Teres-1t.ru

Инженерные решения
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловое действие электрического тока – закон Джоуля-Ленца

Тепловое действие электрического тока – закон Джоуля-Ленца

Тепловое действие электрического тока – закон Джоуля-Ленца

Мы уже знаем, что при прохождении тока через электрическую лампочку её спираль нагревается и излучает видимый свет. Таким образом, мы наблюдаем тепловое действие электрического тока. Благодаря этому действию, нагреваются, например, утюг или чайник. Но при работе вентилятора или пылесоса практически не наблюдается тепловое действие, также в нормальном состоянии слабо греются провода. На этом уроке, тема которого: «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля – Ленца», мы определим, от чего зависит тепловое действие электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Основные параметры постоянного тока

Постоянный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Основными параметрами электрического тока являются:

  • Сила тока. Обозначается как I. Единица измерения — А (Ампер).
  • Напряжение. Обозначается как U. Единица измерения — В (Вольт).
  • Сопротивление. Обозначается как R. Единица измерения — Ом.

Сила тока

Сила тока показывает, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

I = q t . . = Δ q Δ t . . = N q e t .

N — количество электронов, q e = 1 , 6 · 10 − 19 Кл — заряд электрона, t — время (с).

Заряд, проходящий по проводнику за время t при силе тока, равной I:

Пример №1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи 0,2 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 2 минуты?

2 минуты = 120 секунд

q = I t = 0 , 2 · 120 = 24 ( К л )

Заряд, проходящий за время ∆t при равномерном изменении силы тока от I1 до I2:

Δ q = I 1 + I 2 2 . . Δ t

Сила тока и скорость движения электронов:

n — (м –3 ) — концентрация, S (м 2 ) — площадь сечения проводника, v — скорость электронов.

Внимание!

Электроны движутся по проводам со скоростью, равной долям мм/с. Но электрическое поле распространяется со скоростью света: c = 3∙10 8 м/с.

Сопротивление

Сопротивление металлов характеризует тормозящее действие положительных ионов кристаллической решетки на движение свободных электронов:

ρ — удельное сопротивление, показывающее, какое сопротивление имеет проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 , изготовленный из определенного материала. l — длина проводника (м), S — площадь его поперечного сечения.

Читайте так же:
Дизельный генератор это тепловой источник тока

Пример №2. Медная проволока имеет электрическое сопротивление 6 Ом. Какое электрическое сопротивление имеет медная проволока, у которой в 2 раза больше длина и в 3 раза больше площадь поперечного сечения?

Сопротивление первого и второго проводника соответственно:

Поделим электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого:

R 2 R 1 . . = ρ 2 l 3 S . . ÷ ρ l S . . = ρ 2 l 3 S . . · S ρ l . . = 2 3 . .

Отсюда сопротивление второго проводника равно:

Напряжение

Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению положительного заряда:

Пример №3. Перемещая заряд в первом проводнике, электрическое поле совершает работу 20 Дж. Во втором проводнике при перемещении такого же заряда электрическое поле совершает работу 40 Дж. Определить отношение U1/U2 напряжений на концах первого и второго проводников.

U 1 U 2 . . = A 1 q . . ÷ A 2 q . . = A 1 q . . · q A 2 . . = A 1 A 2 . . = 20 40 . . = 1 2 . .

Применение и практический смысл

Непосредственное превращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономически выгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современного человечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборы продолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

  • электрочайники;
  • утюги;
  • фены;
  • варочные плиты;
  • паяльники;
  • сварочные аппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Бытовые нагревательные приборы

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

Закон Джоуля-Ленца без преувеличения можно назвать гениальным. Это один из тех законов, которые повлияли на развитие электротехники.

Существуют следующие виды источников электрического тока:

  • механические;
  • тепловые;
  • световые;
  • химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Читайте так же:
Автоматический выключатель без теплового расцепителя abb

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

  1. Гальванические
  2. Аккумуляторы
  3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

  1. Солевые;
  2. Щелочные;
  3. Литиевые.

Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

  1. Свинцово-кислотные;
  2. Литий-ионные;
  3. Никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.

ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.

Читайте так же:
Причины теплового проявления электрического тока

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

Что такое ток

Ускорение, которое заряды получают под действием сил электрического поля, изменяет скорости беспорядочного теплового движения заряженных частиц так, что они перемещаются в направлении поля.

Электрический ток в металлах образуется направленным движением имеющихся в них свободных электронов. Для образования в проводнике электрического тока необходимо создать и поддерживать в цепи действие электрического поля, другими словами, надо создать в цепи разность потенциалов или приложить к ней напряжение.

Разность потенциалов в электрической цепи создается путем разделения зарядов и образования в определенных точках ее избытка или, наоборот, недостатка зарядов того или другого знака. Разделение зарядов происходит в устройстве, которое называется генератором напряжения.

Разделение зарядов производится с помощью внешних сил, действующих против кулоновских сил, связывающих разноименные заряды, имеющиеся в проводниках внутри самого генератора. Работа по разделению зарядов производится за счет внешних источников энергии, которые могут быть различной природы: физической, химической и даже биологической.

alt=»Образование в проводнике электрического тока» width=»200″ height=»89″ />На рис. 2, а схематически показана цепь, содержащая генератор напряжения Г. При работе генератора и при разомкнутой внешней цепи между полюсами или выводами генератора образуется электрическое поле и создается разность потенциалов. Если замкнуть полюса проводником R (рис. 2, б), то имеющиеся в цепи свободные электроны под действием поля будут двигаться, как показано стрелками.

Величину, равную разности потенциалов, создаваемой на полюсах генератора при разомкнутой внешней цепи, называют электродвижущей силой (э. д. с.) генератора. При замкнутой внешней цепи разность потенциалов, или напряжение U, на полюсах генератора равняется разности между электродвижущей силой Е и падением напряжения Ir на внутреннем сопротивлении r генератора (закон Ома для полной цепи):

U= Е — Ir.

Электродвижущая сила, разность потенциалов, или напряжение, в системе СИ, как указывалось, измеряется в вольтах. Для примера укажем, что э. д. с. аккумулятора составляет 1—2 в, сухой гальванической батареи — 60—80 в. Напряжение осветительной сети 127 или 220 е. В медицине прихо диться встречаться также с малыми напряжениями, измеряемыми в милли-вольтах (1 мл=10 -3 в) и микровольтах (1мкв =10 -6 в).

Классификация тока

Подразделяются на несколько типов к наиболее применимым считают:

  1. Переменный ток — это ток который распространяется в проводнике с переменной частотой.
  2. Постоянный ток — это ток который не меняется в направлении и частоте.
  3. Периодический ток — это электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
  4. Ток высокой частоты — это ток который распространяется с очень высокой частотой, порождая новые физические явления (излучение и скин-эффект), для расчетов таких токов используют спец аппаратуру так как практически все во круг металлическое становиться приемником электрического тока.
  5. Наведенные токи в проводнике (вихревые) — это токи которые распространяются независимо от главного источника, пример в сети переменного тока 50 Гц, в результате работы индукционных приборов (печь).
  6. Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля, примером служит выпрямленный диодом напряжение который продается к источнику потребления (импульсный блок питания).
Читайте так же:
Блуждающие токи тепловой сети

Движение электронов в металлах

alt=»Движение электронов в металлах» width=»200″ height=»84″ />Движение зарядов под действием сил электрического поля начинается сразу по всей цепи (скорость распространения электрического поля вдоль всей цепи близка к скорости света). Однако скорость движения зарядов в самих проводниках невелика и зависит от их природы. В металлах движение электронов тормозится столкновениями их с положительными ионами, расположенными в узлах пространственной решетки, которые находятся только в тепловом колебательном движении около среднего положения (рис. 3).

При столкновениях электроны теряют скорость, приобретенную под действием сил поля. Средняя скорость поступательного движения их уменьшается, а кинетическая энергия передается ионами и усиливает их тепловое движение (проводник нагревается). Это явление характеризуется как сопротивление проводника электрическому току.

Средняя скорость перемещения электронов под действием поля прямо пропорциональна напряженности поля и при напряженности, равной 1 в/см, имеет порядок 0,05 см/сек. Для сравнения укажем, что в вакууме, где никаких столкновений не проис ходит, скорость электронов при на пряженности поля 1 в/см имеет порядок 10 5 —10 6 см/сек.

Направление тока (сила тока что это)

Поскольку исторически за направление тока в цепи было принято направление, в котором двигаются положительные заряды, например положительные ионы в растворе электролита, направление движения электронов в металлических проводниках является обратным тому направлению, которое условно принимается за направление тока (стрелка на рис. 2, б).

Сила тока -это физическая величина которая равна отношению количества заряда прошедшая за определенное время, через поперечное сечение проводника.

Сила тока I измеряется количеством электричества, протекающим через поперечное сечение проводника за 1 сек. При заданном сечении проводника и известной величине е единичного заряда сила тока прямо пропорциональна количеству N свободных (подвижных) носителей зарядов, содержащихся в единице объема проводника, или их концентрации и средней скорости υср перемещения зарядов в направлении поля:

В металлических проводниках число свободных электронов в единице объема постоянно и почти не зависит от температуры (N = const). Следовательно, сила тока прямо пропорциональна средней скорости υcp перемещения электронов, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна напряженности поля или соответственно напряжению U, приложенному к концам данного участка проводника, и обратно пропорциональна величине R, характеризующей сопротивление движению зарядов (закона Ома для участка цепи):

I = U/R

Мощность

Мощность — это скорость, с которой происходит преобразование энергии.

Скорость, с которой какая-либо энергия преобразуется в электрическую в источнике питания, называется мощностью источника (генератора):

Читайте так же:
Автоматический выключатель с тепловой защитой 25а

РИ = (EIt) : t = EI

Скорость, с которой электрическая энергия преобра­зуется в другие виды энергии в приемнике, называется мощностью приемника или потребителя.

Единицей измерения силы тока в системе СИ

Единицей измерения силы тока в системе СИ, как указывалось, является ампер (а). Употребляются также меньшие единицы: миллиампер (1 ма = 10 -3 а) и микроампер (1 мка = 10 -6 а).

Сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника или площади S электродов, называется плотностью тока σ и измеряется в а/см 2 .

Частота тока

Относится к переменному току, периодически изменяющему силу или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период переменного тока — наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Типы проводников

Это материалы или вещества которые проводят электрический ток, примером служит любые металлы.

Металлы — здесь являются носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Полупроводники — вещества или химические элементы которые под воздействием внешних факторов ( нагрев, электрический ток и т.д.) становятся проводниками электрического тока, пример германий используется в диодах или транзисторах.

Электрический ток в природе

Электричество разлома кварца и горных пород — известно из давних времен при геологическом разломе в результате образуется значительное количество тока, которое сопровождается аномальными явлениями (свечение влажного воздуха, молний, иногда шаровых).

Атмосферное электричество — которое образуется в воздухе. Изучается с времен Франклина, в России изучал Ломоносов. В результате исследований были приняты законы при которым следует атмосферное электричество:

1. Процессоры и другие электрические компоненты

Тип теплопередачи: Конвекция и Проводимость

Процессор, графический процессор и система на чипе рассеивают энергию в виде тепла за счет сопротивления в электронных схемах. Графические процессоры в ноутбуках/настольных компьютерах потребляют и рассеивают значительно больше энергии, чем мобильные процессоры из-за их более высокой сложности и скорости.

Для поддержания оптимальной температуры микропроцессоров используются различные типы систем охлаждения. Например, обычная настольная система охлаждения ЦП предназначена для рассеивания до 90 Вт тепла без превышения максимальной температуры соединения для ЦП настольного компьютера.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector