61Закон Джоуля - Ленца - V
§61Закон Джоуля - Ленца.
Виділення тепла – одне з основних явищ, що супроводжують проходження електричного струму у провідниках.
В результаті дослідів було встановлено, що кількість тепла, що виділяється струмом при проходженні по провіднику, залежить від опору провідника, сили струму і часу його проходження.
Експериментально цю залежність уперше дослідив 1844 р. український академік Еміль Християнович Ленц (1804—1865) і, незалежно від нього, англійський фізик Дж. Джоуль (на честь нього названо одиницю енергії).
Кількісні співвідношення, що мають місце при нагріванні провідника струмом, встановлені ними, називаютьзаконом Джоуля-Ленца,
З закону збереження енергії ми можемо отримати закон Джоуля - Ленца, не вдаючись до експерименту. Робота при переміщенні заряду дорівнює Uq але заряд q дорівнює It. Повну роботу поля при переміщенні заряду по провіднику отримаємо
Із закону Ома U = IR. Підставляючи отримані залежності, припущення, що вся робота поля пішла на нагрівання провідника, можна виразити так
З формули A = U I t можемо отримати вираз для потужності електричного струму. Нагадаємо, щопотужністьце ставлення роботи до часу, за який цю роботу здійснено. N=A/t, отже,
Як відомо, мпотужність вимірюється у ватах.
При розрахунках за електроенергію використовується одиниця енергії1 кіловат*година. Це енергія, що виділяється при мпотужності1 кВт за одну годину. В одній годині 3600 секунд, 1 кВт = 1000Вт, отже, 1 кВт.год. це 3 600 000 Дж.
В електричних ланцюгах течуть струми певної сили. Ці струми розраховують за навантаженням /приладами і споживачами/, що включаються в ланцюг. Спеціально підбирають перерізи проводів, що підводять іїхню ізоляцію. Але трапляються випадки, коли в ланцюг включають одночасно багато споживачів, більше, ніж розраховували. Тоді струм різко зростає (оскільки зменшується загальний опір ланцюга) і в ньому виникає навантаження. Підводні дроти сильно нагріваються, що може призвести до пожежі.
Струм може різко зрости, якщо при паралельному з'єднанні споживачів ми включимо паралельно їм елемент з дуже невеликим опором. Наприклад, якщо через пошкодження ізоляції утворюється контакт між проводами, що йдуть до лампочки. Виникає коротке замикання. Коротким замиканням називають швидке зменшення повного опору ланцюга.
або випадковому дотику оголених провідників. У таких випадках кажуть: «дроти закоротили».
У всіх випадках, коли в ланцюзі різко зростає струм, дроти можуть перегрітися і стати причиною пожежі. Щоб цього не сталося, електричний ланцюг включаютьзапобіжники.
Запобіжникибувають різних типів. Але у всіх є головна частина, яка при різкому зростанні струму сильно нагрівається. У плавкого предохоронця
це свинцева тяганина, яка при нагріванні плавиться і розмикає електричний ланцюг. Узапобіжника, зовнішній вигляд якого зображено на
-це металева пластина, яка при нагріванні розширюється і розриває контакт у ланцюзі.
^ Кількість тепла, що виділяється струмом при проходженні по провіднику, залежить від опору провідника, сили струму та часу його проходження.
Закон Джоуля - Ленца. Q = I 2 R t
Потужність вимірюється у ватах.
Коротким замиканням називають швидке зменшення повногоопору ланцюга.
Вправа §61.
- Чому провід, за допомогою якого настільна лампа вмикається в мережу, практично не нагрівається, у той час як нитка лампи розжарюється до білого?
- З яких матеріалів виготовляються плавкі запобіжники? Чому?
- По ланцюгу протікає струм 2 А. Опір ланцюга 100 Ом. Яка кількість теплоти виділиться в ланцюзі за 15 хв?
- Два резистори опором 5 Ом і 10 Ом включені в ланцюг послідовно. Яка кількість теплоти виділяється у кожному резистори за 5 хв, якщо напруга на другому резистори 20 В?
- Два резистори опором 4 Ом і 8 Ом включені в сісти паралельно. У першому тече струм 2 А. Яка кількість теплоти виділяється обома резисторами за 20 с?
- *Електричний кип'ятильник зі спіраллю опором 150 Ом поміщений у посудину, що містить 0,5 кг води при температурі 20 про З, і включений у мережу з напругою 220 В. Через 30 хв спіраль вимкнули. Скільки води википіло, якщо коефіцієнт корисної дії спіралі дорівнює 80%?
Було помічено, що під час проходження струму провідником останній нагрівається. Залежність кількості теплоти, що виділяється, від сили струму вивчали англійський фізик Джемс Джоуль та український фізик Е. X. Ленц. Вони пропускали струм спіраллю, поміщеною в калориметр з водою. Через деякий час вода нагрівалася. За її температурою легко було обчислити кількість теплоти, що виділилася. З проведених дослідів Джоуль і Ленц дійшли висновку: кількість теплоти, що виділяється провідником при проходженні електричного струму, прямо пропорційно квадрату сили струму, опору провідника і часу проходження струму. Це і є відомий законДжоуля - Ленца.
У 1821 р. німецький фізик Томас Зеєбек (1770-1831) зробив несподіване відкриття. Одного разу він поклав вісмутову пластинку на мідну, з'єднавши їх дротом. Коли Зеєбек стискав рукою ці платівки, то виявив, що в дроті є слабкий електричний струм. Зеєбек зрозумів, що струм виник у результаті зігрівання платівок теплотою його руки.
Для дослідження цього явища він побудував спеціальний прилад, що складався з двох вісмутових пластинок, з'єднаних припаяним до них мідним дротом. Один спай був опущений у посудину з гарячою, а інший у посудину з холодною водою. Тоді в ланцюзі було виявлено електричний струм.
Нагрівання провідників струмом та отримання струму за рахунок теплоти – ці явище незабаром отримали застосування у техніці.
Вже згадувалося, що В.В. Петров отримав яскраву електричну дугу, що висвітлила його лабораторію. Це відкриття було використано для освітлення міських вулиць пізніше, коли з'явилися сильні джерела електричного струму.
Спробу застосувати електричну дугу для освітлення зробив 1821 р. Р. Деві. Пропустивши струм від 2000 елементів через зближені вугільні електроди, він отримав електричну дугу.
Пізніше український фізик академік Б. С. Якобі (1801 – 1874) спробував влаштувати електричне освітлення Петербурга, встановивши на Адміралтейській вежі дугову лампу. Однак вугільні електроди досить швидко згоряли, відстань між ними збільшувалася, і дуга гасла.
Практичне значення дугова лампа набула тільки тоді, коли Ст Н. Чиколевим (1845—1898) був винайдений механізм, що зближує вугілля в міру їх згоряння. Але ще до цього використати електричну дугу для висвітлення зумів український електротехнік П.М. Яблучків (1847-1894). у своїй знаменитій «електричній свічці». Свічка Яблочкова складаласяз двох вугільних стрижнів, розташованих паралельно один одному і розділених ізолюючим прошарком. Кінці стрижнів з'єднувалися вугільною платівкою. При пропусканні струму ця платівка згоряла і між кінцями вугільних стрижнів з'являлася електрична дуга. У міру згоряння вугілля ізолюючий прошарок випаровувався, і дуга, що світиться, не згасала. На жаль, винахід П. Н. Яблочкова на той час не знайшов застосування в Україні. «українським світлом» скористалися спочатку у Парижі, а згодом у Лондоні та інших містах Західної Європи.
Майже водночас інший український електротехнік О. М. Лодигін (1847—1923) запропонував лампочку розжарювання.
У лампочці Лодигіна розжарювався вугільний стрижень. Коли з балона лампочки викачали повітря, вона стала досить довговічною та практично придатною. Лампочками Лодигіна в 1873 р. було висвітлено одну з вулиць Петербурга.
Американський винахідник Томас Едісон (1847 – 1931) удосконалив лампу розжарювання, замінивши вугільний стрижень тонкою вугільною ниткою. Їм же були винайдені гвинтовий цоколь лампи, поворотний вимикач, запобіжник із плавкою вставкою та штепсельне з'єднання. Електрична лампочка розжарювання стала дуже зручною для освітлення житлових приміщень, фабричних та заводських цехів. Здобули можливість працювати при яскравому електричному освітленні водолази. Електричні лампи почали застосовувати в маяках.
У металургії набули поширення електричні печі. Електрична піч - це камера, фанерована високовогнетривким матеріалом. Розігрівається піч електричним струмом, що проходить або через спеціальні нагрівальні елементи, або безпосередньо через руду, що підлягає розплавленню. У деяких випадках дія електричних печейзасноване на застосуванні електричної дуги (виплавка алюмінію та ін.).