§ 38. Закон Джоуля-Ленца.

Електронагрівальні прилади

Як проявляється теплова дія електричного струму?

Проходження електричного струму через провідник завжди супроводжується нагріванням провідника. Нагрівання відбувається тому, що вільні електрони в металах, які розігналися під дією електричного поля або іони в розчинах, які проводять струм, стикаються з молекулами або атомами провідника і віддають їм свою енергію. Так енергія електричного поля переходить у внутрішню енергію провідника.

У нерухомих металевих провідниках, як показують досліди, вся робота струму йде на збільшення внутрішньої енергії. Провідники при цьому нагріваються. Отже, кількість теплоти, що виділяється в провіднику, дорівнює роботі струму:

Q=A або Q = UlL

Очевидно, що кількість теплоти, що виділяється в провіднику, має залежати від опору провідника. Чим більший опір, тим «важче» рухатися

зарядам у провіднику, тим більша частина електричної енергії буде перетворюватися у внутрішню енергію. Користуючись законом Ома, перетворимо формулу Q = UIt. Оскільки U = IR, то отримаємо:

Q = IRIt

або

Q = PRt.

Кількість теплоти, що виділяється при проходженні струму через провідник, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника і часу проходження струму.

Ця залежність уперше була виявлена експериментально одночасно двома вченими: англійським ученим Джеймсом Джоулем(1818 - 1889) і російським ученим Емілем Ленцом(1804 - 1865). Тому цей закон називають законом Джоуля-Ленца.

Властивість провідників нагріватися при протіканні по них електричного струму широко застосовується в побуті, промисловості, транспорті і т.д. Основу добре всім відомих електронагрівальних приладів, таких, як праска, чайник, кип’ятильник, становить металевий нагрівальний елемент, температура якого зростає при проходженні по ньому електричного струму. В нагрівальних елементах використовують метали, які можуть витримувати температуру до 1000 °С.

Найчастіше для виготовлення нагрівального елемента застосовують матеріал — ніхром (сплав нікелю, заліза, хрому і марганцю) який має високу температуру плавлення та великий питомий опір. Завдяки великому опору нагрівальні елементи з ніхрому мають невеликі розміри. Нагрівальні елементи розміщують на теплостійких (переважно керамічних) ізоляторах.

Перевагою електронагрівальних приладів є їхня екологічність. Під час

їхньої роботи не виділяються шкідливі речовини. В порівнянні з газовими нагрівачами вони е вибухобезпечними.

Запитання для самоперевірки

1.    Як можна пояснити нагрівання провідників електричним струмом? Чому кількість теплоти, що виділяється в провіднику, тим більша, чим більша сила струму й опір провідника?

2.    Наведіть приклади пристроїв, в яких використовується нагрівання провідників електричним струмом.

3.    Сформулюйте закон Джоуля-Ленца.

4.    Чому для виготовлення нагрівальних елементів використовують матеріали з великим опором? Відповідь обґрунтуйте.

Завдання 38

1.    Реостат із опором 100 Ом включений в коло максимальним опором. Сила струму в колі З А. Яка кількість теплоти виділиться в реостаті протягом 10 хв?

2.    Два провідники, мідний і залізний, рівної довжини і однакової площі поперечного перерізу включені в коло джерела струму. У якому провіднику виділиться більша кількість теплоти, якщо вони з'єднані: а) послідовно; б) паралельно? Відповіді обґрунтуйте.

З*. В електричному чайнику при напрузі 220 В і силі струму 6 А за 20 хв нагрілося 4 кг води від 20 ⁰C до 80 °С. Визначте ККД цього чайника.

4* У колі, яке складається з трьох однакових провідників, з’єднаних паралельно й увімкнених у мережу постійної напруги, за 40 с виділилась певна кількість теплоти. За який час виділиться така ж кількість теплоти, якщо провідники з’єднати послідовно?

Робота з комп’ютером

Вивчіть матеріал уроку і виконайте запропоновані в електронному додатку завдання.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Пістун