм. Результаты занести в таблицу и сделать выводы

В результате выполнения работы я определила КПД кипятильника и чайников.

КПД кипятильника оказался для нас неожиданно большим, и сравним с КПД чайников. Как я и ожидала КПД чайников мало отличаются друг от друга. Самый большой КПД у чайников «Siemens» и «Bork».

В чайнике «Braun» было совсем небольшое количество накипи, его КПД оказался самым маленьким. Я думаю, что именно присутствие накипи значительно снижает КПД.

В январе 2012 года я сформулировала заключение проекта и дополнила приложение своей исследовательской работы. Проанализировав полученные результаты, я составила диаграммы, которые показывают зависимость качества прибора от его цены. (Цифрами на диаграммах представлены чайники в той последовательности, в которой они указаны в таблицы выше).

И пришла к следующим выводам: КПД электронагревательных приборов мало отличалось друг от друга, но стоимость многих из них превышала показатель качества. Самим высоким показателем качества обладают чайники марок: «Philips», «Siemens», «Bork», низким чайник под маркой «Braun», но показатель его стоимости выше других чайников.

Но все-таки безопаснее и удобнее пользоваться электрочайниками, чем кипятильниками.

Я провела исследования, основанные на принципах КПД. В ходе работы я выяснила, что принцип действия большинства электронагревательных приборов основан на законе Джоуля-Ленца и КПД .

Данная работа может быть использована в качестве дополнительного материала при изучении темы КПД в 8 и 10 классах, а так же потенциальным покупателям поможет при покупки электронагревательных приборов.

В ходе моей исследовательской работы я выяснила КПД электронагревательных приборов, сравнила полученные результаты между собой и сделала выводы. Как я и ожидала КПД чайников, мало отличаются друг от друга. Самый большой КПД у чайников «Siemens» и «Bork». КПД кипятильника оказался для нас неожиданно большим, и сравним с КПД чайников, что говорит о качестве его работы. В чайнике «Braun» было совсем небольшое количество накипи, его КПД оказался самым маленьким. Я думаю, что именно присутствие накипи значительно снижает КПД. Этот вопрос я рассмотрю в следующей работе.

В процессе работы над проектом я достигла всех целей и задач, поставленных мною выше. Работа над проектом оказалась интересной и увлекательной.

Список источников литературы.

5 Буянтуев А.Б. Основы научных исследований. Лабораторный практикум.

3 Джоуля — Ленца закон // Большая советская энциклопедия .

2 Пёрышкин А. В. Физика. 8 класс — Дрофа, 2005. — 191 с. — 50 000 экз.

4 Сивухин Д. В. Общий курс физики — М.: Наука , 1977. — Т. III. Электричество. — С. 186. — 688 с

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

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.

Тепловое действие электрического тока

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.

Применение электрической энергии в домашнем быту

Наряду с успехами, которые делает электрификация в Советском Союзе, с каждым годом проникая все глубже и глубже в различные отрасли народного хозяйства и захватывая новые области (транспорт, сельское хозяйство), есть одна область, которой она до настоящего времени совсем почти не коснулась, если не считать электрического освещения, — это домашний быт.

А между тем, самый беглый обзор тех преимуществ, которые дает применение электричества в домашнем быту, заставляет обратить на развитие электрификации быта самое серьезное внимание, в особенности, при проектировании и строительстве новых социалистических городов.

Электричество в домашнем быту улучшает гигиенические условия жизни и облегчает выполнение домашних работ. Поддержание в чистоте кухонь, обслуживаемых электричеством, обходится значительно дешевле — нет копоти, золы, остатков несгоревшего топлива, исключена возможность попадания в кухонные помещения вредных продуктов сгорания и светильного газа, что может иметь место в случае применения газа, а потому нет необходимости в усиленной вентиляции помещения кухонь, что приходится делать, в особенности, в больших кухнях, при массовом приготовлении пищи (в ресторанах, столовых, больницах и т. п.). Электрические плиты излучают меньше тепла, чем плиты с открытым пламенем (угольные или газовые), так как температуры нагревания, с которыми приходится иметь дело в электрических плитах, значительно ниже, чем в случае применения угольных, дровяных или газовых плит, так как эти температуры определяются исключительно потребностью в тепле того процесса, который совершается на плите (варка, печение или жарение того или иного количества определенного продукта) и не находится ни в какой зависимости от процессов горения топлива, как-то имеет место в плитах с открытым пламенем. Вследствие этого в помещении электрической кухни обычно менее высокая температура, что особенно важно летом. Равномерность температуры и возможность поддерживания ее в границах, необходимых для приготовления данного блюда, является отличительной особенностью электрической плиты, благодаря чему почти исключена возможность порчи пищи от неправильного нагревания ее и, в частности, пригорания масла.

Читайте так же:
Приведите примеры использования теплового действия электрического тока в быту

Значительное сбережение времени и сил дает употребление для стирки белья аппарата с центрифугой.

Электрические аппараты для нагревания воды, которые, нагреваясь ночным током, утром предоставляют в распоряжение потребителя воду, подогретую до высокой температуры, ускоряют приготовление утреннего чая, кофе и т. п.; применение горячей воды ускоряет также и процесс приготовления всякого рода супов.

Вообще применение электричества в домашнем быту увеличивает степень механизации последнего, позволяет, с одной стороны, избежать применения в хозяйстве труда домашних работниц и, с другой стороны, значительно облегчает и сокращает труд женщин в домашнем быту и позволяет им посвятить освободившееся время труду на производстве или общественной работе.

Самое же важное в условиях советского Союза это то, что облегчая возможность введения общественного питания и механизацию отдельных процессов домашнего хозяйства и позволяя осуществлять их с меньшей затратой времени, сил и средств в центральных предприятиях, электрификация быта может оказать большое влияние на скорейшее внедрение в домашний быт коллективизации.

Электричество в домашнем быту за границей

Применение электричества в домашнем быту за-границей — дело не новое. В некоторых странах за последние годы оно получило значительное развитие. Наибольшее распространение применение электричества в домашнем быту получило в Швейцарии, Северо-Американских Соединенных Штатах и в Германии; менее значительное — в Норвегии, Великобритании, Австрии, Франции, Бельгии и Японии.

Швейцария. В Швейцарии из 4,5 млрд. квтч, произведенных в 1928 г. на электрических станциях, 410 млн. квтч, т. е. 9,1% использовано для домашних нужд. Интересно отметить, что потребление энергии на эту цель было более значительным, чем для целей железнодорожной тяги, которое было в том же году равно 7,1% [1]

Электрические кухни особенно значительное распространение получили среди деревенского населения, в районах, где не имеется газа [2]. Здесь не менее 200‑250 тыс. жителей пользуются электрической энергией для этой цели, потребляя в год 80‑100 млн. квтч. Одно из наиболее интересных применений электричества с точки зрения улучшения нагрузки станций в ночное время — это нагревание воды в ночное время в приборах, аккумулирующих тепло (Heißwasserspeicher), при чем потребление энергии таким прибором на одно лицо, пользующееся им, достигает от 0,5 до 1,5 квтч в день. Таких приборов в Швейцарии установлено до 10 тыс. штук и потребление ими энергии достигает 50 млн. квтч в год. Нагретая в приборах вода дальше идет на приготовление пищи и другие хозяйственные нужды. Так как около 50% общего количества калорий, потребных на приготовление пищи, идут на нагревание воды, использование ночного тока для этого процесса уменьшает на соответствующую величину нагрузку электрических станций в дневное время. Устанавливая низкие тарифы на электрическую энергию, отпускаемую ночью, электрические предприятия в Швейцарии добились за последние годы значительного улучшения использования электрических станций в ночное время. Некоторые станции в настоящее время загружены ночью почти в той же степени, что и днем. В частности, Базельская электрическая станция имеет присоединенными к своей сети 5.400 таких приборов на общую установленную мощность 10 тыс. квтч. Ночная нагрузка этой станции от 24 до 6 часов составляет 76% зимнего максимума [3]. В среднем же по всем электрическим станциям Швейцарии отношение пика ночной нагрузки к пику дневной равно в настоящее время 3:10 и отношение минимума ночной нагрузки к минимуму дневной 6:6,5 [4].

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).

Джоуль и Ленц

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.

Практическое значение

Понятно, что количество выделяемого тепла зависит от плотности тока и проводимости определенного вещества. Наглядно соответствующие влияния можно регистрировать в ходе последовательного пропускания тока 2 и 50 А через контрольную медную жилу сечением 2 мм кв. Во втором эксперименте нагрев будет значительно сильнее. Его можно уменьшить, увеличив диаметр проводника.

Снижение потерь энергии

Рассмотренный пример демонстрирует нежелательное явление для линий электропередач. Использование части энергии на обогрев окружающего пространства увеличивает потери воздушных линий. Превышение порогового значения провоцирует разрушение жил, защитных оболочек. Чрезмерное повышение температуры – причина возникновения пожаров.

Подобные явления происходят, если выбрана чрезмерная сила тока, либо недостаточно поперечное сечение проводника. Количество тепла, выделяемого в линии, обратно пропорционально зависит от квадрата напряжения (U) на подключенном потребляющем устройстве. Повышением U можно уменьшить потери. Однако подобное действие увеличивает вероятность короткого замыкания, ухудшает общие параметры безопасности.

Выбор проводов для цепей

Отмеченные выше проблемы теплового разрушения в значительной мере зависят от удельного сопротивления (Rу). Для наглядности можно использовать материалы со значительно различающимися характеристиками.

Читайте так же:
Принцип работы теплового расцепителя автоматического выключателя

Эксперимент с различными проводниками

Расчеты количества теплоты (Q, Дж) для образцов длиной 1 м сечением 1 мм кв. при силе тока 5А за 30 секунд:

  • медь – 12,75;
  • сталь – 75;
  • никелин – 315.

Особое внимание следует уделять параметрам силовых кабелей, которые должны сохранять целостность в процессе реальной эксплуатации. Как правило, бытовые линии монтируют в глубине строительных конструкций. Такой способ подразумевает хорошую защищенность от неблагоприятных внешних воздействий. Вместе с тем возрастают затраты на исправление ошибок и устранение последствий аварий.

Чтобы использовать кабельную продукцию правильно, следует руководствоваться тематическими нормативами, которые изложены в ПУЭ. Для упрощения выбора предлагаются специализированные таблицы, в которых приведены результаты расчетов с учетом следующих важных факторов:

  • тип изоляции;
  • длительность и величина перегрузок;
  • особенности прокладки.

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.

Устройство плавкого предохранителя

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.

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 передачи энергии, 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.

Понятие, виды и свойства электрического тока

Электрический ток

Применение электрического тока разнообразно, поскольку невозможно представить без него жизнь человечества. Следует понимать его природу возникновения, чтобы направить энергию во благо, а не во вред. Электрический ток подчиняется законам физики, которые используются для изготовления различных устройств. Для его грамотного использования нужно знать основные электрические величины.

Основные понятия

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, благодаря которым может порождаться электромагнитное поле. К заряженным частицам можно отнести следующие: электроны, протоны, нейтроны, дырки и ионы. В научной литературе нейтрон не имеет заряда, однако участвует в образовании электромагнитного поля.

Кроме того, некоторые не знают, почему электроток является векторной величиной. Это утверждение следует из его определения, поскольку он имеет направление. В некоторых источниках можно встретить такое определение: электроток — скорость, с которой происходит изменение зарядов элементарных частиц в определенный момент времени. Ток характеризуется силой и напряжением (разность потенциалов). Свойства, которыми обладает электроток: тепловое, механическое, химическое и создание электромагнитного поля.

Сила и тип тока

Сила тока — количество заряженных частиц, проходящих через проводник за единицу времени, равную одной секунде. Материалы по проводимости делятся на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники — вещества, которые способны проводить ток, поскольку в них есть свободные электроны. Их наличие можно выяснить по таблице Д. И. Менделеева, воспользовавшись электронной конфигурацией химического элемента.

Что называется электрическим током

Полупроводники могут проводить поток заряженных частиц при определенных условиях. Простым примером является полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. Носителями заряда являются электроны и дырки. В диэлектриках нет вообще носителей заряда, следовательно, этот факт исключает проводимость электричества вообще.

Сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). 1 А — единица измерения силы неизменяющегося тока, который проходит по двум проводникам бесконечной длины и очень малой площади поперечного сечения, являющимися параллельными между собой и расположенными в вакуумном пространстве на расстоянии одного метра друг от друга, причем каждый метр такого проводника может вызывать силу взаимодействия, равную 2*10^(-7) Н.

Упрощенный вариант формулировки следующий: сила электротока, при которой через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени t проходит количество электричества Q, называется ампером. Определение записывается в виде формулы и имеет следующий вид: I = Q / t.

Бывают вспомогательные единицы измерения, к которым относят мА (0,001 А), кА (1000 А) и т. д.

Значение силы тока измеряется при помощи амперметра, который подключается в цепь последовательно. Видов электрического тока всего два: постоянный и переменный. Если ток остается постоянным или изменяется по величине, не меняя направления, то он называется постоянным.

 применение электрического тока

Переменный ток изменяется по амплитудному значению и направлению протекания по какому-либо закону. Его основной характеристикой является частота. По закону изменения амплитуды их можно разделить на следующие виды: синусоидальные и несинусоидальные. Первые изменяются по гармоническому закону и его графиком является синусоида. Формула синусоидального тока включает в себя максимальное значение силовой характеристики Iм, время t и угловую частоту w = 2 * 3,1416 * f (частота тока источника питания): i = Iм * sin (w * t). Еще одной величиной, характеризующей электроток, является напряжение или разность потенциалов.

Разность потенциалов

Любое вещество состоит из атомов, состоящих из элементарных частиц. Ядро обладает положительным зарядом, а вокруг него по своим орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Атомы являются нейтральными, поскольку число электронов равно количеству протонов в ядре.

Понятие электрического тока

При потерях электронов атомами образуется электромагнитное поле, создаваемое протонами, поскольку они стремятся вернуть недостающие отрицательно заряженные частицы. Если по какой-то причине произошел избыток электронов, то формируется электромагнитное поле с отрицательной составляющей. В первом и во втором случаях формируются положительные и отрицательные потенциалы соответственно. Различие между ними называется напряжением или разностью потенциалов.

Величина различия прямо пропорциональна значению напряжения: при увеличении разницы возрастает значение напряжения. При соединении потенциалов с различными знаками возникает электроток, который стремится устранить причину разности и вернуть атом в исходное состояние.

Электрическое напряжение — работа, совершаемая электромагнитным полем по перемещению точечного заряда. Единица измерения напряжения является вольт (В), а его значение можно измерять с помощью вольтметра. Он подключается параллельно участку или электроприбору, на котором необходимо измерить разность потенциалов. 1 В является разностью потенциалов между двумя точками с зарядом 1 Кл, при котором сила электромагнитного поля совершает работу, равную 1 Дж.

Читайте так же:
Привести примеры применения теплового действия тока 1

Условия получения и законы

Электроток возникает при воздействии электромагнитного поля на проводник. Но также справедливо и обратное утверждение, доказывающее возникновение электрического поля в результате протекания тока. Важными условиями его получения являются такие факторы: наличие свободных электронов и источника напряжения. Наличие носителей заряда влияет на проводимость, а напряжение является внешней силой, которая способствует «вырыванию» из кристаллической решетки этих частиц.

Проводимость веществ

Носителями заряда в металлах являются электроны. При высокой температуре проводника возникает движение атомов, некоторые из них распадаются и образуются новые свободные электроны. Заряженные частицы взаимодействует с атомами и узлами кристаллической решетки, и часть энергии превращается в тепловую. Этот процесс называется электрическим сопротивлением проводника. Оно зависит от следующих составляющих:

Ток электрический в средах

  • Температуры.
  • Типа вещества.
  • Длины проводника.
  • Площади поперечного сечения.

При уменьшении температуры вещества происходит снижение его сопротивления. Зависимость от типа вещества объясняется тем, что каждое вещество состоит из атомов. Они образуют между собой кристаллическую решетку, причем у каждого вещества она разная. Каждый атом имеет определенную электронную конфигурацию, а следовательно, отличается от других наличием носителей заряда.

Кроме того, потоку заряженных частиц сложнее пройти через длинный проводник с маленьким значением его площади поперечного сечения.

Проводником является и электролит или жидкость, проводящая электрический ток. Носителями заряда в жидкостях являются ионы, которые бывают положительно (анионы) и отрицательно (катионы) заряжены. Электрод с положительным потенциалом называется анодом, а с отрицательным — катодом. Перемещение происходит при подаче напряжения на электроды. Катионы перемещаются к аноду, а анионы — к катоду.

При протекании тока через электролит происходит его нагревание, в результате которого увеличивается сопротивление жидкости. Некоторые газы способны проводить электроток тоже. Носителями заряда в них являются ионы и электроны, а сам «заряженный газ» называется плазмой.

Электричество в полупроводниках подчиняется тем же законам, что и в проводниках, но есть некоторые отличия. Представлять носители заряда в них могут электроны и дырки. При уменьшении температуры сопротивление его возрастает. При внешнем воздействии на полупроводник связи в кристаллической решетке ослабевают и появляются свободные электроны, а в месте, где они были, происходит образование дырки. Однако она притягивает другой электрон, который находится рядом. Так и происходит движение дырок. Следовательно, сумма дырочного и электронного электромагнитных полей образует электроток.

Основные соотношения

Все явления подчиняются физическим законам, и электричество не является исключением. Основные соотношения зависимости одной величины от других описаны в законах, которые применяются для расчета различных схем для простых и сложных устройств. Кроме того, правила помогают избежать различных аварийных ситуаций, поскольку электричество может служить и во вред человечеству, вызывая пожары, травмы и даже смерть.

Что называют электрическим током

Основным законом, используемым в электротехнике, является закон Ома для участка и полной цепи. Для участка цепи он показывает зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R и его формулировка следующая: ток, протекающий на участке цепи, прямо пропорционален значению напряжения и обратно пропорционален сопротивлению этого участка (I = U / R).

Для полной цепи, в которой существует электродвижущая сила (e) и внутреннее сопротивление источника питания: формулировка выглядит следующим образом: ток, протекающий в полной цепи, прямо пропорционален электродвижущей силе (ЭДС) и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи с учетом внутреннего сопротивления источника питания (i = e / (R + Rвн)).

Из этих законов можно получить следствия, которые нужны для нахождения величин напряжения, ЭДС и сопротивлений. Следствия из законов Ома:

Виды электрического тока

  • R = U / I.
  • U = I * R.
  • e = i * (R + Rвн).
  • R = (e / i) — Rвн.
  • Rвн = (e / i) — R.

Электроток, при прохождении через проводник или полупроводник, совершает работу, при которой выделяется тепловая энергия. Это одно из его свойств. Ее численное значение определяется с помощью закона Джоуля-Ленца.

Закон показывает зависимость количества теплоты от величин напряжения и силы тока, а также времени протекания электротока.

Его формулировка следующая: количество теплоты Q, выделяемое током при протекании через проводник за единицу времени, прямо пропорционально зависит от напряжения и силы тока (Q = U * I * t). Следствия из этого закона следующие:

 электроток

    • Q = sqr (I) * R * t.
    • Q = (sqr (U) * t) / R.
    • I = Q / (U * t).
    • I = sqrt ((Q / (R * t)).
    • U = Q / (I * t).
    • U = sqrt (Q * R * t).
    • t = Q / (U * I).
    • t = Q / (sqr (I) * R).
      • t = Q / (sqr (U) / R).
      • Q = P * t.
      • P = Q / t.
      • t = Q / P.

      Величина Р является мощностью и вычисляется по формуле: Р = U * I. Если электрический ток в цепи не совершает механическую работу и не производит никакого действия, то все электрическая энергия преобразуется в тепловую, т. е. A = Q.

      Опытным путем было установлено, что при пересечении линий электромагнитной индукции проводником замкнутого типа в нем появляется электроток. Закон о влиянии электромагнитного поля на возникновение тока называется законом Фарадея. Он гласит: отрицательное значение ЭДС электромагнитной индукции в контуре, который является замкнутым, равно изменению магнитного потока с течением времени. Из закона Фарадея следует, что при движении проводника в постоянном магнитном поле на концах первого возникает разность потенциалов. Этот принцип используется для изготовления генераторов, трансформаторов и т. д.

      Таким образом, электрический ток, как все явления и процессы, подчиняется определенным законам, которые позволяют не только контролировать, но и избегать негативных последствий, связанных с его работой. Производить расчеты нужно и для экономии времени, поскольку подбор номинала какого-либо элемента схемы может привести к выходу из строя устройства.

      Работа и мощность электрического тока, тепловое действие тока

      Работа и мощность электрического тока, тепловое действие тока.

      Тип занятия

      урок изучения нового материала

      Технология обучения

      Объяснительно-иллюстративная, частично-поисковая, репродуктивная

      Цели учебного занятия:

      Образовательные:

      — изучение понятий работа и мощность электрического тока;

      — изучение и объяснение закона Джоуля-Ленца;

      — формирование мотивации и опыта учебно-познавательной и практической деятельности.

      Развивающие:

      — развитие умения анализировать, выдвигать гипотезы, предположения, наблюдать и экспериментировать;

      — развитие логического мышления;

      — развитие умения выражать речью результаты собственной мыслительной деятельности.

      Воспитательные:

      — пробуждение познавательного интереса к предмету и окружающие явлениям;

      -развитие способности к общению, работе в коллективе.

      Методические:

      применение современных технологий, методов и средств обучения при проведении открытого занятия;

      -активизация процесса обучения за счёт создания необходимых условий эффективной познавательной деятельности студентов;

      -обеспечения творческого уровня освоения содержания учебного материала и способов действий.

      Учебное занятие строится на следующих принципах:

      — общедидактических:

      доступность и наглядность в обучении;

      сознательность и активность в обучении;

      оптимальное сочетание различных методов, форм и средств обучения;

      прочность и действенность результатов обучения;

      — принципах обучения, демонстрирующих специфику профессионального образования:

      соответствие содержания обучения требованиям освоения умений и навыков учебной дисциплины;

      связь теории и практики в обучении;

      самостоятельность студентов в процессе обучения.

      В учебном занятии используются следующие методы обучения и воспитания:

      наглядно-демонстрационные (интерактивные);

      практические;

      самостоятельная работа студентов.

      Планируемые результаты:

      Предметные:

      знать понятие работы и мощности постоянного тока;

      сформулировать закон Джоуля — Ленца.

      Метапредметные:

      уметь слушать собеседника и вести диалог; уметь признавать возможность различных точек зрения;

      использовать различные способы поиска, сбора, обработки, анализа и интерпретации информации в соответствии с задачами урока;

      уметь излагать свое мнение и аргументировать свою точку зрения;

      активно использовать информационных средств и ИКТ для решения коммуникативных и познавательных задач.

      Личностные:

      развивать навыки сотрудничества с преподавателем и сверстниками в различных ситуациях; умения не создавать конфликтов и находить выход из спорных ситуаций;

      формировать уважительное отношение к чужому мнению;

      осуществлять самоконтроль, взаимоконтроль

      оценивать свои достижения на уроке.

      В учебном занятии применяются следующие методы контроля и проверки общих компетенций студентов:

      контроль студентов по ходу изучения теоретического материала;

      наблюдение за активностью студентов в решении проблемы и обсуждении полученных результатов;

      оценка творческой инициативы и компетентности студентов при выполнении поставленной задачи.

      Обеспечение учебного занятия:

      Л.Э. Генденштейн, Ю.И. Дик, Физика 10 класс, компьютер, проектор, интерактивная доска, презентация к уроку; учебный диск «Библиотека наглядных пособий 7-11 класс» под редакцией Н.К. Ханнанова, Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник качественных задач по физике 9-11», М.: Просвещение, 2013 г.

      Этапы урока

      Содержание учебного материала.

      Деятельность

      преподавателя

      Деятельность

      Организационный

      Приветствует обучающихся. Проверяет их готовность к занятию.

      Приветствуют преподавателя.

      Проверяют готовность к уроку (наличие тетради, учебника, задачника, технических средств).

      Актуализация ранее усвоенных знаний

      На прошедших уроках мы с вами начали изучать законы постоянного тока. Рассмотрели закон Ома для участка цепи, основные характеристики электрического тока. На сегодняшнем уроке мы с вами продолжим изучение нашей темы, рассмотрим такие понятия, как работа и мощность электрического тока. Но сначала давайте немного повторим основные понятия формулы и определения.

      А. Фронтальный опрос по вопросам:

      1. Что называют электрическим током?

      2. Условия существования электрического тока?

      3. От чего зависит сопротивление проводника?

      4. Как называют прибор для измерения напряжения?

      5. Как называют прибор для измерения силы тока?

      6. Какие действия электрического тока вы знаете?

      7. Закон Ома для участка цепи?

      Электрическим током называют упорядоченное, направленное движение заряженных частиц.

      1. Наличие свободных зарядов.

      2. Наличие электрического поля.

      От длины проводника, площади поперечного сечения и рода материала.

      Тепловое, магнитное, химическое.

      — сила тока I прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

      деятельности

      Все вы прекрасно знаете, что сегодня электрический ток используется повсеместно. С его помощью работают компьютеры, ноутбуки и планшеты. С помощью электрического тока обеспечивается освещение улиц и различных помещений. Стиральная машина, микроволновка, утюг и многие другие приборы – все они работают на электрическом токе. Всё это говорит нам о том, что ток несёт в себе энергию, а, значит, с его помощью можно совершать работу.

      И тема нашего урока, сегодня "Работа и мощность электрического тока, тепловое действие тока"

      Цели нашего урока:

      1.Познакомиться с понятием работы и мощности электрического тока.

      2. Изучить тепловое действие тока.

      Изучение нового материала

      Просмотр видеофильма

      Электрическое поле совершает работу по перемещению заряда →работа тока. Обозначается: А

      А = Δ q · U

      Т.к. Δ q = I · Δ t → А = I · U · Δ t

      Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.

      За единицу работы электрического тока принят Джоуль, который равен работе, выполняемой электрическим током силой 1А при напряжении 1В за 1с:

      1 Дж = 1В×1А×1с

      Каждый из вас видел у себя дома электрический счетчик. И, конечно, вы знаете, что там есть цифры, они постепенно «набегают», т.е. увеличиваются. Каждый месяц вашим родителям приходят квитанции, куда они вписывают показания счетчика и оплачивают их. Как вы думаете, за что они платят?

      Любая работа оплачивается, в том числе и работа электрического тока.

      Итак, счётчик — прибор для измерения работы электрического тока.

      Вспомните, как называлась в механике величина, которая показывает, какая работа совершается за единицу времени.

      Любой электроприбор рассчитан на потреблении определенной энергии в единицу времени, т.е. на определенную мощность.

      Обозначается: Р

      Мощность тока равна отношению работы тока за время Δt к этому интервалу времени.

      1МВт = 1000000 Вт

      Измерение работы и мощности

      С помощью вольтметра, амперметра, часов

      С помощью вольтметра и амперметра.

      На практике:

      В быту используют очень много различных электрических приборов: холодильники, пылесосы, утюги и др. мощность этих приборов изменяется в кВт.

      А сколько приборов мы можем включить в квартире, чтобы не вырубило пробки?

      Напряжение в наших квартирах 220 В, допустимая сила тока 10А.

      Рассчитайте допустимую мощность.

      Тепловое действие тока

      Все проводники при прохождении по ним электрического тока нагреваются и отдают тепло окружающей среде (воздуху, жидкости, твердому телу).

      Закон Джоуля – Ленца

      Q = I 2 Rt

      Количество теплоты, выделяемое проводником с током

      равно произведению квадрата силы тока,

      и времени прохождения по нему тока

      Применение теплового действия тока

      Электрические нагревательные приборы получили очень большое распространение в домашнем быту (утюги, кипятильники, обогреватели, кофемолка, электросамовары, миксеры).

      Основной частью электроплит, электросамоваров, электрочайников является проводник, в котором выделяется тепло, когда по нему течет ток.

      Чаще всего проводник делают в виде спирали, которую укладывают в жаростойкие или огнеупорные основания, например, из керамики и асбеста. Материалом для спиралей, нагревающихся в воздухе, обычно служат нихром, т.е. для спиралей электроплит, т.к. спираль электрочайников, электросамоваров опускается в воду, то в этом случае для спиралей используют проволоку из реотана или никеля.

      голоса
      Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector