Фізика. 8 клас. Максимович
§ 32. Закон Джоуля — Ленца
Чи звертали ви увагу на те, що всі лінії електропередач дещо провисають — улітку більше, а взимку менше. Чому?
Дізнайтеся про...
- фізичну природу теплової дії струму;
- закон Джоуля — Ленца.
1. Фізична природа теплової дії струму
Влітку провисання проводів можна пояснити тепловим розширенням твердих тіл через високу температуру повітря. А взимку, коли температура повітря низька, вони все одно провисають. Отже, провисання проводів пов’язане не тільки з їх нагріванням сонячним випромінюванням, а й з проходженням через них електричного струму.
Електричний струм у металах — це впорядкований рух вільних електронів під дією електричного поля. Провідники виготовлені з металів, у вузлах кристалічних ґраток яких розміщені позитивні йони. Під час проходження струму в провіднику відбувається взаємодія вільних електронів з йонами кристалічної ґратки (виникає електричний опір). Електрони віддають частину своєї енергії йонам. Інтенсивність коливань йонів збільшується, і температура провідника зростає. А від чого залежить кількість відданої енергії?
Якщо скласти електричне коло з двох послідовно з’єднаних провідників однакової довжини та площі поперечного перерізу, виготовлених з міді та сталі, пропустити через них електричний струм, то можна переконатися, що теплова енергія, яка виділяється в них, є різною — у сталевому провіднику вона більша. Чим більший опір провідника, тим більше він нагрівається.
Складемо електричне коло, споживачем у якому є лампа розжарювання.
Будемо пропускати через неї електричний струм. Розжарювання спіралі лампи зростає в разі збільшення сили струму в колі. Це свідчить про те, що кількість теплоти, яка виділяється під час проходження струму по спіралі, збільшилася (мал. 32.1). Отже, у разі збільшення сили струму в провіднику кількість теплоти, що виділяється в ньому, теж збільшується.
Мал. 32.1. Зміна розжарювання спіралі лампи зі зміною сили струму в колі
Поміркуйте і дайте відповідь
1. Про який електроприлад ідеться в загадці: «Гладить все, чого торкається, а торкнеш — кусається»? Яка дія електричного струму покладена в основу його роботи?
2. Закон Джоуля — Ленца
Фізичний закон, що дає кількісну оцінку теплової дії електричного струму, відкрив у 1841 році англійський фізик Джеймс Джоуль і незалежно від нього науковець німецького походження Емілій Ленц у 1842 році. Вони працювали окремо і висновки з результатів своїх досліджень робили незалежно один від одного. Щоб вшанувати роботу обох науковців, закон назвали їхніми прізвищами — закон Джоуля — Ленца.
Кількість теплоти, яка виділяється в провіднику зі струмом, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника й часу проходження струму.
Математично цей закон записують так:
Q = I2Rt,
де Q — кількість теплоти, I — сила струму, R — опір провідника, t — час протікання струму.
Джеймс Джоуль
Емілій Ленц
Поміркуйте і дайте відповідь
1. Чому в нагрівальних елементах використовують провідники з великим питомим опором, а в підвідних колах — провідники з малим питомим опором?
3. Приклад розв’язування задачі
Задача. Визначте кількість теплоти, що виділиться за 30 хв в електричному чайнику, увімкненому в мережу 220 В. Опір спіралі чайника дорівнює 100 Ом. Яку масу води можна було б нагріти на 80 °С, використовуючи всю теплоту, що виділяється під час проходження струму через спіраль електрочайника?
Запам'ятайте
Чим більший опір провідника, тим більше він нагрівається.
У разі збільшення сили струму в провіднику кількість теплоти, що виділяється в ньому, збільшується.
Закон Джоуля — Ленца: кількість теплоти, яка виділяється в провіднику зі струмом, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника й часу проходження струму.
Перевірте себе
1. Яку дію електричного струму ви спостерігаєте у процесі, зображеному на малюнку 32.2? Які перетворення енергії відбуваються?
Мал. 32.2. Фритюрниця електрична
2. Визначте кількість теплоти, що виділиться в резисторі опором 10 Ом за 30 с, якщо через нього проходить струм силою 0,4 А.
3. Під час проходження через провідник струму силою 3 А за 5 хв у ньому виділилося 2700 Дж енергії. Визначте опір провідника.
4. Визначте кількість теплоти (у МДж), що виділиться за 30 хв роботи електронагрівача, увімкненого в мережу напругою 220 В. Спіраль нагрівана виготовлена з ніхромового дроту довжиною 22 см і площею поперечного перерізу 6,6 мм2.
5. Використовуючи дані електричної схеми (мал. 32.3), установіть, у якому з резисторів виділиться протягом однакового часу більша кількість теплоти і в скільки разів.
Мал. 32.3. Електричне коло
