Закон джоуля ленца примеры

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=I*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.

Решение задач по теме «Работа и мощность тока. Закон Джоуля Ленца»

Главная > Решение

Практическое занятие № 3

Решение задач по теме «Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца»

Цель: научиться применять формулы и законы изученной темы для решения задач, научиться оценивать реальность полученных результатов.

Теоретическое обоснование работы:

I=U/R – закон Ома для участка цепи;

I=E/(R+r) – закон Ома для замкнутой цепи;

R=ρ·l/S- сопротивление цилиндрического проводника;

A=I·U·∆t – работа тока;

Q=I 2 ·R·∆t – закон Джоуля – Ленца;

P=I·U – мощность тока.

Примеры решения качественных и расчетных задач:

1). В каком из двух резисторов мощность тока больше при последовательном (см. рис. а) и параллельном (см. рис. б) соединении? R1 2 ·R следует, что при последовательном соединении мощность тока в резисторе прямо пропорциональна его сопротивлению. При параллельном соединении сила тока в резисторах не одинакова, поэтому использовать формулу P=I 2 ·R нецелесообразно. В этом случае на всех резисторах одно и то же напряжение, поэтому целесообразно воспользоваться формулой P=U 2 /R. Из нее следует, что при параллельном соединении мощность тока в резисторе обратно пропорциональна его сопротивлению.

Ответ. а). Во втором; б). В первом.

2). Две электрические лампы, мощности которых 60 Вт и 100 Вт, рассчитаны на одно и то же напряжение. Сравните длины нитей накала обеих ламп, если их диаметры одинаковы.

Решение. Мощность равна P=U 2 /R. Поэтому у лампы 100 Вт сопротивление нити накала меньше. Следовательно, ее нить короче, чем у лампы в 60 Вт.

3). Рассчитайте количество теплоты, которое выделит за 5 минут проволочная спираль сопротивлением 50 Ом, если сила тока 1,5 А.

Дано: СИ Решение

R = 50 Ом Q = I 2 ·R·∆t = 1,5 2 ·50·300 = 33750 (Дж)

Найти: Ответ: Q = 33750 Дж

4). Определите сопротивление нити накала лампочки, имеющей номинальную мощность 100 Вт, включенной в сеть с напряжением 220 В.

Дано: Решение

Р = 100 Вт Используя формулы P = I·U, I = U/R, получаем формулу для

U = 220 В вычисления мощности P = U 2 /R.

Найти: Выражаем из этой формулы сопротивление R = U 2 /P.

R R = 220 2 /100 = 484 (Ом)

Ответ: R = 484 Ом

Задачи для самостоятельного решения:

1). Комната освещена с помощью елочной гирлянды, состоящей из 35 электрических лампочек, соединенных последовательно и питаемых от городской сети. После того как одна лампочка перегорела, оставшиеся 34 лампочки снова соединили последовательно и включили в сеть. Когда в комнате светлее: при 35 или при 34 лампочках?

2) Можно ли на место перегоревшего предохранителя вставить пучок медных проволок («жучок»)? Ответ обосновать.

3). Определите сопротивление электрического паяльника, потребляющего ток мощностью 300 Вт от сети напряжением 220 В.

4). Электродвигатель, включенный в сеть, работал 2 ч. Расход энергии при этом составил 1600 кДж. Определите мощность электродвигателя.

5). Нагреватель из нихромовой проволоки (ρ = 110·10 -8 Ом·м) длиной 5 м и диаметром

0,25 мм включается в сеть постоянного тока напряжением 110 В. Определите мощность нагревателя.

47. Закон Джоуля — Ленца

В результате опытов было установлено, что количество тепла, выделяемого током при прохождении по проводнику, зависит от сопротивления самого проводника, тока и времени его прохождения.

Этот физический закон был впервые установлен в 1841 г. английским физиком Джоулем, а несколько позднее (в 1844 г.) независимо от него русским академиком Эмилем Христианови-чем Ленцем (1804—1865).

Количественные соотношения, имеющие место при нагревании проводника током, называются законом Джоуля — Ленца.

Э. X. Ленц обобщил опыты по электромагнитной индукции, изложив это обобщение в виде «правила Ленца». В своих трудах по теории электрических машин Ленц изучил явление «реакции якоря» в машинах постоянного тока, доказал принцип обратимости электрических машин. Ленц, работая с Якоби, исследовал силу притяжения электромагнитов, установил зависимость магнитного момента от намагничивающей силы.

Ленц был членом Петербургской Академии Наук и ректором Петербургского университета.

Выше было установлено:

Энергия электрического тока определяется по формуле

Так как энергия тока идет на нагрев, то количество тепла, выделяемое током в проводнике, равно:

Эта формула, выражающая закон Джоуля — Ленца, показывает, что количество тепла в калориях, выделяемое током при прохождении по проводнику, равно коэффициенту 0,24, умноженному на квадрат тока в амперах, сопротивление в омах и время в секундах.

Пример 2. Определить, сколько тепла выделит ток в 6 а, проходя по проводнику сопротивлением 2 ом. в течение 3 мин,

Q=0.24 • I 2 •r•t = 0,24 • 36 • 2 • 180=3110,4 кал. Формулу закона Джоуля — Ленца можно написать так: Q = 0.24•I•I•r•t, а так как I•r=U, то можно написать:

Пример 3. Электрическая плитка включена в сеть напряжением 120 в. Ток, протекающий по спирали плитки, 5 а. Требуется определить, сколько тепла выделит ток за 2 часа,

Q=0.24 • I•U•t=0,24• 5• 120• 7200=1036800 кал=1036,8 ккал.

Урок физики по теме «Закон Джоуля–Ленца»

Разделы: Физика

Сегодня на уроке мы будем с вами изучать “Закон Джоуля-Ленца”. В ходе урока вы должны будете выяснить какие закономерности описывает закон Джоуля-Ленца, научиться применять этот закон для решения задач. И делать это вы будете, работая в парах и индивидуально.

— Чем вы будете заниматься сегодня на уроке? (вопрос учащимся)

Сейчас в паре за пять минут вам необходимо восстановить знания, необходимые для дальнейшего изучения нового материала. Для этого вам необходимо ответить на вопросы, обсудив в паре ответы.

Закончили работу. Какие вопросы, из предложенных, вызвали затруднения? Кто может ответить? (Выслушать ответы на вопросы вызвавшие затруднения, если необходимо ответить самому. Затем быстро выслушать ответы на остальные вопросы).

А сейчас внимание на экран. Просмотрите видеофрагмент.

(Просмотр видеофрагмента из Библиотеки наглядных пособий “Физика 7-11 классы” фирмы “1С: Образование”).

В данном видеофрагменте показано, что при протекании электрического тока по металлическому проводнику он нагревается. Это происходит в результате взаимодействия электронов с ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Выделившуюся энергию проводник передает окружающим телам. По закону сохранения энергии A=Q.

— От каких величин и почему зависит количество теплоты, переданное проводником окружающей среде? (вопрос учащимся)

(Учащиеся должны указать зависимость Q от силы тока, то есть от количества электронов, прошедших через поперечное сечение проводника, и от сопротивления. Так же указать характер зависимости).

Мы выяснили, что Q зависит от силы тока и от сопротивления, а также, что Q=А. Работу электрического тока можно найти по формуле А=IUt. Но данная формула не отражает зависимость Q от R. По закону Ома для участка цепи U=IR. Следовательно получаем Q=I 2 Rt. Это соотношение выражает закон Джоуля – Ленца.

Количество теплоты, выделенное проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения по нему тока.

Как количество теплоты, выделяемое проводником с током, зависит от величин, входящих в формулу, выражающую закон Джоуля-Ленца? (вопрос учащимся)

Далее вы снова работаете в паре. На работу вам дается пять минут. Вам необходимо восстановить представленный материал, сформулировать вопросы на понимание и записать эти вопросы в тетрадь.

Пожалуйста, назовите вопросы, которые вы сформулировали. Кто может ответить на данный вопрос? У кого другой вопрос, еще не звучащий? (вопрос учащимся)

Заданные вопросы были вопросы на понимание или какие-то другие (на уточнение, на знание)? (вопрос учащимся)

Просмотрим пример решения задачи на использование закона Джоуля – Ленца. (Учитель формулирует условие задачи, проговаривает ход решения задачи, демонстрируя слайд № 8 презентации).

В паре решить предложенные задачи. Необходимо помнить правила работы в паре: решить задачу, обсудить решение с товарищем, если необходимо исправить ошибки. Затем приступать к решению следующей задачи. Работу вам необходимо выполнить за 10 минут.

Закончили работу. Сейчас вы работаете индивидуально. Возьмите тестовые задания. Подпишите. Отметьте правильные ответы. Перепишите ответы в тетрадь. Работаете 5 минут.

Сдать выполненные тестовые задания. Проверить правильность выполнения теста.

(Коды правильных ответов представлены на слайде № 11 презентации).

Обсудив в паре затруднения, которые испытывал каждый из вас, выбрать то домашнее задание, которое поможет вам, справится с этими затруднения. Записать, выбранное задание в дневник.

Закон Джоуля Ленца

В результате опытов было установлено, что количество тепла выделяемого током при прохождении по проводнику, зависит от сопротивления самого проводника, тока и времени его прохождения.

Этот физический закон был впервые установлен в 1841 году английским физиком Джоулем, а несколько позднее (в 1844 году) независимо от него русским академиком Эмилем Христиановичем Ленцем (1804 – 1865).

Количественные соотношения, имеющие место при нагревании проводника током, называются законом Джоуля-Ленца.

Выше было установлено:

Так как 1 кал = 0,472 кГм, то

Энергия электрического тока определяется по формуле

Так как энергия тока идет на нагрев, то количество тепла, выделяемое током в проводнике, равно:

Эта формула, выражающая закон Джоуля-Ленца, показывает и дает определение закону, что количество тепла в калориях, выделяемое током при прохождении по проводнику, равно коэффициенту 0,24, умноженному на квадрат тока в амперах, сопротивление в омах и время в секундах.

Видео – «Закон Джоуля-Ленца, физика 8 класс»:

Пример 1. Определить, сколько тепла выделит ток в 6 А, проходя по проводнику сопротивлением 2 Ом, в течение 3 минут.

Q = 0,24 × I 2 × r × t = 0,24 × 36 × 2 × 180 = 3110,4 кал.

Формулу закона Джоуля-Ленца можно написать так:

а так как I × r = U, то можно написать:

Пример 2. Электрическая плитка включена в сеть напряжением 120 В. Ток, протекающий по спирали плитки, 5 А. Требуется определить, сколько тепла выделит ток за 2 часа.

Q = 0,24 × I × U× t = 0,24 × 5 × 120 × 7200 = 1 036 800 кал = 1036,8 ккал .

Видео – «Нагревание проводников электрическим током»:

Э. Х. Ленц обобщил опыты электромагнитной индукции, изложив это обобщение в виде «правила Ленца». В своих трудах по теории электрических машин Ленц изучил явление «реакции якоря» в машинах постоянного тока, доказал принцип обратимости электрических машин. Ленц, работая с Якоби, исследовал силу притяжения электромагнитов, установил зависимость магнитного момента от намагничивающей силы.

Эмилий Христианович Ленц
12 (24) февраля 1804 — 29 января (10 февраля) 1865 (60 лет)

Ленц был членом Петербургской Академии Наук и ректором Петербургского университета.

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.

Еще по теме:

  • Кбк земельный налог за 2018 ип КБК для уплаты земельного налога КБК для уплаты земельного налога КБК для уплаты пени по земельному налогу Важные моменты по земельному налогу Земельный налог является местным, поэтому получить его должен непременно бюджет соответствующей региональной единицы. Его должны оплачивать […]
  • Списке должностей и учреждений работа в которых засчитывается в стаж работы Постановление Правительства РФ от 29 октября 2002 г. N 781 "О списках работ, профессий, должностей, специальностей и учреждений, с учетом которых досрочно назначается трудовая пенсия по старости в соответствии со статьей 27 Федерального закона "О трудовых пенсиях в Российской Федерации", […]
  • Проживание в абхазии Экскурсии по Абхазии из Сочи и Адлера Приглашаем в любое время года совершить с нами увлекательные экскурсии в Абхазию из Адлера или Сочи. С нами вы побываете в самых красивых и удивительных местах этой южной гостеприимной республики. Мы предлагаем широкий выбор экскурсий, а также […]
  • Лишили прав за пьянку второй раз Лишение водительских прав повторно: в каких случаях возможно и что за это грозит Вам вернули права, отобранные когда-то за нарушение. Казалось бы, живи и радуйся, что опять на привычном месте за рулем, а не под землей в метро. Но через определенное время первая острастка проходит, и вы […]
  • Военные пенсии стран мира Какая военная пенсия в странах СНГ Какая военная пенсия в странах СНГ Пенсия военных в 2018 г увеличится. Безусловно она формируется по определенным показателям. В Белоруссии, например, учитывают сумму, которая является заработком, сферу, в которой задействован пенсионер и наличие […]
  • Субсидии выделяются бюджетным учреждениям на Субсидии на иные цели. Отражение в учете и отчетности (Лунина О.) Дата размещения статьи: 02.08.2015 Особому контролю со стороны учредителя подвергаются расходы, произведенные учреждением за счет средств целевых субсидий. Отражение в бухгалтерском учете и отчетности бюджетных и […]
  • Шпилька коллектора выпускного Шпильки выпускного коллектора (ВАЗ классика) Как они выкручиваются? Описываю ситуацию. Прогорела прокладка приемной трубы. поменял прокладку без замены шпилек - прогорела другая прокладка (что было и так понятно, просто надо было с дачи как-нибудь приехать домой) выкручивал вчера шпильки […]
  • Вертикальный солярий правила загара Как нужно загорать в солярии правильно Существует масса рекомендаций и советов по поводу того, как правильно загорать. Но крайне редко обобщенные инструкции о правилах безопасного загара в солярии позволяют учесть индивидуальные параметры, такие, например, как тип кожи, вида солярия […]