Металлический проводник с током нагревается потому что

Обновлено: 17.05.2024

Ток-направленное движение электрических частиц. Эти частицы встречают сопротивление в проводнике, а сопротивление в виде трения. А от трения нагреваются любые вещи.

Зарядики тыкаются в атомы, а от их столкновения идет нагрев. А есла посмотреть шире - в проводнике, то могут и пробки перегореть. Это популярно. Помогло?

да нет, мне как раз таки нужно более научно, для самостоялки. Сама-то я понимаю на уровне ощущений, а с помощью физических хаконов и понятий объяснить не могу.

если для тебя это элементарно и ты можешь объяснит не только с помощью ощущений и странных слов, а с помощью физических законов и понятий, то напиши, будь так любезен. Буду очень благодарна. И зачем было минусовать за мой вопрос? Расскажите о причинах этого действия.

Это изучают в школе на уроке физики. В классе эдак, седьмом-восьмом. Такие вопросы здесь задают двоечники, прогуливающие занятия.

Судя по Вашим фото - Вы не похожи на девочку подростка, прогуливающую занятия в школе. Вы вполне взрослый человек, а значит изучали физику в школе, и должны помнить как закон Ома для участка цепи, так и его производные.

По Вашему вопросу - обратите внимание на формулы мощности P ,

Светлана вараница Профи (564) извините, но я не просила вас приводить формулы, которые у меня лежат перед глазами и котороые я уже успела выучить, мне необходим теоритечиский ответ на вопрос

P= U^2/R вот если ба R было равно нулю, или U было равно нулю, то не грелись бы, а так чем больше сопротивление, тем и больше греется.

Эл. ток в проводнике - это направленное движение электронов. Электроны движутся вдоль проводника и сталкиваются с ионами (атомами) и приобретенную кин энергию отдают атомам, потом под действием эл. поля ускоряются снова и т. д. Кин энергия электронов (энергия поля) переходит в энергию колебаний ионов, т. е. в тепло. Такое ограничение скорости электронов называется сопротивлением проводника.
Если бы его не было, то скорость электронов и, следовательно, величина тока неограниченно возрастали и ограничивались только мощностью источника.
В электролитах картина такая же, только вместо электронов там ток переносится положительными и отрицательными ионами.

На самом деле все происходит несколько иначе. Электрический ток в проводнике представляет собой некоторое возбуждение (волну) электронной плотности - свободного электронного газа. Движение отрицательно заряженной электронной плотности происходит в поле тяжелых частиц - положительно заряженных ядер, цетров кристаллической решетки проводника. В свою очередь, ядра не покоятся, а совержают сложные колебания. При направленном (от большего потенциала к меньшему) смещении электронной плотности возникает дополнительная сила (чисто кулоновского происхождения) , действующая на ядра. Это приводит к тому, что начинают "заселяться" более высоко лежащие (возбуждённые) энергетические состояния коллективной квантовой колебательной системы. Однако система в возбуждённом состоянии живёт недолго - и, возвращаясь обратно в исходное основное состояние, излучает порции энергии (кванты) в окружающую среду - а это и приводит к нагреванию проводника.

Почему нагревается проводник с током, и как правильно выбирать проводник?

Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается? Ответ на этот вопрос крайне важен при выборе материалов и сечения проводников, а также в контексте борьбы с последствиями токов короткого замыкания.

Поэтому в нашей статье мы постараемся максимально подробно, но при этом на доступном языке, разобраться с причинами нагрева, его этапами и использовании этого свойства проводников на практике.

Причины нагрева проводников и их этапы

Так почему при прохождении тока проводник нагревается? Ответ на этот вопрос независимо друг от друга дали Джеймс Джоуль в 1841 году, и Эмиль Ленц в 1842 году. В связи с этим. открытый ими закон получил название Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца

Звучит этот закон, как: мощность тепла, выделяемого в единице объема проводника, равна произведению напряженности электрического тока к его плотности. Если из этого определения вам сразу все стало понятно, то наша статья не для вас. Мы поговорим с теми, кто, как и я, когда услышал первый раз это определение, удивленно хлопал глазами.

Поэтому мы будем по минимуму использовать формулы, а постараемся на пальцах объяснить, что значит этот закон:

Сам проводник имеет определенное сечение, а также сопротивление.
Значение этого сопротивления обычно не высоко, но оно есть.
Кроме того, раз у нас по проводнику протекает ток, то он имеет определённый потенциал или напряженность.
Оперируя этими понятиями мы и определим почему проводник с током нагревается.

Соответственно, чем большее количество времени протекает ток по проводнику, чем большее сопротивление проводника, чем больший ток протекает по проводнику, тем быстрее и больше он нагревается. Вот так характеризует нагревание проводников электрическим током закон Джоуля-Ленца.

Обратите внимание! Электрическая проводимость, а соответственно и сопротивление проводника, напрямую зависит от его температуры. Чем она выше, тем больше сопротивление проводника. Поэтому получается лавинообразный процесс. Проводник греется, его сопротивление растет, и он греется еще больше. В связи с этим, процессу отвода тепла от проводника следует уделять самое пристальное внимание.

Отвод тепла от проводника и этапы нагрева

В связи с приведенным выше свойством, с нагревом проводников нужно бороться. Достигается это за счет выбора оптимального сечения провода, а также материала. То есть, сечение провода должно соответствовать максимально допустимому току, который может протекать в нем, а также нормально выдерживать кратковременные перегрузки.

Дабы все это правильно рассчитать, мы должны знать не только как закон Джоуля-Ленца нагревание проводников электрическим током рассчитывает, но и как посчитать отдачу тепла проводником. Ведь наш проводник находится не в вакууме, и отдает тепло окружающей среде.

Сразу давайте определимся, какие параметры влияют на теплоотдачу проводника. Прежде всего, это сечение проводника, ведь вполне логично, что чем большая площадь проводника соприкасается с окружающим воздухом, тем быстрее он ее отдает.

Следующим важным критерием является так называемый коэффициент теплоотдачи материала, из которого выполнен проводник. Или как этот параметр еще называют — теплопроводность материала. Ведь ни для кого не секрет, что теплопроводность у материалов разная.
Ну и последним параметром, является разность между температурой окружающей среды и материалом проводника. Ведь как говорит инструкция: чем больше этот перепад, тем быстрее материал отдает тепло.

Исходя из этих всех параметров, влияющих на теплоотдачу, можно предположить, что для любого проводника и любого тока имеется, так называемая, установившаяся температура. То есть, температура, при которой существует равенство получаемой энергии от протекания тока и отводимого тепла.

Такую температуру называют установившимся режимом. И она должна быть в пределах рабочей температуры провода. Рабочая температура провода обычно ограничена типом используемой изоляции.

Например, для ПВХ-изоляции она не должна превышать 70⁰С, а разнообразные материалы с пропиткой лаком способны выдерживать температуры до 120⁰С и выше.

Выбор проводников

Как вы можете понять из всего выше написанного, проводники следует выбирать из условий нагрева. Дабы при определённом токе их температура не превышала максимально допустимую. Сделать это можно своими руками, благодаря таблицам в ПУЭ. Но и в этом вопросе сначала необходимо разобраться.

В ПУЭ приведены таблицы, по которым можно осуществить выбор проводников по нагреву, экономической плотности тока, способу прокладки и другим параметрам. Но для начала мы точно должны знать условия монтажа и работы провода. Давайте разберем, зачем это нужно.

Но прежде разберемся с током. Ни для кого не секрет, что в течение времени ток в проводнике будет меняться. И какой из них следует рассматривать в качестве результирующего для выбора сечения проводника, непонятно. На этот вопрос нам отвечает п. 1.3.2 ПУЭ, который гласит, что для выбора следует применять средний ток в течении получаса, наиболее нагруженного в течении суток.

Теперь давайте определимся с температурой. В разных местах монтажа она может достаточно сильно отличаться от рабочей температуры. Это следует учитывать. Поэтому в табл. 1.3.3 ПУЭ приведены поправочные коэффициенты для различной кабельно-проводниковой продукции, если температуры в которых будет работать кабель, отличается от рабочей.
Выбор проводников по нагреву, плотности тока, обязательно учитывает способ прокладки проводника. Это может быть одиночная прокладка по воздуху, а может быть монтаж в земле или в трубах. Согласитесь, теплоотведение у таких проводников будет существенно отличаться. И это обязательно стоит учитывать.
Так же следует учитывать количество жил проводника. То ли у нас охлаждается одна жила, то ли три, которые соприкасаются.

Обратите внимание! В табл. 1.3.12 ПУЭ имеется отдельный поправочный коэффициент при монтаже проводников пучками. Ведь если у нас рядом проложено сразу несколько проводников, то они вполне могут нагревать друг друга и заметно хуже остывать. И это так же должно учитываться.

В итоге мы сможем воспользоваться таблицами 1.3.4. – 1.3.11 ПУЭ, которые предписывают, проводники какого сечения использовать для различных токов, и при использовании проводников с различными типами изоляции.

Обратите внимание! Если вы выбираете проводник для жилого помещения, то сразу должны исключить провода и кабели, выполненные из алюминия. Ведь согласно новых норм ПУЭ от 2001 года, такой материал в электропроводках жилых зданий запрещен.

Но эти таблицы можно применять для не самых мощных линий. При расчётах межсистемных высоковольтных линий с напряжением в 330кВ и выше, опираться на эти таблицы нельзя. В этом случае используют таблицу 1.3.36 ПУЭ, которая позволяет выбрать сечение проводников, исходя из экономической плотности тока.

Из этого видео Вы узнаете о требованиях к проводникам.

Использование нагрева материалов при прохождении тока на практике

Но далеко не всегда нагрев проводников электрическим током является негативным фактором. Люди научились применять этот закон и себе на пользу. И примеров такого применения масса. Мы приведем лишь некоторые из них.

Самым первым и самым распространенным, является применение закона Джоуля-Ленца в электрических печах, нагревателях и фенах. Для этого, в качестве проводника, сознательно устанавливается материал с большим сопротивлением. При протекании через него тока выделяется большое количество тепла, которое потом соответствующим образом используется человеком.
Еще одним способом применения этого закона, являются теплые полы в вашем доме или греющие кабели, которые применяют в строительстве и канализационных системах. Для них так же сознательно применяется проводник с высоким сопротивлением.

И даже лампочка «Ильича» отчасти использует этот закон. Только тут материал подбирается не только исходя из сопротивления, но и из яркости свечения в нагретом состоянии.
Но нагревание электрическим током проводников нашло свое применение и в электроэнергетике. Все вы наверняка сталкивались с предохранителями. Суть данного защитного устройства сводится к тому, что в емкость с условно неизменными параметрами помещают проводник определенного сечения. При протекании через этот проводник тока больше допустимого, он перегорает, и тем самым обесточивает защищаемую сеть.

И это только несколько примеров на скорую руку. На самом деле их на порядок больше. Поэтому нагрев проводников при протекании по ним электрического тока это далеко не всегда «зло».

Вывод

Мы очень надеемся, что теперь вы знаете, как можно объяснить нагревание проводника электрическим током, и понимаете сам процесс. Так же вы должны понимать, с чем связаны определенные ограничения при выборе сечения проводников, и не будет ли слишком велика цена игнорирования этих правил.

Ведь все из них основаны на реальных практических и научных обоснованиях, а электротехника очень жестоко наказывает тех, кто их игнорирует.

Металлический проводник с током нагревается потому что

Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника. Его температура увеличивается.

При протекании электрического тока по проводнику его внутренняя энергия увеличивается.

В растворах солей, кислот, щелочей свободными заряженными частицами являются ионы. Они также будут взаимодействовать с атомами вещества.

От чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током?

Электрический ток проходит по проводнику. Он нагревается. При этом он контактирует с окружающей средой, а не находится в вакууме. По этой причине проводник начинает выделять некоторое количество теплоты $Q$. То есть проводник взаимодействует с окружающей средой посредством теплопередачи.

Заглянув внутрь проводника и объяснив его нагревание, мы можем предположить, что количество теплоты зависит как минимум от двух величин: от сопротивления и от силы тока.

Давайте разберемся, почему мы выбрали именно эти величины.

Сопротивление
Чем больше сопротивление проводника, тем больше он препятствует прохождению электрического тока. Значит, тем сильнее ионы в металле взаимодействуют со свободными электронами и тем больше энергии они получают. Значит, при прохождении тока по проводнику с большим сопротивлением должно выделяться большое количество теплоты. Мы предполагаем, что сопротивление проводника прямо пропорционально выделяемому количеству теплоты.
Сила тока
Сила тока рассчитывается по формуле: $I = \frac$. Получается, что чем больше сила тока, тем большее количество свободных частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени. Значит, происходит и больше столкновений с ионами и атомами проводника. Следовательно, тем больше количество теплоты, которое выделится при прохождении электрического тока по проводнику.

Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления

Давайте опытным путем подтвердим наше первое предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из двух нагревателей и источника тока. Все элементы соединим последовательно.

Нагреватели у нас имеют одинаковые размеры, но сделаны из разных материалов. Соответственно, они имеют различные сопротивления $R_1$ и $R_2$. При этом $R_1 > R_2$.

Опустим нагреватели в калориметры (приборы для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды. Начальная температура воды в обоих сосудах тоже одинакова.

Замкнем цепь. Теперь через нагреватели течет электрический ток (рисунок 1). Сила тока в них одинакова, потому что они соединены последовательно.

Мы увидим, что вода нагреется быстрее в первом калориметре. Это значит, что она получила большее количество теплоты. Именно в этом калориметре у нас и находится нагреватель с большим сопротивлением $R_1$. Наше предположение подтвердилось.

Чем больше сопротивление проводника, тем большее количество теплоты выделяется при прохождении по нему электрического тока.

Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от силы тока в нем

Теперь проверим наше второе предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из лампы накаливания, реостата, амперметра и источника тока.

Передвигая ползунок реостата, будем постепенно увеличивать силу тока в цепи. Мы увидим, что будет увеличиваться и яркость лампочки (рисунок 2).

Получается, что при увеличении силы тока, у нас увеличивается количество теплоты, которые выделяет нить накаливания лампы. Предположение №2 подтверждено.

Чем больше сила тока в проводнике, тем большее количество теплоты выделяется при прохождении по нему электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца

Подобные опыты в одно время, но независимо друг от друга проводили двое ученых. Один из них — это уже известный нам Джеймс Джоуль, а второй — русский физик Эмилий Христианович Ленц (рисунок 3).

Рисунок 3. Эмилий Ленц (1804—1865) — российский физик, один из основоположников электротехники

Анализируя измеренные в ходе опытов величины, ученые смогли математически сформулировать закон, описывающий количество теплоты, выделяемой проводником при прохождении по нему электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца:
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени;
$Q = I^2Rt$.

Этот же результат мы можем получить, выполнив простые математические действия с уже известными нам величинами. Но для этого нам осталось разобрать всего один нюанс — закон сохранения энергии при нагревании проводника током.

Закон сохранения энергии при нагревании проводника током

По закону сохранения энергии мы знаем, что энергия не приходит из ниоткуда и не уходит в никуда.

Откуда у нас появилась какая-то дополнительная энергия в проводнике, которая пошла на его нагревание? Это энергия электрического поля, созданного источником тока. Если же поле имеет какую-то энергию, то оно может совершить какую-то работу, что и происходит на практике. При этом наш проводник нагревается — получает какое-то количество теплоты (энергии). Получается, что происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию тела.

Если ток производит только тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты будет равно работе электрического тока, совершенной за это время:
$Q = A$.

Математический вывод закона Джоуля-Ленца

Нагревание при прохождении электрического тока происходит в неподвижных металлических проводниках. Получается, что работа тока будет идти на увеличение внутренней энергии проводника. Нагретый проводник будет эту энергию передавать окружающим телам путем теплопередачи: $Q = A$.

Работа электрического тока рассчитывается по формуле: $A = UIt$.
Тогда $Q = A = UIt$.

Подставим это выражение в формулу для количества теплоты:
$Q = UIt = IR \cdot It = I^2Rt$.

Мы пришли к верной записи закона Джоуля-Ленца.

Упражнения

Упражнение №1

Какое количество теплоты выделится за $30 \space мин$ проволочной спиралью сопротивлением $20 \space Ом$ при силе тока, равной $5 \space А$?

Дано:
$t = 30 \space мин$
$R = 20 \space Ом$
$I = 5 \space А$

СИ:
$t = 1800 \space с$

Показать решение и ответ

Решение:

Используем закон Джоуля-Ленца:
$Q = I^2Rt$.

$Q = 5^2 \space А^2 \cdot 20 \space Ом \cdot 1800 \space с = 900 \space 000 \space Дж = 900 \space кДж$.

Ответ: $Q = 900 \space кДж$.

Упражнение №2

С какой целью провода в местах соединения не просто скручивают, а еще и спаивают? Ответ обоснуйте.

Скручивая один проводник с другим, мы получаем утолщенное и уплотненное место их соединения. Сопротивление на таком участке будет больше, чем у самих проводов. А чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла будет выделяться при прохождении по нему электрического тока. Такой участок будет сильно нагреваться.

Спайка же позволяет сделать место соединения проводов более однородным. Это практически не изменяет сопротивления. Таким образом, мы избегаем нагревания проводов в месте их соединения друг с другом.

Упражнение №3

Спираль нагревательного прибора — рефлектора — при помощи шнура и вилки соединяется с розеткой. Шнур состоит из проводов, подводящих ток к спирали, покрытых изоляцией. Спираль и провода соединены последовательно. Как распределяется подаваемое от сети напряжение между проводами и спиралью? Почему спираль раскаляется, а провода почти не нагреваются? Какими особенностями устройства спирали и проводов достигается эта разница?

Будем опираться на закон Джоуля-Ленца: $Q = I^2Rt$.

Спираль раскаляется, а провода — нет. Это означает, что на спирали выделяется намного больше количества теплоты $Q$, чем в проводах. Если сила тока одинакова, значит причина этому — сопротивление $R$.

Поэтому мы делаем вывод, что спираль раскаляется, так как обладает намного большим сопротивлением, чем провода. Такое устройство обуславливается материалами, из которых сделаны спираль и провода. Удельное сопротивление спирали точно больше удельного сопротивления проводов ($R = \frac)$. Также провода тоньше спирали. Их площадь поперечного сечения намного меньше площади поперечного сечения спирали нагревательного прибора. Поэтому в проводах выделяется меньшее количество теплоты, чем в спирали.

Что будет с напряжением в такой цепи? Запишем закон Джоуля-Ленца в таком виде: $Q = UIt$. Сказано, что все элементы в этой цепи соединены последовательно. Значит сила тока $I$ во всех ее участках будет одинакова.

Получается, что напряжение на спирали будет больше, чем напряжение на концах проводов.

Упражнение №4

В цепь источника тока включены последовательно три проволоки одинакового сечения и одинаковой длины: медная, стальная и никелиновая. Какая из них больше нагреется? Ответ обоснуйте и по возможности проверьте на опыте.

Начнем с теории. По закону Джоуля-Ленца: чем больше сопротивление проводника, тем большее количество теплоты выделится в нем. Сила тока на всех участках цепи будет одинакова из-за типа соединения.

Сопротивление проводников рассчитывается по формуле: $R = \frac$. Так как размеры проволок одинаковы, то определять все будет величина удельного сопротивления каждого материала.

Из таблицы возьмем значения удельных сопротивлений:
$\rho_ = 1.1 \frac$,
$\rho_ = 0.4 \frac$,
$\rho_м = 0.017 \frac$.

Самым большим сопротивлением будет обладать нихромовая проволока. Она нагреется больше остальных.

Теперь проведем опыт.
Соберем электрическую цепь из трех проволок и источника тока. Все элементы соединим последовательно.

Через какое-то время вы сможете увидеть подтверждение нашим теоретическим выводам. Нихромовая проволока нагреется до белого каления, никелиновая — начнет краснеть (рисунок 4). Медная проволока визуально останется такой же.

Обратите внимание, что визуально оценить эффект нагревания в таком случае проще, чем пробовать при малых температурах определить на ощупь, какая проволока нагрелась больше или пытаться использовать термометр.

Металлический проводник с током нагревается потому что

Опыт, подтверждающий тепловое действие тока в воздухе, мы проделывать не будем, по причине его большой сложности. В общем, явлений, где проявляется тепловое действие тока в воздухе очень мало. Но, например, молния — наглядное природное явление, где тепловое действие тока тоже заметно.

Химическое действие тока в жидкостях

Как можно на опыте пронаблюдать химическое действие тока? Вернемся к предыдущему опыту и более внимательно приглядимся к электродам, опущенным в воду (рисунок 4).

Мы увидим, что даже в обычной воде вокруг электродов образуются мелкие пузырьки газа. Они не могут возникнуть сами по себе. Значит, происходит какая-то химическая реакция.

Обратите внимание, что здесь речь идет не о кипении, где мы ранее наблюдали образование пузырьков. Сами электроды еле теплые, мы можем спокойно потрогать их руками. Температура воды тоже далека от ее температуры кипения. Получается, что наличие этих пузырьков — это результат химических реакций, происходящих в воде, при пропускании через нее электрического тока.

Проведем еще один опыт, который более наглядно продемонстрирует нам химическое действие тока.

Заменим воду в сосуде из прошлого опыта на раствор медного купороса $CuSO_4$. Он имеет голубо-зеленоватый цвет. Металлические электроды заменим угольными (рисунок 5).

Замкнем ключ. По цепи пойдет ток. А теперь внимательно взглянем на электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока. На нем образовался красноватый налет.

Что это? Откуда он взялся? Это чистая медь $Cu$. Под действием тока она выделилась из сложного соединения и отложилась на отрицательном электроде.

Химическое действие тока проявляется в том, что при его прохождении через растворы солей, кислот, щелочей на электродах выделяется чистое вещество.

Это действие тока активно применяется на практике в электрометаллургии для получении чистых металлов без каких-либо примесей (рисунок 6).

Эту методику применяют для нанесения на поверхность различных предметов тонким слоем никеля, серебра, золота. Это придает предметам красивый эстетический вид и защищает их от преждевременного ржавления.

Химическое действие тока в твердых телах и газах

В твердых телах атомы, молекулы или ионы прочно связаны между собой. Они находятся в узлах кристаллической решетки и способны совершать колебания. Действия тока обычно недостаточно для того, чтобы вырвать их со своих положений. Поэтому, говорят, что обычно химического действия тока в твердых телах не наблюдается.

В газах же возможно наблюдать такое действие. Вспомните электрофорную машину, где между электродами проскакивает искра.

После пропускания электрических искр через воздух, возникает характерный запах. По этому факту и ряду других было открыто такое химическое соединение как озон $O_3$ (рисунок 7). Оно состоит из трех молекул кислорода и обладает сильными окислительными свойствами. Это позволяет его широко использовать в качестве дезинфицирующего средства.

Магнитное действие тока

Сразу начнем с проведения опыта. Возьмем медный провод, покрытый изоляционным материалом. Намотаем его на гвоздь. Концы его (провода) соединим с источником тока и ключом (рисунок 8).

Замкнем цепь. Поднесем гвоздь к кучке мелких металлических предметов, например, других мелких гвоздиков.

Что мы увидим? Гвоздь притянет к себе другие железные предметы — он стал магнитом. Если мы разомкнем цепь, то гвоздь размагнитится.

Самое интересное, что магнитное действие тока является универсальным. Оно проявляется и в твердых телах, и в жидкостях, и в газах. Кроме того, если заставить заряд направленно двигаться в сильно разреженном пространстве (такое явление называют током в вакууме), то и здесь можно наблюдать его магнитное действие.

Гальванометр. Магнитное действие тока в его устройстве

Для начала рассмотрим, как будет взаимодействовать проводник с током и магнит.

Для этого соорудим следующую конструкцию. На небольшую рамку закрепим несколькими витками тонкую медную проволоку. Сама рамка у нас будет подвешена на нитях, чтобы мы могли наблюдать любое ее движение.

Проволока, которой обвита рамка, подсоединена к полюсам источника тока. Замкнем ключ. Рамка останется неподвижной (рисунок 9).

А теперь возьмем магнит. Расположим его так, чтобы рамка с током оказалась между его полюсами (рисунок 10).

Теперь рамка начала поворачиваться! Именно это явление взаимодействия такой своеобразной катушки с током и магнитом лежит в основе устройства специального прибора — гальванометра (рисунок 11).

Гальванометр — это прибор, с помощью которого можно судить о наличии тока в проводнике.

На рисунке 11, а показан внешний вид этого прибора. На рисунке 11, б приведен условный знак, которым гальванометр обозначается на схеме электрической цепи.

Стрелка гальванометра связана с катушкой внутри самого прибора. Под катушкой мы подразумеваем провод намотанный на каркас из диэлектрика.

Эта катушка внутри прибора находится в магнитном поле. Когда по катушке течет ток, стрелка отклоняется. Так, при подсоединении гальванометра в цепь, мы можем судить о наличии в ней электрического тока.

Световое действие тока

Старые лампы накаливания излучают свет больше за счет высокой температуры, которую имеет вольфрамовая проволока в их устройстве. Поэтому в их работе наблюдается больше тепловое действие тока.

Но во второй половине XX века были изобретены новые источники света. Здесь уже не играет роль температура самого проводника, а происходят более сложные процессы.

Наверное, вы уже догадались, что речь идет о светодиодных лампах (рисунок 12). На данный момент именно такие лампы чаще всего мы используем в повседневной жизни.

Световое действие проявляется в возникновении светового излучения при прохождении тока.

Задания

Задание №1

Рассмотрите рисунок 8, на котором изображена установка для наблюдения магнитного действия тока. Что представляет собой каждая часть этой установки? Расскажите, как протекает опыт.

В верхней части рисунка изображен источник тока. К его положительному полюсу подсоединена проволока в изолирующем материале (провод). Далее этот провод намотан на обычный железный гвоздь. От гвоздя провод тянется до ключа, а от ключа до источника тока (его отрицательного полюса).

На рисунке ключ замкнут. В цепи течет электрический ток. Железный гвоздь моментально намагничивается — становится магнитом. Он притягивает к себе другие мелкие железные предметы.

Как только мы разомкнем цепь, по проводам перестанет идти ток. Железный гвоздь размагнитится. Все мелкие предметы, ранее примагниченные к нему, отпадут.

Задание №2

По рисункам 9 и 10 расскажите, как на опыте наблюдают взаимодействие рамки с током и магнита.

Соберем электрическую цепь из источника тока, ключа, соединительных проводов и рамки с обмоткой из тонкой проволоки, соединенной с проводами. Рамку подвесим на нитях, чтобы была возможность отслеживать любое ее движение.

Замкнем ключ. По цепи пойдет ток. Рамка при этом останется неподвижной.

Теперь возьмем магнит. Поместим его так, чтобы рамка оказалась между его полюсами. Снова замкнем цепь. Теперь рамка пришла в движение — она начала поворачиваться.

Так проявляется магнитное действие электрического тока. Именно это явление используется в устройстве гальванометра.

Нагревание проводников электрическим током

Одним из свойств электрического тока является нагрев проводников, по которым он протекает. Этот эффект был замечен многими исследователями, но его понимание пришло только выяснения механизма взаимодействия заряженных частиц с атомами и молекулами проводников. Нагрев приводит к выделению тепла и повышению температуры, а количество выделяемого тепла можно рассчитать с помощью формулы закона Джоуля-Ленца.

Почему нагреваются проводники

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В проводниках этими частицами выступают отрицательно заряженные электроны. Воздействие электрического поля сообщает электронам дополнительную кинетическую энергию. В процессе движения они сталкиваются с атомами (или молекулами) проводника, отдавая часть приобретенной энергии. По этой причине начинает увеличиваться внутренняя энергия вещества, что приводит к повышению температуры и выделению тепла.

Рис. 1. Электрический ток в проводнике нагревает проводник

Если взять обычную лампочку накаливания и подключить ее к источнику напряжения через реостат (переменное сопротивление), то можно наблюдать тепловой эффект от протекания тока. Постепенно увеличивая ток, мы можем сначала на ощупь почувствовать, что стеклянная колба лампочки постепенно начнет нагреваться, а затем увидим, как начинает светиться раскаленная нить накаливания.

Заметим, что в этом эксперименте подводящие провода сильно не нагреваются и не светятся. Это происходит потому, что сопротивление нити накаливания намного больше сопротивления подводящих проводов .

Закон Джоуля-Ленца

На основании этого и других экспериментов можно сделать следующие предположения:

чем больше сопротивление, тем сильнее нагреваются проводники. То есть количество теплоты Q, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорционально величине сопротивления проводника R;
чем больше сила тока, тем большее количества тепла выделяется. При возрастании тока большее количество частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени, то есть число столкновений возрастает, а значит больше энергии передается атомам проводника.

Формулу для вычисления количества тепла получили независимо друг от друга в 1842 г. английский физик Джеймс Джоуль и российский ученый Эмилий Ленц:

Q — количество теплоты, Дж;

Согласно закону Ома:

где U — напряжение, В.

Пользуясь этой формулой, закон Джоуля-Ленца может быть представлен еще в одном варианте, когда известно напряжение на участке проводника, а сила тока неизвестна:

Формулы закона Джоуля-Ленца справедливы тогда, когда работа, совершаемая электрическим током идет исключительно на нагревание. Если в цепи есть потребление энергии на выполнение механической работы (электродвигатель) или на совершение химических реакций (электролит), то для расчета необходимо применять другие формулы.

Плюсы и минусы от нагрева электрическим током

Плюсы. Нагревание проводников электрическим током находит свое применение в различных полезных приборах и устройствах: электроплитах, чайниках, кофеварках, кипятильниках, фенах, утюгах, обогревателях.
Минусы. Очень часто инженерам-электронщикам приходится бороться с этим эффектом для того, чтобы, например, обеспечить работоспособность электронных плат, которые напичканы огромным количеством электронных деталей, микросхем и т.д. Все эти элементы греются в соответствие с законом Джоуля-Ленца. И если не предпринять меры для принудительного охлаждения с помощью металлических радиаторов или вентиляторов (кулеров), то платы быстро выйдут из строя от перегрева.

Часто для быстрого соединения проводов многие пользуются способом “скрутки”. Это приводит к значительному увеличению сопротивления, а следовательно, место “скрутки” будет греться сильнее, чем остальная часть проводки. Поэтому скрутка проводов часто бывает причиной пожаров в домах и квартирах. Для улучшения контакта требуется хорошо пропаять это место.

Что мы узнали?

Итак, мы поговорили кратко о нагревании проводников электрическим током. Нагрев проводников происходит из-за того, что электроны, движущиеся упорядоченно с определенной скоростью, сталкиваются с атомами вещества и отдают часть своей энергии, которая переходит в тепло. Количество тепла можно определить, применив формулу Джоуля-Ленца.

Читайте также: