Proč se vodič zahřívá při průchodu proudu?

Proč se vodič zahřívá, když jím prochází elektrický proud?

Fenomén ohřevu vodiče při jeho připojení ke zdroji zná každý. Vysvětleme tento jev uvažováním toku proudu kovovým vodičem. Fyzikální význam elektrického proudu je pohyb nabitých částic. Každé pohybující se těleso má kinetickou energii úměrnou jeho rychlosti a hmotnosti. Vodič se skládá z částic: molekul, atomů, elementárních částic (elektrony, protony, neutrony). Před náběhem proudu ve vodiči existuje tzv. elektronový plyn, ve kterém se elektrony chaoticky pohybují. Když je vodič připojen ke zdroji, výsledné elektrické pole funguje a nutí elektrony, aby se pohybovaly uspořádaným způsobem v jednom směru. Výsledkem pole bude kinetická energie, která se objeví v každém z elektronů. Při pohybu přes krystalové mřížky atomů uvnitř vodiče se elektrony neustále srážejí s částicemi v místech mřížky. Podle zákona zachování energie se po srážce část kinetické energie volného elektronu uvolní do prostoru ve formě tepla – Q.

V obecném případě může být uvolněná energie přeměněna nejen na teplo, ale také vynaložena na jiné druhy práce nebo energie, například chemické reakce. Tato lekce fyziky zkoumá případ, kdy je práce pole určena součtem kinetické energie pohybujících se elektronů a množství uvolněného tepla.

Popsaný proces platí pro různé třídy vodičů: pevné, kapalné a plynné. Poznámka 1

Elektronický plyn se nazývají elektrony, které mají slabé spojení s jádrem atomu, proto mohou pod vlivem vnějších sil překonat sílu přitažlivosti k jádru. Právě tyto elektrony, pohybující se mezi póly zdroje, vytvářejí v pevných vodičích elektrický proud. V kapalinových a plynových vodičích je proud způsoben pohybem kladných a záporných iontů.

Joule-Lenzův zákon. Definice, vzorec, fyzikální význam

1. Aktuální hodnotyA. Síla proudu určuje množství náboje procházejícího průřezem vodiče za jednotku času. Čím větší je tedy proud v obvodu, tím více volných elektronů se srazí s vázanými částicemi a tím více tepla se uvolní.
2. Obvodová napětí. Napětí je přímo úměrné práci, kterou pole vykoná při pohybu náboje. To znamená, že čím větší napětí, tím více práce pole vykonalo a tím více kinetické energie obdržely volné elektrony, což znamená, že množství uvolněného tepla bude větší.
3. Odpor vodiče. Odpor charakterizuje schopnost vodiče propouštět proud. Závislost množství generovaného tepla na odporu je také přímo úměrná. Čím větší je odpor vodiče, tím více práce je vynaloženo na pohyb nábojů a množství uvolněného tepla se zvýší.
4. čas. Počet srážek volných a vázaných elektronů, ke kterým dochází, se bude s přibývajícím časem zvyšovat, stejně jako množství tepla.

Závislost množství uvolněného tepla na parametrech obvodu a vodiče se podařilo popsat dvěma vědcům: anglickému fyzikovi J. Joulemu a ruskému fyzikovi E. Lenzovi. V 19. století samostatně formulovali zákon o tepelném působení pole na vodič. Následně byl zákon pojmenován po jeho objevitelích – zákon Joule-Lenz.

Joule-Lenzův zákon uvádí, že množství tepla generovaného při průchodu proudu vodičem je přímo úměrné druhé mocnině síly proudu, odporu a době průchodu proudu.

Joule-Lenzův zákon lze napsat jako vzorec:

Pomocí Ohmova zákona pro část obvodu transformujeme vzorec pro zápis Joule-Lenzova zákona:

Klady a zápory ohřevu vodiče

Negativní důsledky zákona Joule-Lenz zahrnují:

• ztráta kinetické energie při srážce částic, což ztěžuje přenos elektřiny na velké vzdálenosti. Nejjednodušší způsob, jak tento problém vyřešit, je zvýšit napětí, ale to vede ke snížení bezpečnosti;
• přehřátí vodiče, což může vést k poškození jak vodiče samotného, ​​tak jeho izolace.

Objevené nevýhody zahřívání vodiče lze snadno proměnit v výhody, pokud je správně použit Joule-Lenzův zákon:

• Aby nedocházelo k energetickým ztrátám při přenosu proudu na velké vzdálenosti a také ke kompenzaci nárůstu napětí, je odpor obvodu zvýšen. Hodnota odporu se volí na základě vzorce vyjadřujícího závislost tepla na napětí a odporu;
• pomocí Joule-Lenzova zákona se parametry vodiče (materiál, průřez) a obvodu (napětí, proud) volí tak, aby nedošlo k poškození nebo požáru vodiče.

Praktické výhody Joule-Lenzova zákona

Navzdory přítomnosti negativních důsledků je Joule-Lenzův zákon v praxi široce používán:

1. Žárovka. Pro vlákno v lampě je zvolen materiál, který při zahřívání vydává světlo. Když je lampa připojena ke zdroji, proud ohřívá vlákno, což způsobuje, že vlákno vydává světlo.
2. Pojistky. Když se v obvodu objeví napětí překračující přípustnou hodnotu, pojistka se začne zahřívat a tavit. Roztavená pojistka otevře obvod.
3. Elektrická topná zařízení. Když je zařízení připojeno ke zdroji, topné těleso se zahřívá a produkuje teplo.

Příklady řešení problémů

Najděte množství tepla uvolněného za 20 sekund elektrickým sporákem zapojeným do obvodu 220 V Je známo, že odpor kamen je 100 Ohmů.

Určete sílu proudu v obvodu s odporem 95 Ohmů, je-li známo, že se za 15 sekund uvolnilo 142 kJ.

Připraveno společně s lektorem:

Potřebujete pomoc?

• Lektor fyziky
• Lektor fyziky 8. třída
• Tutor pro přípravu na OGE ve fyzice

Jednou z vlastností elektrického proudu je ohřev vodičů, kterými protéká. Tohoto efektu si všimli mnozí badatelé, ale k jeho pochopení došlo až po objasnění mechanismu interakce nabitých částic s atomy a molekulami vodičů. Zahřívání způsobuje uvolňování tepla a zvýšení teploty a množství uvolněného tepla lze vypočítat pomocí vzorce Joule-Lenzova zákona.

Proč se vodiče zahřívají?

Elektrický proud je uspořádaný pohyb nabitých částic. Ve vodičích jsou tyto částice záporně nabité elektrony. Účinek elektrického pole dodává elektronům dodatečnou kinetickou energii. Při pohybu se srážejí s atomy (nebo molekulami) vodiče a uvolňují část získané energie. Z tohoto důvodu se vnitřní energie látky začíná zvyšovat, což vede ke zvýšení teploty a uvolňování tepla.

Pokud vezmete obyčejnou žárovku a připojíte ji ke zdroji napětí přes reostat (proměnný odpor), můžete pozorovat tepelný efekt z toku proudu. Postupným zvyšováním proudu nejprve pohmatem ucítíme, že se skleněná baňka žárovky začne postupně zahřívat a následně uvidíme, jak začne žhavé vlákno svítit.

Všimněte si, že v tomto experimentu se vodiče příliš nezahřívají a nesvítí. To se děje proto, že odpor vlákna je mnohem větší než odpor vodičů.

Joule-Lenzův zákon

Na základě tohoto a dalších experimentů lze učinit následující předpoklady:

• Čím větší je odpor, tím více se vodiče zahřívají. Tedy množství tepla Q, který se uvolňuje při průchodu elektrického proudu vodičem, je přímo úměrný hodnotě odporu vodiče R;
• Čím větší proud, tím větší množství generovaného tepla. S rostoucím proudem projde průřezem vodiče za jednotku času více částic, to znamená, že se zvyšuje počet srážek, což znamená, že se na atomy vodiče přenese více energie.

Vzorec pro výpočet množství tepla získali nezávisle na sobě v roce 1842 anglický fyzik James Joule a ruský vědec Emilius Lenz:

Q — množství tepla, J;

Podle Ohmova zákona:

kde U – napětí, V.

Pomocí tohoto vzorce lze Joule-Lenzův zákon znázornit v jiné verzi, když je známo napětí na části vodiče, ale není známa síla proudu:

Vzorce Joule-Lenzova zákona platí, když práce vykonaná elektrickým proudem jde výhradně na vytápění. Pokud je v obvodu spotřeba energie na vykonávání mechanické práce (elektromotor) nebo na provádění chemických reakcí (elektrolyt), pak je třeba pro výpočet použít jiné vzorce.

Výhody a nevýhody elektrického vytápění

• Pros. Ohřev vodičů elektrickým proudem nachází své uplatnění v různých užitečných spotřebičích a zařízeních: elektrické sporáky, varné konvice, kávovary, bojlery, fény, žehličky, topidla.
• Zápory. Elektrotechnici se s tímto efektem velmi často musí vypořádat, aby například zajistili funkčnost elektronických desek, které jsou napěchované velkým množstvím elektronických součástek, mikroobvodů atd. Všechny tyto prvky se zahřívají v souladu se zákonem Joule-Lenz. A pokud nebudou přijata opatření pro nucené chlazení pomocí kovových radiátorů nebo ventilátorů (chladičů), pak desky rychle selžou z přehřátí.

K rychlému připojení vodičů často mnoho lidí používá metodu „kroucení“. To vede k výraznému zvýšení odporu, a proto se „zkroucená“ oblast zahřeje více než zbytek kabeláže. Proto kroucení drátů často způsobuje požáry v domech a bytech. Pro zlepšení kontaktu je potřeba toto místo dobře zapájet.

co jsme se naučili?

Krátce jsme tedy hovořili o topných vodičích elektrickým proudem. K zahřívání vodičů dochází v důsledku skutečnosti, že elektrony, pohybující se uspořádaně určitou rychlostí, narážejí na atomy látky a odevzdávají část své energie, která se mění na teplo. Množství tepla lze určit použitím vzorce Joule-Lenz.