Количество теплоты в проводнике формула: Количество теплоты, выделяемое проводником с током — урок. Физика, 8 класс.

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца – конспект урока – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

Цели урока:

Образовательная:

• Способствовать формированию у учащихся представления о тепловом действии электрического тока и его причинах.
• Вывести закона Джоуля-Ленца.
• Содействовать в понимании практической значимости данной темы.

Развивающая:

• Развитие интеллектуальных умений учащихся (наблюдать, сравнивать, применять ранее усвоенные знания в новой ситуации, размышлять, анализировать, делать выводы)

Воспитательная:

• формирование коммуникативных умений учащихся.
• содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира;

Оборудование: компьютер, проектор, экран, презентация к уроку, источник тока, амперметр, вольтметр, низковольтная лампа на подставке, ключ, соединительные провода, три провода из разного металла, настольная лампа.

Тип урока: Изучение нового материала.

І. Организационный момент

– Здравствуйте, ребята! Я рада вас сегодня видеть на нашем уроке! Посмотрите друг на друга. Улыбнитесь, пошлите друг другу положительные эмоции и начнём урок!

Слайд 2

Эпиграф: 

Науки все глубже постигнуть стремись, 

Познанием вечного жаждой томись. 

Лишь первых познаний блеснет тебе свет, 

Узнаешь: предела для знания нет. 

Фирдоуси 

Учитель: Эти слова по праву можно отнести к разделу «Электрические явления». Было сделано немало открытий, осветивших нашу жизнь в прямом и переносном смысле. А сколько еще вокруг нас осталось не исследованным! Хочется надеяться, что сегодняшний урок разбудит у вас, восьмиклассников, жажду новых познаний и стремление использовать открытые эффекты и закономерности на практике.  

У вас на столе лежат оценочные листки (приложение 1), куда вы будете вносить оценки за все ваши действия, а в конце выставите итоговую оценку за урок. Подпишите их пожалуйста.

II. Мотивация

Мы с вами на прошлом уроке познакомились с двумя новыми величинами электричества: это работа и мощность. Сегодня придём к новому названию одной из величин.

На данном этапе учитель предлагает учащимся самостоятельно сформулировать цель урока.

На столе стоит электрическая лампа, учитель включает её. 

Учитель: Ребята попробуйте это объяснить с точки зрения физики. Почему лампочка горит? Почему это происходит?

Учащиеся: Основная часть лампы – спираль из тонкой вольфрамовой проволоки, она нагревается до 3000 °С, при такой температуре достигает белого накала и светится ярким светом и даёт тепло.

Какое действие тока мы здесь с вами наблюдаем?

Разомкнув ключ потрогать лампочку.

Что произошло с лампочкой? (Нагрелась)

Какое действие электрического тока вы наблюдаете? 

Если лампочка долго горит, можно ли её выкрутить голыми руками? Почему?

(Световое и Тепловое)

Здесь мы наблюдаем тепловое действие электрического тока.

Учитель: Тепловое действие тока находит очень широкое применение в быту и промышленности. Как вы думаете, как в быту используется тепловое действие тока?

Учащиеся: Электронагревательные приборы: утюги, кипятильники, электрические чайники, нагреватели, электроплиты, фены и т.д.

Учитель: В промышленности также широко используют тепловое действие электрического тока в паяльниках, сварочных аппаратах.

На столе у меня стоят разные электрические приборы, которыми вы пользуетесь в повседневной жизни,

Что это за приборы? Для чего они нужны? Что ими делают?

Посмотрим характеристики.

Паяльник и утюг нельзя трогать рукой, можно обжечься, а феном мы сушим голову и не испытываем ожога. Почему?

Учитель: А теперь попытаемся сформулировать тему нашего урока. (Ребята рассуждают)

Слайд 2

Итак, мы имеем дело с тепловым действием тока, следовательно, тема сегодняшнего урока «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля–Ленца». Записываем тему урока в тетрадь.

Каких целей мы должны сегодня достичь?

Слайд 3

Цели урока:

• объяснить явление нагревания проводников электрическим током;
• установить зависимость выделяющейся при этом тепловой энергии от параметров электрической цепи;
• сформулировать закон Джоуля – Ленца; 
• формировать умение применять этот закон для решения физических задач.

ІІІ.

Актуализация опорных знаний

Фронтальный опрос.

Слайд 4

Вспомним изученный ранее материал:

• Что называют электрическим током? (Упорядоченное движение заряженных частиц)
• Что представляет собой электрический ток в металлах? (Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов)
• Какие действия тока вам известны? (Тепловое, электрическое, магнитное, химическое)
• Какие три величины связывают закон Ома? (I, U, R; сила тока, напряжение, сопротивление.).
• Как формулируется закон Ома? (Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.)
• Чему равна работа электрического тока на участке цепи? (равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого протекал ток А = U*I*t )
• Что такое мощность электрического тока? (физическая величина характеризующая быстроту совершения работы электрическим током)
• Что такое электрическое сопротивление? (физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать протеканию электрического тока в этом проводнике)
•  От каких величин зависит сопротивление? (длины проводника, площади поперечного сечения, рода вещества) Рассмотреть как зависит сопротивление от длины проводника, площади поперечного сечения.
• При каком соединении все потребители находятся при одной и той же силе тока? (При последовательном соединении)
•  Закон сохранения и превращения энергии. (Во всех явления, происходящих в природе, энергия не возникает ни откуда и не исчезает бесследно. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.)

Все, что стоит на столе – это потребители электрического тока.

Слайд 5

Потребители электрического тока

Какой прибор не вписывается в общий ряд? Уберите лишний.

Чем ты руководствовался, делая выбор?

Какое действие электрического тока проявляется в выбранных приборах? (Тепловое)

Во всех приборах есть нагревательный элемент. А у дрели щётки, они ни чего не нагревают.

IV. Изучение нового материала

Давайте потрем ладошки. Что мы совершаем, когда трём ладошками? (работу). Что мы чувствуем? (тепло). Почему они нагреваются?

(Ребята рассуждают.)

Остановимся на тепловом действии электрического тока. Электрический ток нагревает проводник. Объясняется нагревание тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, щелочей, кислот, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи.

Можно сказать, что количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Слайд 6

Почему же проводники нагреваются?

Рассмотрим на примере движении одного электрона по проводнику.

Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение электронов.

Провод – это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам, заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника, и следовательно его температура.

А это и значит что, проводник нагревается.

В неподвижных металлических проводниках вся работа электрического тока идёт на увеличение внутренней энергии.

Слайд 7

Переход работы тока в теплоту

• Электроны направленно движутся
• Сталкиваются с ионами
• Передают им часть энергии
• Ионы колеблются быстрее
• Увеличивается внутренняя энергия проводника
• Выделяется теплота
• По закону сохранения и превращения энергии A = Q

Слайд 8

Вывод закона Джоуля – Ленца

А = IUt

A = Q

Q = IUt , U = IR – закон Ома, Q = I*I*R*t, Q = I²Rt

Q = IUt , I = U/R – закон Ома, Q = U*t*U/R

Q =	U2t
	R

где Q – выделившееся количество теплоты в Джоулях, R – сопротивление в Омах, I – сила тока в Амперах, t – время в секундах.

Единица измерения работы в СИ: Джоуль.

Слайд 9

Исследование зависимости количества выделяемой теплоты от параметров цепи

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи?

Гипотеза 1. Количество теплоты зависит от силы тока в цепи

Гипотеза 2. Количество теплоты зависит от сопротивления проводника

Соблюдайте технику безопасности!

Для дальнейшей работы нам нужно поделиться на три группы: две группы экспериментаторов и группа теоретиков.

Деление на группы.

Обращаемся к теме урока и формулируем проблему: Что же нам интересно узнать по теме урока?

Слайд 10

Задания для теоретиков

Группа теоретиков будет на примере решения задач получать зависимость выделяемой теплоты от силы тока в цепи и сопротивления.

При прохождении по спирали электрического чайника ток совершает работу. Вся работа идет на нагревание проводника.

• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 5 мин., если сопротивление спирали 200 Ом, а сила тока в цепи 3А?
• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 5 минут, если сопротивление спирали 100 Ом, а сила тока в цепи 3А?
• Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 10 минут, если сопротивление спирали 200 Ом, а сила тока в цепи 3 А?

Задания для экспериментаторов

По каким признакам можем судить, где теплоты выделяется больше, а где меньше? На ощупь(?!), термометром(?), по накалу лампы.

Наша задача: исследовать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи.

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи? Я готова выслушать ваши предположения, ребята.

А видна ли эта зависимость теоретически? Да, Q=A, A=IUt, Q =RI²t

Группы экспериментаторов могут приступать к выполнению своих исследований.

Не забывайте о соблюдении техники безопасности!

Карточки с заданием: электрическая цепь, состоящая из нескольких последовательно соединенных проводников различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая).

По формуле Q = I²Rt, если R = pL/S, сделать вывод как нагреваются проводники, если длина проводника L и площадь поперечного сечения S одинаковы.

1 группа: От силы тока в цепи.

Карточки с заданием: электрическая цепь состоящая из источника тока, лампы, ключа, реостата, амперметра, (соединительные провода).

Замкнули цепь и изменяли сопротивление, что наблюдаем?

Что произошло с силой тока?

Как накал лампы зависит от силы тока?

(Чем больше сила тока, тем ярче горит лампочка, а значит больше тепла она выделяет.)

Вывод: количество теплоты зависит от силы тока.

2 группа: От сопротивления цепи.

Карточки с заданием: электрическая цепь, состоящая из 3 последовательно соединенных проводников, одинаковой длины и площади поперечного сечения и различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая), источника тока, ключа, (соединительные провода).

(Были взяты 3 проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения, но из разного вещества (медная, стальная, никелиновая). Все проводники соединены между собой последовательно. Следовательно, сила тока на всех участках цепи одинаковая. Но при включении в цепь все 3 проводника выделили разное количество теплоты.(При отключении цепи с помощью электронного термометра убедились, что температура проводников разная, Больше нагрелся проводник (никелиновый) с большим удельным сопротивлением, меньше всего нагрелся медный проводник, с меньшим удельным сопротивлением ). Медные провода поэтому используют для проводки, ещё алюминиевые, они дешевле.

Вывод: чем больше удельное сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается.

Слайд 11

Вывод: количество теплоты зависит от того, из какого вещества изготовлен проводник, т. е. от удельного сопротивления проводника. Точнее – от электрического сопротивления проводника (R).

Вещество	Удельное сопротивление Ом мм2/м	Нагрев проводника
Медь	0,017	слабый
Сталь	0,1	средний
Никелин	0,42	сильный

Чтобы проводник нагревался сильнее, он должен обладать большим удельным сопротивлением.

Слайд 12

Сделаем вывод.

От чего зависит количество теплоты в проводнике с током?

Вывод: Количество теплоты, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, зависит от силы тока в этом проводнике и от его электрического сопротивления.

Закон определяющий тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889 гг.) – английский физик.

Обосновал на опытах закон сохранения энергии.

Установил закон определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил её зависимость от температуры.

Ленц Эмилий Христианович (1804 – 1865) – русский физик.

Один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.

Слайд 13

Решим задачу.

Определить количество теплоты, выделяемое проводником, сопротивление которого 35 Ом, в течении 5 минут. Сила тока в проводнике 5 А.

Дано: R = 35 Ом t = 5 мин I = 5 А _________ Q= ?

Си - 300с —

Решение: Q=I2Rt Q= (5A)2 · 35 Ом · 300 с = 262500Дж = 262,5 кДж Ответ: Q=262,5 кДж

Слайд 14

Формулой Q = I²Rt удобно пользоваться при расчете количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же (I = I₁ = I₂).

Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению. 

Т.е. чем больше R, тем больше Q и наоборот.

Припараллельном соединениипроводников ток в них различен, но напряжение на концах цепи одно и то же. И поэтому расчет количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле Q = U²t/R. Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению, то есть чем больше R, тем меньше Q.

Спираль электрической плитки укоротили. Изменится ли от этого накал плитки и как, если ее включить в сеть электрического тока? 

(Накал будет больше.)

Слайд 15

Систематизация знаний

• В чем проявляется тепловое действие тока? (В нагревании проводника)
• Как можно объяснить нагревание проводника с током? (Движущиеся электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и передают им свою энергию)
• Какие превращения энергии происходят при протекании тока через проводник? (Электрическая энергия превращается во внутреннюю)
• Как по закону Джоуля – Ленца рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике? (Q = I²Rt)

В рабочих картах урока поставьте оценку за урок.

Выяснить, какое количество учащихся поставили себе за урок «5», «4», «3» и ничего не поставили. (Приложение 1).

Сообщение оценки учащимся за работу на уроке

Слайд 16

V. Рефлексия

А сейчас оцени свою деятельность на уроке, и нарисуй свое настроение:

Нарисуй настроение: В левом верхнем углу оценочного листа.

 Своей работой на уроке доволен, чувствовал себя комфортно, настроение после урока хорошее.

 Своей работой на уроке не доволен, чувствовал себя не совсем комфортно, настроение после урока плохое.

 Состояние на уроке безразличное, урок никак не изменил моего эмоционального состояния и настроения.

Слайд 17

Домашнее задание у вас на каточках.

§ 53, Упр. 27 (1-3).

Всё известно вокруг.

Тем не менее, на земле ещё много того,

Что достойно порой удивления

И вашего, и моего.

Удивляйтесь цветам,

Удивляйтесь росе,

Удивляйтесь упругости стали,

Удивляйтесь тому,

Чему люди уже

Удивляться давно перестали!

До свидания! Спасибо за урок!

Все формулы количества теплоты через силу тока

Опыты Ленца

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц “застрял” с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи “источник энергии – проводник – потребитель энергии” сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало – невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший “нагреватель” – стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся – тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Закон джоуля Ленца формула и определение

Согласно закону джоуля Ленца, электрический ток, проходящий по проводнику, сопровождается количеством теплоты, прямо пропорциональным квадрату тока и сопротивлению, а также времени течения этого тока по проводнику.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = I 2 Rt, в которой Q отображает количество выделенной теплоты, I – силу тока, R – сопротивление проводника, t – период времени. Величина “к” представляет собой тепловой эквивалент работы и применяется в тех случаях, когда количество теплоты измеряется в калориях, сила тока – в амперах, сопротивление – в Омах, а время – в секундах. Численное значение величины к составляет 0,24, что соответствует току в 1 ампер, который при сопротивлении проводника в 1 Ом, выделяет в течение 1 секунды количество теплоты, равное 0,24 ккал. Поэтому для расчетов количества выделенной теплоты в калориях применяется формула Q = 0,24I 2 Rt.

При использовании системы единиц СИ измерение количества теплоты производится в джоулях, поэтому величина “к”, применительно к закону Джоуля-Ленца, будет равна 1, а формула будет выглядеть: Q = I 2 Rt. В соответствии с законом Ома I = U/R. Если это значение силы тока подставить в основную формулу, она приобретет следующий вид: Q = (U 2 /R)t.

Основная формула Q = I 2 Rt очень удобна для использования при расчетах количества теплоты, которое выделяется в случае последовательного соединения. Сила тока во всех проводниках будет одинаковая. При последовательном соединении сразу нескольких проводников, каждый из них выделит столько теплоты, которое будет пропорционально сопротивлению проводника. Если последовательно соединить три одинаковые проволочки из меди, железа и никелина, то максимальное количество теплоты будет выделено последней. Это связано с наибольшим удельным сопротивлением никелина и более сильным нагревом этой проволочки.

Закон Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q=I2Rt

где

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Формулировка

Закон джоуля ленца формулировка словесно выглядит следующим образом: мощность тепла, которая выделяется в проводниковом элементе в момент протекания в нем электротока имеет пропорциональную зависимость умножения плотности электрополя на напряженность.

Его по-другому можно сформулировать так: энергия, протекая по проводнику, перемещает электрозаряд в электрополе. Так, электрополе совершает работу. Работа производится благодаря проводниковому нагреванию. Энергия превращается в тепло.

Однако, из-за чрезмерного проводникового нагрева при помощи тока и электрооборудования, может повредиться проводка и сами аппараты. Сильное перегревание опасно, когда есть короткое замыкание в проводах. Из-за этого проводники могут иметь большое токовое значение.

Что касается интегральной формы тонких проводников правило или уравнение Джоуля — Ленца звучит так: то тепло, которое выделяется за время в конкретном участке электроцепи, определяется квадратным произведением токовой силы на сопротивление участка.

Обратите внимание! Закон Джоуля-Ленца обладает достаточно общим характером, потому что не имеет зависимости от природы, силу которой генерирует электроток.

Вам это будет интересно Особенности трехфазной сети

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Упрощенная формулировка

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

Из формулы также следует – чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге – подгорание с последующим пропаданием контакта.

Все формулы количества теплоты через силу тока

Раздел ОГЭ по физике: 3.9.Закон Джоуля-Ленца Раздел ЕГЭ по физике: 3. 2.8. Работа электрического тока. Закон Джоуля–Ленца

Рассмотрим Закон Джоуля-Ленца и его применение.

При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию. Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: Q = А или Q = IUt . Учитывая, что U = IR, в результате получаем формулу:

Q = I 2 Rt , где

Q — количество выделяемой теплоты (в Джоулях) I — сила тока (в Амперах) R — сопротивление проводника (в Омах) t — время прохождения (в секундах)

♦ Закон Джоуля–Ленца : количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

В XIX в. независимо друг от друга англичанин Д. Джоуль и россиянин Э. Ленц изучали нагревание проводников при прохождении электрического тока и опытным путём обнаружили закономерность: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени: Q = I 2 Rt (в случае постоянных силы тока и сопротивления). Эту закономерность называют законом Джоуля-Ленца. Данный закон дает количественную оценку теплового действия электрического тока.

Применяя закон Ома, можно получить эквивалентные формулы: Q = IUt , Q= U 2 t/R

Где применяется закон Джоуля-Ленца ?

1. Например, в лампах накаливания и в электронагревательных приборах применяется закон Джоуля-Ленца. В них используют нагревательный элемент, который является проводником с высоким сопротивлением. За счет этого элемента можно добиться локализованного выделения тепла на определенном участке. Выделение тепла будет появляться при повышении сопротивления, увеличении длины проводника, выбором определенного сплава.

2. Одной из областей применения закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии. Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии. При передаче электроэнергии, передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а сила нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если повышать напряжение, при этом понижая силу тока перед подачей электроэнергии, то это будет более выгодно. Но повышение напряжения ведет к снижению электробезопасности. Для повышения уровня электробезопасности повышают сопротивление нагрузки соответственно повышению напряжения в сети.

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины – первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна , данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.

Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку

Использование закона Джоуля-Ленца для передачи электроэнергии на расстояние

Закон Джоуля-Ленца

Когда происходит передача электричества на расстояние, появляется проблема потери на линиях передач. Закон показывает количество тепла, которое выделяется проводником при проходе тока.

ЛЭП используются предприятиями и городами, следственно необходимо больше мощности и больше тока.

Количество теплоты связано с сопротивлением тока и проводника, для того чтобы избежать нагрева, необходимо уменьшить количество тепла.

Не всегда можно использовать сечение провода, это дорого стоит из-за цены меди и веса кабелей, следовательно, увеличивается стоимость несущей конструкции.

На рисунке показаны высоковольтные линии электропередач. Это огромные конструкции из металла, создающиеся для поднятия кабеля на высоту, безопасную для людей на земле, чтобы избежать удара током.

Для этого необходимо снизить ток, следовательно, повышается напряжение.

Линии электропередач между городами используют напряжение 220 и 110 кВ, а у того, кто потребляет, понижают до необходимой величины, используя трансформатные подстанции. Или множеством КТП медленно понижая до безопасной величины, например, 6кВ.

То есть ток уменьшится в тысячи раз, но при той же потребляемой мощности. По закону Джоуля-Ленца, теплота в данном случае определится мощностью, которая теряется на кабеле.

НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Введение

При протекании тока по проводнику в проводнике выделяется тепловая энергия. Нагревающее действие электрического тока зависит от трех факторов:

• Сопротивление R проводника. Более высокое сопротивление производит больше тепла.
• Время, t, в течение которого протекает ток. Чем больше время, тем больше количество произведенного тепла
• Количество тока, I. Чем выше ток, тем больше количество выделяемого тепла.

Следовательно, эффект нагрева, производимый электрическим током I через проводник с сопротивлением R в течение времени t, определяется формулой H = I ² Rt. Это уравнение называется уравнением Джоуля электрического нагрева.

Электрическая энергия и мощность

Работа, совершаемая при перемещении заряда по электрической цепи, выражается как w. d = VIt

Таким образом, мощность, P = w.d /t = VI

Электрическая мощность, потребляемая электрическим прибором определяется как P = VI = I ² R = V ² /R

Пример

1. Электрическая лампа имеет маркировку 100 Вт, 240 В. Рассчитать:

а) Ток через нить накала, когда лампа работает нормально
б) Сопротивление нити накала, используемого в лампе.

Решение

1. I = P/V = 100/240 = 0,4167 А
2. R = P/I ² = 100/0,4167 ² = 576,04 Ом или R = В ² /P =240 ² /100 = 576 Ом

1. Найдите энергию, рассеиваемую за 5 минут электрической лампочкой с сопротивлением нити накала 500 Ом, подключенной к сети 240 В. { анс. 34 560 Дж }

Решение

E = Pt = V2/R *t = (240 ² *5*60)/500 = 34 560 Дж

1. Для нагрева воды используется погружной нагреватель мощностью 2,5 кВт. Рассчитать:

1. Рабочее напряжение нагревателя, если его сопротивление 24 Ом
2. Электрическая энергия, преобразованная в тепловую энергию за 2 часа.

{ отв. 244,9488 В, 1,8*10 ⁷ J }

Решение

1. P=VI=I ² R

I = (2500/24) ^1/2 =10,2062A

V=IR= 10,2062 * 24 = 244,9488В

1. E = VIt = Pt = 2500*2*6 0 * 60 = 1,8 * 10 ⁷ Дж

ИЛИ E= VIt = 244,9488 * 10,2062 * 2 * 60 * 60 = 1,8 * 10 ⁷ J

Электрическая лампочка имеет маркировку 100 Вт, 240 В. Рассчитать:
Ток через нить накала
Сопротивление нити накала лампы.

Раствор

P = VI I = P/V = 100/240 =0,4167A
Из закона Ома V =IR R=V/I =240/0,4167 = 575,95 Ом

Применение нагревательного действия электрического тока

Большинство бытовых электроприборы таким образом преобразуют электрическую энергию в тепловую. К ним относятся лампы накаливания, электронагреватели, электроутюги, электрочайники и т. д.

В осветительных приборах

1. Лампы накаливания — сделаны из вольфрамовой проволоки, заключенной в стеклянную колбу, из которой удален воздух. Это связано с тем, что воздух окисляет нить. Нить нагревается до высокой температуры и раскаляется добела. Вольфрам используется из-за его высокой температуры плавления; 3400 ⁰ Колба заполнена неактивным газом, напр. аргон или азот при низком давлении, что уменьшает испарение вольфрамовой проволоки. Однако одним из недостатков инертного газа является то, что он вызывает конвекционные потоки, которые охлаждают нить накала. Эта проблема сводится к минимуму путем намотки проволоки так, чтобы она занимала меньшую площадь, что снижает потери тепла за счет конвекции.
2. Люминесцентные лампы — эти лампы более эффективны по сравнению с лампами накаливания и служат намного дольше. У них в стеклянной трубке есть пары ртути, которые при включении излучают ультрафиолетовое излучение. Это излучение заставляет порошок в трубке светиться (флуоресцировать), т.е. излучать видимый свет. Разные порошки дают разные цвета. Обратите внимание, что люминесцентные лампы дороги в установке, но их эксплуатационные расходы намного ниже.

В электрическом нагреве

1. Электрические плиты — электрические плиты раскаляются докрасна, и выделяемая тепловая энергия поглощается кастрюлей за счет теплопроводности.
2. Электрические обогреватели-радиаторы становятся красными примерно при 900 ⁰ С, а испускаемое излучение направляется в помещение полированными отражателями.
3. Электрочайники — нагревательный элемент размещается на дне чайника так, чтобы нагреваемая жидкость покрывала его. Затем тепло поглощается водой и распределяется по всей жидкости за счет конвекции.
4. Электрические утюги — когда ток проходит через нагревательный элемент, вырабатываемая тепловая энергия передается основанию из тяжелого металла, повышая его температуру. Затем эта энергия используется для глажки одежды. Температуру электроутюга можно регулировать с помощью термостата (биметаллическая планка).

Расчет потерь мощности с использованием формулы нагрева Джоуля | Блог Advanced PCB Design

Ключевые выводы

• Джоулев нагрев — это физический эффект, который увеличивает внутреннюю энергию и столкновение электронов в цепи с током, что приводит к генерированию тепловой энергии.

• Формула Джоуля для нагрева определяется как Q=I2Rt.

• Согласно формуле нагревания Джоуля, вырабатываемая тепловая энергия пропорциональна времени, в течение которого электрический ток и электрическое сопротивление остаются постоянными.

 

Потери мощности из-за нагрева – главный недостаток, препятствующий использованию ламп накаливания

Системы светодиодного освещения. В рамках этого перехода от ламп накаливания отказываются. Потери мощности из-за нагрева являются основным недостатком ламп накаливания, снижающим их КПД. Сопротивление, оказываемое нитью накала потоку электрического тока, производит тепловую энергию, которую можно рассчитать, используя формулу нагревания Джоуля. Именно тепловые потери или явление джоулевого нагрева ограничивают применение ламп накаливания при попытке сэкономить электроэнергию. В этой статье рассматривается Джоулев нагрев в электрических цепях и способы расчета энергии, теряемой в виде тепла.

Джоуль Нагрев

Мы уже знаем, что поток электронов в замкнутой цепи представляет собой электрический ток. Когда ток протекает через цепь или проводящий материал, сопротивление, связанное с цепью или материалом, вызывает столкновение электронов. Электроны, сталкиваясь друг с другом, рассеивают энергию в виде тепла и генерируют потери мощности. Часть входной электрической мощности теряется в виде тепловой энергии. Выходная мощность всегда будет меньше входной мощности при наличии тепловых потерь. Эффективность контура снижена до менее 100% из-за тепловых потерь.

В целом джоулев нагрев можно описать как физический эффект, который увеличивает внутреннюю энергию и столкновение электронов в цепи с током, что приводит к генерированию тепловой энергии. В процессе джоулевого нагрева, в зависимости от условий цепи, некоторая часть электрической энергии превращается в тепло при протекании электрического тока по цепи конечной проводимости. Джоулев нагрев также известен как омический нагрев или резистивный нагрев. Сопротивление является важным свойством, определяющим ток, протекающий по цепи. Скорость, с которой сопротивление преобразует электрическую энергию в тепловую, можно рассчитать, используя формулу нагревания Джоуля.

Формула Джоуля для нагрева

Формула Джоуля для нагрева — это математическое уравнение, определяющее скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в тепловую благодаря сопротивлению цепи. Закон назван в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля, который обнаружил, что количество тепловой энергии, выделяемой в секунду в проводнике или цепи с током, пропорционально квадрату цепи и электрическому сопротивлению цепи.

Формула Джоуля для нагрева определяется по следующей формуле:

Q = I ² Rt

Q – количество выделяемого тепла, выраженное в джоулях.

I — электрический ток в амперах.

R — сопротивление цепи протеканию электрического тока в Омах.

t — время, в течение которого ток может течь в цепи, выраженное в секундах.

Рассмотрим пример джоулевого нагрева, когда ток 5 А протекает через электрический провод сопротивлением 20 Ом в течение 10 с. Тепловая энергия, вырабатываемая в джоулях, может быть рассчитана по формуле нагревания Джоуля:

Q = 5 ² x 20 x 10 = 5 кДж

Когда полезен Джоулев нагрев?

Джоулев нагрев не всегда вреден, но может привести к потерям в электрической системе. Существуют определенные приложения, в которых полезно преднамеренное создание потерь тепла. Большинство бытовых приборов преобразуют электрическую энергию в тепловую. Некоторыми примерами, в которых используется джоулев нагрев, являются электрический нагреватель, гейзер и лампы накаливания.

Увидеть лампы накаливания в качестве применения может быть неожиданно, так как во вступительном разделе мы обсуждали потери мощности из-за нагрева в этих лампах. Однако именно из-за явления джоулевого нагрева лампы накаливания излучают не только тепловую энергию, но и свет. Вольфрамовый материал обычно имеет высокую температуру плавления и используется в качестве нити накала в лампах накаливания. Тонкая нить с высоким сопротивлением, заключенная в стеклянную оболочку, заполненную азотом и аргоном, производит большое количество тепловой энергии. Огромная теплота, выделяемая из-за протекания электрического тока в нити накала, делает ее раскаленной добела. Нить накала излучает свет и тепло одновременно, первое полезно, а второе создает проблемы из-за эффекта нагрева Джоуля.

Согласно формуле Джоуля для нагревания, вырабатываемая тепловая энергия пропорциональна времени, в течение которого электрический ток и электрическое сопротивление остаются постоянными. Когда любая комбинация двух из трех параметров в формуле нагрева Джоуля (ток, сопротивление и время) постоянна, выделяемое тепло пропорционально третьему параметру, который изменяется. С помощью программного обеспечения Cadence вы можете разрабатывать приложения, которые преднамеренно используют джоулев нагрев, а также снижают потери мощности из-за нагрева в электрических системах.

Ведущие поставщики электроники полагаются на продукты Cadence для оптимизации потребностей в мощности, пространстве и энергии для широкого спектра рыночных приложений. Если вы хотите узнать больше о наших инновационных решениях, поговорите с нашей командой экспертов или подпишитесь на наш канал YouTube.

 

Запросить оценку

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты.