Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников
Под тепловым действием электрического тока понимают выделение тепловой энергии в процессе прохождения тока по проводнику. Когда через проводник проходит ток, образующие ток свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами проводника, нагревая его.
Выделяемое при этом количество теплоты можно определить с помощью закона Джоуля-Ленца, который формулируется так: количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока через проводник, равно произведению квадрата тока, сопротивления данного проводника и времени прохождения тока через проводник.
Приняв ток в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, получим количество теплоты в джоулях. А учитывая, что произведение тока на сопротивление — есть напряжение, а произведение напряжения на ток — мощность, в результате оказывается, что количество выделенной теплоты в данном случае равно количеству электрической энергии, переданной данному проводнику во время прохождения по нему тока. То есть электрическая энергия преобразуется в тепловую.Получение тепловой энергии из электрической широко применяется с давних времен в различной технике. Электронагревательные приборы, такие как обогреватели, водонагреватели, электрические плиты, паяльники, электропечи и т. д., а также электросварка, лампы накаливания и многое другое используют именно этот принцип для получения тепла.
Но в большом количестве электрических устройств нагрев, вызываемый током, вреден: электродвигатели, трансформаторы, провода, электромагниты и т. д. — в данных устройствах, не предназначенных для получения тепла, нагрев снижает их КПД, мешает эффективной работе, и даже может привести к аварийным ситуациям.Для любого проводника, в зависимости от параметров окружающей среды, характерно определенное допустимое значение величины тока, при котором проводник заметно не нагревается.
Так, например, для нахождения допустимой токовой нагрузки на провода, используют параметр «плотность тока», характеризующий ток, приходящийся на 1 кв.мм площади поперечного сечения данного проводника.
Допустимая плотность тока для каждого проводящего материала в определенных условиях своя, она зависит от многих факторов: от вида изоляции, интенсивности охлаждения, температуры окружающей среды, площади поперечного сечения и т. д.
К примеру, для электрических машин, где обмотки изготавливают, как правило, из меди, величина предельно допустимой плотности тока не должна превышать 3-6 ампер на кв.мм. Для лампы накаливания, а точнее для ее вольфрамовой нити, — не более 15 ампер на кв.мм.
Для проводов осветительных и силовых сетей предельно допустимая плотность тока принимается исходя из вида их изоляции и площади поперечного сечения.
Если материалом проводника служит медь, а изоляция резиновая, то при площади сечения, например, в 4 кв.мм допускается плотность тока не более 10,2 ампер на кв.мм, а если сечение 50 кв.мм, то допустимая плотность тока будет всего 4,3 ампера на кв.мм. Если же проводники указанной площади не имеют изоляции, то допустимые плотности тока будут соответственно 12,5 и 5,6 ампер на кв.мм.
С чем же связано понижение допустимой плотности тока для проводников большего сечения? Дело в том, что проводники с существенной площадью поперечного сечения, в отличие от проводников малого сечения, имеют больший объем проводящего материала расположенного внутри, и получается что внутренние слои проводника сами окружены нагревающимися слоями, которые мешают отводу тепла изнутри.
Чем больше площадь поверхности проводника по отношению к его объему, — тем большую плотность тока способен выдержать проводник не перегреваясь. Неизолированные проводники допускают нагрев до более высокой температуры, так как от них тепло отводится прямо в окружающую среду, изоляция этому не препятствует, и охлаждение происходит быстрее, поэтому для них допускается более высокая плотность тока чем для проводников в изоляции.
Если превысить допустимый для проводника ток, он начнет перегреваться, и в какой-то момент его температура окажется чрезмерной. Изоляция обмотки электродвигателя, генератора или просто проводки, может в таких условиях обуглиться или загореться, что приведет к короткому замыканию и пожару. Если же говорить о неизолированном проводе, то он при высокой температуре может просто расплавиться и разорвать цепь, в которой служит проводником.
Превышение допустимого тока принято предотвращать. Поэтому в электрических установках обычно принимают специальные меры с целью автоматического отключения от источника питания той части цепи или того электроприемника, в котором случилась перегрузка по току или короткое замыкание. Для этого служат автоматические выключатели, плавкие предохранители и другие устройства, несущие аналогичную функцию — разорвать цепь при перегрузке.
Из закона Джоуля-Ленца следует, что перегрев проводника может произойти не только из-за превышения тока через его поперечное сечение, но и из-за более высокого сопротивления проводника. По этой причине для полноценной и надежной работы любой электрической установки крайне важно сопротивление, особенно в местах соединения друг с другом отдельных проводников.
Если проводники соединены не плотно, если их контакт друг с другом не качественный, то сопротивление в месте соединения (так называемое переходное сопротивление в месте контакта) окажется выше чем для цельного участка проводника той же длины.В результате прохождения тока через такое некачественное, не достаточно плотное соединение, место данного соединения будет перегреваться, что чревато возгоранием, выгоранием проводников или даже пожаром.
Чтобы этого избежать, концы соединяемых проводников надежно зачищают, обслуживают и оснащают кабельными наконечниками (впаивают или прессуют) или гильзами, которые обеспечивают запас на переходное сопротивление в месте контакта. Такие наконечники можно плотно закрепить на клеммах электрической машины при помощи болтов.
К электрическим аппаратам, предназначенным для включения и выключения тока, также применяют меры по уменьшению переходного сопротивления между контактами.
Какое действие электрического тока происходит во всех проводниках
Азбука физики 
Научные игрушки 
Простые опыты 
Этюды об ученых 
Решение задач 
Презентации 
Книги по физике 
Умные книжки 
Есть вопросик? 
Его величество. 
Музеи науки. 
Достижения. 
Викторина по физике 
Физика в кадре 
Учителю 
Читатели пишут 
Физика 8 класс. ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Действия электрического тока — это те явления, которые вызывает электрический ток.
По этим явлениям можно судить «есть» или «нет» в электрической цепи ток.
Тепловое действие тока.
— электрический ток вызывает разогревание металлических проводников (вплоть до свечения).
Химическое действие тока.
— при прохождении электрического тока через электролит возможно выделение веществ,
содержащихся в растворе, на электродах..
— наблюдается в жидких проводниках.
Магнитное действие тока.
— проводник с током приобретает магнитные свойства.
— наблюдается при наличии электрического тока в любых проводниках (твердых, жидких, газообразных).
А СМОЖЕШЬ ЛИ ТЫ СООБРАЗИТЬ ?
Открытие физика Араго в 1820 г. заключалось в следующем: когда тонкая медная проволока,
соединенная с источником тока, погружалась в железные опилки, то они приставали к ней.
Объясните это явление.
В коробке перемешаны медные винты и железные шурупы.
Каким образом можно быстро рассортировать их, имея аккумулятор, достаточно длинный
медный изолированный провод и железный стержень?
ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА.
Физиологическое действие тока на ранней стадии развития науки об электричестве было единственным,
о котором было известно ученым, и было основано на собственных ощущениях экспериментаторов.
Одним из первых, кто ощутил на себе действие тока, был голландский физик П.Мушенбрук,
живший в 18 веке. Получив удар током он заявил, что «не согласился бы подвергнуться
ещё раз такому испытанию даже за королевский трон Франции.»
Электрический ток вызывает изменения в нервной системе, выражающиеся в ее раздражении
или параличе. При воздействии электрического тока возникают судорожные спазмы мышц.
Принято говорить, что электрический ток человека «держит»: пострадавший не в состоянии
выпустить из рук предмет — источник электричества.
___
При поражении достаточно сильным электрическим током происходит
судорожный спазм диафрагмы — главной дыхательной мышцы в организме — и сердца.
Это вызывает моментальную остановку дыхания и сердечной деятельности. Действие электрического тока на мозг вызывает потерю сознания. Соприкасаясь с телом человека, электрический ток
оказывает также тепловое действие, причем в месте контакта возникают ожоги III степени.
___
Постоянный ток менее опасен, чем переменный в электросети, который даже под напряжением 220В может вызвать очень тяжелое поражение организма. Действие электрического тока на человека усиливается при наличии промокшей обуви, мокрых рук, которым свойственна
повышенная электропроводность.
Тепловое действие тока. Закон Джоуля–Ленца
Мы уже знаем, что электрический ток нагревает проводник. Попробуем разобраться как это происходит?
Электрическое поле ускоряет электроны. После столкновения с ионами кристаллической решетки они передают ионам свою энергию. В результате энергия хаотического движения ионов около положения равновесия возрастает. Это и означает увеличение внутренней энергии проводника. Температура проводника повышается, и он начинает передавать теплоту окружающим телам.
Спустя некоторое время после замыкания цепи процесс устанавливается, и температура перестает изменяться со временем. К проводнику непрерывно поступает энергия за счет работы электрического поля. Но его внутренняя энергия остается неизменной, так как проводник отдает окружающим телам количество теплоты, равное работе тока. Это будет справедливо тогда, когда работа полностью расходуется на увеличение внутренней энергии.
Закон Джоуля – Ленца.
Английский физик Джеймс Пре́скотт Джо́уль и русский физик Эмилий Христианович Ленц независимо друг от друга установили закон, по которому можно определить количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему тока.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени прохождения тока.
Попробуем вывести данную формулу. Количество теплоты будет равно работе электрического тока.
Q = A А= IUt, значит Q = IUt, так как U= RI, значит Q=I RI t
или Q = I2Rt Q = I∙U∙t
Первая формула определяет количество теплоты в общем случае, когда известны сила тока, напряжение и время.
Вторая формула чаще используется при рассмотрении количества теплоты, выделяемое в последовательно соединенных сопротивлениях, когда сила тока одинакова.
Проведем опыт. Соберем электрическую цепь с источником (6В), двумя последовательно соединенными сопротивлениями
(2 Ома и 4 Ома), амперметром о вольтметром. Включим на 1 минуту цепь. Произведем замеры.
Сила тока при последовательном соединении на всех участках одинакова.
I1 = I2 = I =1 A;
Напряжение U1= 2 B; U2= 4B;
время t = 60 c
Вычислим потери теплоты на первом и втором сопротивлениях.
Q1=I1U1t =1A*2B*60c = 120 Дж
Q2= I2U2t = 1A*4B*60c = 240 Дж
Делаем вывод: при последовательном соединении сопротивлений больше тепла выделяется в большем сопротивлении.
Проведем опыт. Соберем электрическую цепь с такими же элементами, как и в предыдущем опыте, но соединим сопротивления параллельно. Силы тока в параллельных ветвях измеряем амперметрами.
Произведем замеры. При параллельном соединении напряжение на участках одинаковое.
U1=U2=U=6B
Сила тока I1=3A; I2=2,5A, время t=60c
Вычислим потери теплоты на первом сопротивлении и на втором.
Q1=I1U1t=3A∙6B∙60c =1080 Дж
Q2=I2U2t= 2,5A∙6B∙60c=900 Дж
Делаем вывод: при параллельном соединении сопротивлений больше тепла выделяется в меньшем сопротивлении.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
- Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
- Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
- Повысим успеваемость по школьным предметам
- Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Какое действие электрического тока происходит во всех проводниках?
Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.
решение вопроса
Связанных вопросов не найдено
Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
- Все категории
- экономические 43,679
- гуманитарные 33,657
- юридические 17,917
- школьный раздел 612,713
- разное 16,911
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
- Обратная связь
- Правила сайта