§ 42. Закон

Джоуля-Ленца.

Тут ти дізнаєшся, що за характеристиками електричного струму можна розрахувати його теплову дію; що при різних з'єднаннях провідників для розрахунку теплової дії потрібно вимірювати різні фізичні величини, що описують електричне коло.

Проходячи провідником, електричний струм виконує роботу, внаслідок чого збільшується внутрішня енергія провідника і підвищується його температура. У досліді це спостерігається як теплова дія електричного струму. Якщо при цьому його температура буде вищою за температуру оточуючого середовище, то енергія від провідника буде передаватися до оточуючих тіл. Таке явище в фізиці називають теплопередачею (дивись розділ 1), а енергія, яка передається при теплопередачі, називається кількістю теплоти.

Отже, для випадку теплової дії струму можна записати формулу

Q - А - UIM. Врахувавши, що за законом Ома (/ — //?, отримаємо

Q = PR ■ У.

Цією формулою фактично записано закон, відкритий Дж. Джоулем у 1841 році і незалежно від нього Е. Ленцем у 1842 році.

Кількість теплоти, яка виділяється при проходженні електричного струму у провіднику, пропорціональна квадрату сили струму, опору провідника і часу.

Таку формулу зручно застосовувати для розрахунку теплової дії струму для електричних кіл з послідовним з’єднанням провідників. Адже у кожному з цих провідників сила струму однакова, тому кількість теплоти буде залежати лише від опору провідника.

Якщо ділянка кола утворена паралельно з’єднаними провідниками, то для

кожного з них буде однакова напруга. Якщо використати закон Ома, за яким

то одержимо іншу формулу для закона Джоуля-Ленца:

Отже, більша кількість теплоти буде виділятися на тому провіднику, у якого опір менший.

Задача. Яка кількість теплоти виділяється в дротяній спіралі опором ЗО Ом за 150 с при силі струму в ній 8 А?

Завдання додому.

Теплова дія електричного струму.

За даними таблиці склади задачі, розв’яжи їх і заповни порожні клітинки.

Вправи.

Спіраль і два підвідних провідника в електроплитці з’єднані послідовно. Чому відчутно нагрівається лише спіраль, коли плитка увімкнута в електромережу?

Одна електролампа розжарення має спіраль опором 12 Ом, а друга — 21 Ом. Яка з них буде світитися яскравіше при приєднанні до одного й того ж джерела струму?

Три з’єднані провідники вмикають по черзі в електричне кол. Провідники виготовлені зі сталі, нікеліну, ніхрома. Який з них нагріється при послідовному з’єднанні? при паралельному з’єднанні?

Два провідники, що мають опори 4 і б Ом, увімкнуті в електричне коло паралельно. Яка кількість теплоти виділяється в обох провідниках за 50 с. Якщо струм у нерозгалудженій частині кола становить 0,8 А? (76,8 Дж).

Яка кількість теплоти виділяється в електричній печі за 4 хв. якщо її потужнсть 1,5 кВт? (360 кДж).

Електричний кип’ятильник розрахований на напругу 220 В і має опір 66 Ом. Яку кількість теплоти виділить кип’ятильник за 5 хв роботи? (220 кДж).

На виготовлення реостата витрачено 8 м нікелінового дроту з перерізом 2 мм². Яка кількість теплоти виділятиметься в реостаті за 10 хв при струмі 2 А? (403,2 кДж).

_Який коефіцієнт корисної дії чайника, у якому 800 г води

за 10 хв нагрілися від 20 до 100 C при силі струму в спіралі 4 А і напрузі 220 В? (0,51)

Прочитай і з'ясуй, що ти знаєш.

1.    Які перетворення енергії відбуваються при проходженні електричного струму в провіднику?

2.    Як формулюється закон Джоуля-Ленца?

3.    Як записується формула закону Джоуля-Ленца для кола з послідовним з’єднанням провідників? Чому?

4.    Як записується формула закону Джоуля-Ленца для паралельного з’єднання провідників? Чому?

5.    На якому з провідників при послідовному їх з’єднанні виділяється більша кількість теплоти?

6.    На якому з провідників при паралельному їх з’єднанні виділяється більша кількість теплоти?

Екскурсія в техніку.

Електронагрівальні прилади.

Тут ти дізнаєшся, що багато видів елек тронагрівальних приладів мають схожу будову і слугують для перетворення енергії електричного струму в теплову енергію; що розраховуються вони на основі закону Джо уляЛенца.

Оглянувши вітрини супермаркетів, ти побачиш велику клькість електричних приладів, основне завдання яких обігрівати приміщення, нагрівати воду для ванни чи прання, нагрівати їжу на кухні тощо. Усі вони, як правило, мають різний вигляд, але принцип дії — однаковий.

Як приклад, розглянемо будову електричної лампи розжарювання, дію якої ти спостерігав, і можливо не задумувався над її будовою і принципом дії (мал. 128).

Основною частиною лампи є вольфрамова спіраль 1, закріплена на двох металевих дротяних опорах 2, які електрично з’єднані з цоколем лампи 3. Це дозволяє вмикати електролампу в електричне коло. Спіраль з тримачами міститься у скляному балоні, наповненому інертним газом, що оберігає спіраль від згоряння в атмосфері.

Електрична схема лампи побудована на застосуванні висновків з закону Джоу-ля-Ленца. Адже в ній спіраль з вольфраму має великий опір і увімкнута послідовно з тримачами, які мають малий опір. Хоча через спіраль і тримачі проходить однаковий струм, помітно нагрівається лише вольфрамова спіраль. Температура спіралі може сягати 3000 С. Спіраль електролампи запаяна в скляному балоні, щоб світло, яке випромінює спіраль за високої температури, виходило назовні.

Лампи розжарювання досить широко ще застосовуються на практиці. Хоча коефіцієнт корисної дії цих ламп не перевищує 5%. Лише 20-а частина енергії електричного струму, який проходить лампою, перетворюється в енергію світла. Тому стрімко зростає виробництво освітлювальних ламп іншого принципу дії, які мають суттєво ви-

щий коефіцієнт корисної дії.

Подібну до лампи розжарювання будову має і електрична праска (мал. 130), у якої вольфрамова спіраль розміщена у захисній трубці і закріплена з внутрішнього боку підошви праски, яка випрямляє складки матерії під час прасування одягу.

Провідники ж, якими спіраль під’єднується в електричне коло, виготовляють з міді. Якщо спіраль нагрівається до температури, вищої за 100"С, то температура провідників практично майже не підіймається в процесі роботи.

Прочитай і з*ясуй, що ти знаєш.

1.    Яка будова електричної лампи розжарювання?

2.    Чому тримачі спіралі у лампі виготовляються з металу з малим питомим опором.

3.    Чому в процесі роботи лампи розжарювання провідники, якими вона увімкнута в коло, помітно не нагріваються?

4.    Що спільного у будові електричної лампи розжарювання і інших нагрівальних електроприладів?

5.    Чому широкого поширення набувають освітлювальні лампи іншого принципу дії?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Савченко