Курс общей физики, Т.2

Курс общей физики, Т.2

Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. — 3-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — 496 с. Второй том трехтомного курса общей физики, созданного профессором Московского инженерно-физического института, заслуженным деятелем науки и техники РСФСР, лауреатом Государственной премии СССР И. В. Савельевым. Главная цель книги — ознакомить студентов с основными идеями и методами физики. Особое внимание обращено на разъяснение смысла физических законов и на сознательное применение их. Для втузов с расширенной программой по физике, однако изложение построено так, что, опустив отдельные места, книгу можно использовать для втузов с обычной программой. Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ЧАСТЬ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ § 1. Электрический заряд § 2. Закон Кулона § 3. Системы единиц § 4. Рационализованная запись формул § 5. Электрическое поле. Напряженность поля § 6. Потенциал § 7. Энергия взаимодействия системы зарядов § 8. Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом § 9. Диполь § 10. Поле системы зарядов на больших расстояниях § 11. Описание свойств векторных полей Дивергенция. Циркуляция. Теорема Стокса. § 12. Циркуляция и ротор электростатического поля § 13. Теорема Гаусса § 14. Вычисление полей с помощью теоремы Гаусса Поле двух разноименно заряженных плоскостей. Поле заряженной сферической поверхности. Поле объемно-заряженного шара. ГЛАВА II. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ДИЭЛЕКТРИКАХ § 15. Полярные и неполярные молекулы § 16. Поляризация диэлектриков § 17. Поле внутри диэлектрика § 18. Объемные и поверхностные связанные заряды § 19. Вектор электрического смешения § 20. Примеры на вычисление поля в диэлектриках § 21. Условия на границе двух диэлектриков § 22. Силы, действующие на заряд в диэлектрике § 23. Сегнетоэлектрики ГЛАВА III. ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ § 24. Равновесие зарядов на проводнике § 25. Проводник во внешнем электрическом поле § 26. Электроемкость § 27. Конденсаторы ГЛАВА IV. ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ § 28. Энергия заряженного проводника § 29. Энергия заряженного конденсатора § 30. Энергия электрического поля ГЛАВА V. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК § 31. Электрический ток § 32. Уравнение непрерывности § 33. Электродвижущая сила § 34. Закон Ома. Сопротивление проводников § 35. Закон Ома для неоднородного участка цепи § 36. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа § 37. Мощность тока § 38. Закон Джоуля — Ленца ГЛАВА VI. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ § 39. Взаимодействие токов § 40. Магнитное поле § 41. Поле движущегося заряда § 42. Закон Био — Савара § 43. Сила Лоренца § 44. Закон Ампера § 45. Магнитное взаимодействие как релятивистский эффект § 46. Контур с током в магнитном поле § 47. Магнитное поле контура с током § 48. Работа, совершаемая при перемещении тока в магнитном § 49. Дивергенция и ротор магнитного поля § 50. Поле соленоида и тороида ГЛАВА VII. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ § 51. Намагничение магнетика § 52. Напряженность магнитного поля § 53. Вычисление поля в магнетиках § 54. Условия на границе двух магнетиков § 55. Виды магнетиков § 56. Магнитомеханические явления § 57. Диамагнетизм § 58. Парамагнетизм § 59. Ферромагнетизм ГЛАВА VIII. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ § 60. Явление электромагнитной индукции § 61. Электродвижущая сила индукции § 62. Методы измерения магнитной индукции § 63. Токи Фуко § 64. Явление самоиндукции § 65. Ток при замыкании и размыкании цепи § 66. Взаимная индукция § 67. Энергия магнитного поля § 68. Работа перемагничивания ферромагнетика ГЛАВА IX. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА § 69. Вихревое электрическое поле § 70. Ток смещения § 71. Уравнения Максвелла ГЛАВА X. ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ § 72. Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле § 73. Отклонение движущихся заряженных частиц электрическим и магнитным полями § 74. Определение заряда и массы электрона § 75. Определение удельного заряда ионов. Масс-спектрографы § 76. Ускорители заряженных частиц ГЛАВА XI. КЛАССИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ § 77. Природа носителей тока в металлах § 78. Элементарная классическая теория металлов § 79. Эффект Холла ГЛАВА XII. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ § 80. Несамостоятельная и самостоятельная проводимость § 81. Несамостоятельный газовый разряд § 82. Ионизационные камеры и счетчики § 83. Процессы, приводящие к появлению носителей тока при самостоятельном разряде § 84. Газоразрядная плазма § 85. Тлеющий разряд § 86. Дуговой разряд § 87. Искровой и коронный разряды ГЛАВА XIII. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ § 88. Квазистационарные токи § 89. Свободные колебания в контуре без активного сопротивления § 90. Свободные затухающие колебания § 91. Вынужденные электрические колебания § 92. Переменный ток ЧАСТЬ 2. ВОЛНЫ § 93. Распространение волн в упругой среде § 94. Уравнения плоской и сферической волн § 95. Уравнение плоской волны, распространяющейся в произвольном направлении § 96. Волновое уравнение § 97. Скорость упругих волн в твердой среде § 98. Энергия упругой волны § 99. Стоячие волны § 100. Колебания струны § 101. Звук § 102. Скорость звука в газах § 103. Эффект Доплера для звуковых волн ГЛАВА XV. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ § 104. Волновое уравнение для электромагнитного поля § 105. Плоская электромагнитная волна § 106. Экспериментальное исследование электромагнитных волн § 107. Энергия электромагнитных волн § 108. Импульс электромагнитного поля § 109. Излучение диполя ЧАСТЬ 3. ОПТИКА § 110. Световая волна § 111. Представление гармонических функций с помощью экспонент § 112. Отражение и преломление плоской волны на границе двух диэлектриков § 113. Световой поток § 114. Фотометрические величины и единицы § 115. Геометрическая оптика § 116. Центрированная оптическая система § 117. Тонкая линза § 118. Принцип Гюйгенса ГЛАВА XVII. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА § 119. Интерференция световых волн § 120. Когерентность § 121. Способы наблюдения интерференции света § 122. Интерференция света при отражении от тонких пластинок § 123. Интерферометр Майкельсона § 124. Многолучевая интерференция ГЛАВА XVIII. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА § 126. Принцип Гюйгенса—Френеля § 127. Зоны Френеля § 128. Дифракция Френеля от простейших преград § 129. Дифракция Фраунгофера от щели § 130. Дифракционная решетка § 131. Дифракция рентгеновских лучей § 132. Разрешающая сила объектива § 133. Голография ГЛАВА XIX. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА § 134. Естественный и поляризованный свет § 135. Поляризация при отражении и преломлении § 136. Поляризация при двойном лучепреломлении § 137. Интерференция поляризованных лучей § 138. Прохождение плоскополяризованного света через кристаллическую пластинку § 139. Кристаллическая пластинка между двумя поляризаторами § 140. Искусственное двойное лучепреломление § 141. Вращение плоскости поляризации ГЛАВА XX. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ВЕЩЕСТВОМ § 142. Дисперсия света § 143. Групповая скорость § 144. Элементарная теория дисперсии § 145. Поглощение света § 146. Рассеяние света § 147. Эффект Вавилова — Черенкова ГЛАВА XXI. ОПТИКА ДВИЖУЩИХСЯ СРЕД § 148. Скорость света § 149. Опыт Физо § 150. Опыт Майкельсона § 151. Эффект Доплера ПРИЛОЖЕНИЯ I. Единицы электрических и магнитных величин в СИ и в гауссовой системе Приложение II. Основные формулы электромагнетизма в СИ и в гауссовой системе Приложение III. Векторный потенциал

Закон Джоуля-Ленца | Частная школа. 8 класс

Конспект по физике для 8 класса «Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца». Как можно объяснить нагревание проводников электрическим током. Как вычислить работу электрического тока. В чём заключается закон Джоуля—Ленца.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

---

Каждый день мы пользуемся электрическими бытовыми приборами и не раз замечали, что во время работы они нагреваются независимо от того, включены ли они в сеть или питаются от аккумулятора. С чем это связано?

ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрический ток, протекая по проводнику, вызывает его нагревание. Причина нагревания проводников электрическим током состоит в том, что свободные электроны в металлах (или ионы в растворах или расплавах электролитов), двигаясь под действием электрических сил, взаимодействуют с ионами (атомами) вещества проводника. В результате этого взаимодействия часть кинетической энергии движущихся электронов или ионов передаётся ионам кристаллической решётки. Это приводит к увеличению внутренней энергии проводника, т. е. увеличению его температуры. Энергию движущихся электрических зарядов принято называть энергией электрического тока или электрической энергией.

РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрические силы в проводнике совершают работу по переносу заряда. Напряжение на участке цепи есть не что иное, как отношение работы А электрических сил по переносу положительного заряда q к значению этого заряда: U = A/q

Зная напряжение между концами проводника и перемещённый заряд, можно записать эту работу как А = qU.

Значение перемещённого заряда q за время t можно получить, зная силу тока в цепи I: q = It.

Следовательно, А = Ult.

Работу электрического поля называют работой тока. Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого протекал ток. Работа электрического тока показывает, сколько электрической энергии превратилось в другие виды энергии.

Например, нагревание металлического проводника, поворот рамки с током — это примеры работы электрического тока, когда электрическая энергия превращается в другой вид энергии (внутреннюю, механическую и т. д.).

Единицей работы является джоуль (1 Дж). 1 Дж = 1 В • 1 А • 1 с.

Электрическая энергия, используемая потребителями тока, измеряется работой тока в этих потребителях. Для учёта совершённой работы служат счётчики — специальные устройства, сочетающие в себе три прибора: амперметр, вольтметр и часы.

Внутри счётчика имеется небольшой электродвигатель, диск которого начинает вращаться, если через счётчик проходит ток. При этом скорость вращения диска пропорциональна силе тока и напряжению. Количество оборотов диска подсчитывается счётным механизмом. Затраты электроэнергии в конечном счёте и определяются числом оборотов диска.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

Если на участке цепи, по которому протекает электрический ток, не совершается механическая работа и не происходят химические превращения вещества, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника, т. е. при протекании тока по проводнику происходит превращение электрической энергии в тепловую. При этом по закону сохранения энергии количество теплоты Q, выделяемое проводником с током, будет равно работе электрического тока А:   Q = А.

Известно, что А = Ult, тогда и Q = Ult. Учитывая закон Ома U = IR, получаем Q = IRIt, или Q = PRt.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени его протекания.

Этот закон был экспериментально установлен английским учёным Джеймсом Джоулем и независимо от него российским учёным Эмилием Ленцем, поэтому носит название закона Джоуля—Ленца.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАКОНА ДЖОУЛЯ—ЛЕНЦА ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ И ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ ПРОВОДНИКОВ

При последовательном соединении сила тока во всех проводниках одинакова, поэтому для вычисления количества теплоты, выделяющейся в отдельных проводниках, удобнее пользоваться формулой Q = I²Rt.

Она показывает, что при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника.

При параллельном соединении напряжение на концах проводников одинаково, поэтому удобнее пользоваться формулой Q = U²t/R

Она показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника.

Эмилий Христианович Ленц (1804—1865) — российский физик и электротехник, основные работы относятся к области электричества и магнетизма.

 

---

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Просмотров: 4 269

Закон Джоуля — Эффект Джоуля или Тепловой Эффект Тока

Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль открыл закон Джоуля (также известный как эффект Джоэла, закон Джоуля-Ленца или первый закон Джоуля) в 1840-43 гг., который показывает соотношение между током, теплотой и сопротивлением в определенное время, т.е. когда ток течет через материал, он выделяет в нем тепло.

Содержание

Закон Джоуля

Закон Джоуля утверждает, что «Если через резистор «R» в течение «t» секунд протекает ток «I» ампер, то количество выполненной работы (преобразование электрической энергии в тепловую) равно

Произведенная работа = Теплота = I ² RT… Joules

или

WD = HEAT = VIT… Joules… (∴ R = V/i)

или

WD = HEAT = WT… Joules… (∴ W = VI)

или или

WD = Теплота = V ² t/R     …     Джоули       …     (∴ I = V/R)

Совершенная работа – это количество тепловой энергии, преобразованной из электричества, которое рассеивается в воздухе. В этом случае произведенное количество тепла можно рассчитать, используя следующие формулы и уравнения.

Количество произведенного тепла = H = выполненная работа / механический эквивалент тепла = WD/J

Где:

• Дж = 4187 Дж/ккал  = 4200 Дж/ккал (приблизительно)
• ∴ H = I ² Rt / 4200 ккал = VIt / 4200 ккал = Wt / 4200 ккал = V ² т/4200 ккал

Одна килокалория (ккал) – это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного килограмма (кг) воды на один градус по Цельсию (1°C).

Related Posts

• Законы электростатики Кулона с примером
• Законы магнитной силы Кулона – формула и пример решения

Нагревающий эффект тока

Почти все мы испытали на себе, что когда ток течет по проводнику или кабелю и проводу, он потом нагревается. Причина этой сцены заключается в том, что когда ток течет по проводнику, приложенная электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая увеличивает температуру проводника.

Мы знаем, что поток электронов в веществе называется электрическим током. Дрейфующие электроны в веществе сталкиваются друг с другом и электронами атомов молекул в веществе. Столкновение электронов производит тепло. Вот почему при протекании электрического тока в веществе выделяется тепло. Этот эффект известен как нагревательный эффект тока.

Тепло, выделяемое электрическим током, зависит от количества тока и материала этого вещества. Например,

Электрический ток производит больше тепла в изоляторах (тех материалах, которые сильно препятствуют прохождению тока в нем, например, вольфрам, нихром), в то время как количество тепла, выделяемое при протекании тока в проводниках (тех материалах, в которых ток течет очень легко из-за меньшего или почти пренебрежимо малое сопротивление (например, золото, медь, алюминий) меньше, чем у изоляторов).

Похожие сообщения:

• Закон электромагнитной индукции Фарадея
• Закон электромагнитной индукции Ленца

Почему от тепла светится элемент обогревателя, а не шнур обогревателя?

Как правило, нагревательный элемент обогревателей изготавливается из нихрома с очень высоким сопротивлением. Когда к нагревательному элементу через проволоку прикладывается напряжение питания, материал сильно сопротивляется потоку электронов в нем. Из-за дрейфа электронов внутри нагревательного материала электроны сталкиваются с электронами в атомах материала. Это непрерывное столкновение электронов нагревает и светит нагревательный элемент, который дополнительно обеспечивает тепловую энергию. Простыми словами, нагревательный элемент из нихрома преобразует электрическую энергию в тепловую. Весь этот процесс известен как нагревательный эффект тока.

С другой стороны, шнур, подключенный к обогревателю, выполнен из проводника, по которому легко протекает ток без заметного сопротивления. Поэтому светится только нагревательный элемент, а не кабель нагревателя.

Похожие сообщения:

• Правило левой руки Флеминга и правило правой руки Флеминга
• Правило большого пальца правой руки, правило штопора и правило конца или часов

Решенный пример по закону Джоуля теплового действия тока

Пример:

Электрический нагреватель содержит 1,6 кг воды при 20°C. Для повышения температуры до 100°C требуется 12 минут. Примем потери на излучение и нагрев котла равными 10 кг-калорий. Найдите номинальную мощность обогревателя.

Раствор

Теплота, необходимая для повышения температуры 1,6 кг воды до точки кипения = 1,6 x 100 x 1 x (100 – 20) кал.

= 128000 кал.

Потеря тепла = 10 x 1000 = 10000 кал.

Общая теплота = 128000) + 10000 = 138000 кал.

Произведенное тепло = Wt = (Вт x 12 x 60) / 4,2 кал.

Произведенное тепло = тепло, полученное нагревателем, т.е.

• Сообщение по теме: Почему светится нагревательный элемент, а не шнур обогревателя?

Применение эффекта Джоуля или теплового эффекта тока

Закон Джоуля или тепловой эффект электрического тока используются во многих бытовых и промышленных применениях. Ниже приведены приборы и устройства, использующие действие электрического тока.

• Электрические обогреватели, печи, водонагреватели и нагревательные элементы
• Электрический утюг для одежды
• Электрическая конфорка
• Электросварка
• Пищевая промышленность
• Нить накала ламп накаливания и электрических лампочек
• ИК-тепловизион (ИК-термография (ИКТ) лампочки накаливания
• Змеевики сопротивления, обогреватели (электрические радиаторы), погружные нагреватели Нагреватели PTC, патронные нагреватели и тепловентиляторы
• Фены
• Паяльник
• Плавкие предохранители и плавкие элементы

Помимо этих полезных применений нагревательного эффекта тока, есть и некоторые недостатки, такие как потери электроэнергии (I ² R) в линиях электропередач HVAC (переменного тока высокого напряжения) из-за того, что некоторое сопротивление материала линий электропередач. Кроме того, это приводит к серьезным проблемам с нагревом электрических машин и устройств, таких как трансформаторы, генераторы, двигатели и т. д.

Кроме того, термический КПД или КПД нагрева вообще нельзя использовать, потому что существуют некоторые потери тепла из-за излучения (перенос тепла в виде волн нагрева) и конвекции (движение молекул в материале). используется для передачи тепла).

Похожие сообщения:

• Как управлять водонагревателем с помощью переключателей?
• Закон Кирхгофа о токе и напряжении (KCL и KVL) | Решенный пример
• Закон Ома с простым объяснением
• Формула и уравнения для законов Ома, Кирхгофа и Кулона
• Теорема Нортона. Простая пошаговая процедура с примером
• Теорема Тевенина. Пошаговая процедура с решенным примером
• Какая лампочка светится ярче при последовательном и параллельном соединении и почему?

URL скопирован

Показать полную статью

Связанные статьи

Кнопка «Вернуться к началу»

Эффект Джоуля: объяснение, примеры, упражнения, приложения — наука

Видео: Закон Джоуля нагревания – что это такое?

Content

• Explanation
• Examples
• Joule effect and electric energy transport
• Exercises
• Exercise 1
• Solution to
• Solution b
• Раствор c
• Упражнение 2
• Раствор
• Решение B
• Sluge C
• .
• Омический нагрев, пастеризация
• Эксперименты
• материалы
• Процесс
• Ссылки

Эффект джоуля или закон Джоуля является результатом преобразования электрической энергии в тепло, которое происходит при прохождении электрического тока по проводнику. Этот эффект присутствует всякий раз, когда включается любой прибор или устройство, для работы которого требуется электричество.

В других случаях это нежелательно и его стремятся свести к минимуму, поэтому к настольному ПК добавляются вентиляторы для отвода тепла, так как это может привести к выходу из строя внутренних компонентов.

Устройства, использующие эффект Джоуля для производства тепла, имеют внутри сопротивление, которое нагревается при пропускании через него тока, называемое нагревательным элементом .

Объяснение

Эффект Джоуля возникает на микроскопическом уровне в частицах, как тех, которые составляют материал, так и тех, которые несут электрический заряд.

Атомы и молекулы вещества находятся в наиболее стабильном положении внутри вещества. Со своей стороны, электрический ток состоит из упорядоченного движения электрических зарядов, исходящих от положительного полюса батареи. Когда они выходят оттуда, у них много потенциальной энергии.

При прохождении заряженные частицы сталкиваются с частицами материала и заставляют их вибрировать. Они будут пытаться восстановить баланс, который у них был ранее, доставляя избыточную энергию в окружающую среду в виде ощутимого тепла.

Количество выделяемого тепла Q зависит от силы тока I , времени его циркуляции внутри проводника Δt и резистивного элемента R :

Q = I ² .R . Δt (джоули)

Приведенное выше уравнение называется законом Джоуля-Ленца.

Примеры

Два физика, британец Джеймс Джоуль (1818-1889) и русский Генрих Ленц (1804-1865) независимо друг от друга наблюдали, что проводник с током не только нагревался, но и его ток уменьшался во время процесс.

Затем было установлено, что количество тепла, рассеиваемого сопротивлением, пропорционально:

— Квадрат интенсивности циркулирующего тока.

— Время, в течение которого указанный ток продолжал течь по проводнику.

— Сопротивление указанного проводника.

Единицы теплоты — это те же единицы энергии: джоули, сокращенно Дж. Джоуль — довольно маленькая единица энергии, поэтому часто используются другие единицы, например, калории.

Чтобы преобразовать джоули в калории, просто умножьте на коэффициент 0,24, чтобы уравнение, приведенное в начале, было непосредственно выражено в калориях:

Q = 0,24. я ² .Р. Δt (калории)

Эффект Джоуля и транспорт электроэнергии

Эффект Джоуля можно использовать для локального производства тепла, например, в горелках и фенах. Но в других случаях он имеет нежелательные эффекты, такие как:

— A очень большой нагрев в проводниках может быть опасен, вызывая пожары и ожоги.

— Электронные устройства с транзисторами снижают свою производительность и могут выйти из строя, даже если они перегреются.

— Провода, несущие электрическую энергию, всегда испытывают нагрев, даже незначительный, что приводит к ощутимым потерям энергии.

Это потому, что кабели, по которым течет ток от электростанций, тянутся на сотни километров. Так много энергии, которую они несут, не достигает места назначения, потому что тратится впустую по пути.

Во избежание этого необходимо, чтобы проводники имели минимально возможное сопротивление. На это влияют три важных фактора: длина провода, площадь сечения и материал, из которого он изготовлен.

Лучшими проводниками являются металлы, причем золото, серебро, платина или медь являются одними из самых эффективных. Провода кабелей изготовлены из медных нитей, металла, который хотя и не так хорошо проводит электричество, как золото, зато намного дешевле.

Чем длиннее провод, тем большее сопротивление он будет иметь, но если сделать их толще, сопротивление уменьшится, потому что это облегчает движение носителей заряда.

Еще можно уменьшить силу тока, чтобы минимизировать нагрев. Трансформаторы отвечают за надлежащее управление интенсивностью, поэтому они так важны для передачи электроэнергии.

Упражнения

Упражнение 1

На радиаторе указано, что он имеет мощность 2000 Вт и подключен к 220 В . Вычислите следующее:

а) Сила тока, протекающего через радиатор

б) Количество электрической энергии, преобразованной за полчаса

в) Если вся эта энергия затрачена на нагрев 20 литров воды, первоначально при 4 ºC, до какой максимальной температуры можно нагреть воду?

Данные: удельная теплоемкость воды Ce = 4180 Дж/кг.K

Решение задачи

Мощность определяется как энергия в единицу времени. Если в приведенном вначале уравнении передать множитель Δt справа, то мы будем иметь именно энергию в единицу времени:

Q = I ² .R. Δ t → P = Q / Δ t = I ² . R

Сопротивление нагревательного элемента можно узнать по закону Ома: V = I.R , откуда следует, что I = V / R . Таким образом:

P = I ² . (В / I) = I. В

Таким образом, текущие результаты:

I = P / V = ​​2000 Вт / 220 В = 9,09 А.

Решение b

Δt = 30 минут = = 30 х 60 секунд = 1800 секунд. Также требуется значение сопротивления, которое очищается из закона Ома:

R = V / I = 220 В / 9,09A = 24,2 Ом

Значения подставляем в закон Джоуля:

Q = (9,09 А) ² . 24,2 Ом. 1800 с = 3 600 000 Дж = 3600 кДж.

Раствор c

Количество тепла Q , необходимое для нагревания количества воды до определенной температуры, зависит от удельной теплоемкости и изменения температуры, которые необходимо получить. Рассчитывается по формуле:

Q = m. С _и . ΔT

Здесь м — водоем, С _и — удельная теплоемкость, которая уже принята за данные задачи, а ΔT — изменение температуры.

Масса воды в 20 л. Рассчитывается с помощью плотности. Плотность воды ρ _Вода есть частное массы и объема. Кроме того, необходимо перевести литры в кубические метры:

20 л = 0,02 м ³

Как м = плотность x объем = ρV , масса.

м = 1000 кг/м ³ x 0,02 м ³ = 20 кг.

ΔT = конечная температура — начальная температура = T _F — 4 ºC = T _F — 277,15 K

Обратите внимание, что необходимо перейти от градусов по Цельсию к кельвинам, прибавив 273,15 K. в уравнении теплопроводности:

3 600 000 Дж = 20 кг х 4180 Дж/кг. К. (Т _Ф – 277.15)

T _F = 3 600 000 Дж/(20 кг х 4180 Дж/кг. К) + 277,15 К = 320. 2 К = 47,05 °С.

Задание 2

средняя мощность сопротивления, подключенного к переменному напряжению.

б) Предположим, у вас есть фен мощностью 1000 Вт, подключенный к розетке 120 В, найдите сопротивление нагревательного элемента и пиковый ток — максимальный ток — через него.

c) Что происходит с сушильной машиной, когда она подключена к розетке 240 В?

Решение

Напряжение на выходе переменное, вида В = В _или . отправить ωt . Поскольку оно изменчиво во времени, очень важно определить эффективные значения как напряжения, так и тока, которые обозначаются нижним индексом « rms », сокращение от , среднеквадратичное значение .

Эти значения для тока и напряжения:

I _{действующее значение} = 0,707 I _или

В _{среднеквадратичное значение} = 0,707 В _или

При применении закона Ома ток как функция времени выглядит следующим образом:

I = V / R = V _или . sen ω t / R = I _или . sen ω t

В таком случае мощность резистора, через который проходит переменный ток, равна:

P = I ² .R = (I _или . 2 .R = I _или ² .R. Сен ² ωt

Видно, что мощность также меняется со временем, и что это положительная величина, так как все в квадрате и R всегда > 0. Среднее значение этой функции вычисляется интегрированием в цикле и результаты:

P _{половина} = ½. I _или ² .R = I _rms ² .R

В пересчете на среднеквадратичное значение напряжения и тока мощность выглядит следующим образом:

P половина = 90 _СКЗ . I _RMS

I _ОБРАТА = P _{Половина} / V _ОБС = P _{Половина} / 0,707 V _или

RESION B 9002

RESION B 9025 9025

. :

P _{Половина} = 1000 Вт и V _ОБС = 120 В

I _ОБС = P _{Половина} / V _ОБЗОР = 1000 Вт / 120 В = 8,33 A

. Следовательно, максимум 1000 Вт / 120 В. ток через нагревательный элемент:

I _или = I _ОБРАТА /0,707 = 8,33 A / 0,707 = 11,8 A

Сопротивление может быть решено из уравнения. ² .R → R = P _{половина} / I _{действующее значение} ² = 1000 Вт / (8,33 А) ² = 14,41 Ом.

Решение c

При подключении к розетке 240 В средняя мощность изменяется:

I _{действ.} = В _{действ.} / R = 240 В / 14,41 Ом = 16,7 А

P _{половина} = В _{0 действ. I rms} = 240 В x 16,7 А ≈ 4000 Вт

Это примерно в 4 раза больше мощности, на которую рассчитан нагревательный элемент, который сгорит вскоре после подключения к этой розетке.

Применение

Лампы накаливания

Лампа накаливания излучает свет, а также тепло, что мы можем заметить сразу, как только подключим ее. Элемент, производящий оба эффекта, представляет собой очень тонкую проводящую нить, которая поэтому имеет высокое сопротивление.

Благодаря этому увеличению сопротивления, хотя ток в нити накала уменьшился, эффект Джоуля концентрируется до такой степени, что возникает накал. Нить накала, изготовленная из вольфрама из-за его высокой температуры плавления 3400 ºC, излучает свет, а также тепло.

Устройство должно быть заключено в прозрачный стеклянный контейнер, заполненный инертным газом, например, аргоном или азотом при низком давлении, во избежание повреждения нити накала. Если этого не сделать, кислород в воздухе поглотит нить накала, и лампа мгновенно перестанет работать.

Магнитотермические выключатели

Магнитные эффекты магнитов исчезают при высоких температурах. Это можно использовать для создания устройства, которое прерывает подачу тока, когда он чрезмерный. Это магнитотермический переключатель.

Часть цепи, по которой протекает ток, замыкается магнитом, прикрепленным к пружине. Магнит прилипает к цепи благодаря магнитному притяжению и остается таковым до тех пор, пока не ослабнет при нагреве.

Когда ток превышает определенное значение, магнетизм ослабевает, и пружина отсоединяет магнит, вызывая размыкание цепи. И поскольку току необходимо, чтобы цепь была замкнута, чтобы течь, она размыкается, и поток тока прерывается. Это предотвращает нагрев кабелей, что может привести к несчастным случаям, например к пожару.

Плавкие предохранители

Другим способом защиты цепи и своевременного отключения тока является использование плавкого предохранителя, металлической полоски, которая при нагревании за счет эффекта Джоуля плавится, оставляя цепь разомкнутой и прерывая текущий.

Пастеризация омическим нагревом

Прохождение электрического тока через пищу, которая, естественно, имеет электрическое сопротивление. Для этого используются электроды из антикоррозионного материала. Температура пищи повышается, и тепло уничтожает бактерии, помогая сохранить ее дольше.

Преимущество этого метода заключается в том, что нагрев происходит за гораздо меньшее время, чем требуется при использовании традиционных методов. Длительное нагревание уничтожает бактерии, а также нейтрализует необходимые витамины и минералы.

Омический нагрев, который длится всего несколько секунд, помогает сохранить питательную ценность продуктов.

Эксперименты

Следующий эксперимент состоит в измерении количества электрической энергии, преобразованной в тепловую, путем измерения количества тепла, поглощенного известной массой воды. Для этого в воду погружают нагревательный змеевик, через который пропускают ток.

Материалы

— 1 Полистирольная чашка

— Многометр

— Термометр Цельсии

— 1 Регулируемый источник питания, диапазон 0-12 В

— Баланс

— Соединительные кабели

-Spotwatch

44999997777.

Змеевик нагревается за счет эффекта Джоуля и, следовательно, нагревается и вода. Мы должны измерить массу воды и ее начальную температуру, и определить, до какой температуры мы собираемся ее нагреть.

Каждую минуту выполняются последовательные измерения с записью значений тока и напряжения. Как только запись доступна, подведенная электрическая энергия рассчитывается с использованием уравнений:

Q = I ² .R. Δt (закон Джоуля)

V = I.R (закон Ома)

И сравните с количеством теплоты, поглощаемой водным телом:

Q = m. С _и . ΔT (см. решение упражнения 1)

Поскольку энергия сохраняется, обе величины должны быть равны. Однако хотя полистирол имеет низкую удельную теплоемкость и почти не поглощает тепловую энергию, некоторые потери в атмосферу все же будут. Следует также учитывать погрешность эксперимента.

Потери в атмосферу минимальны, если воду нагреть на такое же количество градусов выше комнатной температуры, какая была ниже до начала эксперимента.