Тепловое действие электрического тока. Реферат тепловое действие тока

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Количество просмотров публикации ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА - 931

Основные понятия.Поступательные движения свободных электронов в проводнике, создающее электрический ток, вызывает столкновение электронов с атомами или молекулами внутри проводника. При таких столкновениях электроны сообщают атомам или молекулам дополнительную энергию и усиливают их беспорядочное тепловое движение (колебания). Последнее проявляется в виде выделœения тепла проводником.

Нагревание проводника током является естественным следствием того, что проводник представляет собой неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сопротивление току. Роль электрического сопротивления подобна роли трения в механической системе.

(Уравнение нагревания проводника током; Расчет проводов на нагревание, изучается самостоятельно, литература: А.С. Касаткин ʼʼОсновы электротехникиʼʼ).

КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ И ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА

Провода электрических линий и электротехнические устройства должны быть защищены от перегрева при коротких замыканиях и длительных перегрузках.

Коротким замыканием принято называть всякое ненормальное соединœение через малое сопротивление между проводами или другими токоведущими частями цепи. Причиной короткого замыкания должна быть случайное соединœение голых токоведущих частей между собой (к примеру, соединœение двух проводов воздушной линии) или повреждение изоляции вследствие старения, износа, пробоя и т.д. При коротком замыкании резко увеличивается сила тока, а так как выделœение тепла в проводах пропорционально квадрату силы тока ( ), то тепловое воздействие тока короткого замыкания может вызвать разрушение изоляции и пожар; вместе с тем при коротких замыканиях часто возникают опасные электродинамические силы взаимодействия между проводами. Вместе с тем, короткое замыкание вызывает сильное увеличение потери напряжения в сети, следствием чего являются уменьшение силы света ламп, понижение скорости и даже остановка электродвигателœей и т.д.

Короткое замыкание тем опаснее, чем оно ближе к источнику электроэнергии. При коротком замыкании на зажимах последнего силу тока ограничивает только внутреннее сопротивление rвн этого источника: Iк = Е: rвн. В электроэнергетических системах сила тока токов коротких замыканий достигает сотен тысяч ампер и отключение таких токов связано с немалыми трудностями. Но в осветительных сетях жилых зданий сила тока короткого замыкания – величина порядка 30 – 100 А. тем не менее быстрое отключение этих токов очень важно с точки зрения их пожарной опасности.

Простейшим способом отключения токов короткого замыкания является использование их теплового действия в приборе защиты. Таким прибором является плавкий предохранитель. В нем основным отключающим элементом служит плавкая вставка – сменяемая часть предохранителя, плавящаяся при увеличении силы тока в защищаемой цепи свыше определœенного значения. По существу это короткий участок защищаемой цепи, относительно легко разрушаемый тепловым действием тока. Чтобы получить такую пониженную термическую устойчивость, нужно увеличить сопротивление вставки, для чего она изготавливается из материала с относительно высоким удельным сопротивлением (к примеру, сплава олова и свинца) или из хорошо проводящего металла (к примеру, серебра, меди), но с относительно малым сечением.

Плавление вставки не должно сопровождаться возникновением дуги в предохранителœе вдоль размыкаемого участка, следовательно, плавкая вставка должна иметь длину, соответствующую выключаемому напряжению; по этой причинœе на предохранителях, кроме номинального тока, указывается также и напряжение.

Номинальной силой тока плавкого предохранителя считается та наибольшая сила тока, которую предохранитель может выдерживать неопределœенно долгое время, не разрушаясь. Она указывается на вставке предохранителя. Но сила тока плавления вставки предохранителя зависит от ряда причин и в первую очередь от длительности нагрузки током и условий охлаждения предохранителя.

Ориентировочно для определœения времени отключения можно пользоваться представленной на рисунке ХХ5 зависимостью времени плавления вставки от так называемой кратности тока, ᴛ.ᴇ. от отношения силы тока плавления вставки к номинальной силе тока вставки.

Следует различать защиту провода от коротких замыканий и защиту от длительных перегрузок. Номинальные токи плавких вставок предохранителœей, служащих для защиты отдельных участков сети, во всœех случаях следует выбирать по возможности наименьшими по расчетным токам соответствующих участков сети. Но при этом вставка не должна плавиться при кратковременных перегрузках – пусковых токах электродвигателœей и т.п. В ряде случаев два этих требования несовместимы. В частности, в случае если линия питает двигатели, то за основу для выбора предохранителя нужно брать среднее значение пусковой силы тока, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ ориентировочно в 5 – 7 раз больше номинального процесса обычно составляет около 5 – 10 сек; в течение этого времени согласно рисунка ХХ5 предохранитель должен выдержать силу тока, превышающую его номинальную приблизительно в 2,5 раза. Следовательно, номинальная сила тока плавкого предохранителя должна быть равна (или быть больше) 40% от средней пусковой силы тока двигателя, ᴛ.ᴇ.

Но когда выбранные таким образом номинальные значения силы тока плавких вставок значительно превышают допустимые длительные нагрузки защищаемых проводников, тогда предохранители защищают провода от коротких замыканий, но не от длительных перегрузок.

В ряде случаев, когда перегрев проводов не обусловливает пожарную опасность, к примеру, в случае голых проводов, согласно ПУЭ, можно ограничиться только защитой от токов короткого замыкания, но при этом номинальная сила тока плавких вставок предохранителœей должна быть не больше чем 300% от длительно допустимой

referatwork.ru

Тепловое действие тока

Электрический ток, проходя через любой проводник, сообщает ему некоторое количество энергии. В результате этого проводник нагревается. Передача энергии происходит на молекулярном уровне, т. е., электроны взаимодействуют с атомами или ионами проводника и отдают часть своей энергии.

В результате этого, ионы и атомы проводника начинают двигаться быстрей, соответственно можно сказать, что внутренняя энергия увеличивается и переходит в тепловую энергию.

Данное явление подтверждается различными опытами, которые говорят о том, что вся работа, которую совершает ток, переходит во внутреннюю энергию проводника, она в свою очередь увеличивается. После этого уже проводник начинает отдавать её окружающим телам в виде тепла. Здесь уже в дело вступает процесс теплопередачи, но сам проводник нагревается.

Этот процесс рассчитывается по формуле: А=U·I·t

А – это работа тока, которую он совершает, протекая через проводник. Можно также высчитать количество теплоты, выделяемое при этом, ведь это значение равно работе тока. Правда, это касается, лишь неподвижных металлических проводников, однако, такие проводники встречаются чаще всего. Таким образом, количество теплоты, также будет высчитываться по той же форме: Q=U·I·t.

История открытия явления

В своё время свойства проводника, через который протекает электрический тока, изучали многие учёные. Особенно среди них были заметны англичанин Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Каждый из них проводил свои собственные опыты, а вывод они смогли сделать независимо друг от друга.

На основе своих исследований, они смогли вывести закон, который позволяет дать количественную оценку выделяемого тепла в результате воздействия электрического тока на проводник. Данный закон получил название «Закон Джоуля-Ленца». Джеймс Джоуль установил его в 1842 году, а примерно через год Эмиль Ленц пришёл к тому же выводу, при этом их исследования и проводимые опыты никак не были связаны друг с другом.

Применение свойств теплового действия тока

Исследования теплового воздействия тока и открытия закона Джоуля-Ленца позволили сделать вывод, подтолкнувший развитие электротехники и расширить возможности применения электричества. Простейшим примером применения данных свойства является простая лампочка накаливания.

Устройство её заключается в том, что в ней применяется обычная нить накаливания, сделанная из вольфрамовой проволоки. Этот металл был выбран не случайно: тугоплавкий, он имеет довольно высокое удельное сопротивление. Электрический ток проходит через эту проволоку и нагревает её, т. е. передаёт ей свою энергию.

Энергия проводника начинает переходить в тепловую энергию, а спираль разогревается до такой температуры, что начинает светиться. Главным недостатком такой конструкции, конечно, является то, что происходят большие потери энергии, ведь только небольшая часть энергии преобразуется в свет, а остальная уходит в тепло.

Для этого вводится такое понятие в техники, как КПД, показывающее эффективность работы и преобразования электрической энергии. Такие понятия как КПД и тепловое воздействие тока применяются повсеместно, так как существует огромное количество приборов основанных подобном принципе. Это в первую очередь касается нагревательных приборов: кипятильников, обогревателей, электроплит и т. д.

Как правило, в конструкциях перечисленных приборах присутствует некая металлическая спираль, которая и производит нагревание. В приборах для нагревания воды она изолирована, в них устанавливается баланс между потребляемой из сети энергией (в виде электрического тока) и тепловым обменом с окружающей средой.

В связи с этим, перед учёными стоит нелёгкая задача по снижению потерь энергии, главной целью является поиск наиболее оптимальной и эффективной схемы. В данном случае тепловое воздействие тока является даже нежелательным, так как именно оно и ведёт к потерям энергии. Самым простым вариантом является повышение напряжения при передаче энергии. В результате снижается сила тока, но это приводит к снижению безопасности линий электропередач.

Другое направление исследований – это выбор проводов, ведь от свойств проводника зависят и тепловые потери и прочие показатели. С другой стороны, различные нагревательные приборы требуют большого выделения энергии на определённом участке. Для этих целей изготавливают спирали из специальных сплавов.

Для повышения защиты и безопасности электрических цепей применяются специальные предохранители. В случае чрезмерного повышения тока сечение проводника в предохранителе не выдерживает, и он плавится, размыкая цепь, защищая, таким образом, её от токовых перегрузок.

volt220.ru

Реферат Тепловое действие тока

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 Практическое значение
  • 1.1 Снижение потерь энергии
  • 1.2 Выбор проводов для цепей
  • 1.3 Электронагревательные приборы
  • 1.4 Плавкие предохранители
Примечания

Введение

Закон Джоуля — Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцом[1].

В словесной формулировке звучит следующим образом[2]

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

Математически может быть выражен в следующей форме:

где w — мощность выделения тепла в единице объёма,  — плотность электрического тока,  — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах[3]:

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка

В математической форме этот закон имеет вид

где dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t1 до t2. В случае постоянных силы тока и сопротивления:

1. Практическое значение

1.1. Снижение потерь энергии

При передаче электроэнергии тепловое действие тока является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Поскольку передаваемая мощность линейно зависит как от напряжения, так и от силы тока, а мощность нагрева зависит от силы тока квадратично, то выгодно повышать напряжение перед передачей электроэнергии, понижая в результате силу тока. Однако, повышение напряжения снижает электробезопасность линий электропередачи.

Для применения высокого напряжения в цепи для сохранения прежней мощности на полезной нагрузке приходится увеличивать сопротивление нагрузки. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно. Сопротивление проводов () можно считать постоянным. А вот сопротивление нагрузки () растёт при выборе более высокого напряжения в сети. Также растёт соотношение сопротивления нагрузки и сопротивления проводов. При последовательном включении сопротивлений (провод — нагрузка — провод) распределение выделяемой мощности () пропорционально сопротивлению подключённых сопротивлений.

Ток в сети для всех сопротивлений постоянен. Следовательно, выполняются соотношение

и в каждом конкретном случае являются константами. Следовательно, мощность, выделяемая на проводах, обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки, то есть уменьшается с ростом напряжения, так как . Откуда следует, что . В каждом конкретном случае величина  является константой, следовательно, тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе.

1.2. Выбор проводов для цепей

Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при сборке электрических цепей достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют, в частности, выбор сечения проводников.

1.3. Электронагревательные приборы

Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.

За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.

1.4. Плавкие предохранители

Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.

Примечания

1. Джоуля — Ленца закон - slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Джоуля - Ленца закон/ // Большая советская энциклопедия.
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 186. — 688 с.
3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 197—198. — 688 с.

wreferat.baza-referat.ru

Тепловое действие электрического тока — реферат

Тепловое действие электрического тока:

История:

Тепловое  действие электрического тока впервые  наблюдалось в 1801, когда током  удалось расплавить различные металлы. Первое промышленное применение этого явления относится к 1808, когда был предложен электрозапал для пороха. Первая угольная дуга, предназначенная для обогрева и освещения, была выставлена в Париже в 1802. К полюсам вольтова столба, насчитывавшего 120 элементов, подсоединялись электроды из древесного угля, и когда оба угольных электрода приводились в соприкосновение, а затем разводились, возникал «сверкающий разряд исключительной яркости».

Исследуя  тепловое действие электрического тока, Дж.Джоуль (1818–1889) провел эксперимент, который подвел прочную основу под закон сохранения энергии. Джоуль впервые показал, что химическая энергия, которая расходуется на поддержание в проводнике тока, приблизительно равна тому количеству тепла, которое выделяется в проводнике при прохождении тока. Он установил также, что выделяющееся в проводнике тепло пропорционально квадрату силы тока. Это наблюдение согласуется как с законом Ома (V = IR), так и с определением разности потенциалов (V= W/q). В случае постоянного тока за время t через проводник проходит заряд q = It. Следовательно, электрическая энергия, превратившаяся в проводнике в тепло, равна:

Эта энергия называется джоулевым теплом и выражается в джоулях (Дж), если ток I выражен в амперах, R – в омах, а t – в секундах.

Предисловие.         Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени? Слово «ток» означает движение или течение чего-то. Электрическим током называется упорядоченное (направленное)движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создается  и может длительное время поддерживаться источниками электрического тока. В настоящее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводниковый(солнечные батареи),  но во всяком из них совершается работа по  разделению  положительно  и  отрицательно  заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источника тока, - так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то под действием поля свободные заряженные частицы в проводнике будут двигаться, возникнет электрический ток. 

               Электрический ток.        Источники электрического тока.                До  1650 года -времени, когда в Европе пробудился большой интерес к электричеству,  -  не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать  создания  все более  простых  и эффективных способов получения электрических зарядов.                Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с  неменьшим успехом  мог бы послужить  его  целям. Затем  Герике укрепил  серный шар так, как показано на рис.1, чтобы его  можно  было вращать  рукояткой. Для получения заряда надо было  одной  рукой вращать  шар, а другой -прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потенциал  шара до величины,  достаточной,  чтобы получать  искры длиной в несколько сантиметров.            Эта машина оказала большую помощь в экспериментальном изучении  электричества, но еще более трудные задачи «хранения» и  «запасания» электрических зарядов удалось решить благодаря последующему прогрессу физики. Дело  в том , что   мощные  заряды, которые можно было создавать в телах с помощью электростатической машины Герике, быстро исчезали. Вначале думали, что причиной этого  является  «испарение»  зарядов. Для  предотвращения «испарения»  зарядов  было  предложено  заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изолирующего материала. Естественно,  в  качестве таких  сосудов были выбраны стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала -  вода, поскольку   ее   было легко   наливать  в бутылки. Чтобы  можно было зарядить воду , не  открывая  бутылку, сквозь  пробку  был пропущен гвоздь. Замысел  был хорош,  но по причинам ,  в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно. В результате интенсивных экспериментов вскоре же было открыто, что запасенный заряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить ,  если  бутылку изнутри  и  снаружи покрыть  проводящим материалом, например тонкими листами фольги. Более того, если соединить  гвоздь с  помощью  хорошего  проводника  со  слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно  вообще обойтись без воды. Это новое «хранилище» электричества было изобретено в 1745 году  в  голландском  городе  Лейдене  и  получило название лейденской банки (рис.2 ).          Первый  кто  открыл  иную  возможность  полу-чения  электричества,  не-жели с помощью электри-зации трением, был италь-янский   ученый Луиджи Гальвани (1737-1798). Он был по специальности  биолог, но  работал  в  лаборатории,  где  прово-дились опыты  с  электричеством. Гальвани  нблю-дал  явление, которое было известно многим еще до него;  оно заключалось в   том,  что  если  ножной нерв  мертвой  лягушки  возбудить  искрой  от  электрической машины, то начинала сокращаться вся лапка.  Но  однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с  нервом  лапки соприкасался   только   стальной  скальпель.  Удивительнее   всего было то , что  между  электрической  машиной  и  скаль-пелем не было никакого контакта. Это  поразительное  открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения при-чины электрического тока. Один из экспериментов был поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток - только в тканях тела лягушки, только разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению , что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие «животного электричества» стало казаться гораздо более реальным, чем электричества    какого-либо другого происхождения.                          Другой итальянский ученый Алессандро Вольта(1745-1827) окончательно доказал, что если поместить лягушачьи лапки в водные растворы некоторых веществ, то в тканях лягушки гальванический ток не возникает. В частности, это имело место для ключевой или вообще чистой воды; этот ток появляется при добавлении к воде кислот, солей или щелочей. По-видимому, наибольший ток возникал в комбинации меди и цинка, помещенных в разбавленный раствор серной кислоты. Комбинация двух пластин из разнородных металлов, погруженных в водный раствор щелочи, кислоты или соли, называется гальваническим (или химическим)  элементом.                           Если бы средствами для получения электродвижущей силы служили только трение и химические процессы в гальванических элементах, то стоимость электрической энергии, необходимой для работы различных машин, была бы исключительно высокой. В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.                              В начале 19 века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле. Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадей сделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике наводится электродвижущая сила, вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Наведённая ЭДС меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Когда проводник пересекает 100000000 силовых линий за 1 сек, наведённая ЭДС равна 1 Вольту. Перемещая вручную одиночный проводник  или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока, и активно используется человечеством в настоящее время.       Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота.                       Солнце представляет собой удалённый от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерный реактор, излучающий энергию, которая поступает на Землю главным образом в виде электромагнитного излучения. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной части спектра. Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5 %  всей падающей на землю солнечной энергии, т.е. 1,62 *10 16  киловатт\часов в год, что эквивалентно огромному количеству условного топлива - 2 *10 12  т. Усилия  конструкторов идут по пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотопреобразователи, называемые также солнечными батареями, состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Если преобразователь должен заряжать аккумулятор, питающий, например, радиоустройство в облачное время, то его подключают параллельно к выводам солнечной батареи ( рис. 3). Элементы применяемые в солнечных батареях, должны обладать большим КПД, выгодной спектральной характеристикой,  малой стоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. К сожалению, только немногие из известных на сегодня фотоэлементов отвечают хотя бы частично этим требованиям. Это прежде всего некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов. Простейший из них - селеновый. К сожалению, КПД лучших селеновых фотоэлементов мал(0,1...1 %).     Основой солнечных батарей являются кремниевые фото-преобразователи, имеющие вид круглых или прямоуголь-ных пластин толщиной 0,7 - 1 мм и площадью до 5 - 8 кв.см. Опыт показал, что хорошие результаты дают небольшие элементы, площадью  около  1 кв. см.,  имеющие КПД около 10 %. Созданы также фотоэлементы из полупро- водниковых металлов с теоретическим КПД 18 %. Кстати, практический КПД фотоэлектрических преобразователей ( около 10 %) превышает КПД паровоза ( 8 %), коэффициент полезного использования солнечной энергии в растительном мире (1 %), а также КПД многих гидротехнических и ветровых устройств. Фотоэлектрические преобразователи имеют практически неограниченную долговечность. Для сравнения можно привести значения КПД различных источников электрической энергии ( в процентах) : теплоэлектроцентраль - 20-30, термоэлектрический преобра-зователь - 6 - 8, селеновый фотоэлемент - 0,1 - 1, солнечная бата-рея - 6 - 11,  топливный элемент - 70, свинцовый аккумулятор - 80 - 90.                  В 1989 г. фирмой Боинг  (США) создан двухслойный фотоэлемент, состоящий из двух полупроводников -  арсенида и антимонида галлия - с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %,  что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций. Недавно удалось доказать, что фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии теоретически позволяет использовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93 %! А ведь первоначально считалось, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляет не более 26 %, т.е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин.                       Солнечные батареи пока используются в основном в кос-мосе, а на Земле только для электроснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения , т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов. По тонкому проводнику подсоединённому к источнику тока течёт ток Проводник отсоединил. Простейшее термоэлектрическое устройства для получения электричества своими руками. Использование теплового действия электрического тока в устройстве теплиц. Реферат на тему электрический ток как фактор негативного воздействия. Что необходимо для возникновения и существования электрического тока. Реферат на тему электрический ток в металлах законы постоянного тока. Тепловые действия электрического тока их практическое использование. Тепловые действия электрического тока Их использование в технике. Практическое применение теплового действия электрического тока. Перевод электрических киловатт часов в тоны условного топлива. Электрический ток условие существование электрического тока. Электрический ток Условия существование электрического тока. Преобразование солнечной энергии в электрическую реферат. Тепловое действие тока его практическое использование. Реферат фотоэлементы виды характеристика применение.

turboreferat.ru

Тепловое действие электрического тока. - физика, уроки

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

Тепловое действие электрического тока.

Подготовил: студент группы АМ-142

Удод Даниил

Под руководством: преподавателя физики

Барсукова Юлия Николаевна

г. Кемерово 2015 г.

При протекании тока по проводнику происходит нагревание проводника. Как показывают опыты, количество выделяемой теплоты тем больше, чем больше сила тока и чем больше сопротивление проводника. Подвесим железную проволоку и пропустим по ней ток, включив в цепь реостат и амперметр. Увеличивая силу тока в цепи, наблюдаем сначала провисание проволоки от нагревания, а затем при достаточно большой силе тока красное каление. Дальнейшее увеличение силы тока может привести к перегреванию проволоки. На основании опытных данных можно утверждать, что в электрической цепи происходит ряд превращений энер­гии. При перемещении заряда вдоль электрической цепи кулоновскими и сто­ронними силами совершается работа А. Если электрическая цепь в рассматрива­емой системе координат находится в состоянии покоя, а ток, протекающий по ней, постоянен (I= const), то совершаемая работа

А = IUt. (1)

По формуле (1) можно вычислить работу, совершаемую электрическим то­ком, независимо от того, в какой вид энергии превращается электрическая энер­гия. Эта работа может пойти на увеличение внутренней энергии проводника, т.е. его нагревание, на изменение механической энергии, например на движение проводника с током в магнитном поле, и т.д.

Необратимые преобразования электрической энергии в тепловую можно объяснить взаимодействием электронов с ионами металлического проводника. Стал­киваясь с ионами металлического проводника, электроны передают им свою энер­гию. Вследствие этого увеличивается интенсивность колебаний ионов около положения равновесия. А с чем большей скоростью колеблются ионы, тем выше температура проводника. Ведь температура — это мера средней энергии хаоти­ческого движения атомов, из которых состоит проводник.

Чтобы вычислить электрическую энергию, затраченную на нагревание провод­ника, нужно знать падение напряжения на данном участке проводника U = IR. Подставляя в формулу (1) это выражение, получаем

А = I2Rt, или Q = I2Rt. (2)

Формула (2) выражает закон Джоуля - Ленца:

количество теплоты, которое выделяется в проводнике с током, пропор­ционально квадрату силы тока, времени его прохождения и сопротивле­нию проводника.

Работа электрического тока. Предположим, нас интересует механическая работа, которую совершает электродвигатель, если U — напряжение сети, R — сопротивление обмотки, I — сила тока, текущего по обмотке. Очевидно, что на механическую работу Амех, совершаемую двигателем, расходуется часть энергии электрического тока. При работе двигателя обмотка его будет нагреваться. На основании закона сохранения энергии можно утверждать, что энергия электрического тока (IUt) превращается в механическую (Амех) и тепловую (I2Rt) энергии:

IUt = Амех + I2Rt, Амех = IUt - I2Rt.

Прибор, служащий для измерения энергии электрического тока, называется электрическим счетчиком. Полная работа, совершаемая источником тока, ЭДС которого ξ определяется формуле

A=ξIt (3)

Единица работы электрического тока — джоуль (Дж).

Мощность электрического тока. Мощность — это отношение работы электрического тока ко времени t, за которое совершается работа:

Единица мощности электрического тока — ватт (Вт).

Тепловое действие электрического тока играет большую роль в современной технике. Рассмотрим некоторые примеры его применения, тепловом действии тока основано устройство теплового гальванометра, его представлена на рис. 1. Концы металлической проволоки 2 закреплены неподвижно в металлических колодках 1 и 3. Проволока 2 выполнена из неокисляемого упругого материала. В середине проволока 2 оттягивается нитью 5, проходящей через блок 4 и скрепленной с пружиной 6. При прохождении электрического тока по проволоке 2 она нагревается и удлиняется, ее прогиб увеличивается. Вследствие этого нить 5 перемещается и поворачивает блок 4. С блоком 4 скреплена стрелка гальванометра, поэтому поворот блока соответствует отклонению стрелки на некоторый угол. Если шкала прибора градуирована в единицах силы тока, то прибор называется амперметром.

Рис. 1.

Часто используются различного типа электрические нагревательные приборы и электрические печи. К электрическим нагревательным приборам относятся плав­кие предохранители («пробки»), которые служат для устранения опасности корот­кого замыкания. Обычно это тонкие медные или свинцовые проволочки, вводимые последовательно в цепь электрического тока и рассчитанные таким образом, чтобы они плавились при токе, превышающем то значение, на которое рассчитана цепь.

К нагревательным приборам можно отнести и лампочки накаливания. Первая лампочка была изобретена в 1872 г. электротехником А. Н. Лодыгиным. Она пред­ставляла собой стеклянный баллон, в котором между толстыми медными прово­лочками укреплялся угольный стержень. При пропускании тока угольный стер­жень раскалялся и давал свет. Усовершенствованием ламп накаливания занима­лись Т. Эдисон, И. Ленгмюр и др.

В настоящее время в качестве нити накаливания ламп используется вольфра­мовая проволока с температурой плавления 3370 °С. Чем выше температура нити, тем большая часть излучаемой энергии отдается в виде света. В 1913 г. появились лампочки, баллоны которых заполнялись инертным газом (аргоном). Присутствие аргона замедляет испарение нити, и срок службы ламп увеличивается.

Лампа накаливания представлена на рис. 2. Она имеет вольфрамовую нить или спираль 1, укрепленную на металлической ножке 3, внутри которой прохо­дят проволочки 2, подводящие ток к спирали. Для откачки воздуха служит тру­бочка 4, которая после удаления воздуха запаивается. Лампа имеет металличес­кий цоколь 5 и изолированный от цоколя контакт 6, к которому припаиваютсяпровода оси нити накаливания. Цоколь и контакт 6 при вворачивании лампочки в патрон соединяются с проводами электрической сети.

Рис. 2.

Нагревательными приборами являются электроплита, электроутюг, электро­чайник и т.д., которые нашли широкое применение в домашнем обиходе. Для со­здания высоких температур служат электрические печи. Температура внутри печи может достигать 2500-3000 °С. Для этого в печах в качестве токопроводящего: вещества применяются тугоплавкие металлы, например молибден. Электричес­кие печи нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства. Еще одним важным применением теплового действия тока является кон­тактная сварка, которая применяется для сваривания металлов со значительным удельным сопротивлением (никель, тантал, молибден и др.).

kopilkaurokov.ru

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

Двигаясь в любом проводнике, электрический ток передает ему какую-то энергию, из-за чего проводник нагревается. Энергетическая передача осуществляется на уровне молекул: в результате взаимодействия электронов тока с ионами или атомами проводника часть энергии остается у последнего.

Тепловое действие тока приводит к более быстрому движению частиц проводника. Тогда его внутренняя энергия возрастает и трансформируется в тепловую.

Формула расчета и ее элементы

Тепловое действие тока может быть подтверждено разными опытами, где работа тока переходит во внутреннюю проводниковую энергию. При этом последняя возрастает. Затем проводник отдает ее окружающим телам, то есть осуществляется теплопередача с нагреванием проводника.

Формула для расчета в этом случае следующая: A=U*I*t.

Количество теплоты можно обозначить через Q. Тогда Q=A или Q=U*I*t. Зная, что U=IR, получается Q=I*R*t, что и было сформулировано в законе Джоуля-Ленца.

Закон теплового действия тока — закон Джоуля-Ленца

Проводник, где протекает электрический ток, изучали многие ученые. Однако, самых заметных результатов удалось добиться Джеймсу Джоулю из Англии и Эмилию Христиановичу Ленцу из России. Оба ученых работали отдельно и выводы по результатам экспериментов делали независимо один от другого.

Они вывели закон, позволяющий оценить тепло, получаемое в результате действия тока на проводник. Его назвали законом Джоуля-Ленца.

Рассмотрим на практике тепловое действие тока. Примеры возьмем следующие:

1. Обычную лампочку.
2. Нагревательные приборы.
3. Предохранитель в квартире.
4. Электрическую дугу.

Лампочка накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и увеличению возможностей для использования электричества. То, как применяются результаты исследований, можно рассмотреть на примере обычной лампочки накаливания.

Она устроена таким образом, что внутри протягивается нить, изготовленная из вольфрамовой проволоки. Этот металл является тугоплавким с высоким удельным сопротивлением. При проходе через лампочку осуществляется тепловое действие электрического тока.

Энергия проводника трансформируется в тепловую, спираль нагревается и начинает светиться. Недостаток лампочки заключается в больших энергетических потерях, так как лишь за счет незначительной части энергии она начинает светиться. Основная же часть просто нагревается.

Чтобы лучше это понять, вводится коэффициент полезного действия, который демонстрирует эффективность работы и преобразования в электроэнергию. КПД и тепловое действие тока используются в разных областях, так как имеется множество устройств, изготовленных на основании этого принципа. В большей степени это нагревательные приборы, электрические плиты, кипятильники и другие подобные аппараты.

Устройство обогревательных приборов

Обычно в конструкции всех приборов для нагревания есть металлическая спираль, в функцию которой и входит нагрев. Если нагревается вода, то спираль устанавливается изолированно, и в таких приборах предусматривается соблюдение баланса между энергией из сети и тепловым обменом.

Перед учеными постоянно ставится задача по снижению энергетических потерь и поиску лучших путей и наиболее эффективных схем их внедрения, чтобы уменьшить тепловое действие тока. Используется, например, способ повышения напряжения во время передачи энергии, благодаря чему сокращается сила тока. Но такой способ, в то же время, понижает безопасность функционирования линий электропередач.

Другим исследовательским направлением является выбор проводов. Ведь именно от их свойств зависят потери тепла и другие показатели. Кроме того, при работе нагревательных приборов происходит большое выделение энергии. Поэтому спирали изготавливаются из специально предназначенных для этих целей, способных выдержать высокие нагрузки, материалов.

Квартирные предохранители

Чтобы улучшить защиту и обезопасить электрические цепи, используются особые предохранители. В роли главной части выступает проволока из легкоплавкого металла. Она проходит в пробке из фарфора, имеет винтовую нарезку и контакт в центре. Пробку вставляют в патрон, расположенный в фарфоровой коробке.

Свинцовая проволока является частью общей цепи. Если тепловое действие электрического тока резко возрастет, сечение проводника не выдержит, и он начнет плавиться. В результате этого сеть разомкнется, и не случится токовых перегрузок.

Электрическая дуга

Электрическая дуга является довольно эффективным преобразователем электрической энергии. Она используется при сварке металлических конструкций, а также служит мощным световым источником.

В основу устройства входит следующее. Берут два угольных стержня, подсоединяют провода и прикрепляют их в изолирующих держателях. После этого стержни подключают к источнику тока, который дает малое напряжение, но рассчитан на большую силу тока. Подключают реостат. Угли в городскую сеть включать запрещается, так как это может стать причиной пожара. Если коснуться одним углем о другой, то можно заметить, как сильно они раскалятся. Лучше не смотреть на это пламя, потому что оно вредно для зрения. Электрическую дугу используют в печах для плавки металла, а также в таких мощных осветительных приборах, как прожекторы, кинопроекторы и прочее.

fb.ru

Реферат тепловое действие тока