Закон Джоуля-Ленца • 8 класс • Физика

Содержание

При прохождении тока по проводнику, можно наблюдать его различные действия: тепловое, химическое, магнитное или световое. Тепловое действие тока проявляется в том, что среда, в которой он протекает, нагревается. Оно может проявляться как в твердых телах, так в жидкостях и газах.

На данном уроке мы более подробно рассмотрим именно тепловое действие тока, разберем физику происходящих процессов и познакомимся с законом Джоуля-Ленца. Этот закон позволит нам узнать, какие проводники нагреваются больше других и от чего зависит количество энергии, которое идет на нагрев.

Нагревание проводника при прохождении по нему электрического тока

Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током?

При прохождении электрического тока по проводнику его температура увеличивается — он нагревается. Что при этом происходит внутри проводника?

Под действием электрического поля в металлическом проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны начинают упорядоченно двигаться. При этом сохраняется и хаотичность их движения. 

При таком движении они (свободные электроны) взаимодействуют с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки проводника. В ходе этого взаимодействия свободные электроны передают ионам свою кинетическую энергию. Например, это происходит при соударении с ними.

Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника. Его температура увеличивается.

При протекании электрического тока по проводнику его внутренняя энергия увеличивается.

В растворах солей, кислот, щелочей свободными заряженными частицами являются ионы. Они также будут взаимодействовать с атомами вещества.

{"questions":[{"content":"Увеличение температуры проводника, через который проходит электрический ток, говорит на о том, что[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["его внутренняя энергия увеличивается","его внутренняя энергия уменьшается","его электрическая энергия уменьшается","проводник является металлическим"],"explanations":["","","В процессе прохождения тока по проводнику происходит превращение энергии электрического поля во внутреннюю энергию проводника.  Сам проводник не обладает никакой электрической энергией.","Нагревание свойственно не только металлическим проводникам."],"answer":[0]}}}]}

От чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током?

Электрический ток проходит по проводнику. Он нагревается. При этом он контактирует с окружающей средой, а не находится в вакууме. По этой причине проводник начинает выделять некоторое количество теплоты $Q$. То есть проводник взаимодействует с окружающей средой посредством теплопередачи.

Заглянув внутрь проводника и объяснив его нагревание, мы можем предположить, что количество теплоты зависит как минимум от двух величин: от сопротивления и от силы тока.

Давайте разберемся, почему мы выбрали именно эти величины.

1. Сопротивление
   Чем больше сопротивление проводника, тем больше он препятствует прохождению электрического тока. Значит, тем сильнее ионы в металле взаимодействуют со свободными электронами и тем больше энергии они получают. Значит, при прохождении тока по проводнику с большим сопротивлением должно выделяться большое количество теплоты. Мы предполагаем, что сопротивление проводника прямо пропорционально выделяемому количеству теплоты.
2. Сила тока
   Сила тока рассчитывается по формуле: $I = \frac{q}{t}$. Получается, что чем больше сила тока, тем большее количество свободных частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени. Значит, происходит и больше столкновений с ионами и атомами проводника. Следовательно, тем больше количество теплоты, которое выделится при прохождении электрического тока по проводнику.

{"questions":[{"content":"Нагретый током проводник при взаимодействии с окружающей средой[[choice-8]]","widgets":{"choice-8":{"type":"choice","options":["выделяет некоторое количество теплоты","получает некоторое количество теплоты","никак не участвует в теплообмене"],"explanations":["","Обратите внимание, что нагрев проводника происходит за счет увеличения его внутренней энергии, а не за счет сообщения ему какого-то количества тепла. ",""],"answer":[0]}}}]}

Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления

Давайте опытным путем подтвердим наше первое предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из двух нагревателей и источника тока. Все элементы соединим последовательно.

Нагреватели у нас имеют одинаковые размеры, но сделаны из разных материалов. Соответственно, они имеют различные сопротивления $R_1$ и $R_2$. При этом $R_1 > R_2$.

Опустим нагреватели в калориметры (приборы для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды. Начальная температура воды в обоих сосудах тоже одинакова.

Замкнем цепь. Теперь через нагреватели течет электрический ток (рисунок 1). Сила тока в них одинакова, потому что они соединены последовательно.

Рисунок 1. Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления

Мы увидим, что вода нагреется быстрее в первом калориметре. Это значит, что она получила большее количество теплоты. Именно в этом калориметре у нас и находится нагреватель с большим сопротивлением $R_1$. Наше предположение подтвердилось.

Чем больше сопротивление проводника, тем большее количество теплоты выделяется при прохождении по нему электрического тока.

{"questions":[{"content":"Сопротивление первого проводника составляет $2 \\space Ом$, второго — $4 \\space Ом$. Проводники идентичны друг другу по размеру. Какой из них нагреется сильнее при прохождении по нему электрического тока?[[choice-17]]","widgets":{"choice-17":{"type":"choice","options":["второй","первый","проводники нагреются одинаково"],"explanations":["Чем больше температура проводника, тем большее количество теплоты он выделяет. Это выделяемое количество тепла зависит от сопротивления проводника: оно тем больше, чем больше сопротивление.","",""],"answer":[0]}}}]}

Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от силы тока в нем

Теперь проверим наше второе предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из лампы накаливания, реостата, амперметра и источника тока.

Передвигая ползунок реостата, будем постепенно увеличивать силу тока в цепи. Мы увидим, что будет увеличиваться и яркость лампочки (рисунок 2).

Рисунок 2. Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от силы тока в нем

Получается, что при увеличении силы тока, у нас увеличивается количество теплоты, которые выделяет нить накаливания лампы. Предположение №2 подтверждено.

Чем больше сила тока в проводнике, тем большее количество теплоты выделяется при прохождении по нему электрического тока.

{"questions":[{"content":"Сила тока в проводнике и количество теплоты, которое он выделяет,[[choice-12]]","widgets":{"choice-12":{"type":"choice","options":["прямо пропорциональны друг другу","обратно пропорциональны друг другу","не зависят друг от друга"],"explanations":["Чем больше сила тока, тем больше тепла будет выделяться.","",""],"answer":[0]}}}]}

Закон Джоуля-Ленца

Подобные опыты в одно время, но независимо друг от друга проводили двое ученых. 2R (T_2 — T_1)$»],»answer»:[0]}}}]}

Закон сохранения энергии при нагревании проводника током

По закону сохранения энергии мы знаем, что энергия не приходит из ниоткуда и не уходит в никуда.

Откуда у нас появилась какая-то дополнительная энергия в проводнике, которая пошла на его нагревание? Это энергия электрического поля, созданного источником тока. Если же поле имеет какую-то энергию, то оно может совершить какую-то работу, что и происходит на практике. При этом наш проводник нагревается — получает какое-то количество теплоты (энергии). Получается, что происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию тела.

Если ток производит только тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты будет равно работе электрического тока, совершенной за это время:
$Q = A$.

{"questions":[{"content":"Какое превращение энергии происходит во время нагревания проводника проходящим по нему электрическим током?[[choice-24]]","widgets":{"choice-24":{"type":"choice","options":["Электрическая энергия переходит во внутреннюю","электрическая энергия переходит в механическую","внутренняя энергия переходит в электрическую"],"answer":[0]}}}]}

Математический вывод закона Джоуля-Ленца

Нагревание при прохождении электрического тока происходит в неподвижных металлических проводниках. 2 \cdot 20 \space Ом \cdot 1800 \space с = 900 \space 000 \space Дж = 900 \space кДж$.

Ответ: $Q = 900 \space кДж$.

Упражнение №2

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

Скручивая один проводник с другим, мы получаем утолщенное и уплотненное место их соединения. Сопротивление на таком участке будет больше, чем у самих проводов. А чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла будет выделяться при прохождении по нему электрического тока. Такой участок будет сильно нагреваться.

Спайка же позволяет сделать место соединения проводов более однородным. Это практически не изменяет сопротивления. Таким образом, мы избегаем нагревания проводов в месте их соединения друг с другом.

Упражнение №3

Спираль нагревательного прибора — рефлектора — при помощи шнура и вилки соединяется с розеткой. Шнур состоит из проводов, подводящих ток к спирали, покрытых изоляцией. 2Rt$.

Спираль раскаляется, а провода — нет. Это означает, что на спирали выделяется намного больше количества теплоты $Q$, чем в проводах. Если сила тока одинакова, значит причина этому — сопротивление $R$.

Поэтому мы делаем вывод, что спираль раскаляется, так как обладает намного большим сопротивлением, чем провода. Такое устройство обуславливается материалами, из которых сделаны спираль и провода. Удельное сопротивление спирали точно больше удельного сопротивления проводов ($R = \frac{\rho l}{S})$. Также провода тоньше спирали. Их площадь поперечного сечения намного меньше площади поперечного сечения спирали нагревательного прибора. Поэтому в проводах выделяется меньшее количество теплоты, чем в спирали.

Что будет с напряжением в такой цепи? Запишем закон Джоуля-Ленца в таком виде: $Q = UIt$. Сказано, что все элементы в этой цепи соединены последовательно. Значит сила тока $I$ во всех ее участках будет одинакова.

Получается, что напряжение на спирали будет больше, чем напряжение на концах проводов. 2}{м}$.

Самым большим сопротивлением будет обладать нихромовая проволока. Она нагреется больше остальных.

Теперь проведем опыт.
Соберем электрическую цепь из трех проволок и источника тока. Все элементы соединим последовательно.

Через какое-то время вы сможете увидеть подтверждение нашим теоретическим выводам. Нихромовая проволока нагреется до белого каления, никелиновая — начнет краснеть (рисунок 4). Медная проволока визуально останется такой же. 

Рисунок 4. Зависимость температуры проволоки от сопротивления

Обратите внимание, что визуально оценить эффект нагревания в таком случае проще, чем пробовать при малых температурах определить на ощупь, какая проволока нагрелась больше или пытаться использовать термометр.

Физика – закон Джоуля-Ленца. Мощность тока.

Сегодня повторим закон Джоуля-Ленца и мощность электрического тока.

Мы говорили, что напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.




Тогда, чтобы определить работу электрического тока на каком-либо участке цепи, надо напряжение на концах этого участка цепи умножить на электрический заряд (количество электричества), прошедший по нему.




Учтя, что электрический заряд можно представить через силу тока, получим, что работа электрического поля равна:




Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течении которого совершалась работа.

Задача (Работа тока)

Какую работу совершает электрический ток в электродвигателе за 60 мин, если сила тока в цепи равна 0,4 А, а напряжение на клеммах двигателя 12 В.

Решение:

Воспользуемся классической формулой для определения работы электрического тока:


Ответ: 288 Дж

Задача (Где работа больше ?)


Два резистора, сопротивлением по 10 Ом каждый, в начале соединили последовательно, а затем параллельно. Напряжение на этом участке цепи равно 10 В. Определите в каком случае за одно и то же время работа тока больше и во сколько раз ?



Решение:

Найдём силу тока в первом случае по закону Ома:




Тогда работа тока в первом случае равна:




Найдём силу тока во втором случае так же по закону Ома. Но в начале найдём общее сопротивление цепи для параллельного соединения.





По закону Ома сила тока, при параллельном подключении резисторов (второй случай), равна:




Тогда работа во втором случае будет равна:




Получается, что

Найдём во сколько раз A₂ больше A₁.

Ответ: A₂ > A ₁ в 4 раза.

Мощность электрического тока

Мощность показывает сколько работы было сделано в единицу времени. Эта физическая величина обычно обозначается буквой P. В Международной системе (СИ) единица мощности называется ватт (Вт). Тогда мощность электрического тока можно представить:




Можно сказать:


Задача (Мощность тока)

Электрообогреватель рассчитан на 220 В и силу тока 1,5 А. Определите мощность тока в обогревателе.

Решение:

Применим формулу для мощности тока:


Ответ: 330 Вт

Закон Джоуля-Ленца

Закон Джоуля-Ленца описывает тепловое действие тока.

Если работа тока в проводнике не расходуется на механическое действие или химическое, то вся работа электрического тока превращается в тепло, выделяемое на этом проводнике.




Применив формулу из закона Ома, можно написать:




В классической форме закон Джоуля-Ленца можно сформулировать следующим образом:

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

Нагревание происходит за счёт взаимодействия упорядоченно двигающихся заряженных частиц с ионами кристаллической решётки проводника. Упорядоченно двигающиеся заряженные частицы передают свою энергию атомам проводника, тем самым разогревая их.

Чтобы сильно разогреть проводник за счёт работы электрического тока, нужно увеличить сопротивление проводника и увеличить силу тока в нём.

На этом принципе работаю некоторые бытовые приборы: электрообогреватель, кипятильник, электрочайник, утюг и другие.




Задачи на закон Джоуля-Ленца

Задача (Решаем через напряжение)

Проволочная спираль, сопротивление которой в нагретом состоянии равно 50 Ом, находится под напряжением 200 В. Какое количество теплоты выделяет эта спираль за 5 мин ?

Решение:

Решим задачу с помощью закона Джоуля-Ленца.


Ответ: 240 кДж

Задача (Классическая формула)


В проводнике сопротивлением 5 Ом протекает ток силой 3 А. Определите количество теплоты, выделившееся в проводнике за 2 минуты.

Решение:

Количество теплоты Q, выделяющееся в проводнике за время t, можно найти с помощью формулы:



Ответ: 5400 Дж

Задача (Ищем мощность)


В катушке течёт постоянный ток. На проводнике выделяется теплота в количестве 20 Дж за 5 секунд. Найдите мощность электрического тока в этой катушке.

Решение:

Вся работа электрического поля пойдёт на нагревание проводника.

Для нахождения мощности электрического тока в проводнике, нам необходимо воспользоваться формулой:

Ответ: 4 Вт

Задача (Электрический чайник)


В электрическом чайнике находится 0.5 литра воды. Сколько времени понадобится чайнику мощностью 1500 Вт, чтобы нагреть всю воду из температуры 20 градусов Цельсия до кипения при 100 градусах Цельсия? Определите также количество теплоты, которое было затрачено на нагревание воды.

Решение:

Количество теплоты, которое выделится на чайнике при нагревании воды до 100 градусов Цельсия распишем по формуле:

Произведение силы тока на напряжение — это и есть мощность чайника.




С другой стороны мы знаем, что количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы нагреть воду с 20° до 100° равно:

c_в — удельная теплоёмкость воды, m — масса воды, t

1 — это начальная температура, t₂ — конечная температура. Для воды удельная теплоёмкость равна c_в = 4200 Дж/(кг∙°C)

Тогда

Ответ: t = 112 c, Q = 168 кДж

[Гуджрати] Выведите формулу тепловой энергии, выделяемой в проводнике. 0008 РЕКЛАМА

Текст Решение

Решение

Металлический проводник (или резистивная проволока) оказывает сопротивление потоку тока, поэтому источник тока должен совершать работу для непрерывного прохождения электрического тока через проводник.

Рассмотрим ток I, протекающий через резистор (или проводник) сопротивлением R. Пусть V — разность потенциалов на резисторе (см. рисунок).
Пусть t будет интервалом времени, в течение которого заряд Q протекает через резистор (проводник).
Работа, совершаемая источником тока при перемещении заряда Q через разность потенциалов V, равна vg.
Следовательно, источник тока должен подавать в цепь энергию, равную VQ, за время t.
Таким образом, энергия, затраченная источником, или работа, совершенная источником,
W=VQ
=V(It)(∴I=Qt)
=(IR)(It) (по закону Ома V =IR)
∴W=I2Rt…….(12.15)
Эта электрическая энергия рассеивается в виде тепла в резисторе. Таким образом, при постоянном токе I количество теплоты H, генерируемой (вырабатываемой) в интервале времени t, равно
H=I2Rt…….(12.16)
Это известно как закон нагревания Джоуля.
Единицей измерения электрической и тепловой энергии в системе СИ является джоуль (Дж). Другими его единицами являются ватт-секунда (Ws) и киловатт-час (kWh) или единица (коммерческая единица измерения электрической энергии).

Ответить

Пошаговое решение от экспертов, которое поможет вам в разрешении сомнений и получении отличных оценок на экзаменах.

Ab Padhai каро бина объявления ке

Khareedo DN Про и дехо сари видео бина киси объявление ки rukaavat ке!

---

Видео по теме
• (a) Как тепло выделяется в проводнике под действием электрического тока?
  (b) От каких факторов зависит выделение тепла при протекании тока по проводнику?

  11760410

• Выразите электрическую энергию через разность потенциалов, силу тока и время, в течение которого ток протекает по проводнику.

  11760423

• Что понимают под нагревательным действием тока? Объясните его причину и найдите связь теплоты, выделяемой в проводнике, с электрическим током.

  12298210

• में / ऐम्पियर की धारा प्रवाहित होने से V वोल्ट वि भवान्तर उत्पन्न हो तो т सेकण्ड में उत्पन्न ऊष्म ा के सूत्र लिखिए। कैलोरी।

  94980912

• ाहित हो रही है वह 2000J की बराबर उष्मा उत्पादित करत ा है। यदि चालक में प्रवाहित धारा को दोगुना कर दिया, ज ाए तो उत्पादित सुषमा की मात्रा क्या होगी ?

  95051379

• Просмотреть еще ्य के व्यंजक निगमित कीजिए।

  131222182

• ्रस्थ काट से т समय में नेट Q आवेश प्रवाहित होता है तब उस अनुप्रस्थ काट से प्रवाहित विद्युत धारा I को किस सूत्र से व्यक् त किया जाता है?

  350665291

• Ток, протекающий по проводнику, выделяет тепло, потому что

  570069616

• Выведите уравнение подвижности через время релаксации (тау) . Напишите его единицу.

  639284507

• Теплота, выделяемая в единицу времени при прохождении электрического тока по проводнику при данной температуре, прямо пропорциональна …..

  639285474

• ज ब एक बैटरी प्रतिरोध R1 में t समय के लिये धारा प्रवाहित करती है तो प्रतिरोध में उत्पन्न ऊष्मा Q है R2 में т समय के लिये धारा प्रवाहि त करती है तो R2 में भी Q ऊष्मा उत्पन्न होती है। बैटरी का आंतरिक प्रतिरोध ज्ञात कीजिये। 9(-6)T в его центре. Ток, протекающий по проводнику, равен: ?

  644768176

• Напишите формулу количества теплоты, выделяемой резистором при протекании через него тока за время. Приведите три применения нагревательного действия тока.

  647115116

РЕКЛАМА

1. КУМАР ПРАКАШАН-ЭЛЕКТРИЧЕСТВО-ПРАКТИЧЕСКИЕ НАВЫКИ, ОСНОВАННЫЕ НА ВОПРОС С ОТВЕТАМИ

9 0045

Выведите формулу тепловой энергии, выделяемой в проводнике, потому что…

03:19

2. Шкалы амперметра и вольтметра приведены ниже: что есть . ..

   01:18

3. Шкалы амметра и вольтметра показаны ниже: найдите. ..

   02:01

4. Посмотрите на приведенный ниже рисунок и найдите показания идеального амперметра и … …

   02:11

5. Четыре резистора, по 10 Омега каждый, соединены в квадрат, как показано…

   02:47

6. В схеме, показанной на рисунке ниже, найдите текущую запись…

   01: 46

7. Прочтите следующую информацию: ( 1 ) Удельное сопротивление меди l…

   03:05

8. Прочтите следующую информацию: ( 1 ) Удельное сопротивление меди l…

   02:44

9. Прочтите следующую информацию: ( 1 ) Удельное сопротивление меди l…

   02:14

10. n резисторов, каждый сопротивлением R сначала соединить последовательно и затем…

    01:57

11. Узнать показания амперметра и вольтметра в данной цепи.. .

    01:59

12. По данной электрической схеме рассчитайте: полное эффективное сопротивление. ..

    01:14

13. Укажите четыре различных способа, которыми три резистора номиналом .r. ом, каждый может…

    04:04

14. Найдите эквивалентное сопротивление на концах A и B этой цепи…

    Текст Решение

15. Нарисуйте схему электрической цепи, содержащей ячейку , ключ, патрон…

    04:24

16. В последовательной цепи, содержащей электрическую лампу, протекает ток силой 1 А…

    06:18

Даутнат хочет отправить вам уведомление. Разрешите получать регулярные обновления!

термодинамика — Как правильно вывести формулу для теплоты, выделяемой электричеством, из законов Джоуля для нагревания?

спросил 2 года 10 месяцев назад

Изменено 2 года, 10 месяцев назад 9{2}Rt$$

Мой вопрос в связи с приведенным выше выводом: как мы обнаружили, что при прохождении тока в $1A$ через проводник с сопротивлением $1\Omega$ за $1s$ выделяется $1J$ тепла? Путем экспериментов? Как назывался эксперимент и кто его проводил?

• термодинамика
• электрический ток
• ед.
$\endgroup$
$\begingroup$

Из [законов Джоуля][1] получаем следующее:

9{2}

 долл. США

Просто для ясности, поскольку ваш пост находится под тегом термодинамики, вы должны знать, что левая часть вашего уравнения технически не является «теплом». В термодинамике тепло определяется как передача энергии исключительно за счет разницы температур. В этом случае переносом энергии является электрическая работа в единицу времени (мощность), которая преобразуется во внутреннюю молекулярную кинетическую энергию резистора. Повышение температуры резистора может (но не обязательно) привести к передаче тепла в окружающую среду путем теплопроводности, конвекции и/или излучения, в зависимости от природы окружающей среды. По этой причине в электротехнике его называют резистивным «нагревом». 9{2}Рт …(i)$$

Теперь нам нужно найти/определить значение K. Согласно моей книге, когда $1A$ тока проходит через проводник $1\Omega$ за $1s$, Произведено $1J$ тепла. Если это так, то из $(i)$ получаем это: $$1=K\times1\times1\times1$$ $$\подразумевает K = 1$$

На самом деле, если вы скажете, что левая часть уравнения — это «тепло», тогда $K$ будет чем-то меньшим, чем 1. Это потому, что часть мощности, подаваемой на резистор, идет на увеличение его внутренней энергии (увеличение температуры). резистора), а остальное передается в окружающую среду в виде тепла из-за разницы температур между резистором и его окружением.

Мой вопрос в отношении приведенного выше вывода: как мы обнаружили, что когда $1A$ тока проходит через проводник $1\Omega$ за $1s$, выделяется $1J$ тепла? Путем экспериментов? Как звали эксперимент и кто его проводил?

Я не помню подробностей того, как это делалось исторически, но одним из методов может быть калориметрия. Погрузите электрический нагреватель в теплоизолированный сосуд с известным количеством воды и известной температурой. Включите обогреватель на известной мощности в течение известного времени.