§ 34. Теплова дія струму.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ —ЛЕНЦА

Із власного досвіду вам добре відомо, що під час проходження електричного струму спіраль лампи розжарювання нагрівається настільки, що починає випромінювати видиме світло. Завдяки дії електричного струму нагріваються праска й електрична плита. А от вентилятор і пилосос нагріваються незначно, так само не стають дуже гарячими (звичайно, якщо все гаразд) і підвідні проводи. Про те, від чого залежить теплова дія струму, ви дізнаєтеся, вивчивши матеріал цього параграфа.

Розмірковуємо про теплову дію струму

Уже йшлося про те, що проходження струму завжди супроводжується виділенням теплоти. Цей факт неважко пояснити.

Коли в провіднику йде струм, то вільні заряджені частинки, рухаючись під дією електричного поля, зіштовхуються з іншими частинками (електрони в металах зіштовхуються з йонами, розташованими у вузлах кристалічної ґратки, йони в електролітах — з іншими йонами, атомами або молекулами) і передають їм частину своєї енергії. У результаті середня швидкість хаотичного (теплового) руху частинок речовини збільшується — провідник нагрівається. За законом збереження енергії кінетична енергія, набута вільними зарядженими частинками в результаті дії електричного поля, перетворюється на внутрішню енергію провідника. Очевидно: чим частіше зіштовхуються частинки, тобто чим більший опір провідника, тим більше енергії передається провіднику і тим більше він нагрівається. Можемо, таким чином, припустити, що кількість теплоти, яка виділяється під час проходження струму в провіднику, прямо пропорційна опору провідника.

Крім того, зі збільшенням у провіднику сили струму кількість виділюваної теплоти теж збільшується. Адже чим більше частинок проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу, тим більше зіткнень відбувається.

Відкриваємо закон Джоуля—Ленца

Теплову дію струму вивчали на дослідах англійський учений Дж. Джоуль (рис. 34.1) і російський учений німецького походження E. X. Ленц (рис. 34.2). Незалежно один від одного вони дійшли однакового висновку, що згодом отримав назву закон Джоуля — Ленца:

Кількість теплоти, яка виділяється під час проходження струму в провіднику, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника й часу проходження струму:

На рис. 34.3 зображено схему досліду, який доводить закон Джоуля — Ленца. Спробуйте описати цей дослід самостійно.

Закон Джоуля — Ленца був установлений експериментально. Тепер, знаючи формулу для розрахунку роботи струму (A = UIt), цей закон можна вивести за допомогою простих математичних викладень.

Рис. 34.1. Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) — англійський фізик, один із засновників сучасної теорії теплових явищ. У 1841 р. установив залежність кількості теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом, від сили струму та опору провідника

Якщо на ділянці кола, в якій тече струм, не виконується механічна робота й не відбуваються хімічні реакції, результатом роботи електричного струму буде тільки нагрівання провідника. Нагрітий провідник шляхом теплопередачі віддає отриману енергію навколишнім тілам. Отже, в цьому випадку згідно із законом збереження енергії

Звертаємо увагу на деякі особливості обчислення кількості теплоти

Рис. 34.2. Емілій Християнович Ленц (1804-1865) — російський фізик, професор Петербурзького університету. Незалежно від Дж. Джоуля в 1842 р. встановив закон теплової дії електричного струму

Для одержання математичного виразу закону Джоуля — Ленца ми скористалися деякими припущеннями, але, як виявилося з подальших досліджень, кількість теплоти, яка виділяється в процесі проходження струму в ділянці кола, завжди можна обчислити за формулою Q = I²Rt.

Виникає запитання: що робити, якщо сила струму невідома, а відомою є напруга на кінцях ділянки кола? Здавалося б, можна

стуватися тільки в тому випадку, коли вся електрична енергія витрачається на нагрівання.

Якщо ж на ділянці кола є споживачі енергії, в яких виконується

складні математичні вирази, які враховують усю сукупність явищ. Учимося розв'язувати задачі

Задача· Визначте опір нагрівника, за допомогою якого можна за 5 хв довести до кипіння 1,5 кг води, взятої за температури 12 °С. Напруга в мережі дорівнює 220 В, ККД нагрівника — 84 %.

Аналіз фізичної проблеми. Коли в нагрівнику проходить електрич-

у * Підбиваємо підсумки

Ч Проходження струму в провіднику супроводжується виділенням теплоти. Кількість теплоти, яка виділяється під час проходження струму в провіднику, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника й часу проходження струму:

Ленца).

Контрольні запитання

1.    Чому нагріваються провідники, в яких тече електричний струм?

2.    Сформулюйте закон Джоуля — Ленца. Чому він має таку назву?

3.    Як математично записується закон Джоуля — Ленца? 4. Які формули для розрахунку кількості теплоти, що виділяється під час проходження струму в провіднику, ви знаєте? Чи завжди можна ними

користуватися?

Вправа № 34

1.    Скільки теплоти виділиться за 10 хв в електропечі, увімкнутій у мережу, якщо опір нагрівального елемента печі становить ЗО Ом, а сила струму в ньому дорівнює 4 А?

2.    Два провідники опорами 10 і 20 Ом увімкнуті в мережу, що має напругу 100 В. Яка кількість теплоти виділиться за 5 с у кожному провіднику, якщо їх з’єднати паралельно?

3.    Чому електричні проводи, по яких подається напруга до електричної лампи, не нагріваються, а волосок розжарювання лампи нагрівається та яскраво світиться?

4.    Електрокип’ятильник за 5 хв нагріває 0,2 кг води від 14 °С до кипіння за умови, що в його обмотці тече струм силою 2 А. Визначте, на яку напругу розрахований електрокип’ятильник. Витратами енергії знехтуйте.

5.    У кожний з двох калориметрів налили 200 г води за температури 20 °С. У перший калориметр помістили нагрівач опором 12 Ом, у другий — опором 24 Ом. Нагрівані з’єднали послідовно і підключили до джерела струму (див. рис. 34.3). Якою буде температура води в кожному калориметрі, якщо нагрівання триватиме 7 хв, а сила струму в колі весь час буде незмінною і становитиме 1,5 А? Втратами енергії знехтуйте.

6.    Якої довжини ніхромовий дріт треба взяти, щоб виготовити електричний камін, який працюватиме за напруги 120 В і виділятиме 1 МДж теплоти за годину? Діаметр дроту 0,5 мм.

7.    Порівняйте кількості теплоти, які необхідно витратити, щоб розплавити мідний і свинцевий дроти, якщо ці дроти мають однакову масу й узяті за температури 27 °С.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар