Загрузка...Тепловое действие тока сопротивление
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
Формула расчета и ее элементы
Тепловое действие тока может быть подтверждено разными опытами, где работа тока переходит во внутреннюю проводниковую энергию. При этом последняя возрастает. Затем проводник отдает ее окружающим телам, то есть осуществляется теплопередача с нагреванием проводника.
Формула для расчета в этом случае следующая: A=U*I*t.
Количество теплоты можно обозначить через Q. Тогда Q=A или Q=U*I*t. Зная, что U=IR, получается Q=I 2 *R*t, что и было сформулировано в законе Джоуля-Ленца.
Практическое значение [ | ]
Снижение потерь энергии [ | ]
При передаче электроэнергии тепловое действие тока в проводах является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно — значит, ток в сети I 
на проводах и нагрузке одинаков. Мощность нагрузки и сопротивление проводов не должны зависеть от выбора напряжения источника. Выделяемая на проводах и на нагрузке мощность определяется следующими формулами
Q w = R w ⋅ I 2 , Q c = U c ⋅ I .
Откуда следует, что Q w = R w ⋅ Q c 2 / U c 2 . Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение R w ⋅ Q c 2 является константой, то тепло, выделяемое на проводе, обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе. Повышая напряжение, мы снижаем тепловые потери в проводах. Это, однако, снижает электробезопасность линий электропередачи.
Выбор проводов для цепей [ | ]
Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников.
По этой причине для передачи необходимой мощности через современные магистральные воздушные линии электропередач, их проектируют под сверхвысокое напряжение (до 1150 кВ), чтобы обеспечить сверхнизкие токи в ЛЭП.
Электронагревательные приборы [ | ]
Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.
За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.
Плавкие предохранители [ | ]
Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.
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.
Урок 27. Лекция 27-1. Электрический ток, его характеристики. Сопротивление. Закон Ома.
- » onclick=»window.open(this.href,’win2′,’status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,width=640,height=480,directories=no,location=no’); return false;» rel=»nofollow»> Печать
Проводники отличаются от диэлектриков тем, что в них есть свободные заряды, которые могут перемещаться по всему объему проводника.
Если изолированный проводник поместить в электрическое поле 
, то на свободные заряды qв проводнике будет действовать сила 
. В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, не скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника равно нулю.
Однако, в проводниках может при определенных условиях возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током.
Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.
За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов.
В металлах носителями зарядов являются электроны — отрицательно заряженные частицы, поэтому электрический ток в металлах всегда направлен против дижения электронов.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I.
Сила тока – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:
Сила тока численно равна количеству зарядов, прошедших через поперечное сечение проводника за 1 секунду.
Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике
I — сила тока, S – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле.
Единица измерения силы тока в Международной системе единиц СИ ампер [А].
Прибор для измерения силы тока называется амперметр.
Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток.
На схемах электрических цепей амперметр обозначается 
.
Амперметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. Внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным .
Кратковременный ток в проводнике можно получить, если соединить этим проводником два заряженных проводящих тела, которые имеют различный потенциал. Ток в проводнике исчезнет, когда потенциал тел станет одинаковым. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем и длительное время поддерживать электрическое поле.
Условия существования электического тока:
1. Наличие свободных зарядов внутри проводника,
2. Наличие разности потенциалов на концах проводника (создание электрического поля внутри проводника)
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создается электрическим полём, а оно при этом совершает работу. Работа тока – это работа сил электрического поля, создающего электрический ток.
Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. При перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы.
Работа электростатических сил при перемещении единичного заряда равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Величину U 12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2.
Напряжение – это физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы, численно равно работе электрического поля по перемещению заряда из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2.
В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов: U 12 = φ 1 – φ 2
Единица измерения напряжения в Международной системе единиц СИ вольт [В].
Прибор для измерения напряжения называется вольтметр.
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов.
На схемах электрических цепей амперметр обозначается 
.
Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RB. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.
Аналогично тому, как трение в механике препятствует движению, сопротивление проводника создает противодействие направленному движению зарядов и определяет превращение электрической энергии во внутреннюю энергию проводника. Причина сопротивления: столкновение свободно движущихся зарядов с ионами кристаллической решетки.
Величина, характеризующая противодействие электрическому току в проводнике, которое обусловлено внутренним строением проводника и хаотическим движением его частиц, называется электрическим сопротивлением проводника.
В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом [Ом]. Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.
Электрическое сопротивление проводника зависит от размеров и формы проводника и от материала, из которого изготовлен проводник.
S – площадь поперечного сечения проводника
l – длина проводника
ρ – удельное сопротивление проводника.
Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.
Величину ρ, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением проводника. Оно численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью сечения 1 мм 2 , изготовленного из данного вещества. Единица удельного сопротивления в СИ [1 Ом*м = 1 Ом*мм 2 /м]
Сопротивление проводника зависит и от его состояния, а именно от температуры.
Эта зависимость выражается формулой 
или 
α – температурный коэффициент сопротивления. Для всех чистых металлов 
.
При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а при охлаждении – уменьшается.
Закон Ома для участка цепи.
Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:
Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными.
Графическая зависимость силы тока I от напряжения U называется вольт-амперная характеристика (сокращенно ВАХ). Она изображается прямой линией, проходящей через начало координат.
По вольт-амперной характеристике проводника можно судить о его сопротивлении: чем больше угол наклона графика к оси напряжения, тем меньше сопротивление проводника.
Что происходит во время короткого замыкания?
Короткое замыкание (КЗ, англ. short curcuit) — незапланированное соединение точек цепи с различными потенциалами друг с другом через малое сопротивление. При этом образуется сверхток, значения которого многократно превышают предусмотренные нормальными условиями работы. Что же именно происходит при КЗ?
Вспоминаем закон Ома для участка цепи: I = U/R, где I – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление. Из этой формулы следует, что сила тока обратно пропорциональная сопротивлению, чем меньше сопротивление, тем больше сила тока на участке цепи. В режиме нормальной эксплуатации провода «фазы» и «нейтрали» замыкаются на нагрузке, то есть на самом электроприборе, где электроэнергия преобразуется световую или тепловую. Если же у нас возникает контакт проводников до электроприбора, то ток начинает протекать по укороченному пути (отсюда и короткое замыкание), минуя нагрузку.
Сопротивление такого контакта ничтожно мало, соответственно сила тока на данном локальном участке достигает критических значений, многократно превышающих допустимые для данной цепи, опять же по закону Ома.
Теперь вооружаемся еще одним законом физики, законом Джоуля-Ленца, который гласит: тепловое действие тока прямо пропорционально квадрату силы тока на данном участке электрической цепи. То есть, при возрастании тока короткого замыкания, скажем, в 10 раз, количество выделяющейся при этом теплоты возрастет в 100 раз. Провода резко нагреваются, плавится их изоляция, расплавленный металл поджигает находящиеся рядом предметы и возникает пожар. Во время КЗ температура в зоне контакта возрастает до нескольких тысяч градусов. Как вы полагаете, при подобных значениях температуры могут ли априори существовать негорючие предметы: розетки, подрозетники, распределительные коробки и т.д.? По факту горит все.
В это же время защитное оборудование может просто не сработать, например, когда превышен номинал автомата и сила тока недостаточна для его срабатывания, но в месте короткого замыкания его вполне хватает для расплавления проводов и возникновения источников возгорания.
Теперь, когда вы знакомы с внутренним миром короткого замыкания, ответьте на простой вопрос: есть ли у вас в доме огнетушитель или пожарная сигнализация? В девяти случаев из десяти ответ будет отрицательный, и это при том, что новостная рубрика «Чрезвычайные происшествия» регулярно рассказывает нам об ужасных последствиях пожаров, причиной которых является неисправность электропроводки. А теперь ответьте еще на один вопрос: есть ли у вас в доме розетки со следами перегрева и искрения? Ответ, скорее всего, будет утвердительным. Так вот, такая розетка – это потенциальный и высоковероятный источник возгорания.
Вместе с тем, сегодня есть очень простые доступные и эффективные решения, способные кардинально улучшить противопожарную безопасность вашего жилья.
9.Сопротивление и проводимость.
Сопротивление зависит от геометрии и от вещества, из которого сделан проводник.
Для цилиндрического проводника одинакового поперечного сечения оно вычисляется особенно просто.
Измерив сопротивление, можно вычислить ёмкость и наоборот.
Данное устройство иногда называется конденсатором с утечкой.
По физическому смыслу, удельное сопротивление – это сопротивление куба вещества с ребром 1 м, если подводящие провода подключены к центрам противоположных граней.
