· Ілля Добрий · ГДЗ · 5 хв. читати

Теплова дія струму. Закон Джоуля — Ленца. Запобіжники - Бар'яхтар

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Чому нагріваються провідники, в яких тече електричний струм?

Провідники нагріваються, оскільки вільні заряджені частинки під час руху зіштовхуються з іншими частинками речовини та віддають їм частину своєї енергії. У металах електрони під дією електричного поля стикаються з йонами кристалічної ґратки. Це збільшує середню швидкість хаотичного руху частинок, що означає перетворення енергії електричного поля у внутрішню енергію провідника.

2. Сформулюйте закон Джоуля — Ленца.

Кількість теплоти, що виділяється в провіднику під час проходження струму, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника та часу проходження струму. Математично цей закон записується так:

Q=I2RtQ = I^2Rt

3. Які формули для розрахунку кількості теплоти, що виділяється в провіднику внаслідок проходження струму, ви знаєте? Чи завжди можна ними користуватися?

Окрім основної формули Q=I2RtQ = I^2Rt, для розрахунку теплоти використовують Q=UItQ = UIt та Q=U2RtQ = \dfrac{U^2}{R}t. Формулою Q=I2RtQ = I^2Rt можна користуватися завжди. Формули Q=UItQ = UIt та Q=U2RtQ = \dfrac{U^2}{R}t застосовують лише тоді, коли ділянка кола містить споживачі, в яких уся електрична енергія витрачається виключно на нагрівання. Якщо виконується механічна робота або відбуваються хімічні реакції, цими формулами користуватися не можна.

4. Які перетворення енергії відбуваються всередині електронагрівника в разі його ввімкнення в електричне коло?

Робота електричних нагрівників базується на тепловій дії струму: енергія електричного струму перетворюється на внутрішню енергію нагрівального елемента. Нагрівник віддає цю енергію довкіллю через теплопередачу.

5. Які властивості повинен мати метал, із якого виготовляють нагрівальний елемент?

Нагрівальні елементи виготовляють із матеріалів, що мають високий питомий опір. Ці матеріали повинні бути тугоплавкими, щоб витримувати дуже високу температуру нагрівання.

6. Чому нагрівальний елемент має бути ізольований від корпусу нагрівального приладу?

Нагрівальний елемент ізолюють від корпусу, щоб уникнути ураження користувача електричним струмом у разі торкання до приладу.

7. Що може стати причиною надмірного збільшення сили струму в електричному колі? До чого це може призвести? З якою метою застосовують запобіжники?

Сила струму може різко збільшитися через зменшення загального опору кола при ввімкненні одразу кількох потужних споживачів, з’єднаних паралельно. Також причиною може стати коротке замикання — з’єднання кінців ділянки кола провідником із дуже малим опором. Надмірне збільшення сили струму призводить до сильного нагрівання проводів, що може спричинити пожежу та псування електрообладнання. Запобіжники застосовують для розмикання кола у випадку, коли сила струму збільшується понад норму.

8. Поясніть принцип дії автоматичного запобіжника.

Робочою частиною автоматичного запобіжника є біметалева пластина, яка під час збільшення сили струму понад норму нагрівається і вигинається, внаслідок чого коло розмикається.

ВПРАВА № 42

1. Скільки теплоти виділиться за 10 хв в електропечі, якщо опір нагрівального елемента печі становить 30 Ом, а сила струму в ньому дорівнює 4 А?

Дано:

t=10 хв=600 сt = 10 \text{ хв} = 600 \text{ с}
R=30 ОмR = 30 \text{ Ом}
I=4 АI = 4 \text{ А}

Знайти:

Q−?Q - ?

Розв’язання:

Скористаємося законом Джоуля — Ленца:

Q=I2RtQ = I^2Rt

Підставимо значення:

Q=42⋅30⋅600=16⋅30⋅600=288 000 ДжQ = 4^2 \cdot 30 \cdot 600 = 16 \cdot 30 \cdot 600 = 288\,000 \text{ Дж}
288 000 Дж=288 кДж288\,000 \text{ Дж} = 288 \text{ кДж}

Відповідь: За 10 хвилин в електропечі виділиться 288 кДж теплоти.

2. Два провідники опорами 10 і 20 Ом увімкнено в мережу, що має напругу 100 В. Яка кількість теплоти виділиться за 5 с у кожному провіднику, якщо вони з’єднані паралельно?

Дано:

R1=10 ОмR_1 = 10 \text{ Ом}
R2=20 ОмR_2 = 20 \text{ Ом}
U=100 ВU = 100 \text{ В}
t=5 сt = 5 \text{ с}

Знайти:

Q1−?Q_1 - ?
Q2−?Q_2 - ?

Розв’язання:

Оскільки провідники з’єднані паралельно, напруга на кожному дорівнює напрузі мережі:

U1=U2=U=100 ВU_1 = U_2 = U = 100 \text{ В}

Для розрахунку кількості теплоти скористаємося формулою:

Q=U2RtQ = \dfrac{U^2}{R}t

Для першого провідника:

Q1=100210⋅5=10 00010⋅5=1000⋅5=5000 ДжQ_1 = \dfrac{100^2}{10} \cdot 5 = \dfrac{10\,000}{10} \cdot 5 = 1000 \cdot 5 = 5000 \text{ Дж}

Для другого провідника:

Q2=100220⋅5=10 00020⋅5=500⋅5=2500 ДжQ_2 = \dfrac{100^2}{20} \cdot 5 = \dfrac{10\,000}{20} \cdot 5 = 500 \cdot 5 = 2500 \text{ Дж}

Відповідь: У першому провіднику виділиться 5000 Дж (5 кДж), у другому — 2500 Дж (2,5 кДж).

3. Якою є максимально допустима потужність струму в пристрої, якщо його плавкий запобіжник розрахований на максимальний струм 6 А за напруги 220 В?

Дано:

I=6 АI = 6 \text{ А}
U=220 ВU = 220 \text{ В}

Знайти:

P−?P - ?

Розв’язання:

Потужність струму визначається за формулою:

P=UIP = UI
P=220⋅6=1320 ВтP = 220 \cdot 6 = 1320 \text{ Вт}

Відповідь: Максимально допустима потужність становить 1320 Вт (1,32 кВт).

4. Чому для запобігання займанню електропроводки особливу увагу необхідно приділяти якісному з’єднанню дротів один з одним та з приладами, які ввімкнено в мережу?

У місцях неякісного з’єднання провідників опір суттєво зростає. Згідно із законом Джоуля — Ленца, збільшення опору призводить до виділення значної кількості теплоти в місці контакту. Це викликає сильне локальне нагрівання, яке може призвести до плавлення ізоляції, іскріння та виникнення пожежі.

5. Електрокип’ятильник, в обмотці якого тече струм силою 2 А, за 5 хв нагріває 0,2 кг води від 14 °С до кипіння. Визначте напругу, подану на електрокип’ятильник. Втратами енергії знехтуйте.

Дано:

t=5 хв=300 сt = 5 \text{ хв} = 300 \text{ с}
m=0,2 кгm = 0,2 \text{ кг}
t1=14∘Ct_1 = 14^\circ \text{C}
t2=100∘Ct_2 = 100^\circ \text{C}
I=2 АI = 2 \text{ А}
c=4200 Джкг⋅∘Cc = 4200 \, \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot ^\circ \text{C}}

Знайти:

U−?U - ?

Розв’язання:

Обчислимо кількість теплоти, необхідну для нагрівання води до кипіння:

Qкор=cm(t2−t1)Q_{\text{кор}} = cm(t_2 - t_1)
Qкор=4200⋅0,2⋅(100−14)=840⋅86=72 240 ДжQ_{\text{кор}} = 4200 \cdot 0,2 \cdot (100 - 14) = 840 \cdot 86 = 72\,240 \text{ Дж}

Робота електричного струму визначається формулою:

A=UItA = UIt

За умовою втратами енергії нехтуємо, отже вся робота струму пішла на нагрівання води:

UIt=QкорUIt = Q_{\text{кор}}
U=QкорItU = \dfrac{Q_{\text{кор}}}{It}

U=72 2402⋅300=72 240600=120,4 ВU = \dfrac{72\,240}{2 \cdot 300} = \dfrac{72\,240}{600} = 120,4 \text{ В}

Відповідь: На електрокип’ятильник подано напругу 120,4 В.

6. Для приєднання зварювального апарата, який споживає струм силою 100 А, недосвідчений робітник вирішив скористатися освітлювальним шнуром. Чому ви, знаючи фізику, ніколи цього не зробите?

Це категорично заборонено й небезпечно. Освітлювальний шнур розрахований на невелику силу струму і має порівняно великий опір через малий переріз. Проходження струму силою 100 А призведе до виділення величезної кількості теплоти (згідно із законом Джоуля — Ленца теплота пропорційна квадрату струму). Це спричинить перегрівання проводів, розплавлення ізоляції та пожежу.

7. Якої довжини ніхромовий дріт треба взяти, щоб виготовити електричний камін, який працюватиме за напруги 120 В і виділятиме 1 МДж теплоти за годину? Діаметр дроту 0,5 мм.

Дано:

U=120 ВU = 120 \text{ В}
Q=1 МДж=106 ДжQ = 1 \text{ МДж} = 10^6 \text{ Дж}
t=1 год=3600 сt = 1 \text{ год} = 3600 \text{ с}
d=0,5 ммd = 0,5 \text{ мм}
ρ=1,1 Ом⋅мм2м\rho = 1,1 \, \dfrac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}}

Знайти:

L−?L - ?

Розв’язання:

Виразимо опір нагрівального елемента з формули закону Джоуля — Ленца:

Q=U2RtQ = \dfrac{U^2}{R}t

R=U2tQR = \dfrac{U^2t}{Q}

Опір провідника залежить від його геометричних розмірів та матеріалу:

R=ρLSR = \rho \dfrac{L}{S}

де S=πd24S = \dfrac{\pi d^2}{4}

Прирівняємо вирази для опору:

U2tQ=ρLS\dfrac{U^2t}{Q} = \rho \dfrac{L}{S}

L=U2t⋅SQ⋅ρ=U2t⋅πd24⋅Q⋅ρL = \dfrac{U^2t \cdot S}{Q \cdot \rho} = \dfrac{U^2t \cdot \pi d^2}{4 \cdot Q \cdot \rho}

Підставимо значення:

R=1202⋅36001 000 000=14 400⋅36001 000 000=51,84 ОмR = \dfrac{120^2 \cdot 3600}{1\,000\,000} = \dfrac{14\,400 \cdot 3600}{1\,000\,000} = 51,84 \text{ Ом}

S=3,14⋅0,524≈0,196 мм2S = \dfrac{3,14 \cdot 0,5^2}{4} \approx 0,196 \text{ мм}^2

L=51,84⋅0,1961,1≈9,24 мL = \dfrac{51,84 \cdot 0,196}{1,1} \approx 9,24 \text{ м}

Відповідь: Довжина ніхромового дроту має бути приблизно 9,24 м.

8. Праска — один із найпоширеніших нагрівальних пристроїв, здавна використовуваних людиною. Дізнайтесь історію створення праски та підготуйте коротке повідомлення.

Історія праски почалася ще в давнину, коли люди розгладжували тканину гарячим камінням або металевими молотками. У середньовіччі використовували «вугільні» праски — металеві скриньки, куди всередину насипали гаряче вугілля. Пізніше з’явилися суцільнолиті чавунні праски, які потрібно було довго гріти на печі. Революція відбулася у 1882 році, коли американець Генрі Сілі Вайт запатентував першу електричну праску. Сучасні прилади з терморегуляторами та парогенераторами з’явилися вже у XX столітті, що зробило процес прасування безпечним і легким.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

З’ясуйте потужність різних споживачів струму у вашій оселі.

Для виконання цього завдання я вивчив маркування на побутових приладах у себе вдома. Потужність світлодіодної лампи становить 10 Вт, ноутбука — приблизно 65 Вт, а телевізора — 100 Вт. Найбільш потужними приладами виявилися електричний чайник (2000 Вт), пилосос (1600 Вт) та пральна машина (2200 Вт у режимі нагрівання води).

Дізнайтеся, на яку силу струму розраховані запобіжники, що встановлені у вашому електролічильнику.

Я оглянув електрощиток у своїй квартирі та побачив, що на автоматичних запобіжниках вказане маркування «C16». Це означає, що запобіжники розраховані на максимальну силу струму 16 А.

Визначте, скільки споживачів і які саме можна одночасно ввімкнути в одне відгалуження проводки (у вашій оселі).

Безпечний варіант: Електричний чайник (2000 Вт) + Комп’ютер (65 Вт) + Освітлення (100 Вт) = 2165 Вт.

2165 Вт<3520 Вт2165 \text{ Вт} < 3520 \text{ Вт}

Таке навантаження є безпечним, запобіжник не розімкне коло.

Небезпечний варіант: Електричний чайник (2000 Вт) + Пральна машина (2200 Вт) = 4200 Вт.

4200 Вт>3520 Вт4200 \text{ Вт} > 3520 \text{ Вт}

Загальна потужність перевищує допустиму. У цьому випадку спрацює автоматичний запобіжник (біметалева пластина вигнеться і розімкне коло), щоб запобігти перегріванню проводки.

Поширити:

Оцініть матеріал

Натисніть на зірку для оцінки:

Коментарі

Залишити відповідь:

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься

Назад