Меню

Как происходит нагревание проводников электрическим током



Билет № 17. Нагревание проводников электрическим током

date image2015-05-20
views image7634

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Нагревание проводников электрическим током. Объяснение этого явления. Закон Джоуля-Ленца.

Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, кислот, щелочей, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействует с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводников увеличивается.

Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи.

Значит, количество теплоты, выделяемого проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле: A=UIt

Пользуюсь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Зная, что U = IR, получим: Q = IRIt, т. е. Q = I 2 Rt

Закон Джоуля-Ленца: Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Источник

Нагревание проводников электрическим током

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.

Бытовые нагревательные приборы: чайник, утюг, фен, электроплита

Рис. 2. Бытовые нагревательные приборы: чайник, утюг, фен, электроплита.

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.

Читайте также:  Взаимодействие параллельных проводников с током индукция

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.

Источник

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца

Урок 32. Физика 8 класс (ФГОС)

Доступ к видеоуроку ограничен

Конспект урока «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца»

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах:

Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток производит и любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Нагревание среды происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах, или ионы в проводящих ток растворах, сталкиваются с молекулами или атомами проводника и отдают им часть своей энергии. Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника.

Обратимся теперь к количественной стороне вопроса: сколько теплоты выделяется при прохождении тока определённой силы в данном конкретном проводнике?

Ответ на него мы найдём, применив закон сохранения энергии. Если в результате протекания тока в проводнике увеличивается только внутренняя энергия проводника, то есть если ток произведёт лишь тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты должно быть равно работе, совершенной за это время электрическими силами. Тогда мы можем рассчитывать выделенную теплоту по формулам, полученными нами для работы электрического тока:

Гораздо сложнее будет ситуация, когда протекание тока в проводнике вызывает не только его нагревание, но и создаёт другие виды энергии. Примером этому является работа любого электродвигателя или электромотора. Согласно закону сохранения и превращения энергии работа, совершенная электрическими силами за некоторый промежуток времени, вызывает не только нагревание обмотки электродвигателя (кстати, не очень большое), но и появление весьма значительного количества механической энергии:

Аналогичная ситуация возникает при зарядке аккумулятора, где за счёт работы электрических сил происходит не только нагревание заряжаемого аккумулятора, но и накопление в нем химической энергии:

Однако очевидно, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике, должно зависеть от сопротивления проводника. Проверим это предположение на опыте. В цепь из источника тока, амперметра и реостата включим последовательно три проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения: из нихрома, никелина и меди. При увеличении силы тока заметим, что нихромовый проводник нагревается почти до белого каления, никелиновый лишь слегка краснеет, а медный остаётся темным.

Действительно, ведь чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам. При этом совершается большая работа по их перемещению и, следовательно, проводник больше нагревается.

А как узнать количество выделенной теплоты в таких случаях, ведь здесь очевидно только то, что эта теплота меньше работы электрических сил? Ответ на этот вопрос был найден в 1841 г. английским учёным Дж. Джоулем и независимо от него в 1842 г. русским учёным Э. Х. Ленцем. На основании многочисленных опытов ими было установлено, что количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока в любом проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока:

Это и есть закон Джоуля — Ленца.

Проверить его справедливость можно с помощью следующей экспериментальной установки. В калориметр, содержащий 100 г воды при температуре 20 о С, поместим нихромовую проволоку, концы которой подключим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью вольтметра будем измерять напряжение на концах проводника, а с помощью секундомера — время эксперимента.

Как видим, количество теплоты, полученное водой, равно количеству теплоты, которое выделилось в проводнике, что подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.

Формулой Q = I 2 Rt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же. Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника: Q

R.

При параллельном соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле:

Читайте также:  Условия протекания электрического тока в жидкостях

Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника: Q

Источник

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

Разбираем, почему и как нагревается проводник при прохождении через него электрического тока

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

Джеймс Джоуль

Эмиль Ленц

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:

Закон Джоуля-Ленца

Удельные сопротивления различных веществ

Зависимость сопротивления провода от удельного сопротивления материала

Работа, выполненная электрическим током в проводнике, равна количеству выделенного тепла

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.

Площадь проводника

  • 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.

Теплоотдача различных материалов

  • 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.

Температура установившегося режима

  • 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.

Рабочая температура проводника с ПВХ изоляцией

  • 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.
Читайте также:  Как проводит ток naoh

Допустимые перегрузки для кабелей в бумажной изоляции

  • 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.

На фото поправочные температурные коэффициенты

  • 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.

Выбор сечения проводников в резиновой и ПВХ изоляции

  • 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.

Таблица экономической плотности тока

  • 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.

Простейшая электрическая печь

  • 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.

Лампа накаливания

  • 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.

Принцип работы предохранителя

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.

Источник

Adblock
detector