1.4. Явление теплового действия электрического тока

и закон Ленца – Джоуля

Явление теплового действия электрического тока. При столкновении за­рядов с молекулами (атомами) они отдают им часть своей энергии, увеличи­вая скорость теплового движения молекул (атомов), что приводит к нагрева­нию проводника при прохождении по нему электрического тока.

Закон теплового действия тока открыли русский физик Эмилий Ленц и английский физик Джеймс Джоуль. Согласно этому закону количество тепла, которое выделяется в проводнике, прямо пропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы электричес­кого тока и времени его действия.

Математическая запись закона теплового действия тока:

,

(1.10)

где W – энергия, которая выделилась в проводнике, Дж;

R – сопротивление проводника, Ом;

I – сила тока в проводнике, А;

t – время протекания электрического тока в проводнике, с.

Пример 1.9

По проводнику, сопротивление которого равно 100 Ом, проходит электрический ток силой 10 А в течение 100 секунд. Определить количество тепла, которое выделится в проводнике за это время.

Решение.

Подставляем значения физических величин в выражение (1.10) и находим количество тепла:

W = 100 · 10²·100 = 1 000 000 Дж = 1 000 кДж = 1 МДж.

Для удобства энергетической характеристики источников и приёмников электрической энергии ввели понятие мощности электрического тока, под кото­рой понимается количество электрической энергии, выделяемой в проводнике в единицу времени, т.е.

(1.11)

где Р – мощность, Вт;

W – энергия, Дж;

t – время, с.

Подставив (1.10) в (1.11), находим выражение для расчёта мощности:

.

(1.12)

В технической системе единиц электрическая энергия измеряется в кВтч, найдём соотношение энергий 1 кВтч и 1 Дж:

1 кВтч = 1000 Вт  3600 с = 3 600 000 Дж.

Пример 1.10

В проводнике, по которому проходит электрический ток, за 100 секунд выделяется 220 000 Дж тепловой энергии. Определить мощность электрического тока.

Решение.

Подставляем значение указанных физических величин в выражение (1.11) и находим мощность электрического тока:

.

Вопросы для самоконтроля

1. В чём суть явления теплового действия тока?

2. Сформулируйте закон теплового действия тока.

3. Выполните математическую запись закона Ленца – Джоуля.

4. Дайте определение мощности электрического тока.

5. Укажите единицы физических величин, характеризующих явление теплового действия тока.

Задания для самоконтроля

1. По проводнику, который имеет сопротивление 200 Ом, проходит ток силой 10 А в течение 1 минуты. Определить энергию, которая выделяется в проводнике.

2. Определить мощность электрического тока в задании 1.

1.5. Электрическая цепь и её элементы

Э лектрическая цепь – это совокупность устройств, которые обеспечивают воз­можность создания электрического тока. Основные элементы электрической цепи – источник, приёмник и про­вода, которые их соединяют. Источник электрической энергии – это устройство, в котором энергия химическая, тепловая, лучистая или механическая преобразуется в электрическую энергию. В зависимости от вида превращаемой энергии различают следующие типы источников: механические генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы, термоэлементы, фотоэлементы. Вспомогательные элементы цепи – выключатели, рубильники, амперме­тр­ы, вольтметры и так далее.

Зависимость между силой тока и напряжением на элементе цепи называется вольт-амперной характеристикой: I = f (U). Математически она записывается, исходя из закона Ома (1.9): I = U / R. Представим эту зависимость графически (рис.1.8).

Элементы, у которых вольт-амперная характеристика представляет собой прямую линию, называются линейными. Электрические цепи, состоящие из линейных элементов, называются линейными цепями.

Пример 1.11

Линейный резистор имеет сопротивление 10 Ом. Построить вольт-амперную характеристику указанного элемента.

Решение.

Расчёт вольт-амперной характеристики ведём по выражению (1.9) для двух точек: U = 0, I = 0 и U = 100 B, I = 10 A.

По расчётным данным двух точек строим вольт-амперную характеристику в виде прямой линии, проходящей через эти точки (рис.1.8а).

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение электрической цепи.

2. Какие элементы электрической цепи являются основными?

3. Какие элементы электрической цепи являются вспомогательными?

4. Что такое вольт-амперная характеристика элемента электрической цепи?

5. Какие элементы электрической цепи называются линейными?

6. Что такое линейная электрическая цепь?