Теплова дія струму

Електричний струм нагріває провідник. Це явище нам добре відомо. Пояснюється це тим, що вільні електрони в металах, переміщаючись під дією електричного поля, взаємодіють з іонами або атомами речовини провідника і передають їм свою енергію. В результаті роботи електричного струму збільшується швидкість коливань іонів і атомів і внутрішня енергія провідника збільшується. Досліди показують, що в нерухомих металевих провідниках вся робота струму йде на збільшення внутрішньої енергії. Нагріте провідник віддає отриману енергію оточуючим тілам, але вже шляхом теплопередачі. Отже, кількість теплоти, що виділяється провідником, по якому тече струм, що дорівнює роботі струму. Ми знаємо, що роботу струму розраховують за формулою:

А = U·I·t.

Позначимо кількість теплоти буквою Q. Відповідно до сказаного вище Q = A, або Q = U·I·t. Користуючись законом Ома, можна кількість теплоти, що виділяється провідником з струмом, виразити через силу струму, опір ділянки кола і час. Знаючи, що U = IR, отримаємо: Q = I·R·I·t, тобто Q=I ·R·t Кількість теплоти, що виділяється провідником з струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника і часу. До цього ж висновку, але на підставі дослідів вперше прийшли незалежно один від одного англійський учений Джоуль і російський вчений Ленц. Тому сформульоване вище висновок називається законом Джоуля – Ленца.

Розглянемо пристрій лампи розжарювання. Нагрівається елементом в ній є згорнута в спіраль тонка вольфрамова нитка 1. Вольфрам для виготовлення нитки обраний тому, що він тугоплавок і має досить великий питомий опір. Спіраль з допомогою спеціальних утримувачів 2 зміцнюється всередині скляного балона, наповненого інертним газом, у присутності якого вольфрам не окислюється. Балон кріпиться до цоколя 3, до якого припаяний один кінець струмопровідних проводу в точці 4. Другий кінець дроту через ізолюючу прокладку 5 припаяний до нижнього контакту. Лампа ввертається в патрон. Він являє собою пластмасовий корпус А, в якому є металева гільза Б з різьбленням; до неї приєднано один з проводів мережі. Патрон контактує з цоколем 3. Другий провід від мережі приєднаний до контакту, який стосується нижнього контакту лампи. Лампи розжарювання зручні, прості і надійні, але економічно вони невигідні. Так, наприклад, в лампі потужністю 100 Вт лише невелика частина електроенергії (4 Вт) перетворюється в енергію видимого світла, а інша енергія перетворюється в невидиме інфрачервоне випромінювання і у формі тепла передається навколишньому середовищу.

Для оцінки ефективності того чи іншого пристрою в техніці введена спеціальна величина – коефіцієнт корисної дії (ККД). Коефіцієнтом корисної дії називають відношення енергії, корисно перетвореної (роботи або потужності), до всієї спожитої енергії, або витраченої (роботи або потужності):

Часто ККД виражають у відсотках (%). Обчислимо ККД

  • електричної лампи розжарювання за даними, наведеними вище:
  • h=4/100=0.04=4%;
  • Для порівняння зазначимо, що ККД лампи денного світла приблизно 15%, а у натрієвих ламп зовнішнього освітлення близько 25%.

Існує велика кількість електричних нагрівальних приладів, наприклад електричні плити, праски, самовари, кип’ятильники, обігрівачі, електричні ковдри, фени для сушіння волосся, в яких використовується теплова дія струму. Основним нагрівальним елементом є спіраль з матеріалу з великим питомим опором. Вона поміщається в керамічні ізолятори з хорошою теплопровідністю, які виготовлені у вигляді своєрідних бус. В приладах, призначених для нагрівання рідин, ізольована спіраль поміщається трубки з нержавіючої сталі. Її висновки теж ретельно ізолюють від металевих частин приладів. Температура спіралі при роботі нагрівального приладу залишається постійною. Пояснюється це тим, що дуже швидко встановлюється баланс між споживаної з мережі електроенергією і кількістю теплоти, отдаваемым шляхом теплообміну навколишньому середовищі.

Дуже ефективним перетворювачем електричної енергії, що дає багато тепла і світла, є електрична дуга. Її широко використовують для електричного зварювання металів, а також як потужного джерела світла. Для спостереження електричної дуги треба два вугільних стержня з приєднаними до них проводами закріпити в добре ізолюючих власників, а потім підключити стрижні до джерела струму, що дає невисоку напругу (від 20 до 36 В) і розрахований на більші сили струму (до 20). Послідовно стержнів обов’язково треба включити реостат. Ні в якому разі не можна підключати вугілля в міську мережу (220 чи 127 В), так як це призведе до згорання проводів і до пожежі. Торкнувшись вугіллям один одного, можна помітити, що в місці зіткнення вони сильно розкалилися. Якщо в цей момент вугілля розсунути, між ними виникає яскраве сліпуче полум’я, що має форму дуги. Це полум’я шкідливо для зору. Полум’я електричної дуги має високу температуру, при якій тане самі тугоплавкі матеріали, тому електрична дуга використовується в дугових електричних печах для плавки металів. Полум’я дуги є дуже яскравим джерелом світла, тому його часто використовують в прожекторах, стаціонарних кінопроекторах і т. д.

Електричні ланцюги завжди розраховані на певну силу струму. Якщо з тієї чи іншої причини сила струму в ланцюзі стає більше допустимої, то проводи можуть нагрітися, а покриває їх ізоляція – спалахнути. Причиною значного збільшення сили струму в мережі може бути або одночасне включення потужних споживачів струму, наприклад електричних плиток, або коротке замикання. Коротким замиканням називають з’єднання кінців ділянки ланцюга провідником, опір якого дуже мало в порівнянні з опором ділянки ланцюга. Коротке замикання може виникнути, наприклад, при ремонті проводки під струмом (рис. 86) або при випадковому зіткненні оголених проводів. Опір ланцюга при короткому замиканні незначно, тому в ланцюзі виникає велика сила струму, дроти при цьому можуть сильно загостритися і стати причиною пожежі. Щоб уникнути цього, в мережу включають запобіжники. Призначення запобіжників – відразу відключити лінію, якщо сила струму раптом виявиться більше допустимої норми.

Розглянемо пристрій запобіжників, застосовуваних у квартирної проводки. Головна частина запобіжника, зображеного на малюнку дріт З легкоплавкого металу (наприклад, з свинцю), що проходить всередині порцелянової пробки П. Пробка має гвинтову нарізку Р і центральний контакт К. Нарізка з’єднана з центральним контактом свинцевим дротом. Пробку угвинчують в патрон, що знаходиться всередині порцелянової коробки Свинцевий дріт представляє, таким чином частина загальної ланцюга. Товщина свинцевих дротів розрахована так, що вони витримують певну силу струму, наприклад 5, 10 і т. д. Якщо сила струму перевищить допустиме значення, то свинцевий дріт розплавиться і ланцюг виявиться розімкнутої. Запобіжники з плавким провідником називають плавкими запобіжниками.

Посилання на основну публікацію