Для школьников.
Электрический ток проявляет себя по тепловому, химическому (наблюдается в электролитах) и магнитному (действие тока на магнитную стрелку или другой проводник с током) действиям.
Тепловое действие проявляется в том, что при протекании тока по проводнику (пусть это будет провод), проводник нагревается. Выделившееся при этом количество теплоты равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника и на время протекания тока по проводнику:
Такая зависимость была установлена опытным путём русским физиком Ленцем и английским физиком Джоулем независимо друг от друга, и носит название закона Джоуля - Ленца.
Проверить эту зависимость можно с помощью калориметра.
Для этого в калориметр (закрытый сосуд с двойными стенками) надо налить воду и опустить в неё проводник с известным сопротивлением (на рисунке он показан в виде спирали). Проводник подключен к электрической цепи.
Количество теплоты, выделившееся при прохождении тока по проводнику, равно количеству теплоты, полученному водой, и найдётся из формулы
то есть количество теплоты, полученное водой, равно произведению теплоёмкости воды на массу воды в калориметре и на разность конечной и начальной температур воды.
Меняя силу тока в проводнике убедимся, что количество выделившейся теплоты пропорционально квадрату силы тока.
Опуская в воду проводники разных сопротивлений и пропуская по ним одинаковый ток убедимся, что количество выделившейся теплоты пропорционально сопротивлениям проводников.
Пропуская ток в течение разных промежутков времени убедимся, что количество выделившейся теплоты пропорционально промежутку времени.
Таким образом, экспериментально можно проверить справедливость закона Джоуля - Ленца:
Выражение закона Джоуля - Ленца, полученное из опыта, надо подтвердить теорией. Сделаем это.
В Занятии 50, рассматривая разность потенциалов между двумя точками электрического поля (или электрическое напряжение между ними), мы получили формулу, связывающую это напряжение с работой сил электрического поля:
Вспомним, каков физический смысл последнего уравнения:
Напряжение между двумя точками электрического поля численно равно работе, совершаемой электрической силой при переносе единичного положительного заряда из одной точки поля в другую
или
Напряжение между двумя точками электрического поля равно отношению работы, совершённой электрической силой при переносе заряда из одной точки в другую, к величине этого заряда.
В Занятии 56 дано определение силы тока:
Под силой тока в проводнике понимается заряд, переносимый через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Объединив эти формулы, получим выражение для работы, совершаемой силой электрического поля (или кратко её называют работой тока):
Для однородного участка цепи (не содержащего источник тока) выполняется закон Ома в таком виде:
Тогда работа тока
Если проводник с током неподвижен, то вся эта работа, совершаемая силой электрического поля (или электрическим полем) перейдёт в тепло. Тогда
Таким образом, рассуждая теоретически, приходим к такому же выражению, называемому законом Джоуля - Ленца.
Задача.
Чередующиеся куски медной, железной и никелиновой проволок одинаковых размеров, спаянные между собой последовательно, включены в электрическую цепь. Какие проволоки будут нагреваться сильнее?
Решение. При последовательном соединении проволок по ним течёт один и тот же ток. Тогда, согласно закону Джоуля - Ленца,
сильнее будут нагреваться проводники, имеющие большее сопротивление. Сопротивления кусков проволоки одинаковых размеров пропорциональны удельным сопротивлениям материала проволок:
Удельное сопротивление меди равно 1,7 10 -8 Ом м;
железа 12 10 -8 Ом м;
никелина (сплава меди, никеля и марганца) равно 40 10 -8 Ом м.
Таким образом, при последовательном соединении сильнее всего будет нагреваться никелиновая проволока. Меньше всего нагревается медная проволока, поэтому она и используется в качестве электрических проводов.
Провод и нить лампочки накаливания в электрической цепи соединены последовательно. Теперь можем ответить на такой вопрос:
Почему при одном и том же токе нить лампочки раскаляется добела, а провод практически не нагревается?
Ответ: потому что удельное сопротивление вольфрама гораздо больше удельного сопротивления меди.
Теперь к этой задаче поставим другой вопрос:
Какие проволоки будут нагреваться сильнее, если их соединить между собой параллельно?
Здесь закон Джоуля - Ленца лучше выразить через напряжение, так как при параллельном соединении кусков проволоки они будут находиться под одинаковым напряжением:
Согласно этой формуле, при параллельном соединении кусков проволок, чем меньше сопротивление проволоки, тем больше ею выделяется тепла, то есть больше всего тепла выделит медная проволока.
(см. продолжение в следующей статье)
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Решение задач на закон Ома для цепи с конденсаторами.
Следующая запись: Работа тока. Объяснение теплового действия тока электронной теорией. "Скорость тока".
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ниже идут ссылки на статьи, опубликованные после занятия 58 на тему "Тепловое действие тока", электричество и магнетизм.
Работа тока. Объяснение теплового действия тока электронной теорией.
Работа и мощность электрического тока. Лампы накаливания.
Решение задач на мощность тока.
Полезная мощность. Полная мощность. КПД электрической цепи.
Ещё раз о зарядке и разрядке конденсатора.
Решение задач на нахождение мощности и КПД в цепях постоянного тока.
Занятие 59. Электрический ток в электролитах.
Нахождение массы вещества, выделившегося на электродах.
Устройство и принцип работы аккумулятора.
Занятие 60. Электрический ток в газах.
Ионизация и пробой воздуха.
Занятие 61. Электрический ток в вакууме. Электронные лампы.
Занятие 62. Электрический ток в полупроводниках.
Принцип работы полупроводниковых триодов.
Усилительные свойства полупроводниковых триодов.
Занятие 63. Магнитное поле постоянного тока.
Что происходит в железе при его намагничивании? Магнитное поле Земли.
Занятие 64. Намагничивание ферромагнетиков. Потери энергии от гистерезиса.
Занятие 65. Применение теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции.
Занятие 66. Действие магнитного поля на электрический ток. Сила Ампера.
Занятие 67. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.
Поведение электрона в электрическом и магнитном полях.
Занятие 68. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца.
Вихревые токи в массивных проводниках.
Возникновение ЭДС индукции в движущихся проводниках.
Занятие 69. Самоиндукция. Индуктивность соленоида.
Энергия магнитного поля. Взаимная индукция. Решение задач на электромагнитную индукцию.
Занятие 70. Принцип работы генераторов переменного и постоянного тока.
