§ 39. Теплова дія електричного струму.

Закон Джоуля-Ленца. Електронагрівальні прилади

Думки вголос

Я знатиму закон, яким буду користуватися, пояснюючи дії електричних теплових приладів.

Електричний струм нагріває провідники. Це явище нам дуже добре відоме. Його використовують в багатьох електричних приладах (праска, електрична піч, нагрівач). Нагрівання провідників пояснюють тим, що в металах вільні електрони, переміщуючись під дією електричного поля, взаємодіють з йоиами кристалічних ґраток і передають їм свою енергію. Внутрішня енергія провідїшка збільшується за рахунок роботи електричного струму, завдяки чому виникає тепловий ефект. Нагріваються не лише металеві провідники, але й рідини і гази, коли через них проходить електричний струм.

У XIX столітті незалежно один від одного англієць Дж. Джоуль і російський фізик E. X. Ленц вивчали нагрівання провідників електричним струмом і експериментально встановили такий закон, який отримав назву закон Джоуля—Ленца:

Кількість теплоти, HIia виділяється в провіднику зі струмом, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника і часу проходження струму:

Q = I²-Rt

Цей закон можна отримати не лише експериментально, а й теоретично, якщо прирівняти кількість теплоти, яка виділяється в провіднику, і роботу струму, вважаючи що вона йде на виділення тепла: А = Q; А = U-I -t. Значить, Q = U-1-t. За законом Ома: U = I-R, Q = P-R-t. Можна ще записати формулу для кількості теплоти іншого виду:

Експериментально закон Джоуля—Ленца можна перевірити, зібравши таке електричне коло: калориметр з водою, металева спіраль, термометр, вольтметр, амперметр, джерело струму (мал. 150).

Кількість теплоти, яка виділиться в цьому досліді в спіралі, знаходимо за двома формулами*: Q = C-Iii-At⁰    (1)

Q = I-U-L    (2)

* Щоб не плутати значення символів у формулах (1) і (2), температуру позначенії як I^а._

Значення кількості теплоти, підраховані за формулами (1) і (2), повинні збігатися, що і підтверджує справедливість закону Джоуля—Ленца.

Електронагрівальні прилади (мал. 151) знайшли широке застосування в нашому житті. Основною частиною таких приладів є нагрівальний елемент. Зазвичай це ніхромовий дріт, закручений у вигляді спіралі. В електрокамінах нагрівальні спіралі розміщують всередині трубок із жаростійкого скла. У сучасних прасках дротяні спіралі розміщують всередині металевих трубок, їх заповнюють спеціальною ізоляційною речовиною, щоб витки спіралі не дотикались один до одного та до металевих трубок. Використання ніхрому — речовини з великим питомим опором — і щільне розміщення ніхромової спіралі веде до того, що основна кількість теплоти виділяється саме в нагрівальному елементі, а не в підвідних проводах.

Користуючись електричними побутовими приладами, потрібно пам’ятати, що одночасне вмикання потужних електроприладів може привести до значного збільшення сили струму, сильного нагрівання проводів, і, як наслідок, до загоряння ізоляції.

В освітлювальну мережу квартир обов’язково включають запобіжники (мал. 152, а, б). їх призначення — відразу вимкнути лінію, якщо сила струму стане більшою за норму.

Автоматичний вимикач (запобіжник) призначений для захисту кабелів, проводів і споживачів від перевантаження і короткого замикання, виконує одночасно функції захисту і управління. Під час проходження струмів через автоматичний вимикач зі значеннями, що перевищують допустимі, відбувається нагрів біметалічної пластини, що призводить до її згину і розчіплювання контактів. Біметалева пластина — це пластина з двох різних металів, які, нагріваючись, по-різному змінюють свою довжину.

Підсумки

•    Провідники нагріваються, коли через них проходить електричний струм. Теплова дія струму використовується в електронагрівальних приладах.

•    Кількість теплоти, яка виділяється при проходженні електричного струму, визначають за законом Джоуля—Ленца: Q = I² ■ R ■ L

Перевір свої знання

1*. Спіраль електроплитки дуже сильно нагрівається під час проходження нею електричного струму. Чому значно менше нагріваються дроти, за допомогою яких електроплитка підключена до джерела струму?

2*. Чому для плавких запобіжників не використовують залізний дріт замість свинцевого?

З*. Чому у плавких запобіжниках використовують дріт, набагато тонший, ніж у проводах, що з’єднують джерело струму та споживачів?

Завдання

1**. Яка кількість теплоти виділиться за 1 хвилину в резисторі опором 60 Ом, якщо до нього прикладена напруга 20 В?

2**. Скільки часу була включена електрична праска потужністю 1,5 кВт, якщо витрати енергії склали 180 кДж?

З**. Яка кількість теплоти виділиться в нитці електролампи за 1 годину, якщо ниткою лампи проходить струм 1 А за напруги 100 В?

4**. Плавкий запобіжник, розрахований на силу струму 10 А, увімкнений в мережу напругою 220 В. Який може бути загальний опір всіх приладів, увімкнених в мережу?

5***. В електричному чайнику за 10 хв можна нагріти 0,2 л води на 10 °С. Скільки води можна нагріти на 10 ⁰C за 10 хв в цьому чайнику, якщо збільшити напругу в мережі вдвічі? Теплові втрати не враховувати.

6***. Яку масу води можна нагріти від 25 ⁰C до 75 ⁰C за 4 хв з електричним нагрівачем, який виготовлено з 11 м нікелінового дроту з площею перерізу 0,5 мм², якщо нагрівач живиться від мережі 220 В і його ККД 75 %?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Сердюченко