§ 14. Тепловое действие тока

Выделение тепла при прохождении электрического тока. При
прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.
Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I², сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Q = I²Rt (34)

Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.

Допустимая сила и плотность тока. Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. Оно происходит, например, в различных производственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электроплитах, электрических паяльниках и пр.), в электрических лампах накаливания, аппаратах для электрической сварки и пр. Однако во многих электрических устройствах, например в электрических машинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превращение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности тока J (сила тока I, приходящаяся на 1 мм² площади s поперечного сечения проводника):

J = I/s (35)

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь
или алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр. Например, допустимая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна превышать 3—6 А/мм², в нити осветительной электрической лампы — 15 А/мм

2. В проводах силовых и осветительных сетей плотность тока может быть различной в зависимости от площади поперечного сечения провода и его изоляции. Например, для медных проводов с резиновой изоляцией и площадью поперечного сечения 4 мм² допускается плотность тока 10,2 А/мм², а 50 мм² — только 4,3 А/мм²; для неизолированных проводов тех же площадей сечения — 12,5 и 5,6 А/мм². Уменьшение допустимой плотности тока при увеличении площади поперечного сечения провода объясняется тем, что в проводах с большей площадью сечения отвод тепла от внутренних слоев затруднен, так как сами они окружены нагретыми слоями. Для неизолированных проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных.
Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электрических сетей обугливается и даже горит, что может привести к короткому замыканию и пожару. Неизолированные же провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.
Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. Для этой цели в технике широко используют плавкие предохранители, автоматические выключатели и другие устройства.

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев проводника, как следует из закона Ленца — Джоуля, может происходить г не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения отдельных проводников. При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников (рис. 32) электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В результате место неплотного соединения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгоранию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при соединении проводов на э. п. с. и тепловозах концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, ко-

Рис. 32. Схемы выделения тепла и возникновения искрения при неплотном электрическом контакте

торые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопротивления между контактами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.

4.5. Тепловой ток.

В диоде с длинной базой () выражение (4.27а) сводится к виду:

(4.28)

или

, (4.29)

где — скорость термогенерации дырок в базе;

Физический смысл выражений (4.28) и (4.29) поясняется рис.4.3, на котором изображено распределение дырок в базе при (при этом,

). В соответствии с (4.21б)

,

.

Таким образом, последний сомножитель в (4.28) имеет смысл градиента концентрации дырок в базе на границе с р-п переходом.

В запертом диоде концентрация неосновных носителей вблизи р-п перехода меньше равновесной величины. Вследствие этого их термогенерация происходит более интенсивно, чем рекомбинации, так как часть генерированных носителей попадает в область

р-п перехода и выбрасывается полем в эмиттер. Выражение (4.29) показывает, что тепловой ток соответствует собиранию р-п переходом неосновных носителей, генерируемых со скоростью в объеме. С расстояния, большего, неосновные носители не успевают диффундировать дор-п перехода за время жизни и не дают вклада в тепловой ток.

В случае

такая интерпретация теплового тока несправедлива, так как помимо тепловой генерации дырок, токобусловлен инжекцией дырок из контакта базы. С уменьшением толщины базы тепловой ток возрастает. Особенно велика роль инжекции из контакта в случае короткой базы (). При этом выражение (4.27а) записывается в виде:

. (4.30)

Из рис.4.3 видно, что последний сомножитель в (4.30) имеет смысл градиента концентрации дырок на границе с

р-п переходом. В этом случае объем базы мал, и тепловой ток, обусловленный термогенерацией дырок в базе, много меньше, чем тепловой ток, связанный с инжекцией носителей заряда из контакта базы.

Практически база может считаться короткой при и длинной при. Важным свойством теплового тока является сильная температурная зависимость, связанная в основном с резкой зависимостью от температуры концентрации неосновных носителей.

Из соотношений (4.26) и (4.27) получим

. (4.31)

Поскольку

,

для теплового тока получим

, (4.32)

где ток

зависит от температуры значительно слабее, чем , и может считаться постоянным (~).

На практике ток обычно измеряется при комнатной температуре и требуется определить его значение при произвольной температуре. Используя выражение (4.32) для, получим

.

Заметим, что при показатель экспоненты можно представить в виде:

,

где

. (4.33)

При этом

, (4.34)

где — температура удвоения теплового тока.

При увеличении температуры на тепловой ток удваивается. Из соотношения (4.33) видно, что зависимость теплового тока от температуры тем более велика, чем шире запрещенная зона полупроводника. Так, приК величина температуры удвоения теплового тока для германия (эВ) составляет 10 К; для кремния (эВ) — 6,5 К, а для арсенида галлия (эВ) — всего 4,7 К.

2. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы

Электрический ток — направленное, упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.

 

Обрати внимание!

Условия существования электрического тока:

• наличие свободных электрических зарядов;
• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
• замкнутая электрическая цепь.
Электрическое поле создают источники электрического тока.

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.

 

Существуют различные виды источников тока:

  

• Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.

 

Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.

 

• Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

 

 

 

К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.

 

• Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию. Сюда относится фотоэлемент.

 

При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.

 

• Химический источник тока — в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.
К нему относится, например, гальванический элемент. 

 

 

В цинковый сосуд Ц вставлен угольный стержень У, у которого имеется металлическая крышка М. Стержень помещён в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С. Пространство между цинковым корпусом и смесью оксида марганца с углём заполнено желеобразным раствором соли Р. В результате химической реакции цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень — положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд — отрицательным электродом.

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

 

 

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.

 

 

 

Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой — отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В них используется раствор щёлочи и пластины: одна — из спрессованного железного порошка, а вторая — из пероксида никеля.   
Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.
Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие. Чтобы электроэнергию доставить от источника до потребителя, необходимы соединительные проводники, а чтобы её поступлением можно было управлять, нужны рубильники, выключатели, кнопки и т.д.

 

Обрати внимание!

Источник электроэнергии, потребители электроэнергии, замыкающие устройства, соединённые между собой проводами, называют электрической цепью.

Чтобы в цепи существовал электрический ток, она должна быть замкнутой, т.е. состоять из проводников электричества. Если в каком-либо месте провод разорвётся, то ток в цепи прекратится. На этом основано действие выключателей.  

 

Обрати внимание!

Чертежи, на которых изображаются способы соединения электрических приборов в цепь, называют схемами.

 

 

Приборы на схемах обозначают условными знаками. Вот некоторые из них:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источники:

 

Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

http://www.fizika.ru/kniga/index.php?mode=paragraf&theme=09&id=9010
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba06a-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_8.swf

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца (Гребенюк Ю.В.)

Этот урок посвящён изучению теплового действия электрического тока. Мы проведём ряд опытов, демонстрирующих зависимость количества теплоты от силы тока и сопротивления, а также  рассмотрим закон Джоуля – Ленца

Мы уже знаем, что при прохождении тока через электрическую лампочку её спираль нагревается и излучает видимый свет. Таким образом, мы наблюдаем тепловое действие электрического тока. Благодаря этому действию, нагреваются, например, утюг или чайник. Но при работе вентилятора или пылесоса практически не наблюдается тепловое действие, также в нормальном состоянии слабо греются провода. На этом уроке, тема которого: «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля – Ленца», мы определим, от чего зависит тепловое действие электрического тока.

Факт нагрева проводника при протекании по нему тока объясняется тем, что во время движения заряженных частиц под действием электрического поля они сталкиваются с частицами проводника, в результате часть энергии передаётся этим частицам проводника, то есть средняя скорость хаотического (теплового) движения частиц проводника увеличивается, и проводник нагревается. По закону сохранения энергии кинетическая энергия свободных заряженных частиц, приобретённая под действием электрического поля, превратится во внутреннюю энергию проводника. Следовательно, можно предположить:

1. чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла выделяется при прохождении электрического тока по проводнику, то есть количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника;

2. количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, зависит от силы тока (чем больше сила тока, тем большее количество свободных частиц проходит через сечение проводника в единицу времени, происходит больше столкновений, следовательно, больше энергии передаётся частицам проводника).
Можно подтвердить данные предположения с помощью опытов.

Соберём электрическую цепь, в которой последовательно с источником тока подключены два нагревателя с разными сопротивлениями, которые опущены в калориметры (прибор для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды при одинаковой температуре. При прохождении электрического тока через нагреватели будет наблюдаться повышение температуры воды, причём вода будет нагреваться быстрее в том калориметре, в который помещён нагреватель с бльшим сопротивлением (см. Рис. 1). То есть подтверждается предположение 1.

Для подтверждения предположения 2 соберём электрическую цепь, в которой последовательно к источнику тока подключен амперметр, лампочка накаливания и реостат. Регулируя сопротивление реостата, меняем силу тока в цепи при постоянном напряжении. При увеличении силы тока увеличивается яркость лампочки (см. Рис. 2), то есть увеличивается количество теплоты, которое выделяет нить накаливания.

Рис. 1. Нагреватель с бльшим сопротивлением нагревает воду быстрее

Рис. 2. Увеличение яркости лампочки при увеличении силы тока    

Тепловое действие тока опытным путём независимо друг от друга изучали английский учёный Джоуль и русский учёный Ленц. Они пришли к выводу, который впоследствии назвали закон Джоуля – Ленца: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:

,

где  – количество теплоты, I – сила тока, R – сопротивление проводника, t – время прохождения тока.

Закон Джоуля – Ленца был получен экспериментально, но так как мы знаем формулу для работы электрического тока (), то сможем вывести его с помощью несложных математических вычислений. Если на участке цепи, в котором течёт электрический ток, не выполняется механическая работа и не происходят химические реакции, то результатом работы электрического тока будет нагревание проводника. В результате этого нагревания проводник будет отдавать тепло окружающим телам. Следовательно, в данном случае, согласно закону сохранения энергии, количество выделенной теплоты () будет равно работе тока (A). Зная формулу для работы тока и напряжения, получим следующие преобразования:

 

Если сила тока неизвестна, а известно напряжение на концах участка цепи, то, воспользовавшись законом Ома, получаем:

 

Формулы  и   можно использовать только тогда, когда вся работа электрического тока расходуется только на нагревание. Если на участке цепи есть потребители энергии, в которых выполняется механическая работа или происходят химические реакции, эти формулы использовать нельзя (в таких случаях применяются сложные математические расчёты).

На этом уроке мы узнали о том, что прохождение тока в проводнике сопровождается выделением тепла, при этом количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Таким образом, мы сформулировали закон Джоуля – Ленца.

По проводнику сопротивлением R течёт ток I. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в проводнике в единицу времени, если его сопротивление увеличить в два раза, а силу тока уменьшить в два раза? Варианты ответа: а) увеличится в два раза; б) уменьшится в два раза; в) не изменится; г) уменьшится в восемь раз.

Решение

Воспользуемся законом Джоуля – Ленца:

 

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике в единицу времени, равно:

 

Так как сопротивление увеличивается в два раза, а сила тока уменьшается в два раза:

 

 

Следовательно, новое значение количества теплоты будет равно:

 

  

Ответ: б) уменьшится в два раза

Ещё в 1832-1833-х годах Эмилий Христианович Ленц обратил внимание на то, что проводимость проводника сильно зависит от его нагревания, это осложняло расчёты электрических цепей, так как не представлялось возможным вычислить зависимость тока от теплоты, которую он выделяет.

Рис. 3. Опыт Ленца

Ленц сконструировал специальный прибор-сосуд, служивший для измерения количества тепла, выделявшегося в проволоке. В сосуд учёный заливал разбавленный спирт (спирт обладает меньшей электропроводностью, чем вода, которую использовал в своих опытах Джеймс Джоуль). В раствор спирта помещалась платиновая проволока, через которую пропускался электрический ток (см. Рис. 3). Была произведена большая серия опытов, в которых Ленц замерял время, затраченное на нагревание раствора на . Получив достаточное количество убедительных данных, в 1843 году учёный опубликовал закон: «нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока». Однако аналогичный закон уже был опубликован Джоулем в 1841 году, но Ленц вполне обоснованно обратил внимание на то, что англичанин провёл свои эксперименты с большим количеством погрешностей. Именно поэтому закон о тепловом действии тока был назван в честь двух выдающихся учёных.

Задача 1

Определите длину нихромового провода, с площадью сечения 0,25 , из которого изготовлен нагреватель электрического чайника. Чайник питается от сети напряжением 220 В и нагревает 1,5 литра воды от  до  за 10 минут. КПД чайника составляет .

Дано: ; ; ; ; ; ;  – теплоёмкость воды;  – плотность воды;  – удельное сопротивление нихрома;  

Найти:l

Решение

Так как вся электрическая энергия идёт на нагревание воды, то воспользуемся законом Джоуля – Ленца:

 

Отсюда сопротивление проводника (нихромового провода) Rравно:

 

Также сопротивление проводника можно вычислить по формуле:

 

Приравняем сопротивление в обеих формулах и выразим длину проводника (l):

  

  

В этой формуле неизвестно количество теплоты, то есть мощность чайника. Найдём её, зная, что чайник нагревает 1,5 л воды от от  до  за 10 минут.

 

 

Так как не вся теплота идёт на нагревание, то необходимо учитывать КПД чайника, равный:

 

Отсюда общее количество теплоты () будет равно:

 

Подставим значение   в формулу для длины проводника:

 

Проверив единицы измерения, подставляем известные значения:

 

Ответ:  

Задача 2

С какой целью провода в местах соединения не просто скручивают, но ещё и спаивают? Ответ обоснуйте.

Решение

Рис. 4. Иллюстрация к задаче

Сила тока в обоих проводах одинакова, так как проводники соединены последовательно (см. Рис. 4):

 

 

Если место контакта двух проводников не будет спаяно, то его сопротивление будет достаточно большое, по сравнению с сопротивлением самих проводников. Следовательно, в месте контакта будет выделяться наибольшее количество теплоты, что приведёт к расплавлению места контакта и размыканию электрической цепи. Поэтому провода в местах соединения не просто скручивают, но ещё и спаивают с целью уменьшения сопротивления.

Задача 3

Какой длины нихромовый провод нужно взять, чтобы изготовить электрический камин, работающий при напряжении 120 В и выделяющий 1 МДж теплоты в час? Диаметр провода 0,5 мм.

Дано: ; ; ;  ;

Найти:l

Решение

Так как вся электрическая энергия расходуется на нагревание, то согласно закону Джоуля-Ленца:

 

Отсюда сопротивление провода равно:

 

Также сопротивление проводника можно вычислить по формуле:

 

Приравняем сопротивление в обеих формулах и выразим длину проводника (l):

 

 

В этой формуле неизвестна площадь сечения проволоки. Зная диаметр проволоки, вычислим площадь сечения проволоки по формуле площади круга:

  

Подставим значение в формулу для длины проводника:

 

Проверив единицы измерения, подставляем известные значения:

 

Ответ:

 

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Домашнее задание

1. В чем проявляется тепловое действие тока?
2. Как можно объяснить нагревание проводника с током?
3. Известно, что безопасным для человека является постоянный ток 100 мкА. Какое количество теплоты выделится за 1 мин в теле человека при прохождении тока от конца одной руки до конца другой руки (при сухой коже), если сопротивление этого участка равно 15000 Ом?
4. Участок цепи состоит из двух резисторов сопротивлением 8 Ом каждый, соединенных параллельно. Сила тока в цепи – 0,3 А. Какое количество теплоты выделится в участке за 1 мин?
5. Сколько электроэнергии потребляет электрический утюг за 4 ч работы, если он включен в сеть напряжением 220 В при силе тока 4,55 А?

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Clck.ru (Источник).
2. Интернет-портал Clck.ru (Источник).
3. Интернет-портал Clck.ru (Источник).

обозначение, характеристики, виды источников таблицей

Есть несколько видов источников тока, отличаемые по тому, как именно вырабатывается энергия. Каждый вариант имеет свой тип устройства. Различным является и принцип выработки электрической энергии, а также ее преобразование. Определить, какой тип элемента применяется, можно с помощью графического обозначения.

Что это такое

Источники тока — это элемент электрической цепи, который поддерживает ток с заданными параметрами. При этом поддерживание цепи не зависит от параметров входящих в нее элементов, а именно сопротивления.

Прибор для выработки тока

Различают идеальные и реальные источники тока. Идеальные определяются только воображением. Существует определенный диапазон действия, которое имеет максимальные значения, приближенные к идеалу. То есть осуществляется имитирование идеального источника.

Реальные варианты поддерживает заданные параметры выходного тока и напряжения. Приспособление удерживает такую работу, пока это позволяют делать его заданные характеристики.

Получается, что максимальное значение тока и напряжение дают возможность определять, какой именно вариант источника будет использоваться в цепи — идеальный или реальный.

Виды

Есть несколько видов источников тока. Каждый вариант имеет свои основные показатели, характеристики и особенности. Определяемые показатели:

Вид источника	Характеристики
Механический	Специальное устройство (генератор) производит переработку механической энергии в электрическую. В настоящее время большое количество тока производится именно с помощью механических источников тока.
Тепловой	Принцип переработки тепловой энергии в электрическую. Такое преобразование происходит благодаря разности температур контактирующих между собой полупроводников. Сейчас разработаны источники тока, в которых тепловая энергия вырабатывается благодаря распаду радиоактивных элементов.
Химический	Химические можно условно поделить на 3 группы — гальванические, аккумуляторы и тепловые. Гальванический вариант работает посредством взаимодействия 2-х разных металлов, помещенных в электролит. Аккумуляторы — устройства, которые можно несколько раз заряжать и разряжать. Есть несколько видов аккумуляторов различными типами составляющих. Химически-тепловые используются только для кратковременной работы. Применяются в основном в ракетной сфере.
Световой	В конце XX века достаточно популярными стали солнечные батареи, которые «собирают» световые частицы, которые потом преобразуются в электрическую энергию. Это происходит за счет выдачи напряжения благодаря воздействию на световые частицы.

Каждый вид имеет свои преимущества и недостатки, которые определяются принципом использования, а также исходными показателями вырабатываемой энергии.

Механические

Механические источники тока являются самыми простыми в плане использования и обустройства. Характеристика таких генераторов вполне простая для понимания. В специальных устройствах вырабатывается энергия, а потом преобразуется в нужный вид (электричество). Такие приспособления используются на тепловых электростанциях и гидроэлектростанциях.

Механический

Тепловые источники

Тепловые варианты источников имеют уникальный принцип работы. В результате разности температур, которая возникает между парами контактирующих металлических проводников. В результате возникает термопар.

Обратите внимание! Радиоактивные термопары используют в космической сфере. Эффективность такого использования возможна благодаря долгому сроку службы и огромных показателях вырабатываемой мощности.

В результате такого движения заряженных частиц от горячей части к холодной и возникает электроток. При этом, чем больше температурные разница, тем больше показатель результативной энергии. Термопары используют для измерительных приборов.

Тепловой

Световые источники

Световые источники электроэнергии считаются самыми экологичными, эффективными и дешевыми. Специальная панель из полупроводников поглощает световые частички, которые при таком взаимодействии выдают определенное напряжение.

Световой

При этом световые панели имеют небольшой показатель КПД — 15 %. Панели такого типа используются в бытовых условиях, а в последнее время в космической отрасли. Дополнительным нюансом является высокая стоимость литиевых панелей и дополнительное обустройство мини-станции по преобразованию и выработке электроэнергии.

Химические источники

Основные 3-и группы химических источников имеют и подгруппы. Особенности и принцип работы:

• Гальванический вид устройства — это одноразовый вариант выработки электроэнергии, то есть после полной зарядки вторичной подзарядке они не поддаются. Обычно это батарейки, которые можно поделить на такие группы: солевые, литиевые, щелочные. Солевые батарейки — самый дешевый тип продукции, но не эффективный. Литиевые — продолжительное время не разряжаются и вырабатывают напряжение в пределах 1,5-3,7 В. Эффективность щелочных такая же, как и у солевых, но сроки работы в 1,5 раза больше.
• Аккумуляторы бывают нескольких типов: свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-кадмиевые.
• Тепловые используются в ракетной сфере, чтобы производить кратковременный, но плотный ток. Обычно это резервные варианты питания.

Дополнительная информация! Химико-тепловые устройства требуют первоначального нагрева до 500-600 °С, чтобы активизировать твердый электролит.

В определенной сфере используется свой вариант источника. В бытовых условиях применяются в основном батарейки; в производственной — аккумуляторы; а вот более технические сферы требуют наличия тепловых типов.

Химический

Обозначение источников тока

Чтобы при выборе не возникало вопрос относительно того, какой тип источника тока представлен, используются специальные обозначения. В физике есть точные графические изображения, которые помогут определиться с типом используемого источника:

Обозначения

Пояснения к указанным обозначениям:

• а) общее обозначение источника тока и движущей силы ЭДС;
• б) графическое изображение без ЭДС;
• в) химический тип;
• г) батарея химического источника;
• д) вариант выработки постоянного напряжения;
• е) переменное напряжение;
• ж) генератор, который производит энергию.

Благодаря графическим определителям даже глядя на схему электрической цепи можно понять, какой именно тип используется в данной ситуации. Есть и международные обозначения, которые встречаются немного реже, обычно в проектах международного значения.

Принцип действия

Каждая маркировка источников тока определяет принцип его действия. В каждой ситуации выработка энергии производится посредством взаимодействия составляющих частей.

• Механический тип. В результате взаимодействия частей механизма возникает трение. Благодаря такому действию возникает статическое электричество. Благодаря специальному преобразователю образовывается постоянный электрический ток.
• Механические конструкции работают посредством образования последовательно движущихся заряженных частичек. Это возникает благодаря взаимодействию химического элемента с электролитом. Заряженные частички выбиваются из металла, которые низменно присутствует в конструкции таких приспособлений.
• Солнечные батареи (световые источники) работают за счет выбивания заряженных частиц из диэлектрической (кремниевой) основы благодаря действию светового потока. Благодаря этому возникает постоянное напряжение.
• Тепловые. Обычно это 2 последовательно соединенных металлических оснований. Одна часть нагревается, а вторая остается охлажденной. При изменении температурного режима возникает разница температур, в результате чего происходит движение заряженных частиц.

Любое изменение в строении может привести к необратимым последствиям, которые проявятся в принципе действия приспособления.

Конструкция

Кроме внешнего вида конструкции еще и по-разному работают. Каждый источник, который выдает электрический ток, имеет определенную конструкцию:

• Самый простой аккумулятор имеет такое строение. Металлический корпус, внутри которого используется щелочная среда. Дополнительными элементами являются свинцовые пластины. Дополнительно присутствует анод и катод.

Аккумулятор

• Строение батарейки с наличием сухого элемента, которая относится к типу химических источников. В металлический корпус помещен стержень, который играет роль катода. Остальное пространство заполнено солевым электролитом.

Батарейка

• Механический тип строения источника тока, а именно генератора переменного тока. Это устройство, состоящее из трещоток или металлической рамки. В действие эти элементы могут приводить магниты или внешние факторы.

Механический принцип устройства

• Тепловой источник тока, который уже включен в цепь. Это обычная рамка, установленная на подставке из диэлектрика. Обычно конструкция подключена к измерительному прибору, типа Амперметра. Источник тепла — это огонь или внешний электрический импульс.

Тепловое устройство

Подробная конструкция помогает точно понять, как образуется энергия, а потом преобразуется именно в электрическую. Каждый вариант строения обычно заключен в специальный корпус из диэлектрического материала.

Условия работы источников тока

Каждый источник тока работает при определенных условиях. В химических элементах не смогут образовываться заряженные частицы, а также их движение, если будет отсутствовать главная химическая реакция. Если будет отсутствовать анод и катод, то движение частиц даже при химической реакции возникать не будет.

В аккумуляторах происходит похожий процесс, но толчком для возникновения химической реакции является именно замыкание во внешней электрической цепи. Заряженные элементы начинают двигаться от анода к катоду и наоборот, создавая постоянный поток.

Идеальный и реальный

Световые типы не могут работать без наличия источника света. КПД зависит от типа используемого диэлектрического элемента. Дополнительно нужно иметь в наличие приспособление ля преобразования полученной энергии.

Тепловой вариант не будет работать, если буде использовать всего 1 тип металла. Если будет отсутствовать источник тепла, то ни о каком возникновение движущихся частиц не может быть и речи.

Источники

Для выработки электрической энергии нужно выбрать соответствующий потребностям источник тока. Есть несколько вариантов таких приспособлений, каждый из которых имеет определенное строение, принцип работы и особенности в плане технических показателей.

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

Двигаясь в любом проводнике, электрический ток передает ему какую-то энергию, из-за чего проводник нагревается. Энергетическая передача осуществляется на уровне молекул: в результате взаимодействия электронов тока с ионами или атомами проводника часть энергии остается у последнего.

Тепловое действие тока приводит к более быстрому движению частиц проводника. Тогда его внутренняя энергия возрастает и трансформируется в тепловую.

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=I²*R*t, что и было сформулировано в законе Джоуля-Ленца.

Закон теплового действия тока — закон Джоуля-Ленца

Проводник, где протекает электрический ток, изучали многие ученые. Однако, самых заметных результатов удалось добиться Джеймсу Джоулю из Англии и Эмилию Христиановичу Ленцу из России. Оба ученых работали отдельно и выводы по результатам экспериментов делали независимо один от другого.

Они вывели закон, позволяющий оценить тепло, получаемое в результате действия тока на проводник. Его назвали законом Джоуля-Ленца.

Рассмотрим на практике тепловое действие тока. Примеры возьмем следующие:

1. Обычную лампочку.
2. Нагревательные приборы.
3. Предохранитель в квартире.
4. Электрическую дугу.

Лампочка накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и увеличению возможностей для использования электричества. То, как применяются результаты исследований, можно рассмотреть на примере обычной лампочки накаливания.

Она устроена таким образом, что внутри протягивается нить, изготовленная из вольфрамовой проволоки. Этот металл является тугоплавким с высоким удельным сопротивлением. При проходе через лампочку осуществляется тепловое действие электрического тока.

Энергия проводника трансформируется в тепловую, спираль нагревается и начинает светиться. Недостаток лампочки заключается в больших энергетических потерях, так как лишь за счет незначительной части энергии она начинает светиться. Основная же часть просто нагревается.

Чтобы лучше это понять, вводится коэффициент полезного действия, который демонстрирует эффективность работы и преобразования в электроэнергию. КПД и тепловое действие тока используются в разных областях, так как имеется множество устройств, изготовленных на основании этого принципа. В большей степени это нагревательные приборы, электрические плиты, кипятильники и другие подобные аппараты.

Устройство обогревательных приборов

Обычно в конструкции всех приборов для нагревания есть металлическая спираль, в функцию которой и входит нагрев. Если нагревается вода, то спираль устанавливается изолированно, и в таких приборах предусматривается соблюдение баланса между энергией из сети и тепловым обменом.

Перед учеными постоянно ставится задача по снижению энергетических потерь и поиску лучших путей и наиболее эффективных схем их внедрения, чтобы уменьшить тепловое действие тока. Используется, например, способ повышения напряжения во время передачи энергии, благодаря чему сокращается сила тока. Но такой способ, в то же время, понижает безопасность функционирования линий электропередач.

Другим исследовательским направлением является выбор проводов. Ведь именно от их свойств зависят потери тепла и другие показатели. Кроме того, при работе нагревательных приборов происходит большое выделение энергии. Поэтому спирали изготавливаются из специально предназначенных для этих целей, способных выдержать высокие нагрузки, материалов.

Квартирные предохранители

Чтобы улучшить защиту и обезопасить электрические цепи, используются особые предохранители. В роли главной части выступает проволока из легкоплавкого металла. Она проходит в пробке из фарфора, имеет винтовую нарезку и контакт в центре. Пробку вставляют в патрон, расположенный в фарфоровой коробке.

Свинцовая проволока является частью общей цепи. Если тепловое действие электрического тока резко возрастет, сечение проводника не выдержит, и он начнет плавиться. В результате этого сеть разомкнется, и не случится токовых перегрузок.

Электрическая дуга

Электрическая дуга является довольно эффективным преобразователем электрической энергии. Она используется при сварке металлических конструкций, а также служит мощным световым источником.

В основу устройства входит следующее. Берут два угольных стержня, подсоединяют провода и прикрепляют их в изолирующих держателях. После этого стержни подключают к источнику тока, который дает малое напряжение, но рассчитан на большую силу тока. Подключают реостат. Угли в городскую сеть включать запрещается, так как это может стать причиной пожара. Если коснуться одним углем о другой, то можно заметить, как сильно они раскалятся. Лучше не смотреть на это пламя, потому что оно вредно для зрения. Электрическую дугу используют в печах для плавки металла, а также в таких мощных осветительных приборах, как прожекторы, кинопроекторы и прочее.

Тепловой ток — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Тепловой ток

Cтраница 1

Тепловой ток iT, определяющийся образованием дырок и электронов при тепловом движении, остается неизменным для данной температуры. Поэтому счростом приложенного напряжения увеличивается ток / if-ij стремясь по величине к тепловому току ( рис. 18 — 4), который относительно мал.  [2]

Тепловой ток, при прочих равных условиях, обратно пропорционален ширине запрещенной зоны полупроводникового материала.  [3]

Тепловой ток в схеме с ОЭ имеет также другое значение, нежели в схеме ОБ. Это объясняется влиянием эмиттерного перехода на рост теплового тока в схеме с ОЭ.  [5]

Тепловые токи 1 э0 и Гк0 в справочниках на параметры транзисторов не приводятся, но даются сведения о токе / К.  [6]

Тепловой ток для этих решений очень мал. Возмущение, связанное с заменой / 0 на /, спадает с уменьшением температуры.  [7]

Тепловой ток образуется неосновными носителями, которые генерируются в прилегающих к пространственному заряду объемах полупроводника, с толщиной порядка диффузионной длины L, приходят в область действия пространственного заряда и, подхватываясь его полем, переносятся беспрепятственно в соседнюю область.  [8]

Тепловой ток сильно изменяет входные ( рис. 87, а) и выходные ( рис. 87, б) характеристики транзистора, что можно объяснить следующим.  [10]

Тепловой ток резко снижается с ростом ширины запрещенной зоны. Тепловой ток уменьшается с ростом концентрации примесей вследствие снижения концентрации неосновных носителей.  [11]

Меньший тепловой ток у кремниевых триодов является их заметным преимуществом, поскольку температурное влияние на режим их работы сказывается значительно слабее.  [12]

Тепловой ток ISK является своеобразной характеристикой качества данного образца. В схемах с полупроводниковыми триодами ток ISK является важным параметром, используемым при расчетах.  [13]

Предельный тепловой ток / Тепл — это действующее значение тока, который за время своего действия в течение 1 сек нагревает проводники до предельной температуры.  [14]

Тепловые токи закрытого транзистора / со, / ко малы, и в данном случае мы ими пренебрегаем.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5