Тепловые действия 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.

Закон Джоуля-Ленца

Тепловое действие электрического тока – это не что иное, как переход электроэнергии в теплоту. Такой процесс отражается в законе Джоуля-Ленца, какой определяет количественную меру выделенной теплоэнергии.

Согласно этому закону, количественная мера тепла, какое излучается при прохождении электротока, пропорционально квадрату силы этого электротока, сопротивлению проводникового элемента и времени, за которое он протекает через проводник.

Формула, отражающая тепловое действие электротока (закон Джоуля-Ленца):

Q=I2Rt, где:

  • Q – количество теплоты;
  • I – сила электротока;
  • R – электросопротивление проводникового элемента;
  • t – время прохождения электротока.

Из формулы видно, что чем больше или сила электротока, или сопротивление проводника, тем больше теплоты будет выделяться. По этой причине нагревательные элементы в оборудовании и приборах изготавливаются из металлов, имеющих высокое электросопротивление.

Измеряется количество теплоты, выделенное электротоком, в джоулях – сокращенно «Дж».

Демонстрация закона Джоуля-Ленца

Количество тепла, что выделяется при прохождении электротока силой в 1 А через проводниковое сопротивление в 1 Ом за 1 секунду, называется термическим эквивалентом и равно 0,24 малой калории.

Для справки. Малая калория – это количество тепла, которое потребуется 1 г воды, чтобы поднять свою температуру на 1 оС.

Степень проявления теплового действия электротока в проводнике можно наблюдать на специальном приборе, где на зависящее от силы тока расстояние посредством воздуха, нагреваемого проволокой, перемещается ртуть.

Применение теплового действия электротока

Нагревание проводниковой спирали под воздействием электротока, что приводит к свечению ламп накаливания

Применения тепловых свойств электротока очень разнообразны. Наиболее употребительные из них нижеследующие:

  1. Электрическое освещение, представленное:
  • лампами накаливания, в которых металлическая нить, помещенная в стеклянный баллон с выкаченным из него воздухом, накаливается током до состояния свечения (вместо воздуха лампа может быть наполнена инертным газом, например, азотом);
  • дуговыми фонарями, в которых электрический ток, проходящий через сомкнутые угли (угольные стержни), в момент небольшого их разведения образует искру, и между углями устанавливается вольтова дуга, приводящая в состояние сильного свечения концы углей.
  1. Электронагревательные приборы в виде сосудов и плит для изготовления пищи, утюгов или отопительных приборов, где теплота выделяется в проволоках или тонко раскатанном на слюдяных пластинках металле большого сопротивления;
  2. Сварка или паяние могут осуществляться посредством электрической дуги, какая образуется между подлежащей обработки частью и железным либо угольным стержнем. Возможно формирование вольтовой дуги и между двумя угольными электродами и дальнейшее направление дуги к месту спая путем оттягивания ее с помощью электромагнита;
  3. Применение тепловых свойств электротока в специальных печах для получения определенных веществ, например:

  • получение алюминия производится также с помощью теплового действия свойств электротока, для чего глинозем, содержащий алюминий, закладывается в угольную электропечь, в которой мощная вольтова дуга, образующаяся между ней и углем, расплавляет глинозем, после чего получившаяся жидкая масса подвергается электролизу, причем чистый алюминий выделяется на отрицательном полюсе;
  • получение стали может также осуществляться посредством электропечей с вольтовой дугой, в каких конечный продукт (сталь) получается путем выплавки из чугуна и сборных отбросов из металла теплом, выделяющимся между двумя угольными электродами либо между одним электродом из угля и вторым в виде самой расплавленной массы;
  • фабрикация карбидов производится также с помощью электрических печей;
  • добыча азота из воздуха производится также в электропечах, в которых вольтова дуга переменного тока высокого напряжения оттягивается магнитом к диску либо направляется в высокую трубку, а воздух, прогоняемый через эту дугу, благодаря высокой температуре, образует окись азота, которая перерабатывается в азотную кислоту, а затем в калийную селитру.
  1. Получение озона из воздуха производится путем электрических разрядов источника высокого напряжения, благодаря которым происходят окислительные процессы в воздухе, находящимся между электродами, и выделение озона. Озон широко применяется для отделки тканей, для освежения испорченного воздуха (озонирование) и главным образом для обезвреживания питьевой воды.

Внешний вид электрической печи для производства стали

Тепловое действие тока имеет высокое значение для человека, так как представлено во многих аспектах его жизнедеятельности, в том числе в производственных цепочках многих перерабатывающих, добывающих предприятий.

>Видео

Тепловое действие тока.

Под действием электрического тока, проходящего по проводнику, последний нагревается, причем прогрев проводника оказывается тем большим, чем больше сила тока, протекающего по нему, и чем больше сопротивление.

Можно легко убедиться в том, что обладающий малым сопротивлением провод, с помощью которого осветительная лампочка присоединяется к источнику тока, практически не нагревается, в то время как нить лампочки, имеющая сравнительно большое сопротивление, раскаляется добела.

Количество тепла, которое выделяется в проводнике при прохождении по нему электрического тока, определяется по формуле закона Ленца- Джоуля.

где Q – количество тепла, Дж;

I – сила тока, А;

R – сопротивление, Ом;

T – время, с.

Если количества тепла надо выразить в калориях, то полученное значение Q необходимо умножить на 0,24.

Каждый проводник может, не перегреваясь, пропускать ток, сила которого не превышает некоторой допустимой величины, её определяют плотностью тока, т.е. силой тока, приходящейся на 1мм2 площади поперечного сечения проводника.

Так, например, допустимая плотность тока в шнуре осветительной лампы не должна превышать 5 А/мм2,

в обмотке паяльника — 10 А/мм2, в нити осветительной электрической лампочки — 15 А/мм2.

Превышение допустимой плотности тока может вызвать нежелательные последствия (например, в осветительной проводке начнет обугливаться и гореть изоляция, что может привести к пожару; в электролампе расплавится нить и лампа перегорит).

Для того чтобы предотвратить превышение допустимой плотности тока в электрических цепях, в технике широко используются плавкие предохранители, включаемые в электрическую цепь последовательно. В тех случаях, когда плотность тока превышает допустимую, проволока или пластинка, из которой сделан предохранитель, расплавляется, разрывая тем самым цепь.

В зависимости от назначения предохранители имеют разное конструктивное оформление и изготовляются на

различные рабочие токи — от сотен миллиампер до сотен ампер. Значение силы номинального тока, на которую рассчитан предохранитель, обычно указывается на нем. Предохранитель может выдерживать такой ток в течение длительного времени.

Иногда в электрической цепи вследствие неисправности каких-либо ее элементов плотность тока может

достигать чрезвычайно больших значений, происходит так называемое короткое замыкание. Это имеет место,

например, когда к источнику тока вместо нормальной нагрузки оказывается присоединенным очень малое сопротивление. Если в цепь источника тока не включены предохранители или используются предохранители, рассчитанные па силу тока, значительно превышающую

по величине нормальный ток для данной цепи, то короткое замыкание, как правило, приводит к серьезным авариям-повреждению источника тока, проводки, электроизмерительной аппаратуры (счетчиков, амперметров) и т.п.

В результате короткого замыкания может произойти так же загорание изоляции проводов.

Выделение тепла при прохождении электрического тока. При
прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.
Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I2, сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Q = I2Rt (34)

Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.

Допустимая сила и плотность тока. Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. Оно происходит, например, в различных производственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электроплитах, электрических паяльниках и пр.), в электрических лампах накаливания, аппаратах для электрической сварки и пр. Однако во многих электрических устройствах, например в электрических машинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превращение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.
Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности тока J (сила тока I, приходящаяся на 1 мм2 площади s поперечного сечения проводника):

J = I/s (35)

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь
или алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр. Например, допустимая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна превышать 3—6 А/мм2, в нити осветительной электрической лампы — 15 А/мм2. В проводах силовых и осветительных сетей плотность тока может быть различной в зависимости от площади поперечного сечения провода и его изоляции. Например, для медных проводов с резиновой изоляцией и площадью поперечного сечения 4 мм2 допускается плотность тока 10,2 А/мм2, а 50 мм2 — только 4,3 А/мм2; для неизолированных проводов тех же площадей сечения — 12,5 и 5,6 А/мм2. Уменьшение допустимой плотности тока при увеличении площади поперечного сечения провода объясняется тем, что в проводах с большей площадью сечения отвод тепла от внутренних слоев затруднен, так как сами они окружены нагретыми слоями. Для неизолированных проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных.
Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электрических сетей обугливается и даже горит, что может привести к короткому замыканию и пожару. Неизолированные же провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.
Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. Для этой цели в технике широко используют плавкие предохранители, автоматические выключатели и другие устройства.

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев проводника, как следует из закона Ленца — Джоуля, может происходить г не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения отдельных проводников. При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников (рис. 32) электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В результате место неплотного соединения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгоранию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при соединении проводов на э. п. с. и тепловозах концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, ко-


Рис. 32. Схемы выделения тепла и возникновения искрения при неплотном электрическом контакте

торые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопротивления между контактами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *