§ 32. Закон Джоуля—Ленца

Закон Джоуля—Ленца

Практичне використання теплової дії струму

Коротке замикання

ЗАКОН ДЖОУЛЯ—ЛЕНЦА. З повсякденного життя вам відомо, що електричний струм, проходячи по провіднику, веде до його нагрівання. Давайте поміркуємо над тим, чому відбувається це нагрівання.

У металевому провіднику електричне поле зумовлює рух електронів. Стикаючись з іонами кристалічної ґратки, електрони передають їм частину своєї енергії.

У результаті хаотичний рух іонів відносно стану рівноваги стає інтенсивнішим, а відповідно збільшується і внутрішня енергія провідника. Як наслідок, температура провідника підвищується, і він передає теплоту тілам, що його оточують Завдяки роботі електричного поля до провідника постійно надходить енергія. Отже, кількість теплоти, яка виділяється електричним струмом у провіднику, пов’язана з роботою електричного струму.

Теплова дія електричного струму експериментально була досліджена англійським ученим Дж. Джоулем та російським фізиком Е. Ленцем у 1842 р., які незалежно один від одного дійшли однакового висновку:

Кількість теплоти, що виділяється в провіднику електричним струмом, чисельно дорівнює роботі струму.

Q = A.

З попереднього параграфа вам відомо, що коли робота струму витрачається на нагрівання провідника, то її можна визначити за формулою A = I²Rt. Отже,

Q = I²Rt

Це і є закон Джоуля—Ленца, який формулюється таким чином:

Кількість теплоти, яка виділяється провідником з електричним струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опора провідника і часу проходження струму._

Теплова дія струму спостерігається й у випадку, коли на ділянці кола не відбувається механічна робота і струм не здійснює хімічної дії, тобто нагрітий провідник віддає кількість теплоти навколишнім тілам.

ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ТЕПЛОВОЇ ДІЇ СТРУМУ. Теплова дія струму використовується в різних електронагрівальних приладах. Електронагрівальні прилади — технічні засоби, призначені для перетворення електричної енергії в теплову. Наразі в

побуті широко використовують електричні праски, плити, чайники, електричні каміни, рефлектори тощо (рис. 32.1). У промисловості теплова дія струму використовується для плавлення спеціальних видів сталі та інших металів. У сільському господарстві за допомогою електричного струму обігрівають теплиці, інкубатори, сушать зерно тощо.

Основна частина будь-якого електронагрівального приладу — нагрівальний елемент. Це провідник із великим питомим опором, який може витримувати високі температури. Переважно для виготовлення нагрівального елемента застосовують сплав нікелю, заліза, хрому та марганцю, який дістав назву «ніхром». Щоб уникнути ураження струмом, нагрівальні елементи ізолюють від корпуса нагрівального пристрою. Змінюючи силу струму в нагрівальному елементі, можна регулювати його температуру.

Цілком зрозуміло, що кожен, хто користується цими приладами, повинен знати їх будову, правила користування й поточного ремонту. Електронагрівальний прилад може працювати нормально лише при певній робочій (номінальній) напрузі й

розрахований на визначену величину струму та потужність. Усі ці величини є основними паспортними даними будь-якого електронагрівального приладу та написані на табличці, закріпленій на приладі.

Ще одним пристроєм, де використовується теплова дія струму, є лампа розжарення — освітлювальний прилад, де світло випромінюється тугоплавким провідником, нагрітим електричним струмом до розжарення (рис. 32.2). Основною частиною лампи розжарення є тонкий вольфрамовий провідник.

Вольфрам — тугоплавкий метал із температурою плавлення 3387 °С. У лампі розжарення вольфрамова нитка нагрівається до 3000 °С.

За такої температури вона починає яскраво світитися. При практично досяжних температурах 2300—2900 °С випромінюється світло, яке здається більш «жовто-червоним», ніж денне.

Нитку розжарювання вміщують у скляну колбу, з якої за допомогою насосу відкачують повітря. Це роблять із метою запобігання перегоранню нитки розжарювання внаслідок окислення вольфраму. У звичайному повітрі при таких температурах вольфрам миттєво перетворився б на оксид.

Проте відкачування повітря призводить до випаровування вольфраму з поверхні нитки розжарювання, внаслідок чого вона стає тоншою і перегорає. З метою запобігання швидкому випаровуванню вольфраму лампи наповнюють газами, які не взаємодіють із ним, наприклад, азотом або інертними газами, такими як криптон чи аргон.

Перевагою лампи розжарення є випромінювання рівного (не мерехтливого) світіння. Проте лампи розжарення мають низку суттєвих недоліків. Серед них велике енергоспоживання, відносно нетривалий термін роботи та мала ефективність. Так, лише 5 % спожитої енергії перетворюється у світло, а решта 95 % — у тепло.

У 1976 р. було зроблено якісний прорив — американець Ед Xappic продемонстрував принципово нову лампу, яка згодом отримала назву енергозберігаючої, газорозрядної лампи низького тиску. Термін роботи сучасних електрозберігаючих ламп становить близько 10 тисяч годин, а 70 % спожитої енергії перетворюється у світло (рис. 32.3, а).

Останнім часом дедалі більшого поширення набувають LED-лампи (англ. LED — Light-emitting diode). LED-лампа — налів-

провідниковий пристрій, що випромінює світло при пропусканні через нього електричного струму (рис. 32.В, б). При цьому близько 90 % спожитої енергії перетворюється у світлову.

КОРОТКЕ ЗАМИКАННЯ. Електричні кола завжди розраховують на певну силу струму. Якщо з тієї чи іншої причини сила струму в колі перевищує допустиме значення, це може зумовити значне нагрівання провідників, плавлення ізоляції і навіть пожежу. Явище істотного збільшення сили струму в колі внаслідок зменшення його електричного опору називають коротким замиканням. Причиною такого замикання може бути одночасне вмикання потужних споживачів електричного струму або порушення ізоляції електрообладнання.

Для запобігання наслідкам короткого замикання використовують спеціальні електричні пристрої — запобіжники. Розрізняють одноразові (плавкі) запобіжники (рис. 32.4) та автоматичні (багаторазові) вимикачі (рис. 32.5). Плавка вставка одноразових запобіжників обирається з таким розрахунком, щоб вона розплавилася раніше, ніж струм досягне неприпустимих значень.

Робочим елементом багатьох автоматичних вимикачів є біметалева пластина з двох різнорідних металів, скріплених між собою. При нагріванні пластини під час проходження по ній електричного струму кожен із металів деформується по різному. Пластина вигинається і розмикає електричне коло. На відміну від плавкого

запобіжника, автоматичний вимикач готовий до подальшого використання після охолодження пластини.

Звертаємо увагу на те, що за допомогою спеціальних тумблерів чи кнопок, розташованих на автоматичному вимикачі (рис. 32.5, б), можна відновити електроживлення, але це варто робити лише після усунення причини виникнення короткого замикання!

Головне в цьому параграфі_

У металевому провіднику внаслідок руху електронів і стикання їх з йонами кристалічної гратки збільшується інтенсивність хаотичного руху йонів, а відповідно внутрішня енергія і температура провідника.

Кількість теплоти, яка виділяється провідником з електричним струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника і часу проходження струму:

Q = I²RAt.

Електронагрівальні прилади — технічні засоби, призначені для перетворення електричної енергії в теплову.

Основною частиною будь-якого електронагрівального приладу є нагрівальний елемент — провідник із великим питомим опором, який може витримувати великі температури.

Явище значного збільшення сили струму в колі внаслідок зменшення його електричного опору називають коротким замиканням.

Для запобігання наслідкам короткого замикання використовують запобіжники.

Запитання для самоперевірки_

1.    Поясніть, чим зумовлена теплова дія електричного струму.

2.    Сформулюйте закон Джоуля — Ленца.

3.    У чому полягає принцип дії електронагрівальних приладів.

4.    Назвіть переваги й недоліки лампи розжарення.

5.    Поясніть, чому для плавких запобіжників не використовують залізний чи мідний дріт.

6. Поясніть, чому в запобіжниках плавкий провідник є значно тоншим, ніж провідники, що з’єднують джерело і споживачів електричної енергії.

_І Вправа до § 32

1п. Визначте, у скільки разів збільшиться кількість теплоти, що виділяється електричним струмом, якщо сила струму в провіднику збільшується у 3 рази.

2п. Два вольфрамові провідники однакової довжини мають різний діаметр. Поясніть, у якому з них виділяється більша кількість теплоти при послідовному ввімкненні.

Зс. Поясніть, як зміниться кількість теплоти, що виділяється електричним струмом, під час проходження по провіднику, якщо його довжину зменшити у 2 рази.

4с. Визначте кількість теплоти, що виділиться у провіднику опором 15 Ом за 10 хв, якщо сила струму в провіднику становить 2 А? 5с. Поясніть, чи буде запобіжник відповідати своєму призначенню, якщо він розрахований на 10 A₁ а проводка у квартирі — лише на 6 А?

6д. Плавкі запобіжники розраховані на максимальний струм 10 А при напрузі 220 В. Чи розплавиться запобіжник, якщо в мережу одночасно увімкнуть електричні прилади загальною потужністю 2,5 кВт.

7д. По провіднику проходить струм 5 А. Визначте опір провідника, якщо протягом 10 хв виділяється кількість теплоти 5 кДж.

8д. Два провідники, опір яких 10 і 23 Ом, увімкнули в мережу з напругою 100 В. Визначте кількість теплоти, яка виділяється щосекунди в кожному провіднику, якщо їх з’єднати: 1) послідовно; 2) паралельно.

9в. На електроплитці, увімкненій у мережу напругою 220 В, стоїть каструля, в якій міститься 0,5 л води з початковою температурою 10 °С. За 12 хв вода закипає. Визначте ККД установки, якщо сила струму в електроплитці становить 5 А.

10в. Пральна машина має потужність нагрівальних тенів 500 Вт і ККД 85 %. Визначте час нагрівання в машині води об’ємом 5 л від 25 до 95 °С.

Це цікаво

Спроби створити лампу розжарення здійснювалися вченими різних країн ще з початку XIX ст., проте сконструювати надійний пристрій не вдавалося. Лише в 1854 р. німецький годинникар Генріх Гебель продемонстрував перший пристрій, який можна назвати лампою розжарення, — обвуглену бамбукову нитку в скляній колбі, з якої було відкачано повітря.

Вугільна лампа Павла Яблочкова, розроблена в 1874 р., працювала не більше 2 годин. Придатну для практичного застосування лампу першим запатентував Джозеф Свои у 1878 р. Як нитку розжарення було

використано обвуглене бавовняне волокно, вміщене у скляну колбу з розрідженим киснем. У 1879 р. було розпочато обладнання електричного освітлення в містах Англії, незважаючи на те, що лампи Свона мали невеликий (близько 13 годин) термін використання через недостатній вакуум.

У передмісті Нью-Йорка 31 грудня 1879 р. американський винахідник Томас Альва Едісон запатентував лампу розжарювання з платиновою ниткою. А наступного року вчений створив лампу розжарення з вугільною ниткою, яка працювала майже 40 годин (рис. 32.4).

У 1884 р. на Міжнародній електротехнічній виставці в Штаєрі видатний український фізик Іван Пулюй продемонстрував лампу розжарення власної конструкції.

Запатентована І. Пулюєм лампа мала вдосконалену нитку розжарювання, що в декілька разів збільшувало термін її використання, порівняно з аналогами. Лампа Пулюя (рис. 32.5) серійно виготовлялася та використовувалася в Європі.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко