§ 34. Закон Джоуля—Ленца. Електронагрівальні прилади

Ви дізнаєтесь

Пригадайте

Закон Джоуля—Ленца. Електричний струм нагріває провідник. Це явище вам добре відоме. Пояснюється воно тим, що заряджені частинки, переміщуючись під впливом електричного поля, взаємодіють з атомами речовини провідника та передають їм свою енергію. Внаслідок роботи електричного струму внутрішня енергія провідника збільшується. Теплову дію електричного струму експериментально досліджували англійський вчений Джеймс Джоуль та російський фізик Емілій Ленц і незалежно один від одного у 1842 р. дійшли однакового висновку, який згодом отримав назву закон Джоуля—Ленца.

Закон Джоуля—Ленца: кількість теплоти Q_t що виділяється в провіднику, який має опір R_t у результаті проходження по ньому струму силою І протягом часу t визначається добутком квадрата сили струму, опору провідника й часу проходження струму:

Q = PRt.

'-.

Цей закон був встановлено експериментально. Ми, знаючи формулу роботи електричного струму А = UIt, виведемо формулу закону Джоуля—Ленца математично. Якщо на ділянці кола, якою проходить струм, не виконується механічна робота і не відбуваються хімічні реакції, то результатом роботи електричного струму буде тільки нагрівання провідників. Нагрітий провідник внаслідок теплообміну віддає отриману енергію в навколишнє середовище. Згідно закону збереження енергії, кількість виділеної теплоти дорівнює роботі струму: Q=A. Оскільки А = UIt ,a U = IR , то маємо: Q — UIt — IRIt = I²Rt.

Зверніть увагу! Скориставшись законом Ома математично можна отримати й такі формули закону

Проте у випадку,

якщо в колі виконується механічна робота або відбуваються хімічні реакції, ці формули використовувати не можна.

Електронагрівальні прилади. Теплова дія струму використовується в різних електронагрівальних приладах. Електронагрівальні прилади — це технічні засоби, що призначені для перетворення електричної енергії в теплову. Наразі в побуті широко використовують електричні праски, плити, чайники, електричні каміни, рефлектори тощо (мал. 168). 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.

Основною частиною нагрівального електричного приладу є нагрівальний елемент. Нагрівальний елемент — це провідник із великим питомим опором, що здатний не руйнуватись при нагріванні до високої температури (1000-1200 °С). Найчастіше для виготовлення нагрівальних елементів застосовують сплав нікелю, заліза, хрому і марганцю, відомий під назвою «ніхром». Великий опір, що його має ніхром, дає змогу виготовляти з нього дуже зручні, малі за розмірами нагрівальні елементи. У нагрівальному елементі провідник у вигляді дроту, стрічки чи спіралі намотують на каркас або прикріплюють до арматури із жаростійкого матеріалу: слюди або кераміки.

Цілком зрозуміло, що кожний, хто користується цими приладами, повинен знати їх будову, правила користування та поточного ремонту. Електронагрівальний прилад може нормально працювати лише за певної робочої (номінальної) напруги й розрахований на певну величину струму, тобто має певну потужність. Усі ці величини — робоча напруга, струм і потужність є основними паспортними даними будь-якого електронагрівального приладу. Вони зазначені в паспорті, який додається до приладу, та відображені на табличці, закріпленій на приладі.

Мікрохвильова піч також є знайомим для багатьох нагрівальним побутовим приладом, проте на відміну від електричних плит і духових шаф нагрівального елемента в ній немає. Не вдаючись до детального пояснення фізичних процесів, які відбуваються, принцип дії мікрохвильової печі можна пояснити так. Нагрівання їжі відбувається завдяки дії електромагнітних хвиль на моле-

кули води, що містяться в продуктах. Молекули води починають обертатись, виникає «міжмолекулярне тертя», в результаті чого виділяється теплота.

Освітлювальні лампи. Ще одним пристроєм, де використовується ефект нагрівання провідника під час проходження в ньому електричного струму, є лампа розжарювання.

Основною частиною лампи розжарювання є тонкий вольфрамовий провідник. Вольфрам є тугоплавким металом із температурою плавлення 3387 °С.

У лампі розжарювання вольфрамова нитка нагрівається до 3000 °С і починає яскраво світитися.

Нитку розжарювання вміщують у скляну колбу, з якої за допомогою насоса відкачують повітря. Це роблять з метою запобігання перегоранню нитки розжарювання внаслідок окислення вольфраму.

У звичайному повітрі за таких температур вольфрам миттєво перетворився б на оксид.

Проте відкачування повітря призводить до випаровування вольфраму з поверхні нитки розжарювання, унаслідок чого вона з часом стає тоншою й перегорає. З метою запобігання швидкому випаровуванню вольфраму, лампи наповнюють газами, які не взаємодіють з вольфрамом, наприклад, азотом або інертними газами — такими як криптон чи аргон. Таким чином, молекули газу перешкоджають швидкому руйнуванню нитки розжарювання. Газо-наповнену лампочку зображено на мал. 169, а.

Перевагою лампи розжарювання є випромінювання постійного (не мерехтливого) світіння. Проте лампи розжарювання мають ряд суттєвих недоліків. Серед них — велике енергоспоживання, відносно невеликий термін роботи та мала ефективність. Так, усього 5 % спожитої електричної енергії перетворюється у світло, а решта 95 % — у теплоту.

У 1976 р. американець Ед Xappic продемонстрував принципово нову лампу, яка згодом отримала назву енергозберігаючої газорозрядної лампи (мал. 169, б). У ній електричний струм проходить не по металевому провіднику, а через суміш газів, які внаслідок цього випромінюють світло. Газорозрядна лампа отримала назву енергозберігаючої тому, що, споживаючи потужність 20 Вт, вона дає такий самий світловий потік, як лампа розжарювання, що споживає 100 Вт. Термін роботи сучасних енергозберігаючих ламп становить близько

10 000 год, і 70 % спожитої ними електричної енергії перетворюється у світло.

Проте і на зміну газорозрядним лампам приходять нові — LED лампи (мал. 169, в). LED лампа (від англ, light-emitting diode — діод, що випромінює світло) — це напівпровідниковий пристрій, що випромінює світло, коли через нього проходить електричний струм, їх ще називають світлодіодни-ми лампами.

Перевагами таких ламп є те, що близько 90 % спожитої електричної енергії перетворюється у світлову; можна розробляти лампи, що випромінюють світло певного кольору. Колір світла, яке випромінює світлодіод, залежить від хімічного складу напівпровідника, що використаний у ньому.

Світлодіоди застосовують в індикаційній техніці, у інформаційних табло, світлофорах, ліхтариках, гірляндах тощо.

Запобіжники. Як відомо, побутові прилади, що споживають електричну енергію, у квартирах з’єднані паралельно. Тому, якщо ввімкнути відразу кілька потужних побутових приладів, загальний опір кола суттєво зменшиться, відповідно сила струму в колі значно зросте. Значне збільшення сили струму відбувається і в разі короткого замикання — з’єднання кінців ділянки кола провідником, що має малий опір у порівнянні з опором цієї ділянки. Коротке замикання може виникнути й у разі порушення ізоляції проводів.

Щоб уникнути пожежі через коротке замикання або перенавантаження електричного кола, а також щоб не вийшли з ладу споживачі електричної енергії під час небезпечного збільшення сили струму, використовують запобіжники — пристрої, що розмикають коло в разі понаднормового збільшення сили струму.

Розрізняють одноразові запобіжники та автоматичні (багаторазові) вимикачі. Одноразовими є плавкі запобіжники (мал. 170, а). Корпус запобіжника виготовляють з електроізоляційного матеріалу (скла, кераміки). Головною деталлю запобіжника є плавка вставка (дріт, смужка металу), яку обирають з таким розрахунком, щоб вона розплавилася раніше, ніж струм досягне неприпустимих значень. Виводи плавкої вставки сполучені з

клемами, за допомогою яких запобіжник вмикається в електричне коло послідовно зі споживачем або ділянкою кола, яка захищається. Для цього використовують спеціальні клемні утримувачі.

Робочим елементом багатьох автоматичних вимикачів є біметалева пластина, що складається з двох різних металів, скріплених між собою. Один кінець стрічки, як правило, нерухомо закріплений у корпусі пристрою, а інший — переміщається залежно від температури пластини. За нагрівання пластини кожний із двох металів деформується по-різному, пластина вигинається, розмикаючи тим самим електричне коло. На відміну від плавкого запобіжника, після охолодження біметалевої пластини автоматичний вимикач можна ввімкнути знову.

Підбиваємо підсумки

Кількість теплоти, що виділяється в провіднику під час проходження електричного струму, чисельно дорівнює роботі струму: Q=A.

Кількість теплоти, яка виділяється провідником зі струмом, визначається добутком квадрата сили струму, опору провідника та часу проходження струму:

Q = FRt.

Цей закон отримав назву закону Джоуля—Ленца.

Основна частина будь-якого електронагрівального приладу — це нагрівальний елемент. Нагрівальний елемент являє собою провідник з великим питомим опором, який може витримувати великі температури.

Змінюючи силу струму в нагрівальному елементі, можна регулювати температуру нагрівника.

А знаю, вмію та можу поясними

У

1.    Поясніть, чим зумовлена теплова дія електричного струму.

2.    Сформулюйте закон Джоуля—Ленца.

3.    Назвіть межі застосування виразу Q = FRAt-

4.    Які ви знаєте електронагрівальні прилади?

5.    Що таке нагрівальний елемент?

6.    Які електричні лампи використовують люди в побуті?

ПОЯСНІТЬ

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

2.    Як зміниться кількість теплоти, що виділяється електричним струмом під час проходження по провіднику, якщо його довжину зменшити у два рази?

3.    Два вольфрамові провідники однакової довжини мають різний діаметр. Поясніть, у якому з них виділяється більша кількість теплоти.

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

За 10 хв в електричному чайнику нагріли 0,5 л води від 20 °С до кипіння. Сила струму в мережі 1,2 А, а опір спіралі електрочайника — 260 Ом. Питома теплоємність води 4200 Дж/ (кг-⁰С). Визначте ККД електрочайника.

Корисною енергією є енергія нагрівання води: A_k =Q = Ctn(f₂ — i_t), а затраченою — енергія, що виділилася в нагрівальному елементі під час проходження по ньому електричного струму:

1.    Визначте кількість теплоти, що виділиться у провіднику опором 15 Ом за 10 хв, якщо сила струму в провіднику становить 2 А.

2.    По провіднику проходить струм 5 А. Визначте опір провідника, якщо впродовж 10 хв виділяється кількість теплоти 5 кДж.

3.    Поясніть, як зміниться кількість теплоти, що виділяється лампою розжарення (мал. 171), якщо повзунок реостата перемістити донизу; вгору.

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

5.    Обчисліть кількість теплоти, яка щохвилини виділяється в електричному інкубаторі, що працює за напруги 220 В і сили струму 20 А, якщо 10 % споживаної потужності витрачається не на обігрів, а на вентиляцію.

6.    Пральна машина має потужність нагрівальних тенів 1500 Bt і ККД 80 %. За який час тени нагріють воду об’ємом 5 л від 20 ^dC до 90 °С?

7.    На електроплитці, увімкненій у мережу напругою 220 В, стоїть каструля, в якій міститься 0,5 л води з початковою температурою 20° С. За 2 хв вода закипає. Визначте ККД електроплитки, якщо сила струму становить? А.

8*. Тролейбус масою 11 т рухається рівномірно зі швидкістю 36 км/год. Визначте силу струму в обмотці двигуна, якщо напруга дорівнює 550 В, а ККД — 80 %. Коефіцієнт опору рухові становить 0,02.

9*. Електродвигун підйомного крана працює під напругою 380 В і споживає силу струму 20 А. Який ККД має кран, якщо вантаж масою 1 т він піднімає на висоту 20 м за 50 с?

10*. Із нікелінового дроту довжиною 6 м виготовлено нагрівник, який за сили струму 5 А за 14 хв нагріває 1,5 л води на 84 °С. Визначте діаметр дроту. Втратами енергії знехтувати.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Засєкіна