Bogdanov K. Yu. Učebnice fyziky pro 10. ročník – §39

Když proud prochází vodičem, lze pozorovat jeho různé účinky: tepelné, chemické, magnetické nebo světelné. Tepelný efekt proudu se projevuje tím, že se ohřívá médium, ve kterém proudí. Může se projevit jak v pevných látkách, tak v kapalinách a plynech.

V této lekci se blíže podíváme na tepelný účinek proudu, analyzujeme fyziku probíhajících procesů a seznámíme se s Joule-Lenzův zákon. Tento zákon nám umožní zjistit, které vodiče se zahřívají více než ostatní a co určuje množství energie, která jde do vytápění.

Zahřívání vodiče, když jím prochází elektrický proud

Jak můžeme vysvětlit ohřev vodiče elektrickým proudem?

Při průchodu elektrického proudu vodičem se jeho teplota zvyšuje – zahřívá se. Co se děje uvnitř vodiče?

Vlivem elektrického pole vzniká v kovovém vodiči elektrický proud. Volné elektrony se začnou pohybovat uspořádaným způsobem. Ve stejnou dobu chaos přetrvává jejich pohyby.

Tímto pohybem interagují (volné elektrony) s ionty umístěnými v uzlech krystalové mřížky vodiče. Během této interakce předávají volné elektrony svou kinetickou energii iontům. Stává se to například při srážce s nimi.

Energie elektrického pole se tak přemění na vnitřní energii vodiče. Jeho teplota stoupá.

Když vodičem prochází elektrický proud, jeho vnitřní energie se zvyšuje.

V roztocích solí, kyselin a zásad jsou volné nabité částice ionty. Budou také interagovat s atomy látky.

Co určuje množství tepla uvolněného vodičem s proudem?

Elektrický proud prochází vodičem. Zahřívá se. Zároveň je v kontaktu s okolím a není ve vakuu. Z tohoto důvodu začíná dirigent přidělit nějaké množství tepla $Q$. To znamená, že vodič interaguje s prostředím prostřednictvím přenosu tepla.

Když se podíváme dovnitř vodiče a vysvětlíme jeho ohřev, můžeme předpokládat, že množství tepla závisí nejméně na dvou veličinách: na odporu a proudu.

Pojďme zjistit, proč jsme zvolili tyto konkrétní hodnoty.

1. Odpor
   Čím větší je odpor vodiče, tím více brání průchodu elektrického proudu. To znamená, že čím silnější ionty v kovu interagují s volnými elektrony a tím více energie dostanou. To znamená, že když proud prochází vodičem s vysokým odporem, mělo by se uvolnit velké množství tepla. Předpokládáme, že odpor vodiče je přímo úměrný množství generovaného tepla.
2. Síla proudu
   Aktuální síla se vypočítá pomocí vzorce: $I = frac$. Ukazuje se, že čím větší proud, tím větší počet volných částic projde průřezem vodiče za jednotku času. To znamená, že dochází k většímu počtu srážek s ionty a atomy vodiče. V důsledku toho je větší množství tepla, které se uvolní, když elektrický proud prochází vodičem.

Závislost množství tepla uvolněného ve vodiči na jeho odporu

Pojďme si empiricky potvrdit náš první předpoklad. Sestavme elektrický obvod sestávající ze dvou topných těles a zdroje proudu. Všechny prvky zapojíme do série.

Naše ohřívače mají stejné rozměry, ale jsou vyrobeny z různých materiálů. V souladu s tím mají různé odpory $R_1$ a $R_2$. Navíc $R_1 > R_2$.

Spustíme ohřívače kalorimetry (přístroje na měření množství tepla) se stejným množstvím vody. Počáteční teplota vody v obou nádobách je také stejná.

Uzavřeme okruh. Elektrický proud nyní protéká ohřívači (obrázek 1). Síla proudu v nich je stejná, protože jsou zapojeny do série.

Uvidíme, že v prvním kalorimetru se voda ohřeje rychleji. To znamená, že dostala více tepla. Právě v tomto kalorimetru máme ohřívač s vysokým odporem $R_1$. Náš předpoklad se potvrdil.

Čím větší je odpor vodiče, tím větší je množství tepla uvolněného při průchodu elektrického proudu.

Závislost množství tepla uvolněného ve vodiči na síle proudu v něm

Nyní se podívejme na náš druhý předpoklad. Sestavme elektrický obvod sestávající z žárovky, reostatu, ampérmetru a zdroje proudu.

Pohybem jezdce reostatu budeme postupně zvyšovat proud v obvodu. Uvidíme, že se jas žárovky zvýší (obrázek 2).

Ukazuje se, že s rostoucím proudem se zvyšuje množství tepla uvolněného vláknem žárovky. Předpoklad č. 2 se potvrzuje.

Čím větší je síla proudu ve vodiči, tím větší je množství tepla uvolněného, ​​když jím prochází elektrický proud.

Joule-Lenzův zákon

Podobné experimenty provedli dva vědci současně, ale nezávisle na sobě. Jeden z nich je nám již znám James joulea druhý je ruský fyzik Emily Khristianovič Lenz (obrázek 3).

Analýzou veličin naměřených během experimentů byli vědci schopni matematicky formulovat zákon popisující množství tepla uvolněného vodičem, když jím prochází elektrický proud.

Joule-Lenzův zákon:
Množství tepla generovaného vodičem s proudem se rovná součinu druhé mocniny proudu, odporu vodiče a času;
$Q = I^2Rt$.

Stejného výsledku můžeme dosáhnout provedením jednoduchých matematických operací s nám již známými veličinami. Ale abychom to udělali, musíme se podívat na jednu nuanci – zákon zachování energie když se vodič zahřívá proudem.

Zákon zachování energie při ohřevu vodiče proudem

Podle zákona zachování energie víme, že energie nepřichází odnikud a nikam neodchází.

Kde jsme získali nějakou dodatečnou energii ve vodiči, který jej šel ohřát? To je energie elektrického pole vytvořeného zdrojem proudu. Pokud má pole nějakou energii, pak může vykonat nějakou práci, což se v praxi děje. Náš vodič se přitom zahřívá a přijímá určité množství tepla (energie). Ukazuje se, co se děje přeměna elektrické energie na vnitřní energii těla.

Pokud proud vytváří pouze tepelný efekt, pak se množství tepla uvolněného ve vodiči bude rovnat práci elektrického proudu provedeného během této doby:
$Q = A$.

Matematické odvození Joule-Lenzova zákona

K ohřevu při průchodu elektrického proudu dochází ve stacionárních kovových vodičích. Ukazuje se, že práce proudu půjde ke zvýšení vnitřní energie vodiče. Zahřátý vodič předá tuto energii okolním tělesům přenosem tepla: $Q = A$.

Práce vykonaná elektrickým proudem se vypočítá podle vzorce: $A = UIt$.
Potom $Q = A = UIt$.

Dosadíme tento výraz do vzorce pro množství tepla:
$Q = UIt = IR cdot It = I^2Rt$.

Dospěli jsme ke správnému záznamu Joule-Lenzova zákona.

Cvičení

Cvičení č. 1

Jaké množství tepla se uvolní za 30 $ prostoru min $ drátěná spirála s odporem 20 $ prostorových ohm $ při současné síle rovné 5 $ prostor A $?

Vzhledem k:
$t = 30 min prostoru $
$R = 20 prostorových ohmů$
$I = 5 mezera A$

SI:
$t = 1800 prostor s$

Ukaž řešení a odpověz

řešení:

Používáme zákon Joule-Lenz:
$Q = I^2Rt$.

$Q = 5^2 mezera A^2 cdot 20 mezera Ohm cdot 1800 mezera c = 900 mezera 000 mezera J = 900 mezera kJ$.

Odpověď: $Q = 900 vesmírných kJ$.

Cvičení č. 2

Za jakým účelem jsou dráty v místech spojení nejen kroucené, ale také pájené? Zdůvodněte svou odpověď.

Kroucením jednoho vodiče druhým získáme zesílený a zhutněný přechod. Odpor v takovém úseku bude větší než odpor samotných drátů. A čím větší je odpor vodiče, tím více tepla se bude generovat, když jím prochází elektrický proud. Tato oblast bude velmi horká.

Pájení umožňuje vytvořit jednotnější spojení vodičů. Tím se odpor prakticky nemění. Takže my Vyvarujeme se zahřívání vodičů v místě jejich vzájemného spojení.

Cvičení č. 3

Spirála topného zařízení – reflektoru – se připojuje do zásuvky pomocí šňůry a vidlice. Šňůra se skládá z drátů, které přivádějí proud do spirály, pokryté izolací. Spirála a vodiče jsou zapojeny do série. Jak je napětí dodávané ze sítě rozděleno mezi dráty a spirálu? Proč se spirála zahřívá, ale dráty se téměř nezahřívají? Jaké vlastnosti spirálového a drátěného provedení dosahují tohoto rozdílu?

Budeme spoléhat na Joule-Lenzův zákon: $Q = I^2Rt$.

Spirála se zahřívá, ale dráty ne. To znamená, že na spirále se uvolňuje mnohem více tepla $Q$ než na drátech. Pokud je proud stejný, pak důvodem je odpor $R$.

Proto docházíme k závěru, že spirála se zahřívá, protože má mnohem větší odpor než dráty. Toto zařízení je určeno materiály, ze kterých je vyrobena spirála a dráty. Rezistivita spirály je přesně větší než měrný odpor drátů ($R = frac)$. Také dráty jsou tenčí než spirála. Jejich plocha průřezu je mnohem menší než plocha průřezu spirály topného zařízení. V drátech proto vzniká méně tepla než ve spirále.

Co se stane s napětím v takovém obvodu? Zapišme Joule-Lenzův zákon v tomto tvaru: $Q = UIt$. Říká se, že všechny prvky v tomto obvodu jsou zapojeny do série. To znamená, že aktuální síla $I$ ve všech svých sekcích bude stejná.

Ukazuje se, že napětí na spirále bude větší než napětí na koncích vodičů.

Cvičení č. 4

K obvodu zdroje proudu jsou sériově zapojeny tři vodiče stejného průřezu a stejné délky: měď, ocel a nikl. Která se zahřeje více? Svoji odpověď zdůvodněte a pokud možno experimentálně vyzkoušejte.

Začněme teorií. Podle Joule-Lenzova zákona: čím větší je odpor vodiče, tím větší množství tepla se v něm uvolňuje. Síla proudu ve všech částech obvodu bude stejná vzhledem k typu připojení.

Odpor vodiče se vypočítá pomocí vzorce: $R = frac$. Vzhledem k tomu, že velikosti vodičů jsou stejné, bude vše určeno hodnotou měrného odporu každého materiálu.

Z tabulky vezmeme hodnoty odporu:
$rho_ = 1.1 frac$,
$rho_ = 0.4 frac$,
$rho_m = 0.017 frac$.

Největší odpor bude nichromový drát. Zahřeje se více než ostatní.

Nyní provedeme experiment.
Sestavme elektrický obvod ze tří vodičů a zdroje proudu. Zapojme všechny prvky do série.

Po nějaké době budete moci vidět potvrzení našich teoretických závěrů. Nichromový drát se zahřeje na bílé teplo, niklový drát začne červenat (obrázek 4). Měděný drát zůstane vizuálně stejný.

Vezměte prosím na vědomí, že vizuální posouzení účinku ohřevu je v tomto případě snazší než pokusit se určit dotykem při nízkých teplotách, který drát je teplejší, nebo zkusit použít teploměr.

§ 39. ELEKTRICKÝ PROUD A JEHO ÚČINKY. SÍLA PROUDU.

Nabité částice pohybující se podél vodiče jej mohou zahřívat, zmagnetizovat a měnit jeho chemické složení.

Uspořádaný pohyb nabitých částic ve vodiči se nazývá elektrický šokKrátkodobý elektrický proud například protéká kovovým vodičem. М, spojující dvě opačně nabitá tělesa, А и Б (obr. 39а), kdy se pod vlivem elektrického pole jeho volné elektrony pohybují směrem od těla Б к АTok elektronů mezi tělesy však Б и А sníží náboje těchto těles a nakonec se vybijí a pole, které způsobilo elektrický proud, zmizí.

Elektrický proud je výsledkem směrovaného pohybu volných nábojů (elektronů nebo iontů) ve vodiči. V důsledku chaotického (tepelného) pohybu těchto nabitých částic nedochází k směrovanému přenosu náboje, což znamená, že elektrický proud nevzniká. Abychom pokaždé nezmiňovali, které částice – ionty nebo elektrony – přenášejí náboj v elektrickém proudu, například směr elektrického proudu Směr, kterým by se kladně nabité částice pohybovaly pod vlivem daného elektrického pole, je konvenčně akceptován (viz modrá šipka na obr. 39а).

Průchod elektrického proudu je doprovázen řadou jevů nebo dějů, podle kterých lze posoudit jeho existenci. Podle povahy dopadu lze tyto jevy rozdělit na tepelné, magnetické a chemické:

(1) Elektrický proud ohřívá vodič, kterým protéká (tepelný efekt). Některé vodiče, například wolframová spirála žárovky, se zahřejí natolik (až na 2500 °C), že dokonce začnou žhnout. Jiné vodiče, například měděné dráty, kterými proud protéká do lampy, se prakticky nezahřívají. Tepelný efekt proudu nezávisí na směru proudu, ale je určen jeho velikostí a vlastnostmi vodiče.

(2) Elektrický proud působí na zmagnetizovaná tělesa, například otáčí magnetickou jehlou, zpočátku orientovanou podél vodiče, kterým protéká proud, kolmo ke směru proudu (magnetické působení). Je třeba poznamenat, že magnetické působení proudu závisí na velikosti proudu a jeho směru a nezávisí na látce, ze které je vodič vyroben. Proto se předpokládá, že magnetické působení elektrického proudu je jeho nejcharakterističtějším znakem, který se projevuje u všech vodičů.

(3) Elektrický proud procházející roztoky nebo taveninami elektrolytů je může rozložit na jejich jednotlivé části v důsledku procesu zvaného elektrolýza (chemický děj). Například když proud prochází vodou, rozkládá se na vodík a kyslík a na elektrodách, mezi nimiž prochází elektrický proud, se tvoří bublinky těchto plynů. V kovových vodičích elektrický proud nezpůsobuje žádné chemické změny.

Čím větší je elektrický proud, tím větší je jeho vliv na vodič. Pro charakterizaci velikosti proudu předpokládejme, že vodič má tvar válce s průřezem S (viz obr. 39б). Podle síly proudu I nazývá se poměr náboje D q , nesený tímto proudem průřezem vodiče během časového intervalu D t , na hodnotu tohoto intervalu:

Jednotkou proudu v soustavě SI je ampér (A). Při proudu 1 A projde průřezem vodiče náboj o síle 1 C za 1 s. Proud se měří pomocí ampérmetry, v jehož konstrukci se využívá magnetického působení elektrického proudu.

Pokud se síla proudu v čase nemění, pak se takový elektrický proud nazývá trvalýPodmínkou existence konstantního elektrického proudu je přítomnost konstantního elektrického pole ve vodiči, neboli jinými slovy konstantní napětí mezi konci vodiče. Aby se elektrický proud kovovým vodičem nezastavil, je nutné mít zařízení, které pohybuje volnými elektrony, které přicházejí z Б в А, zpět k Б (viz obr. 39в). Takové zařízení se nazývá zdroj prouduZdroj proudu pohybuje náboji v oblasti AB proti elektrostatickým silám, které na ně působí.

Kontrolní otázky:

· Co je elektrický proud a jaký má směr?

· Jaké účinky může mít elektrický proud?

· Proč je magnetické působení proudu považováno za jeho nejcharakterističtější působení?

· Co se nazývá síla proudu a v jakých jednotkách se měří?

Rýže. 39. (а) – krátkodobý elektrický proud mezi nabitými tělesy;б) – k určení síly proudu; (в) – udržování konstantního proudu v kovovém vodiči М, spojující dvě nabitá tělesa.