Проходя по проводнику, ток может оказывать некоторые действия: тепловое, химическое и магнитное.
Тепловое действие тока обусловлено тем, что свободные электроны, двигаясь с большой скорость, взаимодействуют с ионами металлов, ионами солей в растворах кислот и щелочей. Ионы начинают усиленно колебаться, двигаться, вращаться, то есть их энергия тоже повышается. Проводник или электролит нагревается.
Например, спираль лампочки раскаляется до такой температуры, что начинает излучать свет.
Электрическая энергия превращается в тепловую энергию проводника; часть рассеивается, часть используется в бытовых целях (для нагревания).
Работа, которую совершает электрический ток, определяется количеством теплоты, выделяемой проводником:
Q = A
, где (A) — работа тока, (Q) — количество теплоты.
Работу тока рассчитывают по формуле:
A = U⋅I⋅t
. Тогда количество теплоты, исходя из закона сохранения энергии, также будет равно:
Q = U⋅I⋅t
.
Согласно закону Ома
U = IR
. Подставляя эту формулу в предыдущую, получим:
Q = I2⋅R⋅t
.
Количество теплоты, которое выделяется в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока.
В процессе своих экспериментов получили такой же результат Джеймс Джоуль в Англии и Эмилий Христианович Ленц в России. В их честь закон имеет двойное название: закон Джоуля-Ленца.
Джоуль Джеймс Прескотт ((1818—1889)) — английский физик, член Лондонского королевского общества. Он внёс значительный вклад в исследование электромагнетизма и тепловых явлений, в создание физики низких температур, в обоснование закона сохранения и превращения энергии. Именем Джоуля назвали единицу измерения работы и энергии в системе СИ.
Эмилий Христианович Ленц ((1804—1865)) — российский физик и электротехник, академик Петербургской Академии наук ((1830)), ректор Санкт-Петербургского университета (с (1863)). Результатом его исследований стало открытие взаимосвязей (на «языке математики») между электрическими и термодинамическими параметрами, между электрическими и магнитными параметрами при протекании тока в проводнике.
Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах.
Состояние сети, когда по проводам и приборам проходит ток больше допустимого значения, называется перегрузкой. Опасность этого явления в тепловом действии тока, ведь при большой перегрузке изоляция проводников легко воспламеняется. Перегрузка может возникнуть при подключении устройств большой мощности через удлинитель (смотри рисунок и никогда так не делай!).
Для примера, перегрузка проводов на (25)% приводит к сокращению срока их службы где-то с (20) лет до (3—5) месяцев, а перегрузка проводов на (50)% — до нескольких часов.
Закон Джоуля-Ленца
Знание законов и способов использования электричества — необходимый элемент школьного образования. Вместе с экспертом разберем задачи на закон Джоуля-Ленца и узнаем, где он применяется в жизни
Физики всегда искали способы практического применения электричества, чувствуя его гигантский потенциал. Первой ступенькой на этом пути стал закон Ома, связавший в один узел основные понятия новой науки. Эксперименты показали, что электричество можно преобразовать в теплоту. Это стало научным прорывом, нужен был только математический аппарат для инженерных расчетов. И вот от он найден.
Определение закона Джоуля-Ленца простыми словами
Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц независимо установили опытным путем, что проводник, по которому течет электрический ток, выделяет тепло. И его количество прямо пропорционально квадрату силы тока, его сопротивлению и времени протекания тока. Это, собственно говоря, и есть самое простое определение закона Джоуля-Ленца
Формула закона Джоуля-Ленца
Определить количество теплоты, выделяемой проводником при прохождении через него электричества, можно по следующей формуле:
Q=I2⋅R⋅t
Где:
Q — количество теплоты в джоулях;
I — сила тока в амперах;
R — сопротивление проводника в омах;
t — время в секундах.
Задачи на закон Джоуля-Ленца
Наиболее ярко этот закон проявляется при расчетах тепловых приборов.
Задача 1
25 минут через спираль электроплитки сопротивлением 30 Ом протекает электрический ток силой 1,3 А. Какое количество теплоты выделится за это время?
Подставляем данные в формулу:
Q=1,32*30*25*60=76 050 дж
Ответ: 76,05 килоджоулей.
Закон Ома
Разбираем формулировку, формулу и задачи на закон Ома с решением
подробнее
Задача 2
Сколько времени нагревался проводник сопротивлением 25 Ом, если на нем выделилось 8 кДж теплоты при силе тока 2 А?
Преобразуем формулу закона Джоуля-Ленца к удобному для нас виду:
Q=I2⋅R⋅t → t=Q/(I2⋅R)
Подставляем исходные данные:
t=8000/(22*25)=80
Ответ: 80 секунд.
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Николай Герасимов, старший преподаватель физики проекта «ИнтернетУрок».
Как открыли закон Джоуля-Ленца?
В первой половине (в 30-х – 40-х годах) XIX века русский учёный Эмилий Христианович Ленц и английский физик Джеймс Прескотт Джоуль независимо друг от друга провели опыты, которые позволили выяснить зависимость выделяющегося в проводнике тепла от его сопротивления и силы тока, протекающей через этот проводник. В научном сообществе подобные зависимости принято называть именами первооткрывателей. Так и появился закон Джоуля-Ленца.
Где применяется закон Джоуля-Ленца?
Электрический ток при протекании через проводник или любой электрический прибор совершает работу. Эта работа может быть полезной. Например, нагревание утюга, свечение электрической лампы и так далее. А может быть и вредной: нагревание подводящих проводов, которое как минимум ведет к потерям в электрических цепях или может привести к пожару. Данный закон позволяет рассчитать, какими, например, должны быть провода, а какими спирали нагревательных приборов, чтобы потери были минимальны, а энергия выделялась там, где нам нужно.
Где и как применяется закон Джоуля-Ленца в жизни?
Нельзя сказать, что каждый человек применяет в жизни этот закон, но его знание позволяет понять, почему, например, соединение проводов электрической цепи в доме должно быть очень надежным. Если контакт плохой, то в этом месте сопротивление будет большим, и место контакта станет нагреваться, что может спровоцировать пожар. Конструкторы используют этот закон для расчета спиралей электронагревательных приборов или элементов предохранителей, которые отключают электричество в случае опасности.
Электричество — неотъемлемый признак нашей эпохи. Абсолютно всё вокруг завязано на нём. Любой современный человек, даже без технического образования, знает, что электрический ток, текущий по проводам, способен в некоторых случаях нагревать их, зачастую до очень высоких температур. Казалось бы, это заведомо всем известно и не стоит упоминания. Однако, как объяснить это явление? Почему и как происходит нагрев проводника?
Опыты Ленца
Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.
Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц «застрял» с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи «источник энергии — проводник — потребитель энергии» сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.
При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало — невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?
Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший «нагреватель» — стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся — тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.
Закон Джоуля-Ленца
В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.
Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:
Q=I2Rt
где
Q — количество выделяемого тепла (Джоули)
I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)
R — сопротивление проводника (Омы)
t — время прохождения тока через проводник (Секунды)
Почему греется проводник
Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы «трётся», соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.
Из формулы также следует — чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом — будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге — подгорание с последующим пропаданием контакта.
Применение закона Джоуля-Ленца в жизни
Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины — первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.
Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна , данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.
Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку
Заключение
Таки образом, можно сказать что на законе Джоуля-Ленца держится чуть ли не вся электрика и электротехника. Открыв этот закон, появилась возможность уже заранее предсказать некоторые будущие проблемы в освоении электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери нужно занизить передаваемый ток, компенсируя это высоким напряжением. А уже на оконечном потребителе, понижать напряжение и получать более высокий ток.
Закон Джоуля-Ленца неотступно следует из одной эпохи технологического развития в другую. Даже сегодня мы постоянно наблюдаем его в быту – закон проявляется всюду, и не всегда люди ему рады. Сильно греющийся процессор персонального компьютера, пропадание света из-за обгоревшей скрутки «медь-алюминий»,выбитая вставка-предохранитель, выгоревшая из-за высокой нагрузки электропроводка – всё это тот самый закон Джоуля-Ленца.
Раз уж заговорили про ДжОУля )) Читайте статья про ОУ — Операционный усилитель.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 31 октября 2021 года; проверки требуют 4 правки.
Закон Джоуля — Ле́нца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем[1].
Определения[править | править код]
В словесной формулировке звучит следующим образом[2]:
Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании постоянного электрического тока, равна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля.
Математически может быть выражен в следующей форме:
где 
— мощность выделения тепла в единице объёма, 
— плотность электрического тока, 
— напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды, а точкой обозначено скалярное произведение.
Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах[3]:
Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка.
В интегральной форме этот закон имеет вид
где 
— количество теплоты, выделяемое за промежуток времени 
, 
— сила тока, 
— сопротивление, 
— полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от 
до 
. В случае постоянных силы тока и сопротивления:
Применяя закон Ома, можно получить следующие эквивалентные формулы:
Практическое значение[править | править код]
Снижение потерь энергии[править | править код]
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 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
Откуда следует, что 
. Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение 
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[править | править код]
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[править | править код]
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[править | править код]
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.
См. также[править | править код]
- Закон Ома
Примечания[править | править код]
- ↑ Джоуля — Ленца закон // Дебитор — Евкалипт. — М. : Советская энциклопедия, 1972. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 8).
- ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 186. — 688 с.
- ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 197—198. — 688 с.
Почему нагреваются проводники
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В проводниках этими частицами выступают отрицательно заряженные электроны. Воздействие электрического поля сообщает электронам дополнительную кинетическую энергию. В процессе движения они сталкиваются с атомами (или молекулами) проводника, отдавая часть приобретенной энергии. По этой причине начинает увеличиваться внутренняя энергия вещества, что приводит к повышению температуры и выделению тепла.
Рис. 1. Электрический ток в проводнике нагревает проводник
Если взять обычную лампочку накаливания и подключить ее к источнику напряжения через реостат (переменное сопротивление), то можно наблюдать тепловой эффект от протекания тока. Постепенно увеличивая ток, мы можем сначала на ощупь почувствовать, что стеклянная колба лампочки постепенно начнет нагреваться, а затем увидим, как начинает светиться раскаленная нить накаливания.
Заметим, что в этом эксперименте подводящие провода сильно не нагреваются и не светятся. Это происходит потому, что сопротивление нити накаливания намного больше сопротивления подводящих проводов .
Температура проводника с током
Дата публикации: 12 февраля 2015. Категория: Статьи.
Все проводники при прохождении по ним электрического тока нагреваются и отдают тепло окружающей среде (воздуху, жидкости, твердому телу). Температура нагрева проводника будет повышаться до тех пор, пока количество тепла, получаемое проводником, не станет равным количеству тепла, отдаваемому проводником окружающей среде. Температура нагрева проводника зависит от тока в проводнике, сечения и материала проводника и условий охлаждения. При заданных токе и материале проводника температура нагрева не зависит от его длины, так как чем больше длина, тем больше поверхность охлаждения.
Если выбрать проводник из определенного материала и поместить его в определенные условия охлаждения, то нагрев такого проводника током будет больше, чем больше плотность тока в самом проводнике.
В целях экономии материала стараются пропустить по проводнику наибольший ток, но для каждого проводника существует температура, выше который проводник нельзя нагревать по ряду причин. Так, например, проводники, имеющие в качестве изоляции резину и хлопчатобумажную оплетку, в целях предохранения изоляции от порчи не должны нагреваться выше 50 °С. Поэтому в зависимости от сечения проводники выбирают на определенную плотность тока. Например, наибольшая допустимая плотность тока для изолированных проводов и кабелей, проложенных не в земле, в зависимости от сечения, показана в таблице 1.
Таблица 1
Допустимая плотность тока для изолированных медных проводов
| Сечение в мм² | Ток в А | Плотность тока в А/мм² | Сечение в мм² | Ток в А | Плотность тока в А/мм² |
| 0,75 1 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 | 13 15 20 27 36 46 68 92 123 152 | 17,4 15,0 13,3 10,8 9,0 7,7 6,8 5,7 4,9 4,3 | 50 70 95 120 150 185 240 300 400 | 192 242 292 342 392 450 532 614 737 | 3,8 3,5 3,1 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 |
Как видно из таблицы, плотность тока с увеличением сечения проводников уменьшается. Это объясняется тем, что проводники небольших сечений, нагреваясь отдают свое тепло окружающей среде, в то время как внутренние слои проводника большого сечения, нагреваясь, свое тепло могут передавать только соседним слоям проводника, которые сами уже нагреты.
Неизолированные («голые») провода благодаря лучшему охлаждению допускают большие величины плотности тока (таблица 2).
Таблица 2
Допустимая плотность тока для изолированных проводов
| Сечение в мм² | В закрытом помещении | На воздухе | ||
| ток в А | плотность тока в А/мм² | ток в А | плотность тока в А/мм² | |
| 4 6 10 16 25 35 50 70 95 | 57 73 103 130 165 210 265 340 410 | 14,2 12,2 10,3 8,1 6,6 6,0 5,3 4,8 4,3 | 58 76 108 150 205 270 335 425 510 | 14,5 12,6 10,8 9,4 8,2 7,7 6,7 6,1 5,4 |
Следует отметить, что если медный изолированный провод сечением 25 мм² допускает ток 123 А, то сечение алюминиевого провода при том же токе нужно брать не 25 мм², а в 1,5 раза больше, так как иначе провод будет перегреваться вследствие большого удельного сопротивления алюминия.
Энергия электрического тока, расходуемая на нагревание проводов, теряется бесполезно. Поэтому при расчете проводов тепловые потери стараются свести не более чем к 5 – 10 % от всей энергии.
Но не всегда нагрев проводника является нежелательным. Тепловые действия электрического тока имеют многочисленное практическое применение, и тепло, выделяемое током, проходящим по проводнику, часто стараются получить в большом количестве. В следующих статьях описаны некоторые случаи практического применения тепловых действий тока.
Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.
Закон Джоуля-Ленца
На основании этого и других экспериментов можно сделать следующие предположения:
- чем больше сопротивление, тем сильнее нагреваются проводники. То есть количество теплоты Q, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорционально величине сопротивления проводника R;
- чем больше сила тока, тем большее количества тепла выделяется. При возрастании тока большее количество частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени, то есть число столкновений возрастает, а значит больше энергии передается атомам проводника.
Формулу для вычисления количества тепла получили независимо друг от друга в 1842 г. английский физик Джеймс Джоуль и российский ученый Эмилий Ленц:
Q — количество теплоты, Дж;
Согласно закону Ома:
где U — напряжение, В.
Пользуясь этой формулой, закон Джоуля-Ленца может быть представлен еще в одном варианте, когда известно напряжение на участке проводника, а сила тока неизвестна:
Формулы закона Джоуля-Ленца справедливы тогда, когда работа, совершаемая электрическим током идет исключительно на нагревание. Если в цепи есть потребление энергии на выполнение механической работы (электродвигатель) или на совершение химических реакций (электролит), то для расчета необходимо применять другие формулы.
Плюсы и минусы от нагрева электрическим током
- Плюсы. Нагревание проводников электрическим током находит свое применение в различных полезных приборах и устройствах: электроплитах, чайниках, кофеварках, кипятильниках, фенах, утюгах, обогревателях.
- Минусы. Очень часто инженерам-электронщикам приходится бороться с этим эффектом для того, чтобы, например, обеспечить работоспособность электронных плат, которые напичканы огромным количеством электронных деталей, микросхем и т.д. Все эти элементы греются в соответствие с законом Джоуля-Ленца. И если не предпринять меры для принудительного охлаждения с помощью металлических радиаторов или вентиляторов (кулеров), то платы быстро выйдут из строя от перегрева.
Рис. 2. Бытовые нагревательные приборы: чайник, утюг, фен, электроплита.
Часто для быстрого соединения проводов многие пользуются способом “скрутки”. Это приводит к значительному увеличению сопротивления, а следовательно, место “скрутки” будет греться сильнее, чем остальная часть проводки. Поэтому скрутка проводов часто бывает причиной пожаров в домах и квартирах. Для улучшения контакта требуется хорошо пропаять это место.
Простейшие электрические расчеты нагревательных элементов
Электронагреватели широко используются в бытовых электроприборах: чайниках, утюгах, каминах, плитках, паяльниках и т. д. Тепловое действие тока. При прохождении электрического тока через неподвижные металлические проводники единственным результатом работы тока является нагревание этих проводников, и, следовательно,по закону сохранения энергии вся работа, совершенная током, превращается в тепло.
Работа (в джоулях), совершаемая током при прохождении его через участок цепи, вычисляется по формуле:
- U — напряжение, В;
- I — сила тока, А;
- t- время, с.
Количество теплоты (Дж), выделенное в проводнике при прохождении по нему электрического тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока и вычисляется по закону Джоуля — Ленца:
где R — сопротивление проводника, Ом.
Произведем расчет количества теплоты, необходимой для того, чтобы вскипятить воду в чайнике, вмещающем 2 л. Напряжение сети U=220 В. Ток, потребляемый электрочайником, I= 4 А. Определить время закипания воды в чайнике, если КПД его 80% и начальная температура воды 20° С.
- U=220 В;
- I=4 А;
- m=2 кг;
- КПД=0,8;
- t=20° С;
- tкип = 100° С.
- Удельная теплоемкость воды С=4200.
Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды до температуры кипения.
Qпол = cm (tкип — t0) = 4200 * 2(100 — 20) = 672 000 Дж.
Определим общее количество теплоты, которое должен выделить нагревательный элемент электрочайника, с учетом потерь на нагрев керамики, корпуса чайника и внешней среды:
§ 28. НАГРЕВ ПРОВОДНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Содержание вперед >
Все проводники при прохождении по ним электрического тока нагреваются и отдают тепло окружающей среде (воздуху, жидкости, твердому телу). Температура проводника будет повышаться до тех пор, пока количество тепла, получаемое проводником, не станет равным количеству тепла, отдаваемому проводником окружающей среде. При этом температура достигнет установившегося значения.
Температура нагрева проводника зависит от величины тока в проводнике, сечения и материала проводника и условий охлаждения. Температура нагрева проводника не зависит от его длины, так как чем больше длина, тем больше поверхность охлаждения.
Если выбрать проводник из какого-либо материала и поместить его в определенные условия охлаждения, то нагрев такого проводника током будет тем больше, чем больше плотность тока в самом проводнике.
В целях экономии проводникового материала желательно, чтобы проводник был нагружен наибольшим током. Но для каждого проводника существует температура, выше которой проводник нельзя нагревать по целому ряду причин, в первую очередь по условиям теплостойкости изоляции. Так, например, проводники, имеющие в качестве изоляции резину, в целях предохранения изоляции от порчи не должны нагреваться выше 65°, а проводники с бумажной изоляцией — свыше 80°.
Приведем табл. 8 для выбора сечения проводов по длительно допустимой нагрузке на открыто проложенные изолированные шнуры, провода и кабели [4] с медными токопроводящими жилами с резиновой или полихлорвиниловой изоляцией при температуре окружающей среды +25°С и допустимой температуре нагрева + 55° С.
Выбор сечений проводов, кабелей и шин производят по наибольшему длительно допустимому току нагрузки (по условиям нагрева) и проверяют по потере напряжения.
Выбор сечения по току производят по таблицам, приведенным в «Правилах устройств электротехнических установок» (ПУЭ), которыми надлежит руководствоваться при проектировании, монтаже и эксплуатации электрооборудования.
Для того чтобы в условиях эксплуатации обеспечить определенную величину напряжения у потребителей, надо ограничить допустимую величину потери напряжения в проводах и кабелях, по которым энергия передается потребителям.
Уменьшение напряжения у потребителя ниже номинального приводит к уменьшению освещенности на рабочих местах, а также к уменьшению вращающего момента двигателей. Допустимая потеря напряжения для осветительных сетей внутренней проводки составляет не более 2,5%, в силовых сетях от питательного пункта до приемника —5 —10%.
Пример 3.
Двигатель постоянного тока, работая в продолжительном режиме работы, потребляет ток 65
а
при напряжении 220
в.
Двигатель расположен на расстоянии 20
м
от питательного пункта.
Выбрать сечение медных проводов с резиновой изоляцией, проложенных открыто.
По таблице допустимых нагрузок (см. табл. 
находим, что по току 6Ь а
можно выбрать провод сечением 10
мм^.
Проверяем выбранное сечение провода по потере напряжения.
Потеря напряжения в линии (2 провода) будет:
Это составляет что вполне допустимо.
Однако не всегда нагрев проводника является нежелательным. Тепловые действия электрического тока имеют разнообразное практическое применение, и тепло, выделяемое током, проходящим по проводнику, часто стараются получить в большом количестве. Ниже описаны некоторые случаи практического применения тепловых действий тока.
[4] Кабелем называют провод, состоящий из нескольких жил, свитых из медных или алюминиевых проволок и окруженных изолирующими и защитными оболочками. Кабели применяют для подземных и подводных линий.
Содержание вперед >
Опыты Ленца
Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.
Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц “застрял” с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи “источник энергии – проводник – потребитель энергии” сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.
При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало – невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?
Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший “нагреватель” – стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся – тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.
Закон Джоуля-Ленца
В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.
Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:
Q — количество выделяемого тепла (Джоули)
I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)
R — сопротивление проводника (Омы)
t — время прохождения тока через проводник (Секунды)
Закон Джоуля — Ленца. Расчет сечения проводов по допустимому нагреву
1.Закон Джоуля — Ленца. Электрический ток — это упорядоченное движение электрически заряженных частиц, которые при движении сталкиваются с атомами и молекулами вещества, отдавая им часть своей кинетической энергии. В результате проводник нагревается и электрическая энергия в проводниках преобразуется в тепловую. Скорость преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью
. Таким образом, количество электрической энергии W, преобразуемое в тепловую энергию за время t, . (5.1.)
По этой формуле определяется и количество выделенной в проводнике теплоты, выраженное в джоулях:
. Формула является математическим выражением закона Джоуля — Ленца:
количество электрической энергии, преобразуемой в проводнике в тепловую энергию, пропорционально квадрату тока, электрическому сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
2. Расчет электронагревательных приборов. Тепловое действие электрического тока используется в электронагревательных приборах: электрических печах, сушильных шкафах, электроплитах т. д.
В лампах накаливания электрический ток разогревает нить до такой температуры, что она начинает излучать свет. Количество выделенной теплоты прямо пропорционально сопротивлению проводника. Поэтому обмотки электронагревательных приборов изготовляются из сплавов высокого сопротивления (нихрома, фехраля и др.). Чем больше плотность тока
, тем выше при прочих равных условиях температура проводника. Плотность тока в нихромовой проволоке для электропечей принимают в пределах Плотность тока в нихромовой проволоке реостатов берется в пределах .
Упрощенный расчет электронагревательного прибора производится следующим образом: а) по заданной мощности Р и напряжению U определяют ток
, а затем сопротивление обмотки нагревательного прибора б) по току I и допустимой плотности находят поперечное сечение провода обмотки и округляют его до стандартного; в) по формуле определяют длину обмотки нагревательного прибора. Температура включенных электронагревательных элементов зависит от условий охлаждения (например, электрокипятильники нельзя включать в сеть без предварительного погружения в воду).
Почему греется проводник
Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.
Из формулы также следует – чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге – подгорание с последующим пропаданием контакта.
Основные причины нагрева кабелей и проводов
Чтобы понять причину нагрева электрической проводки, необходимо вспомнить азы электротехники. Электрический ток – это упорядоченное движение свободных электронов, на пути которых возникают другие атомы вещества. Определённое количество таких атомов называется электрическим сопротивлением. При слишком большом сопротивлении, увеличивается температура материала.
Данный принцип успешно применяется, например, в водонагревателях. В других бытовых приборах или электрической сети необходимо наоборот, снизить нагрев проводников – довести его до номинального уровня.
Основные причины нагрева кабелей и проводов:
- Главная причина, почему происходит нагрев провода – это выбор его неправильного сечения. При выборе малого сечения проводов, что преследует практически всех горе-электриков, и неизменной силе тока, происходит быстрое повышение температуры кабеля. Такой же принцип в водопроводных трубах – чем больше диаметр, тем больший напор воды.
- Перегрев линии возникает при неправильном монтаже. Например, незначительное короткое замыкание, на которое не срабатывает автоматический выключатель с завышенными номинальными параметрами. Автомат не размыкает линию – кабель продолжает греться, и через некоторое время прогорает.
- Некачественное место соединения или окисление контактов. Очень быстро окисляются алюминиевые провода, места соединения которых следует проверять чаще медных. Чтобы не беспокоиться за качество скрутки, лучше воспользоваться специальными клеммниками или тщательно пропаять кабели.
- Использование кабеля или провода низкого качества. Сейчас рынок электротехники стремительно наполняется продукцией из Кореи и Китая, качество которой оставляет желать лучшего. Такой кабель, даже при правильном монтаже, сам по себе может стать причиной нагрева и возгорания.
Применение закона Джоуля-Ленца в жизни
Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины – первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.
Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна , данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.
Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку
