Виды проводников
- металлические. Электрический ток в металлических проводниках – это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц – электронов (отрицательно заряженные частицы). Когда электроны протекают по проводнику, он нагревается, т. е. металлические проводники нагреваются при протекании тока.
- жидкие проводники (растворы и расплавы). В этих проводниках направленное движение зарядов составляют ионы. Это атомы, у которых либо избыток, либо недостаток электронов. Аналогично, если в жидких проводниках протекает электрический ток, то происходит нагревание проводников.
- газы (при определенных условиях). Электрический ток обусловлен движением ионов и электронов. Нагревается пространство, где протекает электрический ток. Все три случая, которые мы рассмотрели, подтверждают одно общее правило.
Опыты Джоуля и Ленца
Электрический ток при протекании по проводникам увеличивает их внутреннюю энергию. В соответствие можно привести работу электрического тока, работу электрического поля и количество теплоты, которое выделяется в проводниках.
Чем больше сила тока, тем больше количество теплоты, выделившееся в проводнике.
Эксперимент состоял в том, что три одинаковых по своим геометрическим размерам, но выполненные из разных материалов проводника включены последовательно. Через проводники течет электрический ток. При последовательном соединении проводников сила тока во всех участках будет одинакова (рис. 1).
Рис. 1. Сила тока одинакова
На первый взгляд количество теплоты тоже должно было быть одинаковым, однако это не так (рис. 2). Следовательно, количество теплоты зависит не только от силы тока, а так же от еще одной характеристики проводника – электрического сопротивления.
Рис. 2 Количество теплоты разное
Эти опыты независимо друг от друга провели два ученых, англичанин Джоуль (рис. 3) и русский ученый Ленц Эмиль Христианович (рис. 4). Результаты получены одинаковые, поэтому закон получил название этих двух ученых – закон Джоуля-Ленца.
Рис. 3. Д.П. Джоуль
Рис. 4. Э.Х. Ленц
Закон Джоуля-Ленца
В результате экспериментов было получено уравнение:
Q – количество теплоты [Дж] I – сила тока [А] R – электрическое сопротивление [Ом] t – время [c]
Формула для вычисления количество теплоты в точности соответствует формуле по вычислению работы электрического тока.
По закону Ома, сила тока определяется как отношение напряжения к сопротивлению.
Напряжение можем выразить как произведение
Подставив выражение для напряжения в формулу для работы электрического тока, получаем следующую зависимость:
И эта формула полностью соответствует закону Джоуля-Ленца:
.
Следовательно, количество теплоты и работа соответствуют друг другу. В некотором случае работа электрического тока равна количеству теплоты, которое выделяется на проводнике.
Существуют и другие формулы для определения работы, однако только эту формулу мы можем называть законом Джоуля-Ленца. Дело все в том, что количество теплоты – это изменение внутренней энергии проводника (проводник находится в состоянии покоя). А если мы рассматриваем проводник, который не только нагревается, а еще и движется, то в этом случае работа определяет уже полное действие на этот проводник (движение, энергию, другие формы превращения энергии).
Возникновение тепла в проводнике
При протекании электрического тока частицы движутся в металлических, жидких и газообразных проводниках. Они взаимодействуют с окружающими частицами, у которых нет направленного и упорядоченного движения. Эти взаимодействия и превращаются в тепло.
Заключение
Закон Джоуля-Ленца: количество теплоты, которое выделяется в проводнике, равно произведению квадрата силы тока в этом проводнике, умноженному на сопротивление проводника и на время, в течение которого этот ток протекает по проводнику.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.
Домашнее задание
- П. 53, вопросы 1–4 – стр. 125 задание 27 (1). Перышкин А.В. Физика 8. М.: Дрофа, 2010.
- В электрической печи при напряжении 220 В сила тока 30 А. какое количество теплоты выделит печь за 10 минут?
- Как изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, если силу тока в проводнике увеличить в 2 раза?
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
