нагревание проводников электрическим током

А конкретнее?

Виды проводников
- металлические. Электрический ток в металлических проводниках – это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц – электронов (отрицательно заряженные частицы). Когда электроны протекают по проводнику, он нагревается, т. е. металлические проводники нагреваются при протекании тока.

- жидкие проводники (растворы и расплавы). В этих проводниках направленное движение зарядов составляют ионы. Это атомы, у которых либо избыток, либо недостаток электронов. Аналогично, если в жидких проводниках протекает электрический ток, то происходит нагревание проводников.

- газы (при определенных условиях). Электрический ток обусловлен движением ионов и электронов. Нагревается пространство, где протекает электрический ток. Все три случая, которые мы рассмотрели, подтверждают одно общее правило.

Опыты Джоуля и Ленца
Электрический ток при протекании по проводникам увеличивает их внутреннюю энергию. В соответствие можно привести работу электрического тока, работу электрического поля и количество теплоты, которое выделяется в проводниках.

Чем больше сила тока, тем больше количество теплоты, выделившееся в проводнике.

Эксперимент состоял в том, что три одинаковых по своим геометрическим размерам, но выполненные из разных материалов проводника включены последовательно. Через проводники течет электрический ток. При последовательном соединении проводников сила тока во всех участках будет одинакова (рис. 1).

Сила тока одинакова

Рис. 1. Сила тока одинакова

На первый взгляд количество теплоты тоже должно было быть одинаковым, однако это не так (рис. 2). Следовательно, количество теплоты зависит не только от силы тока, а так же от еще одной характеристики проводника – электрического сопротивления.

Количество теплоты разное

Рис. 2 Количество теплоты разное

Эти опыты независимо друг от друга провели два ученых, англичанин Джоуль (рис. 3) и русский ученый Ленц Эмиль Христианович (рис. 4). Результаты получены одинаковые, поэтому закон получил название этих двух ученых – закон Джоуля-Ленца.

Д. П. Джоуль

Рис. 3. Д. П. Джоуль

Э. Х. Ленц

Рис. 4. Э. Х. Ленц

Закон Джоуля-Ленца
В результате экспериментов было получено уравнение:

Q – количество теплоты [Дж] I – сила тока [А] R – электрическое сопротивление [Ом] t – время [c]

Формула для вычисления количество теплоты в точности соответствует формуле по вычислению работы электрического тока.

По закону Ома, сила тока определяется как отношение напряжения к сопротивлению.

Напряжение можем выразить как произведение

Подставив выражение для напряжения в формулу для работы электрического тока, получаем следующую зависимость:

И эта формула полностью соответствует закону Джоуля-Ленца:

.

Следовательно, количество теплоты и работа соответствуют друг другу. В некотором случае работа электрического тока равна количеству теплоты, которое выделяется на проводнике.

Существуют и другие формулы для определения работы, однако только эту формулу мы можем называть законом Джоуля-Ленца. Дело все в том, что количество теплоты – это изменение внутренней энергии проводника (проводник находится в состоянии покоя). А если мы рассматриваем проводник, который не только нагревается, а еще и движется, то в этом случае работа определяет уже полное действие на этот проводник (движение, энергию, другие формы превращения энергии).

Возникновение тепла в проводнике
При протекании электрического тока частицы существуют в металлических, жидких и газообразных проводниках. Они взаимодействуют с окружающими частицами, у которых нет направленного и упорядоченного движения. Эти взаимодействия и превращаются в тепло.

Нагревание проводников электрическим током

Нагревание проводников электрическим током широко используется для практических целей в промышленности и в быту. На этом явлении основано устройство электрических ламп накаливания, электронагревательных приборов, электрических печей, многих типов измерительной и медицинской аппаратуры и т. д
Из всех видов искусственного освещения наибольшее распространение получила электрическая лампа накаливания с металлической нитью, изобретенная А. Н. Лодыгиным. В такой лампе проводящая нить под действием тока нагревается до белого каления и вследствие этого излучает свет.
Основными частями современной лампы накаливания являются нить накала и стеклянный баллон (колба).
Материалом для изготовления нити накала осветительных ламп служит вольфрам (с примесью оксида тория и других элементов). Этот металл обладает высокой температурой плавления (3660°) и большой механической прочностью.
Нормальные осветительные лампы выпускаются для напряжений 110, 120, 127 и 220 в.
Чтобы накаленная нить не сгорела, т. е. чтобы она не соединялась с кислородом воздуха, из колбы удаляют кислород. Лампы мощностью до 60 вт изготовляют с колбами, из которых выкачан воздух (вакуумные лампы), у более мощных ламп колбы наполняют разреженной смесью инертных газов — аргона и азота или криптоном (газополные лампы). При наличии в колбе инертного газа уменьшается испарение вольфрама с поверхности нити, что позволяет повысить температуру накала нити.
Нить накала выполняется из тонкой проволоки, свернутой в спираль с близко расположенными друг к другу витками.
Основными характеристиками лампы накаливания являются номинальное напряжение, мощность, излучаемый световой поток, срок службы и световая отдача, которая представляет собой отношение светового потока к мощности и определяет экономичность лампы.
Время непрерывного горения лампы при ее номинальном напряжении, в течение которого она теряет 10% от начального светового потока, называется сроком службы лампы. Стандартный срок службы ламп 1000 ч. Световой поток, излучаемый лампой, уменьшается потому, что при температуре белого каления происходит постоянное уменьшение площади поперечного сечения нити вследствие испарения металла, который в виде пыли осаждается на стенке колбы. Это приводит к увеличению сопротивления нити накала и уменьшению силы света.
Электрическое нагревание проводников не всегда полезно. Так, в проводах электросети нагревание связано с бесполезной затратой электрической энергии, а при больших токах может создавать опасность возникновения пожаров. Мощность, которую могут дополнительно отдавать электрические двигатели и генераторы, не может увеличиваться беспредельно, так как она ограничена нагревом проводов обмоток этих электрических машин.
Во избежание чрезмерного нагрева соединительных проводов, а также различных обмоток из изолированной проволоки для электрической аппаратуры установлены нормы наибольших допустимых значений сил токов, которые могут проходить по данному проводу или обмотке. Допустимая сила тока определяется максимальной для данного материала и проводника плотностью тока. Плотностью тока называется сила тока, приходящаяся на один квадратный миллиметр площади поперечного сечения провода.
Например, если по проводу в 6 мм2 протекает ток силой 30 а, то плотность тока в этом проводе равна: 30 : 6 = 5 а/мм2.
Для защиты аппаратов и приборов от прохождения по ним слишком больших токов применяют предохранительные устройства, которые автоматически прерывают цепь тока, как только величина последнего превзойдет допустимое значение.

Да! что это такое?