Методическая разработка Электродинамика (стр. 14 )

Тепловое действие тока.

1. Закон Джоуля – Ленца.

2. Переходное сопротивление и его роль в работе потребителей, выключателей, электрических розеток и мест соединения проводов.

3. Применение теплового действия тока.

4. Плавкие предохранители.

5. Тепловое реле.

6. Термоэлектричество.

Конспект.

Если по проводнику проходит ток, то проводник нагревается за счет того, что электроны сталкиваются с атомами: Q = I²Rt, где Q – количество выделенной теплоты, Дж; I – сила тока, в амперах; R – сопротивление проводника, Ом; t – время прохождения тока, с.

Этот закон Джоуля – Ленца показывает, от чего и как зависит количество выделенного тока. Главное в формуле – сила тока в квадрате - I².

1. Пример: если I ↑ 8 раз, то Q ↑ 64 раза.

2. В местах с плохими контактами (большое переходное сопротивление) ток идет через малые точки соприкосновения, поэтому плохие контакты очень сильно нагреваются. Плотный и чистый контакт – всегда обязателен. Плохой контакт – основа для пожара.

3. Применение: все нагревательные приборы, лампочки, мощные прожекторы, электросварка, электропечи, тепловые реле – защита от перегрузки.

4. Плавкие предохранители – тонкие проволочки, рассчитанные на определенную силу тока. Включается в разрыв каждого провода, идущего от источника (последовательно). Ток выше нормы – проволочки перегорают, цепь выключается сама.

5. Тепловое реле – биметаллическая пластинка (из двух разных металлов). При нагревании изгибается – контакты или размыкаются, или замыкаются – автомат защиты, терморегулятор.

Пояснения к теме “Тепловое действие тока”.

Мы об этом уже несколько раз говорили: когда ток идее по проводнику, электроны сталкиваются с атомами. А так как движущиеся электроны обладают энергией, которую они получили от источника, то эта энергия переходит в тепловую энергию.

Тот факт, что проводник нагревается при прохождении тока, широко применяется во всех электронагревательных и осветительных приборах, а также в электросварке и электроплавильных печах – это полезное применение явления.

Но не надо забывать, что проводники нагреваются и в том случае, когда это не только не нужно, но даже и вредно – нагреваются обмотки всех электрических машин, нагреваются провода линии электропередачи – чем больше сила тока, тем сильнее нагреваются (ток в 5 раз больше – теплоты в 25 раз больше). Поэтому, зная силу тока, надо заранее подумать, какого сечения выбрать проводник, чтобы он нагревался в пределах допустимой температуры. Так, например, для электрического шнура допустимо на каждый квадратный миллиметр 10 – 12 ампер, а для обмотки трансформатора – на каждый квадратный миллиметр всего 2 -3 ампера – обмотка плохо охлаждается в воздухе. Число, показывающее, сколько ампер можно допустить на 1 мм² проводника, называется плотностью тока.

Закон Джоуля – Ленца.

Q = I²Rt (Дж) – это закон Джоуля – Ленца – двух ученых, которые примерно в одно время установили, от чего и как зависит количество выделяемой теплоты в проводнике.

A = I²Rt – это формула электрической энергии. Формула работы – тепловая энергия – это один из видов энергии, в которую может перейти электрическая энергия.

Как всегда, надо увидеть физическую сущность формулы и научиться применять эту сущность в практических условиях. Из формулы видно, что количество теплоты зависит не просто от силы тока, а от квадрата силы тока. Это означает, что даже небольшие изменения силы тока должны заметно отразиться на количестве выделяемой теплоты: I↓ → Q↓.

Внимание: очень важное замечание.

Особое внимание, глядя на формулу, следует обратить и на тот факт, что количество теплоты зависит и от сопротивления R.

Это относится не столько к сопротивлению потребителя, сколько к местам с плохими контактами, где возникает очень большое, так называемое переходное, сопротивление.

Плохо зачищенные и плохо прижатые контакты касаются не по всей поверхности, а только острыми выступающими точками – эти точки сильно нагреваются, сопротивление еще больше становится, контакт еще ухудшается – словом, все условия для пожара подготовлены. Обычно контакты разрушаются, спекаются, привариваются.

Это надо всегда помнить – все контакты должны быть чистыми и плотными, гайки и винты – затянутыми, под проводами – шайбы. В местах соединения провода надо сильно скручивать и затягивать, а при возможности – пропаять.

Плавкие предохранители.

Если сила тока в цепи превышает норму, то потребители, а иногда и соединительные провода и источники сильно нагреваются и могут выйти из строя. Во избежание такой неприятности цепь в таком случае должна сама разомкнуться, выключиться.

Простейшим автоматическим выключателем может служить плавкий предохранитель (обратно предохранитель не включается – надо заменить плавкие вставки).

На схеме показано, куда включаются предохранители – в разрыв каждого провода, последовательно – как выключатель. Иногда включают и один предохранитель.

Идея работы плавкого предохранителя очень проста – сечение проводника в плавкой вставке значительно меньше сечения соединительных проводов и проводников в потребителе. И провод чаще всего применяют свинцовый – меньше температура плавления, чем у меди и алюминия.

Поэтому, как только сила тока в 2 – 2,5 раза превысит норму, перегревается и плавится в первую очередь вставка и цепь разрывается, все выключается. Надо “менять пробку” – так говорят обычно дома. Или “сгорел предохранитель – надо менять” – это о телевизоре.

Но – и это обязательно – предохранитель должен стоять именно такой, как указано в паспорте. Нельзя применять какие попало проводники – или будет пожар, или пропал телевизор…

Тепловое реле.

Если нагреть полоску из металла, она удлиняется – это известно из физики. Каждый металл при нагревании удлиняется по-разному – это и положено в основу работы биметаллической пластинки – пластинки из двух разных металлов, склепанных или сваренных в одну.

При нагревании биметаллическая пластинка не просто удлиняется – она изгибается; на рисунке слева вы видите пластинку из меди и железа. При нагревании она изогнется в сторону железа.

Здесь нарисована схема простейшего автомата – “мигалки”. Ток проходит через пластинку и контакты 2 и 2. При нагревании пластинки от тепла лампочки пластинка изогнется и контакты 2-3 разомкнутся – лампочка потухнет. Пластинка остынет, выпрямится, контакты вновь замкнутся – лампочка загорится, и все повторится сначала – лампочка начнет мигать с определенной частотой – это зависит от длины и толщины пластинки и от расстояния до лампочки.

Примерно то же самое происходит и в утюге с терморегулятором, и в различных печах с терморегулятором, и в домашней “автоматической” пробке, и во многих автоматах, задача которых – выключить цепь, если сила тока превышает норму, - пластинка нагревается током, идущим по цепи, и выключает эту же цепь. Во многих случаях пластинка назад не возвращается – сработала механическая защелка, надо нажать на кнопку “Возврат”.

Термоэлектричество.

При прохождении тока проводники нагреваются – и электрическая энергия переходит в тепловую.

А так как в природе все явления обратимы, то должно быть и наоборот – тепловая энергия должна перейти в электрическую. Раз должна – значит будет. Простейшее устройство для этого – термопара.

Если концы двух разных металлов, а лучше сплавов, например манганин – константан – 50 мВ/ град, а еще лучше хромель – копель 620 мВ/ град (хромель – сплав никеля с хромом, копель – сплав никеля с медью), сварить и подогреть, то на холодных возникает так называемая термо-ЭДС. Если к этим концам подключить потребитель, то через него пойдет ток.

ЭДС получается небольшая, сила тока зависит от толщины проводников термопары и, конечно, от температуры, но факт есть факт – тепловую энергию можно сразу преобразовать в электрическую.

И это явление можно использовать там, где бесполезно пропадает теплота, а также для различного рода измерений, связанных с наличием теплоты, - для измерения температуры выхлопных газов, температуры в печах и т. п.

В некоторых случаях применяются термопары и в качестве генераторов электрической энергии – термоэлектрогенераторов (КПД = 7 %).

Соединение потребителей.

1. Виды соединений – зачем нужен каждый вид.

2. Параллельное соединение.

3. Последовательное соединение.

4. Смешанное соединение.

Электрическая цепь состоит из источника, соединительных проводов и потребителей. Чаще всего применяется несколько потребителей, работающих одновременно или по отдельности.

Каждый потребитель рассчитан на определенное напряжение и на определенную силу тока. Как бы потребитель не включался, он должен получить то, что ему положено, в противном случае потребитель или сгорит (слишком много), или будет работать плохо (слишком мало). Впрочем, если к электродвигателям подвести слишком “мало” напряжения, то он почему-то сгорают… Останавливаются и сгорают.

Каждый источник тоже рассчитан отдавать определенную мощность при определенном напряжении и силе тока.

Все вышесказанное приводит к тому, что потребители (и источники) приходится соединять между собой тремя разными способами:

Посмотрите на схемы – это совершенно разные способы соединения, и абсолютно недопустимо использовать одно вместо другого.

Параллельное соединение потребителей.

Конспект.

1. Начала всех – вместе – к плюсу источника, концы всех – вместе – к минусу источника.

2. Не зависят друг от друга – любой включай, любой выключай.

3. U= U= U= … U – напряжение на всех одинаково, как у источника.

4. I= U/ R; I= U/ R - сила тока у каждого своя – закон Ома.