Меню

Как определить температуру проводника с током

Закон Джоуля-Ленца

Электричество – неотъемлемый признак нашей эпохи. Абсолютно всё вокруг завязано на нём. Любой современный человек, даже без технического образования, знает, что электрический ток, текущий по проводам, способен в некоторых случаях нагревать их, зачастую до очень высоких температур. Казалось бы, это заведомо всем известно и не стоит упоминания. Однако, как объяснить это явление? Почему и как происходит нагрев проводника?

Опыты Ленца

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц “застрял” с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи “источник энергии – проводник – потребитель энергии” сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.

Закон Джоуля-Ленца

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало – невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший “нагреватель” – стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся – тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Закон Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

нихромовая нагретая спираль

Из формулы также следует – чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге – подгорание с последующим пропаданием контакта.

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины – первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Читайте также:  Магнит вносят в бронзовое сплошное кольцо возникает ли индукционный ток

Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна , данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.

Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку

лампа эдисона

Заключение

Таки образом, можно сказать что на законе Джоуля-Ленца держится чуть ли не вся электрика и электротехника. Открыв этот закон, появилась возможность уже заранее предсказать некоторые будущие проблемы в освоении электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери нужно занизить передаваемый ток, компенсируя это высоким напряжением. А уже на оконечном потребителе, понижать напряжение и получать более высокий ток.

Закон Джоуля-Ленца неотступно следует из одной эпохи технологического развития в другую. Даже сегодня мы постоянно наблюдаем его в быту – закон проявляется всюду, и не всегда люди ему рады. Сильно греющийся процессор персонального компьютера, пропадание света из-за обгоревшей скрутки «медь-алюминий»,выбитая вставка-предохранитель, выгоревшая из-за высокой нагрузки электропроводка – всё это тот самый закон Джоуля-Ленца.

Источник

Определить температуру проводника

Определить температуру холодильника
Определить температуру холодильника идеальной тепловой машины (C), если ее КПД составляет 9%, а.

Определить начальную температуру чёрного тела
При увеличении термодинамической температуры. Т черного тела в два раза длина волны λm, на.

Определить температуру в калориметре
Прошу дать подробное решение. В калориметре находится 4 кг. воды при температуре 291 К. В воду.

Определить температуру в калориметре
В калориметре находится 2 кг воды при температуре 282 К. В воду опускают электронагреватель.

Сначала находим сопротивление с закона Ома: R = U/I.
Потом используем зависимость сопротивления от температуры: .
— коэффициент зависимости сопротивления от температуры.

Добавлено через 2 минуты
— сопротивление при начальной температуре( может быть 0 или 20 градусов, или другое значение, которое наводится в таблице)

Альфа и Rо табличные величины.

Добавлено через 6 минут
Задача немного сложнее чем думал на первый взгляд, сейчас порешаю и напишу.

Добавлено через 49 секунд
Поправка Rо может быть найдена через табл. величины.

Добавлено через 2 минуты
Случайно длина проводника не наведена?

Лучший ответСообщение было отмечено Nushkaa как решение

Решение

Итак начнём. Для решения этой задачи нужны след. законы и формулы:
1 — з. Ома — .
2 — зависимость сопротивления от длины, сечения и материала проводника — .
3 — зависимость сопротивления от изменения температуры — .

Температура которая нас интересует может быть найдена как + .
температура при которой измеряется начальное значение ро — (наведена в таблице).
При температуре 20 градусов Цельсия = 4,3 * 1/ .

Лучший ответСообщение было отмечено Nushkaa как решение

Решение

Из (1) находим R. R = U/I. R = 5 Ом.
Из (2) находим . = . Переводить в десятичный дробь пока не будем, так как получится бесконечный дробь. Хотя если большая точность не нужна, можно его округлить и посчитать.
(3) же перепишем так, чтобы выразить дельта т. — .
Отсюда 390,4 гр. Цельсия. А температура алюминия 390,4 + 20 = 410. 4 градусов.

Вы мне очень помогли) спасибо

Добавлено через 9 минут
Спасибо огромное)

Заказываю контрольные, курсовые, дипломные работы и диссертации здесь.

Определить температуру холодильника
В цикле Карно газ получил от нагревателя количество теплоты равное 500 Дж и совершил работу 100 Дж.

Определить температуру азота
При какой температуре (по шкале Кельвина) плотность азота будет 1.4 кг/м^3 при давлении 0.2 МПа? .

Определить начальную температуру газа
Объем газа, нагреваемого в изобарных условиях до температуры 280 К, увеличился в 1,4 раза.

Определить температуру идеального газа
:sorry: Не могу решить задачки помогите ребятки) 1-определить температуру идеального газа если.

Источник

Закон Джоуля-Ленца: определение, формулы

Мы ежедневно пользуемся электронагревательными приборами, не задумываясь, откуда берётся тепло. Разумеется, вы знаете, что тепловую энергию вырабатывает электричество. Но как это происходит, а тем более, как оценить количество выделяемого тепла, знают не все. На данный вопрос отвечает закон Джоуля-Ленца, обнародованный в позапрошлом столетии.

В 1841 году усилия английского физика Джоуля, а в 1842 г. исследования русского учёного Ленца увенчались открытием закона, применение которого позволяет количественно оценить результаты теплового действия электрического тока [ 1 ]. С тех пор изобретено множество приборов, в основе которых лежит тепловое действие тока. Некоторые из них, изображены на рис. 1.

Читайте также:  Схема измерения тока с помощью вольтметра

Тепловые приборы

Рис. 1. Тепловые приборы

Определение и формула

Тепловой закон можно сформулировать и записать в следующей редакции: «Количество тепла, выработанного током, прямо пропорционально квадрату приложенного к данному участку цепи тока, сопротивления проводника и промежутка времени, в течение которого электричество действовало на проводник».

Обозначим символом Q количество выделяемого тепла, а символами I, R и Δt – силу тока, сопротивление и промежуток времени, соответственно. Тогда формула закона Джоуля-Ленца будет иметь вид: Q = I 2 *R*Δt

Согласно законам Ома I=U/R, откуда R = U/I. Подставляя выражения в формулу Джоуля-Ленца получим: Q = U 2 /R * Δt ⇒ Q = U*I*Δt.

Выведенные нами формулы – различные формы записи закона Джоуля-Ленца. Зная такие параметры как напряжение или силу тока, можно легко рассчитать количество тепла, выделяемого на участке цепи, обладающем сопротивлением R.

Дифференциальная форма

Чтобы перейти к дифференциальной форме закона, проанализируем утверждение Джоуля-Ленца применительно к электронной теории. Приращение энергии электрона ΔW за счёт работы электрических сил поля равно разности энергий электрона в конце пробега (m/2)*(u=υmax) 2 и в начале пробега (mu 2 )/2 , то есть

формула приращение энергии электрона

Здесь u скорость хаотического движение (векторная величина), а υmax – максимальная скорость электрического заряда в данный момент времени.

Поскольку установлено, что скорость хаотического движения с одинаковой вероятностью совпадает с максимальной (по направлению и в противоположном направлении), то выражение 2*u*υmax в среднем равно нулю. Тогда полная энергия, выделяющаяся при столкновениях электронов с атомами, образующими узлы кристаллической решётки, составляет:

Формула полной энергии

Это и есть закон Джоуля-Ленца, записанный в дифференциальной форме. Здесь γ – согласующий коэффициент, E – напряжённость поля.

Интегральная форма

Предположим, что проводник имеет цилиндрическую форму с сечением S. Пусть длина этого проводника составляет l. Тогда мощность P, выделяемая в объёме V= lS составляет:

Формула мощности P выделяемой в объеме

гдеR – полное сопротивление проводника.

Учитывая, чтоU = I×R, из последней формулы имеем:

  • P = U×I;
  • P = I 2 R;
  • P = U 2 /R.

Если величина тока со временем меняется, то количество теплоты вычисляется по формуле:

Формула количества теплоты

Данное выражение, а также вышеперечисленные формулы, которые можно переписать в таком же виде, принято называть интегральной формой закона Джоуля-Ленца.

Формулы очень удобны при вычислении мощности тока в нагревательных элементах. Если известно сопротивление такого элемента, то зная напряжение бытовой сети легко определить мощность прибора, например, электрочайника или паяльника.

Физический смысл

Вспомним, как электрический ток протекает по металлическому проводнику. Как только электрическая цепь замкнётся, то под действием ЭДС движение свободных электронов упорядочивается, и они устремляются к положительному полюсу источника питания. Однако на их пути встречаются стройные ряды кристаллических решёток, атомы которых создают препятствия упорядоченному движению, то есть оказывают сопротивление.

На преодоление сопротивления уходит часть энергии движущихся электронов. В соответствии с фундаментальным законом сохранения энергии, она не может бесследно исчезнуть. Она-то и превращается в тепло, вызывающее нагревание проводника. Накапливаемая тепловая энергия излучается в окружающее пространство или нагревает другие предметы, соприкасающиеся с проводником.

На рисунке 2 изображёна схема опыта, демонстрирующего закон теплового действия тока, разогревающего участок провода в электрической цепи.

Тепловое действие тока

Рис. 2. Тепловое действие тока

Явление нагревания проводников было известно практически с момента получения электротока, но исследователи не могли тогда объяснить его природу, и тем более, предложить способ оценки количества выделяемого тепла. Эту проблему решает закон Джоуля-Ленца, которым мы пользуемся по сегодняшний день.

Практическая польза закона Джоуля-Ленца

При сильном нагревании можно наблюдать излучение видимого спектра света, что происходит, например, в лампочке накаливания. Слабо нагретые тела тоже излучают тепловую энергию, но в диапазоне инфракрасного излучения, которого мы не видим, но можем ощутить своими тепловыми рецепторами.

Допускать сильное нагревание проводников нельзя, так как чрезмерная температура разрушает структуру металла, проще говоря – плавит его. Это может привести к выводу из строя электрооборудования, а также стать причиной пожара. Для того, чтобы не допустить критических параметров нагревания необходимо делать расчёты тепловых элементов, пользуясь формулами, описывающими закон Джоуля-Ленца.

Проанализировав выражение U 2 /R убеждаемся, что когда сопротивление стремится к нулю, то количество выделенного тепла стремится к бесконечности. Такая ситуация возникает при коротких замыканиях. В это основная опасность КЗ.

В борьбе с короткими замыканиями используют:

  • автоматические выключатели:
  • электронные защитные блоки;
  • плавкие предохранители;
  • другие защитные устройства.

Применение и практический смысл

Непосредственное превращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономически выгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современного человечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборы продолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Читайте также:  Принципиальная схема подключения трехфазного тока

Перечислим некоторые из них:

  • электрочайники;
  • утюги;
  • фены;
  • варочные плиты;
  • паяльники;
  • сварочные аппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Бытовые нагревательные приборы

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

Закон Джоуля-Ленца без преувеличения можно назвать гениальным. Это один из тех законов, которые повлияли на развитие электротехники.

Источник



Температура проводника с током

Дата публикации: 12 февраля 2015 .
Категория: Статьи.

Все проводники при прохождении по ним электрического тока нагреваются и отдают тепло окружающей среде (воздуху, жидкости, твердому телу). Температура нагрева проводника будет повышаться до тех пор, пока количество тепла, получаемое проводником, не станет равным количеству тепла, отдаваемому проводником окружающей среде. Температура нагрева проводника зависит от тока в проводнике, сечения и материала проводника и условий охлаждения. При заданных токе и материале проводника температура нагрева не зависит от его длины, так как чем больше длина, тем больше поверхность охлаждения.

Если выбрать проводник из определенного материала и поместить его в определенные условия охлаждения, то нагрев такого проводника током будет больше, чем больше плотность тока в самом проводнике.

В целях экономии материала стараются пропустить по проводнику наибольший ток, но для каждого проводника существует температура, выше который проводник нельзя нагревать по ряду причин. Так, например, проводники, имеющие в качестве изоляции резину и хлопчатобумажную оплетку, в целях предохранения изоляции от порчи не должны нагреваться выше 50 °С. Поэтому в зависимости от сечения проводники выбирают на определенную плотность тока. Например, наибольшая допустимая плотность тока для изолированных проводов и кабелей, проложенных не в земле, в зависимости от сечения, показана в таблице 1.

Допустимая плотность тока для изолированных медных проводов

Сечение в мм² Ток в А Плотность тока в А/мм² Сечение в мм² Ток в А Плотность тока в А/мм²
0,75
1
1,5
2,5
4
6
10
16
25
35
13
15
20
27
36
46
68
92
123
152
17,4
15,0
13,3
10,8
9,0
7,7
6,8
5,7
4,9
4,3
50
70
95
120
150
185
240
300
400
192
242
292
342
392
450
532
614
737
3,8
3,5
3,1
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8

Как видно из таблицы, плотность тока с увеличением сечения проводников уменьшается. Это объясняется тем, что проводники небольших сечений, нагреваясь отдают свое тепло окружающей среде, в то время как внутренние слои проводника большого сечения, нагреваясь, свое тепло могут передавать только соседним слоям проводника, которые сами уже нагреты.

Неизолированные («голые») провода благодаря лучшему охлаждению допускают большие величины плотности тока (таблица 2).

Допустимая плотность тока для изолированных проводов

Сечение в мм² В закрытом помещении На воздухе
ток в А плотность тока в А/мм² ток в А плотность тока в А/мм²
4
6
10
16
25
35
50
70
95
57
73
103
130
165
210
265
340
410
14,2
12,2
10,3
8,1
6,6
6,0
5,3
4,8
4,3
58
76
108
150
205
270
335
425
510
14,5
12,6
10,8
9,4
8,2
7,7
6,7
6,1
5,4

Следует отметить, что если медный изолированный провод сечением 25 мм² допускает ток 123 А, то сечение алюминиевого провода при том же токе нужно брать не 25 мм², а в 1,5 раза больше, так как иначе провод будет перегреваться вследствие большого удельного сопротивления алюминия.

Энергия электрического тока, расходуемая на нагревание проводов, теряется бесполезно. Поэтому при расчете проводов тепловые потери стараются свести не более чем к 5 – 10 % от всей энергии.

Но не всегда нагрев проводника является нежелательным. Тепловые действия электрического тока имеют многочисленное практическое применение, и тепло, выделяемое током, проходящим по проводнику, часто стараются получить в большом количестве. В следующих статьях описаны некоторые случаи практического применения тепловых действий тока.

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.

Источник