Как объяснить нагревание проводника электрическим током — закон Джоуля-Ленца
Явление нагревания проводника при подключении его к источнику знакомо каждому.
Дадим объяснение этому явлению, рассмотрев протекание тока по металлическому проводнику.
Физический смысл электрического тока — движение заряженных частиц. Любое движущееся тело имеет кинетическую энергию, пропорциональную его скорости и массе. Проводник состоит из частиц: молекул, атомов, элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов).
До начала возникновения тока в проводнике существует так называемый электронный газ, электроны в котором движутся хаотично. При подключении проводника к источнику возникающее электрическое поле совершает работу, вынуждая электроны двигаться упорядоченно в одном направлении. Результатом работы поля будет кинетическая энергия, которая появится у каждого из электронов.
Двигаясь сквозь кристаллические решетки из атомов внутри проводника электроны постоянно сталкиваются с частицами в узлах решетки. По закону сохранению энергии после столкновения часть кинетической энергии свободного электрона выделяется в пространство в виде теплоты — Q.
В общем случае выделяемая энергия может переходить не только в теплоту, но и затрачиваться на другие виды работы или энергии, например, химические реакции. На данном уроке физики рассматривается случай, когда работа поля определяется суммой кинетической энергии движущихся электронов и количества выделяемой теплоты.
Описанный процесс справедлив для разных классов проводников: твердых, жидких и газообразных.
Электронным газом называют электроны, которые обладают слабой связью с ядром атома, поэтому под действием внешних сил могут преодолеть силу притяжение к ядру. Именно эти электроны, перемещаясь между полюсами источника, создают электрический ток в твердых проводниках. В жидких и газовых проводниках ток вызван движением положительных и отрицательных ионов.
Как изменится сопротивление проводника если его длину и площадь поперечного сечения уменьшить в 2 раза? Физика
Закон Джоуля-Ленца. Определение, формула, физический смысл
Количество теплоты, выделяемой при протекании тока, зависит от следующих параметров:
- Величины силы тока. Сила тока определяет количество заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Следовательно, чем больше сила тока в цепи, тем большее количество свободных электронов столкнется со связанными частицами и тем большее количество теплоты выделится.
- Напряжения в цепи. Напряжение прямо пропорционально работе поля по перемещению заряда. То есть чем больше напряжение, тем большую работу совершило поле и тем большую кинетическую энергию получили свободные электроны, а значит, и выделяемое количество теплоты будет больше.
- Сопротивление проводника. Сопротивление характеризует способность проводника пропускать ток. Зависимость количества выделяемой теплоты от сопротивления также прямо пропорциональна. Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем большая работа затрачивается на перемещение зарядов, при этом количество выделенной теплоты увеличится.
- Время. Количество произошедших ударов свободных и связанных электронов будет расти с увеличением времени, как и количество теплоты.
Описать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи и проводника удалось двум ученым: английскому физику Дж. Джоулю и русскому физику Э. Ленцу. В XIX веке они независимо друг от друга сформулировали закон о тепловом воздействии поля на проводник. Впоследствии закон назвали в честь его первооткрывателей — закон Джоуля-Ленца.
Закон Джоуля-Ленца гласит, что количество теплоты, выделяемой при протекании тока через проводник, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени прохождения тока.
Используя закон Ома для участка цепи, преобразуем формулу записи закона Джоуля-Ленца:
Термины
- Полупроводник – вещество с электрическими свойствами, которые характеризируют его как хорошего проводника или изолятора.
- Температурный коэффициент удельного сопротивления – эмпирическая величина (α), описывающая изменение сопротивления или удельного сопротивления с температурным показателем.
- Удельное сопротивление – степень, с которой материал сопротивляется электрическому потоку.
Сопротивление конкретного образца ртути достигает нуля при крайне низком температурном показателе (4.2 К). Если показатель выше этой отметки, то наблюдается внезапный скачек сопротивления, а далее практически линейный рост с температурой
p = p (1 + αΔT), где ρ – исходное удельное сопротивление, а α – температурный коэффициент удельного сопротивления. При серьезных переменах температуры α способно меняться, а для поиска p возможно потребуется нелинейное уравнение. Именно поэтому иногда оставляют суффикс температуры, при которой изменилось вещество (к примеру, α15).
Стоит отметить, что α положительно для металлов, а удельное сопротивление растет вместе с температурным показателем. Обычно температурный коэффициент составляет +3 × 10-3 К-1 до +6 × 10-3 К-1 для металлов с примерно комнатной температурой. Есть сплавы, которые разрабатывают специально, чтобы снизить зависимость от температуры. Например, у манганина α приближено к нулю.
Не забывайте также, что α выступает отрицательным для полупроводников, то есть, их удельное сопротивление уменьшается с ростом температурной отметки. Это отличные проводники при высоких температурах, потому что повышенное температурное смешивание увеличивает количество свободных зарядов, доступных для транспортировки тока.
Сопротивление объекта также основывается на температуре, так как R располагается в прямой пропорциональности p. Мы знаем, что для цилиндра R = ρL/A. Если L и A сильно не изменяются с температурой, то R обладает одинаковой температурной зависимостью с ρ. Выходит:
R = R (1 + αΔT), где R – исходное сопротивление, а R – сопротивление после изменения температуры T.
Давайте рассмотрим сопротивление датчика температуры. Очень многие термометры функционируют по этой схеме. Наиболее распространенный пример – термистор. Это полупроводниковый кристалл с сильной зависимостью от температуры. Устройство небольшое, поэтому быстро переходит в тепловой баланс с человеческой частью, к которой прикасается.
Термометры основаны на автоматическом измерении температурного сопротивления термистора
Батарея
Измерения тока и напряжения в цепях
Микроскопический вид: скорость дрейфа
Закон Ома
Температура и сверхпроводимость
Сопротивление и удельное сопротивление
Зависимость сопротивления от температуры
При пропускании тока от источника постоянного напряжения через стальной проводник проводник нагревается. как изменится сопротивление проводника и почему? Есть ответ на
- класс точности;
- температурный диапазон, в котором поддерживается допустимое отклонение по установленным нормативам;
- мощность потребления;
- размеры, масса;
- защищенность от электромагнитных колебаний и других внешних воздействий.
Класс допуска
Приведенные ниже данные соответствуют международным и российским стандартам. Допустимо использование уникальных температурных диапазонов, утвержденных в ТУ определенного предприятия производителя.
| Классификация по ГОСТ | Допустимое отклонение, °C | Нормированный температурный диапазон для разных видов ТС (минимум/ максимум в °C) | ||
|---|---|---|---|---|
| Платиновый проволочный (пленочный) | Медный | Никелевый | ||
| АА | ±(0,1 + 0,0017) | -50/+250 (-50/+150) | — | — |
| А | ±(0,15 + 0,002) | -100/+450(-30/+300) | -50/+120 | — |
| В | ±(0,3 + 0,005) | -196/+660 (-50/+500) | -50/+200 | — |
| С | ±(0,6 + 0,01) | -196/+660 (-50/+600) | -180/+200 | -60/+180 |
