Для школьников.
В предыдущей статье говорилось о том, что прохождение тока по проводнику сопровождается выделением тепла. Количество выделившейся теплоты находится по формуле:
Такая зависимость между количеством выделившейся теплоты, силой тока в проводнике, временем его прохождения по проводнику и сопротивлением проводника была получена опытным путём Ленцем и Джоулем, и носит название закона Джоуля - Ленца.
Такая же формула получается из теории с использованием понятий электрического напряжения и силы тока.
Направленное движение свободных электронов в проводнике (электрический ток) появляется только, если между концами проводника создано электрическое напряжение (или в проводнике создано электрическое поле).
Тогда силы электрического поля, перемещая свободные электроны в проводнике, совершают работу (ещё говорят, что работу совершает электрическое поле).
Работа всегда совершается за счёт энергии, в данном случае она совершается за счёт энергии электрического поля (электрической энергии).
Работа электрического поля находится через произведение электрического заряда, протекающего через сечение проводника, и напряжения между концами проводника:
Переносимый через сечение проводника заряд можно выразить через произведение силы тока на время протекания тока через сечение проводника:
Тогда имеем
Это основная формула для нахождения работы тока, она применима во всех случаях.
Если проводник однородный (пусть это будет часть провода), то
Тогда для работы тока получим ещё два уравнения, которые можно применять для нахождения работы тока в однородном (не содержащем источник тока) участке цепи:
В неподвижном однородном проводнике вся совершённая током работа переходит в тепло
Пришли к такому же уравнению, которое Ленц и Джоуль получили опытным путём.
Итак, при прохождении тока по однородному неподвижному участку цепи вся энергия электрического поля (электрическая энергия) переходит в тепловую энергию.
Если проходящий по проводнику ток совершает ещё и механическую работу (например, заставляя работать мотор), то работа тока лишь частично переходит в тепло, а частично идёт на совершение внешней работы (работы мотора), которая больше выделившегося тепла.
Какие бы случаи не рассматривались, закон Джоуля - Ленца
всегда справедлив для нахождения теплоты, выделившейся при прохождении по проводнику электрического тока.
Выделяющееся тепло нагревает проводник и окружающую среду.
Чем больше ток в проводнике, тем выше его температура и тем больше тепла теряется (уходит в окружающее пространство).
Но температура проводника не может повышаться всё время. Через некоторый промежуток времени наступает тепловое равновесие - температура проводника достигает такого значения, когда потери тепла в окружающее пространство становятся равными количеству тепла, выделяемому проводником за то же время.
Величина установившейся температуры проводника зависит от тока, температуры окружающей среды, от материала проводника, его сечения и других факторов.
Важно, чтобы установившаяся температура проводника (провода) не была слишком высокой, а ток в проводнике не превышал некоторого значения (номинального тока).
Но почему проводник с током выделяет тепло?
Посмотрим, как отвечает на этот вопрос электронная теория (электронная теория - это теория, объясняющая свойства тел наличием и движением в них электронов).
На пути направленного движения электронов в проводнике находятся ионы кристаллической решётки металла. Сталкиваясь с ними, электроны передают свою кинетическую энергию ионам решётки, заставляя их более интенсивно колебаться около своих положений равновесия. Энергия колебательного движения ионов и определяет температуру проводника.
Чем больше напряжение между концами проводника, тем больше ток в проводнике и тем больше скорость упорядоченного движения электронов, то есть тем большей энергией они обладают. Возрастает энергия колебательного движения ионов, увеличивается температура проводника.
Так энергия электрического тока преобразуется в энергию теплового движения ионов, составляющих кристаллическую решётку металла.
Свойство электрической энергии превращаться в тепловую энергию широко используется в электронагревательных приборах, в работе ламп накаливания.
С увеличением температуры растёт электрическое сопротивление проводника, так как с увеличением энергии колебательного движения ионов, число столкновений с ними свободных электронов растёт.
Ещё подумаем над ответом на такой вопрос:
Почему говорят о скорости упорядоченного движения электронов в металле ( она составляет несколько мм в секунду), когда на свободный электрон в металле действует электрическая сила (он должен двигаться с ускорением)?
На этот вопрос электронная теория даёт такой ответ.
При движении электрона от столкновения с ионом до следующего столкновения электрон двигается с ускорением. Но если взять некоторое расстояние, пройденное электроном в направлении против поля (при упорядоченном движении электронов), то на электрон действует и электрическая сила, и уравновешивающая её сила сопротивления со стороны решётки. Равнодействующая этих сил равна нулю, что соответствует равномерному движению.
Тогда возникает другой вопрос: почему при замыкании электрической цепи лампочки начинают светить сразу, с какой скоростью распространяется ток по проводам?
Прежде рассмотрим опыт, позволяющий наглядно продемонстрировать условия существования тока в проводнике и порассуждать, как происходит передача электрической энергии по проводам и с какой скоростью.
Вверху рисунка показан ключ, которым можно замкнуть или левую половину цепи, или правую.
В левой половине рисунка изображена электрическая машина, механическим вращением её дисков осуществляют разделение положительных и отрицательных зарядов и подачей их на обкладки конденсатора. В электрической машине механическая энергия преобразуется в электрическую.
Между обкладками конденсатора создаётся разность потенциалов, на которую указывает угол расхождения листков электрометра.
Зарядив конденсатор и повернув ключ вправо, замыкают правую половину цепи, включающую в себя конденсатор, гальванометр и лампочку.
Между концами провода, подключенного к конденсатору, возникла разность потенциалов и по нему прошёл ток, который проявил себя по накалу нити лампочки, то есть при прохождении тока по нити лампочки выделилась энергия в виде света и тепла.
Электрическая энергия поля конденсатора перешла в световую и тепловую энергию. Конденсатор разрядился, на это укажет опадание листков электрометра.
Процесс прохождения заряда по проводнику электронная теория описывает так.
Так как ток - это направленное движение электронов. а электроны находятся в избытке на отрицательной обкладке конденсатора, то они начинают стекать с неё, то есть перемещаться в ближний участок провода - на этом участке начинается движение электронов, изменяющее электрическое поле участка. Затем такой же процесс будет происходить в соседнем участке провода и так далее.
Одновременно, вследствие индукции, уменьшается положительный заряд второй обкладки, к ней электроны притекают из соседнего участка провода.
Так движение электронов (и изменение электрического поля) передаётся от одного участка провода к другому. Когда движение электронов дойдёт до лампочки, она вспыхнет. Это происходит практически сразу при замыкании ключа.
Считается, что этот процесс происходит со скоростью близкой к скорости света - это и есть "скорость тока".
Не надо думать, что электроны в этом опыте перемещаются от одной обкладки конденсатора до другой - они лишь передают энергию электронам соседних участков.
Со "скоростью тока" распространяется электрическое поле в проводе или электрическая энергия. Скорость же упорядоченного движения электронов при этом составляет всего несколько мм в секунду.
Итак, в статье рассмотрено, как электронная теория объясняет выделение теплоты при прохождении тока по проводнику (превращение электрической энергии в тепловую) и механизм распространения тока по проводам. Выделение тепла связывается со столкновениями электронов при их упорядоченном движении в проводнике с ионами кристаллической решётки проводника. Скорость распространения тока в проводнике связывается со скоростью распространения электрического поля в нём посредством свободных электронов.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Спасибо.
Предыдущая запись: Занятие 58. Тепловое действие тока. Закон Джоуля - Ленца.
Следующая запись: Работа и мощность электрического тока. Лампы накаливания.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
