Выделение тепла при нагревании проводников электрическим током

Нагревание проводников электрическим током происходит в результате взаимодействия потока заряженных микрочастиц с атомами и молекулами металла. При этом начинается выделение тепла. Его количество рассчитывается на основании закона Джоуля-Ленца. На базе такого явления в XIX веке была изобретена лампа накаливания. В современном мире существует множество приборов теплового действия.

Теоретическая основа

Теоретическая основа

Для того чтобы разобраться, почему при прохождении электрического тока проводник нагревается, нужно знать, что по нему движутся отрицательно заряженные электроны. В процессе их перемещения они постоянно сталкиваются с микрочастицами металла, передавая им энергию и приводя их в движение.

Теплота при прохождении тока выделяется по той причине, что кинетическая энергия молекул и атомов проводника постоянно возрастает.

В результате поток электронов повышает внутреннюю энергию проводящего элемента.

Отсюда вытекают 2 следствия:

  • Чем больше сопротивление, тем больше нагрев проводника. Причем это явление имеет прямо пропорциональную зависимость.
  • Количество теплоты в электричестве увеличивается в зависимости от силы тока.

Если рассмотреть этот процесс с точки зрения закона сохранения энергии, то сила тока движущихся электронов, сталкивающихся с микрочастицами металла, падает.

Однако она не может исчезнуть бесследно. Идет ее превращение в тепловую энергию проводника.

Закон Джоуля-Ленца

На основании существующего закона Джоуля-Ленца количество выделяющейся теплоты в проводе пропорционально квадрату силы тока, времени его прохождения и существующему сопротивлению металла. Расчет величины ведется по формуле:

Теоретическая основа

Q = I 2 RT, где

Q — выделившаяся теплота;

I — сила проходящего тока;

R — сопротивление металла проводника;

Т — время, в течение которого идет протекание тока.

В том случае, когда сила тока неизвестна, но есть возможность измерить напряжение, формула изменяется. Согласно закону Ома I = U / R.

Это значение подставляется в основную формулу:

Q = I 2 RT = (U / R)2 RT.

После сокращения получается окончательный вид:

Q = (U 2 / R) Т.

Использовать эти формулы можно только в том случае, когда протекающий через проводник ток является постоянным и работает исключительно на нагревание. Если идет выполнение какой-либо механической работы, то расчеты носят другой характер.

Практические опыты

Для того чтобы проверить, как изменится температура проводника в зависимости от колебания параметров силы токи и сопротивления, можно провести некоторые опыты. Они носят следующий характер:

Параметры, влияющие на нагрев

  • Собирается цепь, в которую включаются источник питания и 2 нагревателя с разным сопротивлением. При прохождении электричества нагреватель с большим сопротивлением нагревается сильней. Это доказывает, что нагрев зависит от величины сопротивления.
  • В электрическую цепь, кроме источника питания, подключаются лампочка, амперметр и реостат. Подается напряжение и лампочка загорается. Регулируя реостатом сопротивление при постоянном напряжении, нить накаливания будет изменять свою яркость. Это указывает на зависимость температуры проводника от силы тока.

Такие физические опыты должны проводиться в специальных лабораториях.

Параметры, влияющие на нагрев

Процесс нагрева проводов относится к негативному явлению, с которым требуется бороться. В противном случае произойдет повышенный расход энергии или возгорание цепи. Чтобы этого не происходило, нужно контролировать следующие показатели:

Использование в быту

  • Сечение провода. Этот размер должен выдерживать максимально допустимую нагрузку без нагрева. Расчет ведется с учетом влияния окружающей среды, поскольку проводник находится не в вакууме.
  • Теплопроводность материала. Для проводников используется цветной металл: медь, алюминий.
  • Разность температур между проводником и окружающей средой. Металл быстрее отдает тепло при большом температурном перепаде.

При разработке электрических цепей все эти факторы должны приниматься во внимание.

Использование в быту

Несмотря на негативные последствия нагрева, это явление находит применение на практике. Например, существуют нагреватели, где повышение температуры проводящих элементов взято за основу. Примером могут служить:

  • электрочайники;
  • фены;
  • паяльники;
  • сварочные аппараты.

Нагревание проводников электрическим током

С открытием электромагнитной индукции получил распространение метод нагрева высокочастотными токами.

Этим способом можно быстро нагреть индукционные плавильные печи или домашние плиты.

Все эти приборы разработаны на основе знания закона Джоуля-Ленца. Только применяя существующие формулы, можно сделать правильный расчет агрегата и выбрать проводящие материалы нужного сечения.

Нет комментариев

Добавить комментарий

Спасибо! Ваш комментарий появится после проверки.
Это интересно
Adblock
detector