Инкубатор использование теплового действия электрического тока

Приведите примеры использования теплового действия тока в быту технике

Главная > Теория > Тепловое действие тока

Электроток, проходящий по проводниковому элементу, за счет ударения свободных электронов об ионы и атомы нагревает его. Тепловое действие тока можно наблюдать во всех аспектах жизни человека: от работающих ламп накаливания и бытовых приборов до получения цветных металлов и добычи азота.

Самодельный нагревательный прибор с нихромовой спиралью, что нагревается под воздействием электротока

Тепловое действие электрического тока

Еще в девятнадцатом веке опыты по изучению проводимости свидетельствовали, что ток, проходящий по нагрузке, нагревает ее. Исследования показали, что нагревается не только нагрузка, но и проводники.

Рис. 1. Тепловое действие электрического тока.

Данный факт легко объясним, если вспомнить, что электрический ток – это перемещение зарядов в веществе нагрузки. При движении заряды взаимодействуют с ионами кристаллической решетки, и отдают им часть энергии, которая и переходит в тепло.

Закон Джоуля-Ленца

Поскольку разность потенциалов (напряжение) на нагрузке равна работе, которую совершит единичный заряд, двигаясь по нагрузке, то для вычисления работы тока, необходимо напряжение умножить на заряд, прошедший через нагрузку. Заряд же равен произведению тока, проходящего по нагрузке, на время прохождения. Таким образом:

Детальным изучением теплового действия электрического тока в середине XIXв занимались независимо Д.Джоуль (Великобритания) и Э.Ленц (Россия).

Рис. 2. Джоуль и Ленц.

Было выяснено, что если нагрузка неподвижна, то вся работа электрического тока в этой нагрузке перейдет в тепло:

Как правило, напряжение на элементах электрической цепи различно, а ток в ней общий. Поэтому для определения теплового действия удобнее выразить напряжение через ток, учитывая сопротивление:

То есть, количество тепла, образующееся в нагрузке, равно произведению значения тока в квадрате, сопротивления и времени. Этот вывод носит название Закона Джоуля-Ленца.

Иногда ток нагрузки неизвестен, но известно ее сопротивление и подводимое напряжение. В этом случае удобнее выразить ток через известные величины:

и, подставив в формулу выше, получаем:

Из данной формулы можно видеть интересный факт – если в нагревательной плите сгорит часть спирали, и мы просто исключим сгоревшие места, то сопротивление спирали уменьшится, а поскольку напряжение сети останется прежним, то тепло, выделяемое плитой, возрастет. Мощность плитки увеличится.

Рамка с током и подковообразный магнит

Провод, обладающий достаточной жесткостью, можно изогнуть в виде плоской фигуры – прямоугольника, квадрата, окружности. Эластичные же провода навивают на жесткий каркас, изготовленный из подходящего материала – фанеры, картона, пластмассы и т. д. Такой изогнутый провод образует рамку. Проволочную рамку часто называют контуром.

Проволочная рамка, по которой течет электрический ток, может ориентироваться в магнитном поле.

Чтобы убедиться в этом, проведем такой эксперимент. Используем для него подковообразный магнит и проводник, изогнутый в виде прямоугольной рамки. Подвесим рамку к лапке штатива с помощью нити. Размеры рамки нужно выбрать так, чтобы она поместилась между полюсами магнита.

Сначала используем только подвешенную рамку (рис. 7а), без магнита. Подключим к рамке источник тока. Можно убедиться, что после подключения тока рамка продолжает висеть неподвижно. Отключим источник тока.

Теперь поместим магнит так, чтобы рамка находилась между его полюсами (рис. 7б) и, пропустим по цепи электрический ток. Легко заметить, что во время протекания тока рамка поворачивается и ориентируется по магнитному полю. А когда цепь размыкается, рамка возвращается в первоначальное положение.

Примечание: Если изменить полярность подключения источника к рамке, то она будет поворачиваться в противоположную сторону.

Замечательное свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле, используют в различных измерительных приборах. Один из таких приборов – гальванометр.

Закон Джоуля-Ленца

Поскольку разность потенциалов (напряжение) на нагрузке равна работе, которую совершит единичный заряд, двигаясь по нагрузке, то для вычисления работы тока, необходимо напряжение умножить на заряд, прошедший через нагрузку. Заряд же равен произведению тока, проходящего по нагрузке, на время прохождения. Таким образом:

Детальным изучением теплового действия электрического тока в середине XIXв занимались независимо Д.Джоуль (Великобритания) и Э.Ленц (Россия).

Рис. 2. Джоуль и Ленц.

Было выяснено, что если нагрузка неподвижна, то вся работа электрического тока в этой нагрузке перейдет в тепло:

Как правило, напряжение на элементах электрической цепи различно, а ток в ней общий. Поэтому для определения теплового действия удобнее выразить напряжение через ток, учитывая сопротивление:

То есть, количество тепла, образующееся в нагрузке, равно произведению значения тока в квадрате, сопротивления и времени. Этот вывод носит название Закона Джоуля-Ленца.

Иногда ток нагрузки неизвестен, но известно ее сопротивление и подводимое напряжение. В этом случае удобнее выразить ток через известные величины:

и, подставив в формулу выше, получаем:

Из данной формулы можно видеть интересный факт – если в нагревательной плите сгорит часть спирали, и мы просто исключим сгоревшие места, то сопротивление спирали уменьшится, а поскольку напряжение сети останется прежним, то тепло, выделяемое плитой, возрастет. Мощность плитки увеличится.

Принцип работы нагревательных приборов

Чтобы правильно оценить эффективность того или иного устройства, применяют коэффициент полезного действия. Данная величина представляет собой отношение полезной энергии ко всему количеству затраченной или потребленной энергии.

Все электрические нагревательные приборы работают на основе теплового действия тока. Их основным элементом, осуществляющим нагрев, служит спираль, материал которой имеет значительное удельное сопротивление. Для ее размещения применяются изоляторы из керамики с высокой теплопроводностью.

В приборах, предназначенных для нагревания жидкостей, для размещения изолированной спирали используются специальные трубки, материалом которых служит нержавеющая сталь.

В процессе работы прибора, его спираль имеет постоянную температуру, за счет баланса, который очень быстро устанавливается между электроэнергией и теплотой, поступающей в окружающую среду.

Понятно, что количество выделяемого тепла зависит от плотности тока и проводимости определенного вещества. Наглядно соответствующие влияния можно регистрировать в ходе последовательного пропускания тока 2 и 50 А через контрольную медную жилу сечением 2 мм кв. Во втором эксперименте нагрев будет значительно сильнее. Его можно уменьшить, увеличив диаметр проводника.

Снижение потерь энергии

Рассмотренный пример демонстрирует нежелательное явление для линий электропередач. Использование части энергии на обогрев окружающего пространства увеличивает потери воздушных линий. Превышение порогового значения провоцирует разрушение жил, защитных оболочек. Чрезмерное повышение температуры – причина возникновения пожаров.

Подобные явления происходят, если выбрана чрезмерная сила тока, либо недостаточно поперечное сечение проводника. Количество тепла, выделяемого в линии, обратно пропорционально зависит от квадрата напряжения (U) на подключенном потребляющем устройстве. Повышением U можно уменьшить потери. Однако подобное действие увеличивает вероятность короткого замыкания, ухудшает общие параметры безопасности.

Выбор проводов для цепей

Отмеченные выше проблемы теплового разрушения в значительной мере зависят от удельного сопротивления (Rу). Для наглядности можно использовать материалы со значительно различающимися характеристиками.

Расчеты количества теплоты (Q, Дж) для образцов длиной 1 м сечением 1 мм кв. при силе тока 5А за 30 секунд:

• медь – 12,75;
• сталь – 75;
• никелин – 315.

Особое внимание следует уделять параметрам силовых кабелей, которые должны сохранять целостность в процессе реальной эксплуатации. Как правило, бытовые линии монтируют в глубине строительных конструкций. Такой способ подразумевает хорошую защищенность от неблагоприятных внешних воздействий. Вместе с тем возрастают затраты на исправление ошибок и устранение последствий аварий.

Чтобы использовать кабельную продукцию правильно, следует руководствоваться тематическими нормативами, которые изложены в ПУЭ. Для упрощения выбора предлагаются специализированные таблицы, в которых приведены результаты расчетов с учетом следующих важных факторов:

• тип изоляции;
• длительность и величина перегрузок;
• особенности прокладки.

Отдельно рассмотрены в ПУЭ поправочные коэффициенты, учитывающие увеличение сопротивления при росте температуры. Данное явление объясняется повышением частоты колебаний атомов, что создает дополнительные препятствия электрическому току.

Пример:

• проводник нагревается номинальным током 7 А до +50°C при температуре окружающей среды +25°C;
• подбирают подходящую продукцию с учетом реальных условий;
• если кабель будет применяться на открытом воздухе, где температура повышается до +45°C, используют коэффициент 0,45 (допустимый ток уменьшается I=7*0,45=3,15 А);
• при морозе (-5°С) выбирают иной поправочный множитель:

Ускорить выбор можно с помощью сводных таблиц. В них приведены допустимые токи для медных (алюминиевых) жил с нормированным сечением.

Электронагревательные приборы

С учетом одинаковой величины тока в любой части единой цепи можно создать конструкцию для намеренного нагрева определенной зоны. Здесь устанавливают проводник с высоким удельным сопротивлением либо уменьшают площадь поперечного сечения. Точный расчет поможет исключить повышение температуры до критического уровня, разрушающего изделие.

Подводящие питание проводники выбирают на основе принципов, изложенных в предыдущем разделе. Они не должны перегреваться чрезмерно в установленных планом условиях эксплуатации.

Плавкие предохранители

Термический разрыв цепи используют для защиты оборудования и потребителей, если сила тока превышает номинальное значение. Специализированные устройства (плавкие предохранители) делают из свинца, стали, других металлов и сплавов. В нормальном рабочем режиме тепло рассеивается, не вызывает повреждений. После достижения пороговых значений существенно увеличиваются сопротивление и температура. На определенном уровне происходит разрушение элемента с одновременным отключением источника питания.

Плавкие предохранители оценивают комплексным параметром (К) по формуле:

где:

• I – пороговое значение тока;
• t – это максимальное время разрушения.

Одноразовые недорогие изделия этой категории рассчитаны на сравнительно небольшие токи (0,25-2 А). Типичная конструкция – тонкая проволока в трубке из кварцевого стекла с контактами для установки на монтажную плату. Такие предохранители устанавливают в радиоаппаратуре для защиты отдельных цепей. Визуальной проверкой можно быстро установить целостность предохранителей.

Вставки, рассчитанные на сильные токи, помещают в песок или другую специальную среду. Такое решение предотвращает образование плазмы, обеспечивает быстрый разрыв цепи. В некоторых модификациях корпус предохранителя создают из специальных материалов, генерирующих газ при сильном нагреве. Он ускоряет гашение дуги. Также применяют механизмы, увеличивающие расстояние между клеммами контактов при возникновении аварийных ситуаций.

К сведению. Для сильноточных цепей выпускают предохранители со сменными вставками.

Применение теплового действия электротока

Тепловое действие электрического тока используется в нагревательных элементах:

• отопительных приборов;
• бойлеров;
• утюгов;
• стиральных и посудомоечных машин;
• чайников, кофеварок.

С помощью специального кабеля предотвращают промерзание труб и образование наледей на порогах. Тепловыми «пушками» быстро поднимают температуру в крупных помещениях, ускоряют выполнение штукатурных работ.

Следует отметить перспективность применения электрических конвекторов, по сравнению с классическими радиаторами отопления:

• простота;
• компактность;
• малый вес;
• долговечность;
• хорошая совместимость с новейшими системами управления и контроля категории «умный дом».

Отдельно следует отметить высокий уровень безопасности. Защиту сильноточных цепей можно обеспечить дешевыми плавкими предохранителями. Это гораздо дешевле и надежнее, по сравнению с комплексом мероприятий по предотвращению образования газовой смеси.

Не всегда тепловое действие выполняет полезные функции. Устаревшие лампы накаливания, например, значительную часть энергии тратят на бесполезный обогрев окружающего пространства. Значительно эффективнее работают экономичные газоразрядные и светодиодные приборы.