Как объяснить нагревание проводника электрическим током — закон Джоуля-Ленца
Почему нагревается проводник, когда по нему течет электрический ток
Явление нагревания проводника при подключении его к источнику знакомо каждому. Дадим объяснение этому явлению, рассмотрев протекание тока по металлическому проводнику. Физический смысл электрического тока — движение заряженных частиц. Любое движущееся тело имеет кинетическую энергию, пропорциональную его скорости и массе. Проводник состоит из частиц: молекул, атомов, элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов). До начала возникновения тока в проводнике существует так называемый электронный газ, электроны в котором движутся хаотично. При подключении проводника к источнику возникающее электрическое поле совершает работу, вынуждая электроны двигаться упорядоченно в одном направлении. Результатом работы поля будет кинетическая энергия, которая появится у каждого из электронов. Двигаясь сквозь кристаллические решетки из атомов внутри проводника электроны постоянно сталкиваются с частицами в узлах решетки. По закону сохранению энергии после столкновения часть кинетической энергии свободного электрона выделяется в пространство в виде теплоты — Q.
В общем случае выделяемая энергия может переходить не только в теплоту, но и затрачиваться на другие виды работы или энергии, например, химические реакции. На данном уроке физики рассматривается случай, когда работа поля определяется суммой кинетической энергии движущихся электронов и количества выделяемой теплоты.
Описанный процесс справедлив для разных классов проводников: твердых, жидких и газообразных. Примечание 1
Электронным газом называют электроны, которые обладают слабой связью с ядром атома, поэтому под действием внешних сил могут преодолеть силу притяжение к ядру. Именно эти электроны, перемещаясь между полюсами источника, создают электрический ток в твердых проводниках. В жидких и газовых проводниках ток вызван движением положительных и отрицательных ионов.
Закон Джоуля-Ленца. Определение, формула, физический смысл
- Величины силы тока. Сила тока определяет количество заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Следовательно, чем больше сила тока в цепи, тем большее количество свободных электронов столкнется со связанными частицами и тем большее количество теплоты выделится.
- Напряжения в цепи. Напряжение прямо пропорционально работе поля по перемещению заряда. То есть чем больше напряжение, тем большую работу совершило поле и тем большую кинетическую энергию получили свободные электроны, а значит, и выделяемое количество теплоты будет больше.
- Сопротивление проводника. Сопротивление характеризует способность проводника пропускать ток. Зависимость количества выделяемой теплоты от сопротивления также прямо пропорциональна. Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем большая работа затрачивается на перемещение зарядов, при этом количество выделенной теплоты увеличится.
- Время. Количество произошедших ударов свободных и связанных электронов будет расти с увеличением времени, как и количество теплоты.
Описать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи и проводника удалось двум ученым: английскому физику Дж. Джоулю и русскому физику Э. Ленцу. В XIX веке они независимо друг от друга сформулировали закон о тепловом воздействии поля на проводник. Впоследствии закон назвали в честь его первооткрывателей — закон Джоуля-Ленца.
Закон Джоуля-Ленца гласит, что количество теплоты, выделяемой при протекании тока через проводник, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени прохождения тока.
Закон Джоуля-Ленца можно записать в виде формулы:
Используя закон Ома для участка цепи, преобразуем формулу записи закона Джоуля-Ленца:
Плюсы и минусы от нагрева проводника
К отрицательным последствиям закона Джоуля-Ленца можно отнести:
- потерю кинетической энергии при столкновении частиц, что затрудняет передачу электричества на большие расстояния. Наиболее простой способ решения этой проблемы — повышение напряжения, однако это приводит к снижению безопасности;
- перегрев проводника, который может привести к повреждению как самого проводника, так и его изоляции.
Обнаруженные минусы от нагрева проводника легко обратить в плюсы, если правильно использовать закон Джоуля-Ленца:
- чтобы избежать потерь энергии при передаче тока на большие расстояния, а также компенсировать повышение напряжения, увеличивают сопротивление цепи. Величину сопротивления подбирают исходя из формулы, выражающей зависимость теплоты от напряжения и сопротивления;
- с помощью закона Джоуля-Ленца подбирают параметры проводника (материал, сечение) и цепи (напряжение, сила тока), чтобы избежать повреждения или возгорания проводника.
Практическая польза закона Джоуля-Ленца
Несмотря на наличие негативных последствий, закон Джоуля-Ленца находит широкое применение на практике:
- Лампа накаливания. Для нити в лампе выбирают материал, который при нагревании излучает свет. При подключении лампы к источнику ток нагревает нить, в результате чего последняя излучает свет.
- Плавкие предохранители. При возникновении в цепи напряжения, превышающего допустимое значение, предохранитель начинает нагреваться и плавиться. Расплавившийся предохранитель размыкает цепь.
- Электронагревательные приборы. При подключении прибора к источнику нагревательный элемент раскаляется и выделяет тепло.
Примеры решения задач
Найти количество теплоты, выделяемое за 20 секунд электроплиткой, включенной в цепь напряжением 220 В. Известно, что сопротивление плитки равно 100 Ом.
Определить силу тока в цепи сопротивлением 95 Ом, если известно, что за время, равное 15 секундам, выделилось 142, 5 кДж.
Подготовлено совместно с репетитором:
Нужна помощь?
- Репетитор по физике
- Репетитор по физике 8 класс
- Репетитор для подготовки к ОГЭ по физике
Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током?
Заряженные частицы (электроны) двигаясь по действием электрического поля наталкиваются на положительные ионы в узлах кристаллической решетки. Это заставляет ионы колебаться, а нагрев это и есть увеличение интенсивности движения этих ионов.
Остальные ответы
потому что электронами совершается работа
выдлением энергии при движении электронов
Сопротивлением
Проводник тупой, нечего в вагоне по элетрощитам лазить)
Нагревание происходит из-за плохого контакта или сильного окисления провода в месте соединения проводов.
При
прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.
Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I2, сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:
Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током
УПС, страница пропала с радаров.
*размещая тексты в комментариях ниже, вы автоматически соглашаетесь с пользовательским соглашением
Вам может понравиться Все решебники
Котова, Лискова
Сивоглазов
Сивоглазов, Плешаков
Колягин, Ткачёва, Фёдорова
Баранова, Афанасьева, Михеева
©Reshak.ru — сборник решебников для учеников старших и средних классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте — авторский с подробными пояснениями профильными специалистами. Вы сможете скачать гдз, решебники, улучшить школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.
Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.
Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током
УПС, страница пропала с радаров.
*размещая тексты в комментариях ниже, вы автоматически соглашаетесь с пользовательским соглашением
Вам может понравиться Все решебники
Афанасьева, Михеева
Рабочая тетрадь
Мякишев, Буховцев
Котова, Лискова, Брызгалина
Баранова, Дули, Копылова
©Reshak.ru — сборник решебников для учеников старших и средних классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте — авторский с подробными пояснениями профильными специалистами. Вы сможете скачать гдз, решебники, улучшить школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.
Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.