§ 34. Тепловое действие тока. Закон Джоуля - Ленца

Вы уже хорошо знаете, что при прохождении электрического тока нить лампы накаливания нагревается настолько сильно, что начинает излучать видимый свет. Благодаря действию электрического тока нагреваются утюг и электрическая плита. А вот вентилятор и пылесос нагреваются незначительно, не становятся очень горячими (конечно, если все в порядке) и подводящие провода. От чего же зависит тепловое действие тока?

Рассуждаем о тепловом действии тока

Прохождение электрического тока всегда сопровождается выделением теплоты, и этот факт нетрудно объяснить.

Когда в проводнике идет ток, то свободные заряженные частицы, двигаясь под действием электрического поля, сталкиваются с другими частицами и передают им часть своей энергии. Электроны в металлах сталкиваются с ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки, ионы в электролитах — с другими ионами, атомами или молекулами. В результате средняя скорость хаотичного (теплового) движения частиц вещества увеличивается — проводник нагревается. По закону сохранения энергии кинетическая энергия, приобретенная свободными заряженными частицами в результате действия электрического поля, преобразуется во внутреннюю энергию проводника.

Очевидно: чем чаще сталкиваются частицы, то есть чем больше сопротивление проводника, тем больше энергии передается проводнику и тем сильнее он нагревается. Таким образом, при неизменной силе тока количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника.

Кроме того, с увеличением в проводнике силы тока количество выделяемой теплоты тоже увеличивается. Ведь чем больше частиц проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше столкновений частиц происходит.

|2 Открываем закон Джоуля — Ленца

Тепловое действие тока изучали на опытах английский ученый Дж. Джоуль(рис. 34.1) и российский ученый немецкого происхождения

Э. Х. Ленц(рис. 34.2). Независимо друг от друга они пришли к одинаковому выводу, который позже получил название закон Джоуля — Ленца:

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:

На рис. 34.3 изображена схема опыта, доказывающего справедливость закона Джоуля — Ленца. Попробуйте описать этот опыт.

Закон Джоуля — Ленца был установлен экспериментально. Теперь же, зная формулу для расчета работы тока (A = UIt), данный закон можно вывести с помощью простых математических выкладок.

Если на участке цепи, в котором течет ток, не выполняется механическая работа и не происходят химические реакции, результатом работы тока будет только нагревание проводника. Нагретый проводник путем теплопередачи отдает полученную энергию окружающим телам. Следовательно, в данном случае согласно закону сохранения энергии количество выделенной теплоты Q будет равно работе A тока: Q = A.

Обращаем внимание на некоторые особенности вычисления количества теплоты

Для получения математического выражения закона Джоуля — Ленца мы воспользовались некоторыми предположениями. Исследования показали, что в любом случае количество теплоты, выделяющееся в участке цепи в результате прохождения тока, можно вычислить по формуле Q = 1²Rt.

Возникает вопрос: что делать, если сила тока неизвестна, а известно напряжение на концах участка цепи? Казалось бы, можно воспользоваться законом Ома. Действительно,

После сокращения на R получим:

Однако этой формулой, впрочем как и формулой Q = UIt, можно воспользоваться только в том случае, когда вся электрическая энергия расходуется на нагревание.

Если же на участке цепи есть потребители энергии, в которых выполняется механическая работа или происходят химические реакции, U²

формулы Q =— t и Q = UIt использовать нельзя. В таких случаях при-R

меняют более сложные математические выражения, учитывающие всю совокупность явлений.

Учимся решать задачи

Задача. Определите сопротивление нагревателя, с помощью которого можно за 5 мин довести до кипения 1,5 кг воды, взятой при температуре 12 °С. Напряжение в сети равно 220 В, КПД нагревателя — 84 %.

Анализ физической проблемы. Когда в нагревателе проходит электрический ток, выделяется количество теплоты Q_iioth. Часть ее (Q_nOTe3H) расходуется на нагревание воды до кипения, то есть до 100 °С.

Выразив Q_hoth и Q_nmesn через указанные в условии задачи величины, найдем искомую величину. Значение удельной теплоемкости с воды найдем в соответствующей таблице (см. табл. 1 Приложения).

, Подводим итоги

Прохождение тока в проводнике сопровождается выделением теплоты. Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока: Q = I²Rt (закон Джоуля — Ленца).

Контрольные вопросы    =

1.    Почему нагреваются проводники, в которых течет электрический ток?

2.    Сформулируйте закон Джоуля — Ленца. Почему он имеет такое название? 3. Как математически записывается закон Джоуля — Ленца?

4. Какие формулы для расчета количества теплоты, выделяющегося

в проводнике при прохождении тока, вы знаете? Всегда ли можно ими

пользоваться?

Упражнение № 34

1.    Сколько теплоты выделится за 10 мин в электроплите, если сопротивление нагревательного элемента плиты равно 30 Ом, а сила тока в нем 4 А?

2.    Два проводника сопротивлениями 10 и 20 Ом включены в сеть напряжением 100 В. Какое количество теплоты выделится за 5 с в каждом проводнике, если они соединены параллельно?

3.    Почему электрические провода, по которым подается напряжение к электрической лампе накаливания, не нагреваются, а нить накала лампы нагревается и ярко светится?

4.    Электрокипятильник за 5 мин нагревает 0,2 кг воды от 14 °С до кипения при условии, что в его обмотке течет ток силой 2 А. Определите напряжение, поданное на электрокипятильник. Потерями энергии пренебречь.

5.    В каждый из двух калориметров налили 200 г воды при температуре 20 °С. В один калориметр поместили нагреватель сопротивлением 24 Ом, во второй — сопротивлением 12 Ом. Нагреватели соединили последовательно и подключили к источнику тока (см. рис. 34.3). Определите температуру воды в каждом калориметре после нагревания, если оно длилось 7 мин при неизменной силе тока в цепи 1,5 А. Потерями энергии пренебречь.

6.    Какой длины нихромовый провод нужно взять, чтобы сделать электрический камин, работающий при напряжении 120 В и выделяющий 1 МДж теплоты в час? Диаметр провода 0,5 мм.

7.    Сравните количества теплоты, которые необходимо затратить, чтобы расплавить медный и свинцовый провода, если эти провода имеют одинаковую массу и взяты при температуре 27 °С.