Конспект урока: Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля — Ленца. Электрические нагревательные приборы

Закон Джоуля – Ленца

Как мы узнали ранее, тепловое действие электрического тока заключается в том, что при протекании тока через проводник наблюдается его нагревание. Также известно, что любая система рано или поздно приходит в равновесие, поэтому, если температура окружающей среды стала меньше, чем температура проводника с током, последний будет отдавать некоторое количество теплоты Q в окружающее пространство.

Количество теплоты, отданное проводником окружающей среде, будет равно работе электрического тока:

$Q = A = U · I · t$.

Преобразуем формулу выше, используя закон Ома. Напряжение можно найти как произведение силы тока на сопротивление проводника:
 

$U = I · R$.
 

Подставим данное выражение в формулу:
 

$Q = I^2 · R · t$,
 

где Q [Дж] — количество теплоты, выделяемое проводником;
I [А] — сила тока в данном проводнике;
R [Ом] — сопротивление проводника;
t [с] — время, за которое выделилось тепло Q.
 

Данное выражение называется законом Джоуля – Ленца в честь двух учёных, которые независимо друг от друга открыли данный закон: английского учёного Джеймса Джоуля и русского физика Эмилия Ленца.

Тепловое действие тока применяется во многих устройствах бытового назначения, рассмотрим принцип работы лампы накаливания и некоторых нагревательных приборов.

Устройство лампы накаливания

Рис. 1. Основные элементы лампы накаливания

На рисунке 1 показаны основные элементы стандартной лампы накаливания.
 

Лампа состоит из стеклянной колбы, предназначенной для защиты нити накаливания от воздействия окружающей среды.

 

Внутри колбы расположен штенгель, на котором крепятся электроды и крючки, удерживающие нить накаливания.

Нить представляет собой тонкую вольфрамовую проволоку, которая разогревается до температуры порядка 3 000 °С и начинает светиться. Чтобы вольфрам не испарялся и не окислялся в процессе нагрева, необходимо исключить наличие кислорода, для этого в колбе либо создаётся вакуум, либо она заполняется специальным газом: аргоном или азотом. 

Откачка воздуха или наполнение колбы газом осуществляется через штенгель, после чего он запаивается. Один из электродов (контактов) выводится на цоколь лампы в месте нанесения резьбы, второй — на основание цоколя. Между контактами обязательно присутствует изолирующий материал.
 

С помощью резьбы на цоколе лампа вкручивается в патрон, патрон соединяет лампу с электрической сетью квартиры.

Нагревательные приборы. Предохранители

В быту используется огромное количество нагревательных приборов, таких как фен, электроплитка, утюг, кипятильник, бойлер и многие другие (рис. 2).

Рис. 2. Нагревательные приборы

Все нагревательные приборы отдают тепло окружающей среде благодаря наличию проводника, выдерживающего высокие температуры и имеющего значительное удельное сопротивление. Чем больше удельное сопротивление металла, тем больше его сопротивление, а по закону Джоуля – Ленца, количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально сопротивлению.
 

Для изготовления нагревательного элемента данных приборов обычно используют нихром, фехраль и константан.

 

В силу различных причин сила тока в цепи с нагревательным прибором может возрасти до значений, не предусмотренных устройством прибора. Перегрев соединительных проводов может привести к поломке прибора, в худшем случае — к возгоранию. 

Во избежание перегрева в электрические цепи обязательно включают предохранители. Предохранители включаются в цепь последовательно и в случае превышения допустимого значения силы тока размыкают электрическую цепь.

Рис. 3. Плавкий предохранитель

Наиболее часто встречаются плавкие предохранители (рис. 3). Они состоят из стеклянного цилиндра, внутри которого находится тонкая проволока из металла. В случае, если сила тока возрастёт до недопустимо больших значений, проволочка расплавится и разомкнёт электрическую цепь.
 

Каждый нагревательный прибор имеет своё предельно допустимое значение силы тока, поэтому предохранители подбираются в соответствии со спецификой каждого отдельно взятого прибора.

После срабатывания плавкого предохранителя его необходимо заменить на новый, так как замена проволочки не предусмотрена.

Существуют предохранители, основным элементом которых является биметаллическая пластина (рис. 4).

Рис. 4. Биметаллическая пластина

Напомним, что такая пластина представляет собой соединение двух пластин из разных металлов, которые по-разному ведут себя при нагревании и охлаждении. 

При повышении температуры биметаллическая пластина изгибается в сторону того металла, который меньше подвержен расширению. Вследствие деформации пластины происходит разрыв электрической цепи. Биметаллические пластины используются в многоразовых предохранителях, которые защищают электросети квартир от перегрева.

Пример решения задачи

Итоги

• Закон Джоуля – Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током за время t, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока: $Q = I^2 · R · t$.
• Тепловое действие тока используется в различных нагревательных приборах и является основой работы лампы накаливания.
• Для защиты приборов и электросетей от перегрева в цепь включаются предохранители.