Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)
§ 42. Теплова дія струму. Закон Джоуля — Ленца. Запобіжники
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Будь-який провідник під час проходження струму нагрівається. Об'єднайтеся в групи та влаштуйте гру: хто наведе більше прикладів використання теплової дії струму (у побуті, промисловості, сільському господарстві тощо). А потім спробуйте разом згадати приклади, коли теплова дія струму є шкідливою. Висуньте гіпотезу, чи можна регулювати теплову дію струму, а якщо можна — то як.
1. Чому струм чинить теплову дію?
Коли в провіднику йде струм, то вільні заряджені частинки, рухаючись під дією електричного поля, зіштовхуються з іншими частинками і передають їм частину своєї енергії. Наприклад, електрони в металах зіштовхуються з йонами, розташованими у вузлах кристалічної ґратки. У результаті середня швидкість хаотичного (теплового) руху частинок речовини збільшується — провідник нагрівається. Це означає, що кінетична енергія, набута вільними зарядженими частинками в результаті дії електричного поля, частково перетворилася на внутрішню енергію провідника.
Очевидно: чим частіше зіштовхуються частинки, тобто чим більший опір провідника, тим більше енергії передається провіднику і тим більше він нагрівається. Таким чином, кількість теплоти, яка виділяється в провіднику під час проходження струму, прямо пропорційна опору провідника.
Окрім того, зі збільшенням у провіднику сили струму кількість теплоти, що виділяється, теж збільшується. Адже що більше частинок проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу, то більше зіткнень частинок відбувається.
2. Дізнаємося про закон Джоуля — Ленца
Теплову дію струму незалежно один від одного вивчали на дослідах Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) та Емілій Ленц (1804-1865). Учені дійшли однакового висновку, який згодом отримав назву закон Джоуля — Ленца:
Кількість теплоти, яка виділяється в провіднику внаслідок проходження струму, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника й часу проходження струму:
Q = I2Rt
• На рис. 42.1 зображено схему досліду, який доводить закон Джоуля — Ленца. Спробуйте описати цей дослід самостійно.
Рис. 42.1. Схема досліду, який доводить закон Джоуля — Ленца: 1, 2 — електричні нагрівники (опір нагрівника 1 більший за опір нагрівника 2); 3 — калориметри з однаковою кількістю води; 4 — термометри
Закон Джоуля — Ленца був установлений експериментально. Тепер, знаючи формулу для розрахунку роботи струму (A = UIt), цей закон можна вивести за допомогою простих математичних викладень.
Якщо на ділянці кола, в якій тече струм, не виконується механічна робота й не відбуваються хімічні реакції, то результатом роботи електричного струму буде тільки нагрівання провідника. Отже, у цьому випадку згідно із законом збереження енергії кількість виділеної теплоти Q дорівнюватиме роботі А струму: Q = A.
Оскільки A = UIt , a U = IR, то: Q = UIt = IRIt = I2Rt.
Зверніть увагу!
• Роботу струму завжди можна визначити за формулою:
А = UIt.
• Кількість теплоти, яка виділяється в провіднику, завжди можна визначити за формулою:
Q = I2Rt.
Якщо ділянка кола містить тільки споживачі, в яких уся електрична енергія витрачається лише на нагрівання, то робота струму дорівнює кількості теплоти. У цьому випадку й роботу струму, й кількість теплоти можна визначити за будь-якою з формул:
• Якщо ж на ділянці кола є споживачі електричної енергії, в яких виконується механічна робота або відбуваються хімічні реакції, то формулами
користуватися не можна.
3. Які спільні риси електронагрівальних пристроїв?
Електричні нагрівальні пристрої широко застосовують у сільському господарстві, промисловості, на транспорті, в побуті.
Незважаючи на зовнішнє різноманіття, усі електронагрівники, використовувані на практиці, мають спільні риси.
По-перше, робота всіх електричних нагрівників ґрунтується на тепловій дії струму: у таких пристроях енергія електричного струму перетворюється на внутрішню енергію нагрівника, який, зі свого боку, віддає енергію довкіллю шляхом теплопередачі (рис. 42.2).
Рис. 42.2. Щоб збільшити тепловіддачу, поверхню обігрівача роблять ребристою, а нагрівальну поверхню електроплити виготовляють із темних металів
По-друге, основною частиною будь-якого електронагрівника є нагрівальний елемент — провідник, який нагрівається в разі проходження струму (рис. 42.3). Нагрівальні елементи мають витримувати дуже високу температуру, тому їх виготовляють із тугоплавких матеріалів, тобто з матеріалів, які мають високу температуру плавлення. Щоб уникнути ураження струмом, нагрівальний елемент ізолюють від корпусу нагрівального пристрою.
Рис. 42.3. Основна частина будь-якого електричного нагрівального пристрою — нагрівальний елемент
За законом Джоуля — Ленца кількість теплоти Q, що виділяється в нагрівальному елементі, обчислюється за формулою Q = I2Rt, отже, змінюючи час нагрівання або силу струму в нагрівальному елементі, можна регулювати температуру нагрівника (рис. 42.4).
Рис. 42.4. Повертаючи тумблер праски, ми вибираємо певний температурний режим
Підвідні проводи та нагрівальний елемент з’єднані послідовно, тому сила струму в них є однаковою. При цьому підвідні проводи нагріваються набагато менше, ніж нагрівальний елемент. Це означає, що опір підвідних проводів у багато разів менший від опору нагрівального елемента. Зазвичай нагрівальні елементи виготовляють із речовин з великим питомим опором, а підвідні проводи — із речовин з малим питомим опором.
ДОСЛІДЖЕННЯ
Що знадобиться: резистор; лампочка на підставці; три з’єднувальні проводи; батарея гальванічних елементів (або інше джерело живлення).
З’єднайте резистор послідовно з лампою та приєднайте до джерела живлення (сила струму в лампі та резисторі буде однаковою). Зачекайте 5 секунд і розімкніть коло. Тепер торкніться резистора пальцем. Чи нагрівся резистор так само сильно, як і нитка розжарення лампи? Поясніть результат досліду.
4. Чому інколи сила струму в колі різко збільшується?
Опір підвідних проводів досить малий, проте в разі значного збільшення сили струму вони дуже нагріваються, і це може стати причиною пожежі.
• Згадайте заставку до § 40. Чи не ризикує людина, яка приєднала до подовжувана таку кількість споживачів струму? Який спосіб розв'язання проблеми ви можете запропонувати?
Різко збільшується сила струму в колі й у випадку короткого замикання — з’єднання кінців ділянки кола провідником, опір якого дуже малий порівняно з опором даної ділянки. Так, коротке замикання може виникнути в разі порушення ізоляції проводів або під час ремонту елементів електричного кола, які перебувають під напругою (нагадаємо, що це є смертельно небезпечним!).
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Щорічно у світі виникає понад 3 мільйони пожеж. Збитки від них сягають десятки мільярдів доларів, а головне — гинуть люди. Статистичні дані свідчать про те, що майже 80 % пожеж трапляються з вини людини. А друге місце після необережного поводження з вогнем посідає загоряння проводки внаслідок короткого замикання. Поміркуйте над цим!
5. Як працюють запобіжники?
Щоб уникнути пожежі в разі короткого замикання або перевантаження електричного кола, а також не допустити псування споживачів електричної енергії під час небезпечного збільшення сили струму, використовують запобіжники — пристрої, які розмикають коло в разі, якщо сила струму в ньому збільшиться понад норму (рис. 42.5, 42.6).
Увага! Дуже небезпечно застосовувати несправні запобіжники або саморобні запобіжні пристрої. Якщо в разі збільшення сили струму понад норму коло своєчасно не розімкнеться, виникне пожежа.
• Сподіваємося, вам буде нескладно пояснити, як працюють плавкі запобіжники (див. рис. 42.6).
Рис. 42.5. Автоматичні запобіжники. Робоча частина автоматичного запобіжника — біметалева пластина. У разі збільшення сили струму понад норму біметалева пластина вигинається, в результаті чого коло розмикається. Після охолодження запобіжник знову можна повернути в робочий стан
Рис. 42.6. Плавкі запобіжники, які застосовують у радіотехніці. Усередені скляної або керамічної трубочки з металевими наконечниками натягнутий тонкий дріт із легкоплавкого матеріалу
А ЯК НАСПРАВДІ?
— Я щойно полагодив твій програвач! — радісно звернувся Платон до дідуся. — Послухаймо? Де твої платівки?
— Зачекай, звідки ти взяв потрібний запобіжник?
— Та в мене був. Щоправда, він розрахований на більшу силу струму. Але ж програвач працює, дивись! — і Платон натиснув кнопку.
— Негайно вимкни! — кинувся до онука дідусь. — Після такого «ремонту» я взагалі можу залишитися без програвача.
Хто, на вашу думку, має рацію?
6. Учимося розв’язувати задачі
Задача 1. Визначте опір нагрівника, за допомогою якого можна за 5 хв довести до кипіння 1,5 кг води, взятої за температури 12 °С. Напруга в мережі дорівнює 220 В, ККД нагрівника — 84 %.
Аналіз фізичної проблеми. Коли в нагрівнику проходить електричний струм, виділяється кількість теплоти Qповна. Частина її (Qкop) витрачається на нагрівання води до кипіння, тобто до 100 °С.
Подавши Qповна і Qкop через зазначені в умові задачі величини, знайдемо шукану величину. Значення питомої теплоємності с води знайдемо у відповідній таблиці (див. табл. 1 Додатка 1).
Задача 2. Автоматичний запобіжник у квартирному електролічильнику розрахований на силу струму 10 А. Чи спрацює запобіжник, якщо одночасно ввімкнути лампу споживною потужністю 200 Вт, пральну машину потужністю 800 Вт, електричний чайник потужністю 1400 Вт? Напруга в мережі 220 В.
Аналіз фізичної проблеми. Для розв’язання задачі необхідно визначити загальну потужність Рзаг увімкнених споживачів. Якщо Рзаг споживачів менша від максимально можливої потужності струму Рmах, на яку розрахований запобіжник, то запобіжник не спрацює, якщо більша — він розімкне коло.
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Чому нагріваються провідники, в яких тече електричний струм? 2. Сформулюйте закон Джоуля — Ленца. 3. Які формули для розрахунку кількості теплоти, що виділяється в провіднику внаслідок проходження струму, ви знаєте? Чи завжди можна ними користуватися? 4. Які перетворення енергії відбуваються всередині електронагрівника в разі його ввімкнення в електричне коло? 5. Які властивості повинен мати метал, із якого виготовляють нагрівальний елемент? 6. Чому нагрівальний елемент має бути ізольований від корпусу нагрівального приладу? 7. Що може стати причиною надмірного збільшення сили струму в електричному колі? До чого це може призвести? 8. З якою метою застосовують запобіжники? 9. Поясніть принцип дії автоматичного запобіжника.
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?
2. Два провідники опорами 10 і 20 Ом увімкнуті в мережу, що має напругу 100 В. Яка кількість теплоти виділиться за 5 с у кожному провіднику, якщо вони з’єднані паралельно?
3. Якою є максимально допустима потужність струму в пристрої, якщо його плавкий запобіжник розрахований на максимальний струм 6 А за напруги 220 В?
4. Чому для запобігання займанню електропроводки особливу увагу слід приділяти якісному з’єднанню дротів один з одним та з приладами, які ввімкнено в мережу?
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.
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?
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.
8. Праска — один із найпоширеніших нагрівальних пристроїв, здавна використовуваних людиною. Дізнайтеся про історію створення праски та підготуйте коротке повідомлення.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
За паспортами й інструкціями до різних споживачів струму у вашій оселі з’ясуйте їхню потужність. Дізнайтеся, на яку силу струму розраховані запобіжники, що встановлені в електролічильнику. Визначте, скільки споживачів і які саме можна одночасно ввімкнути в одне відгалуження проводки.
Ключові терміни
Теплова дія струму • Закон Джоуля — Ленца • Нагрівальний елемент • Коротке замикання • Запобіжники
ФІЗИКА І ТЕХНІКА В УКРАЇНІ
Історія Львівського національного університету ім. Івана Франка починається в XVII ст.: у 1661 р. польський король підписав диплом, що надавав єзуїтській колегії у Львові «гідність академії і титул університету». У 1773 р. орден єзуїтів було заборонено, а університет закрито. У 1784 р. імператор Йосиф II відновив роботу університету з латинською мовою викладання.
За століття, що минули з того часу, університет став одним із найпрестіжніших освітніх закладів України, здобув високий міжнародний авторитет, став потужним науковим осередком. Основу наукового потенціалу університету складають відомі в Україні та світі наукові школи: фізика твердого тіла, теоретична фізика, фізико-хімія полімерів, кристалохімія, біоенергетика й електрофізіологія секреторних клітин, мінералогічна школа академіка Є. К. Лазаренка.
