1.4. Явище теплової дії електричного струму

і закон Ленца – Джоуля

Явище теплової дії електричного струму. При зіткненні зарядів з молекулами (атомами) вони віддають їм частину своєї енергії, збільшуючи швидкість теплового руху молекул (атомів), що приводить до нагрівання провідника при проходженні по ньому електричного струму.

Закон теплової дії струму відкрили російський фізик Емілій Ленц і англійський фізик Джеймс Джоуль. Відповідно до цього закону кількість тепла, що виділяється в провіднику, прямо пропорційна опору провідника, квадрату сили електричного струму і часу його дії.

Математичний запис закону теплової дії струму:

(1.10)

де W – енергія, що виділилася в провіднику, Дж;

R – опір провідника, Ом;

I – сила струму в провіднику, А;

t – час протікання електричного струму в провіднику, с.

Приклад 1.9

По провіднику, опір якого дорівнює 100 Ом, проходить електричний струм силою 10 А за 100 секунд. Визначити кількість тепла, що виділиться в провіднику за цей час.

Рішення.

Підставляємо значення фізичних величин у вираз (1.10) і знаходимо кількість тепла:

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

Для зручності енергетичної характеристики джерел і приймачів електричної енергії ввели поняття потужності електричного струму, під якою розуміється кількість електричної енергії, що виділяється в провіднику за одиницю часу, тобто

(1.11)

де Р – потужність, Вт;

W – енергія, Дж;

t – час, с.

Підставивши (1.10) у (1.11), знаходимо вираз для розрахунку потужності:

(1.12)

У технічній системі одиниць електрична енергія виміряється в кВтгод, знайдемо співвідношення енергій 1 кВтгод і 1 Дж:

1 кВтгод = 1 000 Вт  3 600 с = 3 600 000 Дж.

Приклад 1.10

У провіднику, по якому проходить електричний струм, за 100 секунд виділяється 220 000 Дж теплової енергії. Визначити потужність електричного струму.

Рішення.

Підставляємо значення зазначених фізичних величин у вираз (1.11) і знаходимо потужність електричного струму:

.

Питання для самоконтролю

1. У чому суть явища теплової дії струму?

2. Сформулюйте закон теплової дії струму.

3. Виконайте математичний запис закону Ленца – Джоуля.

4. Дайте визначення потужності електричного струму.

5. Вкажіть одиниці фізичних величин, що характеризують явище теплової дії струму.

Завдання для самоконтролю

1. По провіднику, що має опір 200 Ом, проходить струм силою 10 А за 1 хвилину. Визначити енергію, яка виділяється в провіднику.

2. Визначити потужність електричного струму в завданні 1.

1.5. Електричне коло і його елементи

Електричний коло – це сукупність пристроїв, що забезпечують можливість створення електричного струму. Основні елементи електричного кола – джерело, приймач і проводи, що їх з'єднують. Джерело електричної енергії – це пристрій, у якому енергія хімічна, теплова, промениста або механічна перетворюється в електричну енергію. У залежності від виду перетворюваної енергії розрізняють наступні типи джерел: механічні генератори, акумулятори, гальванічні елементи, термоелементи, фотоелементи. Допоміжні елементи кола – вимикачі, рубильники, амперметри, вольтметри і т.д.

З алежність між силою струму і напругою на елементі кола називається вольт-амперною характеристикою: I = f (U). Математично вона записується, виходячи з закону Ома (1.9): I = U / R. Представимо цю залежність графічно (рис.1.8).

Елементи, у яких вольт-амперна характеристика є прямою лінією, називаються лінійними. Електричні кола, що складаються з лінійних елементів, називаються лінійними колами.

Приклад 1.11

Лінійний резистор має опір 10 Ом. Побудувати вольт-амперну характеристику зазначеного елемента.

Рішення.

Розрахунок вольт-амперної характеристики ведемо за виразом (1.9) для двох точок: U = 0, I = 0 і U = 100 B, I = 10 A.

За розрахунковими даними двох точок будуємо вольт-амперну характеристику у вигляді прямої лінії, що проходить через ці точки (рис.1.8а).

Питання для самоконтролю

1. Дайте визначення електричного кола.

2. Які елементи електричного кола є основними?

3. Які елементи електричного кола є допоміжними?

4. Що таке вольт-амперна характеристика елемента електричного кола?

5. Які елементи електричного кола називаються лінійними?

6. Що таке лінійне електричне коло?