{

Тепловое действие тока

Презентация О.А.Катуниной

Цель и задачи: Ознакомление учащихся с тепловым действием тока и его использованием на практике. Изучить тепловое действие электрического тока и показать практическое его применение; Ознакомить учащихся с устройством некоторых электронагревательных приборов; Расширять политехнический кругозор учащихся.

Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока увеличивается скорость колебаний ионов и атомов и внутренняя энергия проводника увеличивается. Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи.

Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле: А = U·I·t. Обозначим количество теплоты буквой Q. Согласно сказанному выше Q = A, или Q = U·I·t. Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Зная, что U = IR, получим: Q = I·R·I·t, т. е. Q=I ·R·t Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. К этому же выводу, но на основании опытов впервые пришли независимо друг от друга английский ученый Джоуль и русский ученый Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля - Ленца.

Закон теплового действия тока Джоуля–Ленца. Дата: 1841. Методы: количественное исследование. Прямота эксперимента: прямое наблюдение. Искусственность изучаемых условий: естественные условия. Исследуемые фундаментальные принципы: закон сохранения и превращения энергии, дрейфовый характер тока в металлах

Закон Джоуля — Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем

..во всех случаях, когда электрический ток получался с помощью магнитоэлектрической машины, количество теплоты, развиваемой током, находилось в постоянном отношении к силе, необходимой для вращения этой машины... Дж. Джоуль

Любопытно, что… ...до открытия закона, принесшего ему мировую известность, Джоуль занимался определением эффективности электрических машин. «Я не сомневаюсь,— утверждал он,— что электромагнетизм в конце концов заменит собою пар для приведения в движение машин». Однако очень скоро он пришел к пессимистическому выводу о превосходстве паровых машин над электрическими. ...Ленцу, точность и обстоятельность опытов которого обеспечили признание нового закона, пришлось самому вводить единицу измерения сопротивления (закон Ома к тому времени еще не вошел во всеобщее употребление), а также единицы тока и электродвижущей силы. ...энергия, «расходуемая» всеми молниями за год, по оценке, сделанной на основе закона Джоуля — Ленца, более чем втрое превышает мировую годичную выработку электроэнергии. ...хотя токи в микросхемах очень слабые, при большой плотности деталей весьма ощутимым становится тепловыделение, резко снижающее качество электронных устройств: начинаются процессы диффузии, размываются границы между деталями, возрастает фоновый шум. Эти причины сильно мешают миниатюризации электронных изделий

В эксперименте, поставленном Джоулем (1841, 1843) и независимо от него Ленцем (1843), использовался калориметр , т.е. теплоизолированный прибор с большой, но известной теплоемкостью и термометром, в который был помещен проводник с известным сопротивлением. При подключении этого проводника к источнику напряжения в нем начинало выделяться тепло, количество которого можно было определить по изменению температуры внутри калориметра. Ленц подтвердил закон теплового действия тока с гораздо большей, чем Джоуль, точностью, однако последний также показал его справедливость для тока в электролитах. Вообще говоря, класс веществ, в которых действует закон Джоуля–Ленца, очень широк и включает в себя полупроводники, электролиты и металлы. Неприменим он к движущимся проводникам и к проводникам, которые приходят в движение при протекании в них тока — т.н. проводникам второго рода (например, катушка индуктивности внутри электромотора). Джоулю наблюдаемый им процесс выделения тепла был интересен и с точки зрения закона сохранения энергии. Поэтому, чтобы можно было оценить ушедшую в тепло энергию, он использовал в качестве источника энергии падающий груз на нити, вращавшей ротор динамо-машины. В данном случае эта энергия равна просто изменению механической энергии груза в поле тяготения.

Рассмотрим устройство лампы накаливания. Нагреваемым элементом в ней является свернутая в спираль тонкая вольфрамовая нить 1. Вольфрам для изготовления нити выбран потому, что он тугоплавок и имеет достаточно большое удельное сопротивление. Спираль с помощью специальных держателей 2 укрепляется внутри стеклянного баллона, наполненного инертным газом, в присутствии которого вольфрам не окисляется. Баллон крепится к цоколю 3, к которому припаян один конец токоведущего провода в точке 4. Второй конец провода через изолирующую прокладку 5 припаян к нижнему контакту. Лампа ввертывается в патрон. Он представляет собой пластмассовый корпус А, в котором имеется металлическая гильза Б с резьбой; к ней присоединен один из проводов сети. Патрон контактирует с цоколем 3. Второй провод от сети присоединен к контакту В, который касается нижнего контакта лампы. Лампы накаливания удобны, просты и надежны, но экономически они невыгодны. Так, например, в лампе мощностью 100 Вт лишь небольшая часть электроэнергии (4 Вт) преобразуется в энергию видимого света, а остальная энергия преобразуется в невидимое инфракрасное излучение и в форме тепла передается окружающей среде.

Этот маленький цветок Головою вниз растёт. С потолка свисает груша, И не думай грушу кушать! Светится, как солнце, Уронишь — разобьётся. Золотая птичка Вечером в дом влетает, Весь дом освещает. Провели под потолок Удивительный шнурок. Привинтили пузырёк — Загорелся огонёк.

Она снаружи вроде груши, Висит без дела днём, А ночью освещает дом. Дом — стеклянный пузырёк, А живёт в нём огонёк, Днём он спит, А как проснётся — Ярким пламенем зажжётся.

Из детства…

Загадки детства

В полотняной стране По реке простыне Плывет пароход, То назад, то вперед, А за ним такая гладь, Ни морщинки не видать.

То назад, то вперед Ходит бродит пароход. Остановишь - горе! Продырявит море!

1.В цепь включены параллельно медная и железная проволоки равной длины и сечения. В какой из них выделится большее количество теплоты за одно и то же время? 2.Две электрические лампы мощностью 25 и 200 Вт включены последовательно в электрическую цепь. Какая из ламп будет гореть ярче? 3.В каком из резисторов, показанных на схеме, выделяется наибольшее количество теплоты? 4.Почему электрические лампы чаще перегорают в момент замыкания цепи и очень редко — в момент размыкания?

1.В медной. 2.Более мощная лампа имеет меньшее сопротивление, а сила тока, протекающего через лампы, одинакова. 3.Следовательно, менее мощная лампа будет горечь ярче. 4.В момент замыкания ток в цепи будет наибольшим из-за того, что сопротивление холодного металла меньше, чем раскаленного. Ответы

5.Как изменится теплоотдача электроплитки, если укоротить ее спираль? 6.Как переделать электроплитку, рассчитанную на напряжение 220В, на 110 В, при этом не меняя и не укорачивая спираль? 7.По стальной проволоке пропускают ток такой силы, что она слегка накаляется. Почему при охлаждении одной части проволоки (например, водой) другая ее часть накаляется сильнее? Напряжение на концах проволоки поддерживается неизменным. 8.Половину спирали от электроплитки растянули, и спираль включили в сеть. Будут ли отличаться показания вольтметра, измеряющего напряжение на растянутой части спирали, от показаний на нерастянутой части? 9..Почему при включении в сеть электроутюга накал ламп в квартире сразу же заметно падает, но вскоре возрастает, достигая примерно прежнего уровня? 10.На что расходуется электроэнергия, потребляемая домашним холодильником? 11.Два потребителя подключаются к электрической батарее: один раз последовательно, другой — параллельно. В каком случае КПД будет больше?

5.Теплоотдача увеличится в соответствии с законом Джоуля — Ленца. 6.См. рис. 7.Сопротивление охлажденной части проволоки становится меньше сопротивления неохлажденной части, общий ток в цепи возрастает, и на неохлажденной части проволоки выделяется больше тепла. 8.Так как теплоотдача растянутой части спирали больше, чем нерастянутой, ее температура будет меньше. Тогда по причинам, указанным в ответе к предыдущей задаче, показания вольтметра, подключенного к нерастянутой части спирали, будут выше. 9.Мощность, потребляемая утюгом в первый момент после включения, во много раз больше номинальной, так как сопротивление холодной спирали мало. Поэтому велико падение напряжения на подводящих проводах. По мере нагревания спирали потребляемая утюгом мощность падает, приближаясь к номинальной. 10.На нагревание комнаты. 11.В первом случае.

12.На схеме изображена цепь, состоящая из лампы 1 мощностью 40 Вт, ключа К и лампочки 2 от карманного фонаря. Цепь включили в городскую сеть при замкнутом ключе К, затем ключ разомкнули — лампы горели нормально. Когда же в другой раз включение произошло при разомкнутом ключе, лампочка 2 сразу перегорела. Почему?

В первом случае ток через лампочку 2 начинает идти после того, как нить лампы 1 накалилась и ее сопротивление стало значительным. Во втором случае ток через лампочку 2 начинает идти сразу, т. е. когда нить лампы 1 еще не нагрелась и ее сопротивление мало.

Ответ на 12 вопрос

Микроопыт Найдите сопротивление электрического утюга в рабочем режиме, если сведения о его мощности отсутствуют, с помощью электросчетчика и транзисторного радиоприемника.

Микроопыт Необходимо настроить приемник на программу «Маяк» и с помощью счетчика найти количество электроэнергии, израсходованной утюгом за промежуток между двумя позывными «Маяка», т. е. за полчаса. Затем можно рассчитать мощность утюга и, зная напряжение в сети, определить сопротивление утюга.

Основной частью любого электронагревательного прибора является нагревательный элемент (проводник с большим удельным сопротивлением наматывается на пластинку из жаростойкого материала: слюды, керамики). Выше приведенную формулу закона Джоуля—Ленца удобно применять при последовательном соединении резисторов, так как сила тока во всех участках последовательно соединенной цепи одинакова. Если последовательно соединены два резистора с сопротивлениями R1 и R2, то Q1=I2R1t, Q2=I2R2t , откуда Q1Q2=R1R2 , т.е. количество теплоты, выделяемой током в участках последовательно соединенной цепи, пропорционально сопротивлениям этих участков.

Согласно закону Ома, для однородного участка цепи постоянного тока I=UR. Тогда Q=U2Rt . Эту формулу удобно использовать при параллельном соединении резисторов, так как напряжение на каждой ветви такой цепи одинаково. Если параллельно соединены два резистора с сопротивлениями R1 и R2, то Q1=U2R1t , Q2=U2R2t, откуда Q1Q2=R2R1, т.е. количество теплоты, выделяемой током в ветвях параллельно соединенной цепи, обратно пропорционально сопротивлениям резисторов, включенных в эти ветви.

За некоторый промежуток времени Δt при силе тока I через поперечное сечение проводника протекает электрический заряд Δq = IΔt. Электрическое поле при этом совершает работу

Используя закон Ома это выражение также можно записать в виде

Как известно, работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью, поэтому мощность электрического тока рассчитывается по формулам

Если единственной причиной электрического сопротивления являются неупругие столкновения заряженных частиц с частицами окружающей среды, то работа электрического поля по поддержанию электрического тока равна количеству теплоты, выделяющемуся в проводнике при прохождении электрического тока

Эти соотношения выражают закон Джоуля-Ленца, открытый экспериментально английским физиком Джеймсом Джоулем и русским физиком Эмилем Ленцом

Закон Джоуля – Ленца. 20.14. Два сопротивления 5 и 7 Ом соединены последовательно. На обоих сопротивлениях выделилось 960 Дж теплоты. Какое количество теплоты выделилось за это время на первом сопротивлении? [400] 20.15. Две проволоки из одинакового материала диаметрами 0,2 мм и 0,8 мм служат нагревателями и включаются в сеть параллельно. При длительной работе температуры проволок оказываются одинаковыми. Найдите длину (в см) более толстой проволоки, если длина более тонкой 55 см, а количество теплоты, отдаваемое за 1 c в окружающую среду, пропорционально площади поверхности (при одинаковой температуре). [110] 20.16. По проводнику с сопротивлением 6 Ом пропускали постоянный ток в течение 9 c. Какое количество теплоты выделилось в проводнике за это время, если через его сечение прошел заряд 3 Кл? [6] 20.17. В проводнике с сопротивлением 10 Ом, включенном в сеть постоянного напряжения, за 5 c выделилась энергия450 Дж. Каково напряженнее сети? [30] 20.18. Электроплитка подключена к сети с напряжением 220 B. За некоторое время в ней выделилась энергия 1100 Дж. Какой заряд прошел за это время через плитку? [5] 20.19. Какое количество энергии (в кДж) расходуется на нагревание электроутюга в течение 50 с, если напряжение в сети постоянно и равно 220 B, а сила тока 2 A? [22]

20.20. В цепь последовательно включены вольфрамовая и алюминиевая проволоки одинаковой длины и диаметра. Во сколько раз больше теплоты выделится на вольфрамовой проволоке, если удельное сопротивление вольфрама в два раза больше, чем алюминия? [2] 20.21. Два проводника с сопротивлениями 7 и 5 Ом соединяют параллельно и подключают к источнику тока. В первом проводнике выделилось 300 Дж теплоты. Какое количество теплоты выделится во втором проводнике за то же время? [420] 20.22. Во сколько раз увеличится количество теплоты выделяемой электроплиткой, если сопротивление ее спирали уменьшить в 2 раза, а напряжение в сети увеличить в 2 раза? [8]

20.23. Две одинаковые спирали электроплитки можно соединить последовательно или параллельно. Во сколько раз большее количество теплоты выделится при параллельном соединении, чем при последовательном, за одно и то же время? Сопротивления спиралей не зависят от условий работы. [4] 20.24. Тонкая проволока не плавится при пропускании по ней тока силой до 5 A. Каким будет критический ток для проволоки из такого же материала, но в 4 раза большего диаметра? Количество теплоты, отдаваемое за 1 c в окружающую среду, пропорционально площади поверхности (при одинаковой температуре). [40] 20.25. К резисторам, R1 = 100 Ом и R2 = 200 Ом, соединенным параллельно, последовательно подключают сопротивление R3 = 50 Ом. В каком из резисторов выделится наибольшее количество теплоты, если на концы схемы подать напряжение? [3] 20.26. К аккумулятору с внутренним сопротивлением r = 1 Ом подключен нагревать с сопротивлением R = 8 Ом. Затем параллельно с первым подключили второй такой же нагреватель. Найти отношение количеств теплоты, выделяющихся в единицу времени во внешней цепи. [1,62]

Мощность тока. 20.27. Какая мощность будет выделяться в электропечи, когда она нагреется до 1000 °С, если при температуре 500 °С в ней выделяется мощность 480 Вт? Температурный коэффициент сопротивления проволоки печи 0,005 1/К. [280] 20.28. Номинальная мощность лампочки 36 Вт, ее номинальное напряжение 120 B. Какая в ней будет выделяться мощность при включении в сеть с напряжением 220 B? [121] 20.29. Сколько метров нихромовой проволоки нужно взять для изготовления реостата, если при напряжении на реостате 10 B он потребляет мощность 20 Вт? Площадь поперечного сечения проволоки 1 мм2, удельное сопротивление нихрома 10−6 Ом•м. [5] 20.30. Два проводника соединены параллельно и подключены к сети постоянного напряжения. Длина первого проводника в 3 раза больше, а площадь его поперечного сечения в 9 раз больше, чем второго. В проводниках выделяется одинаковая мощность. Во сколько раз удельное сопротивление первого проводника больше, чем второго? [3] 20.31. При ремонте электроплитки спираль была укорочена на 0,2 первоначальной длины. На сколько процентов увеличилась мощность плитки? Удельное сопротивление спирали считать постоянным. [25]

20.32. Две одинаковые электролампы включены в сеть постоянного напряжения 20 B; один раз последовательно, второй раз параллельно. Во втором случае потребляемая лампами мощность на 6 Вт больше, чем в первом. Найдите сопротивление каждой лампы, считая его постоянным. [100] 20.33. Номинальные мощности двух лампочек одинаковы, а номинальные напряжения 120 и 240 В. Во сколько раз сопротивление второй лампы больше, чем первой? [4] 20.34. Две электролампы, на которых указаны их мощности 100 и 150 Вт, включены последовательно в сеть с постоянным напряжением, соответствующим номинальному напряжению ламп. Какая суммарная мощность будет выделяться на лампах? Сопротивления ламп не зависят от условий работы. [60] 20.35. Две лампочки мощностью 40 Вт и 100 Вт с номинальным напряжением 110 B соединяют последовательно и включают в сеть с напряжением 220 B. Во сколько раз отличаются потребляемые мощности лампочек? 2,5

Для оценки эффективности того или иного устройства в технике введена специальная величина - коэффициент полезного действия (КПД). Коэффициентом полезного действия называют отношение энергии, полезно преобразованной (работы или мощности), ко всей потребленной энергии, или затраченной (работе или мощности):

Часто КПД выражают в процентах (%). Вычислим КПД электрической лампы накаливания по данным, приведенным выше: h=4/100=0.04=4%; Для сравнения укажем, что КПД лампы дневного света примерно 15%, а у натриевых ламп наружного освещения около 25%.

КПД 20.88. Лампочки, сопротивления которых 3 и 12 Ом, поочередно подключенные к источнику тока, потребляют одинаковую мощность. Во сколько раз КПД источника тока во втором случае больше, чем в первом? [2] 20.89. При увеличении внешнего сопротивления с 3 до 10,5 Ом КПД источника тока увеличивается вдвое. Чему равно внутреннее сопротивление источника? [7] 20.90. При подключении к источнику тока с ЭДС = 5 B резистора с сопротивлением 1 Ом КПД источника составил 25 %. Это означает, что ток короткого замыкания источника равен: [1,67] 20.91. При поочередном подключении двух источников тока к сопротивлению в первом случае КПД равен 40 %, во втором – 60 %. Если последовательно соединенные источники замкнуть на то же сопротивление, то КПД станет равным: [32] 20.92. Ток короткого замыкания источника равен 15 A. Каков КПД источника при силе тока 6 A? 60 20.93. Чему равен КПД источника тока при силе тока 0,8 A, если ток короткого замыкания источника составляет 2 A? [40 %] 20.94. Найти ток I в цепи аккумулятора с ЭДС E = 2,2 В, если сопротивление внешней цепи R = 0,5 Ом и КПД схемы η = 65 %. 20.95. Найти внутреннее сопротивление аккумулятора r, если при замене внешнего сопротивления R1 = 3 Ом на R2 = 10,5 Ом КПД схемы увеличился вдвое. [2,86] 20.96. Батарея из n = 6 последовательно включенных элементов с одинаковыми ЭДС E = 1,5 В питает током I = 0,28 В две последовательно включенные лампы с сопротивлением R = 12,5 Ом каждая. Найти КПД батареи и внутреннее сопротивление элемента. [78; 1,2]

Мощность тока в полной цепи 20.58. Батарея состоит из 5 одинаковых последовательно соединенных элементов с ЭДС 2 B каждый. Чему равна полная мощность, выделяемая в цепи при силе тока 4 A? [40] 20.59. Какова полная мощность, развиваемая источником тока с внутренним сопротивлением 2 Ом при подключении к нему сопротивления 3 Ом, если напряжение на этом сопротивлении 6 B? [20] 20.60. При замыкании на сопротивление 9 Ом батарея элементов дает ток 1 A. Ток короткого замыкания 10 A. Какую максимальную полезную мощность может дать батарея? [25] 20.61. При замыкании источника тока на внешнее сопротивление 2 Ом на нем выделяется мощность 32 Вт, а при замыкании на внешнее сопротивление 3 Ом – мощность 27 Вт. Какую наибольшую полезную мощность может дать этот источник? [36]

20.62. Элемент с ЭДС 6 B замкнут на внешнее сопротивление 2 Ом. При этом во внешней цепи выделяется мощность 8 Вт. Найдите внутреннее сопротивление элемента. [1] 20.63. Каково внутреннее сопротивление источника тока, если на сопротивлении 10 Ом, подключенном к источнику тока, выделяется мощность 100 Вт, а во всей цепи 110 Вт? [1] 20.64. Найдите полезную мощность батареи с ЭДС 24 B, если внешнее сопротивление 23 Ом, а внутреннее сопротивление батареи 1 Ом. [23]

20.65. Элемент замкнут на внешнее сопротивление, величина которого в 2 раза больше величины внутреннего сопротивления элемента. Найдите ЭДС элемента, если на внешнем сопротивлении выделяется мощность 18 Вт при силе тока в цепи 3 А. [9] 20.66. Источник тока с внутренним сопротивлением 4 Ом замкнут на сопротивление 8 Ом. При каком другом внешнем сопротивлении во внешней цепи будет выделяться такая же мощность, что и при сопротивлении 8 Ом? [2] 20.67. ЭДС источника тока 6 B, внутреннее сопротивление 2 Ом. Два одинаковых сопротивления подключают к источнику один раз последовательно, второй раз – параллельно. В обоих случаях во внешней цепи выделяется одинаковая мощность. Чему равна эта мощность? [4] 20.68. ЭДС источника тока 2 B, внутреннее сопротивление 1 Ом. Внешняя цепь потребляет мощность 0,75 Вт. Этим условиям удовлетворяют два значения силы тока. Чему равна их разность? [1] 20.69. ЭДС батареи аккумуляторов 12 B, сила тока короткого замыкания 5 A. Какую наибольшую мощность можно получить во внешней цепи? [15]

20.70. При замыкании на сопротивление 5 Ом батарея дает ток силой 1 A. Сила тока короткого замыкания батареи равна 6 A. Какую наибольшую полезную мощность может дать батарея? [9] 20.71. Элемент замыкают один раз сопротивлением 4 Ом, другой – сопротивлением 9 Ом. В обоих случаях во внешней цепи выделяется одинаковая мощность. При каком внешнем сопротивлении она будет наибольшей? [6] 20.72. Полезная мощность батареи равна 32 Вт при двух различных внешних сопротивлениях: 2 и 8 Ом. Какую наибольшую полезную мощность может дать батарея? [36] 20.73. Полезная мощность батареи равна 6 Вт при двух значениях силы тока в цепи: 2 и 6 А. Чему равна максимальная полезная мощность этой батареи? [8] 20.74. При силе тока в цепи 2 А полезная мощность батареи 10 Вт, а при силе тока 4 А ее полезная мощность 16 Вт. Какую наибольшую полезную мощность может дать батарея? [18] 20.75. Аккумулятор с ЭДС 10 B и внутренним сопротивлением 1 Ом замкнут на внешнее сопротивление и выделяет на нем мощность 9 Вт. Определите наибольшую возможную разность потенциалов на клеммах аккумулятора. [9] 20.76. Определите полную мощность элемента при сопротивлении внешней цепи 40 м, если внутреннее сопротивление 2 Ом, а напряжение на зажимах 6 B? [0,95]

20.77. Какую наибольшую тепловую мощность отдает во внешнюю цепь источник, ЭДС которого 12 B, а внутреннее сопротивление 2 Ом? [18 Вт] 20.78. Аккумулятор с ЭДС равной 2 B и внутренним сопротивлением 1 Ом замкнут медной проволокой, масса которого 25,7 г. Сопротивление проволоки подобрано так, что во внешней цепи выделяется наибольшая мощность. На сколько градусов нагреется проволока в течение 4 мин, если удельная теплоемкость меди 390 Дж/(кг•К), а потерями тепла можно пренебречь? [24] 20.79. При замыкании на сопротивлении 50 Ом батарея элементов дает ток 1 A. Ток короткого замыкания равен 6 A. Какую наибольшую полезную мощность может дать батарея? [9] 20.80. Источник постоянного тока с внутренним со-противлением 0,2 Ом при токе 4 A отдал во внешнюю цепь мощность 10 Вт. Какую мощность отдает источник тока во внешнюю цепь при силе тока 6 A? [13 Вт] 20.81. Как при последовательном, так и при парал-лельном соединении двух одинаковых источников на внешнем сопротивлении выделялась мощность 80 Вт. Какая мощность будет выделяться на этом сопро-тивлении, если замкнуть на него лишь один из источников? [45] 20.82. Специальную проволоку использовали в качестве нагревательного элемента, подключая ее к электрической сети. Далее проволоку разрезали пополам. Полученные куски соединили параллельно и подключили к той же сети. Как изменилась при этом мощность? [увеличилась в 4 раза]

20.83. Найти сопротивление R1 внешней цепи элемента, при котором мощность N, потребляемая во внешней цепи, такая же, как и при сопротивлении R2 = 10 Ом. Внутреннее сопротивление элемента r = 2,5 Ом. [0,625; 10] 20.84. К источнику тока с внутренним сопротивлением r = 1 Ом подключаются два резистора с сопротивлением R = 0,5 Ом каждый. Один раз резисторы подключаются последовательно, другой раз – параллельно. Найти отношение мощностей, выделяющихся во внешней цепи в обоих случаях. [1,56] 20.85. Батарея состоит из параллельно соединенных элементов с ЭДС E = 5,5 В и внутренним сопротивлением r = 5 Ом. При токе во внешней цепи I = 2 А полезная мощность N = 7 Вт. Сколько элементов имеет батарея? [5] 20.86. Какое сопротивление R должен иметь резистор из нихромовой проволоки, включенный последовательно с лампой, чтобы лампа горела нормальным накалом при напряжении U = 220 В, если лампа рассчитана на напряжение Uo = 120 В при мощности N = 60 Вт? Найти длину l проволоки, если ее удельное сопротивление ρ = 1,0 мкОм•м, а ее сечение S = 0,5 мм2. [200; 100] 20.87. Найти мощность N, выделяющуюся во внешней цепи, состоящей из двух резисторов с сопротивлением R каждый, если на резисторах выделяется одна и та же мощность как при последовательном, так и при параллельном соединении. ЭДС источника тока E = 12В, его внутреннее сопротивление r = 2 Ом. [16]

КПД источника. 20.88. Лампочки, сопротивления которых 3 и 12 Ом, поочередно подключенные к источнику тока, потребляют одинаковую мощность. Во сколько раз КПД источника тока во втором случае больше, чем в первом? [2] 20.89. При увеличении внешнего сопротивления с 3 до 10,5 Ом КПД источника тока увеличивается вдвое. Чему равно внутреннее сопротивление источника? [7] 20.90. При подключении к источнику тока с ЭДС = 5 B резистора с сопротивлением 1 Ом КПД источника составил 25 %. Это означает, что ток короткого замыкания источника равен: [1,67] 20.91. При поочередном подключении двух источников тока к сопротивлению в первом случае КПД равен 40 %, во втором – 60 %. Если последовательно соединенные источники замкнуть на то же сопротивление, то КПД станет равным: [32] 20.92. Ток короткого замыкания источника равен 15 A. Каков КПД источника при силе тока 6 A? 60 20.93. Чему равен КПД источника тока при силе тока 0,8 A, если ток короткого замыкания источника составляет 2 A? [40 %]

20.94. Найти ток I в цепи аккумулятора с ЭДС E = 2,2 В, если сопротивление внешней цепи R = 0,5 Ом и КПД схемы η = 65 %. 20.95. Найти внутреннее сопротивление аккумулятора r, если при замене внешнего сопротивления R1 = 3 Ом на R2 = 10,5 Ом КПД схемы увеличился вдвое. [2,86] 20.96. Батарея из n = 6 последовательно включенных элементов с одинаковыми ЭДС E = 1,5 В питает током I = 0,28 В две последовательно включенные лампы с сопротивлением R = 12,5 Ом каждая. Найти КПД батареи и внутреннее сопротивление элемента. [78; 1,2]

20.97. На участке пути электровоз развивает силу тяги 25 кН. Двигатель электровоза потребляет ток 600 A из сети, находящейся под напряжением 1 кВ. Определите скорость движения, если известно, что КПД его двигателя 80 %. [19] 20.98. Электровоз массы m = 300 т движется вниз по горе со скоростью v = 36 км/ч. Уклон горы α = 0,01, сила сопротивления движению электровоза составляет 3 % от действующей на него силы тяжести. Какой ток протекает через мотор электровоза, если напряжение в сети U = 3 кВ и КПД электровоза η = 80 %? [245] 20.99. При включении электромотора в сеть с напряжением U = 120 В он потребляет ток I = 15 А. Найти мощность, потребляемую мотором, и его КПД, если сопротивление обмотки мотора R = 1 Ом. [1800; 87,5 %] 20.100. Электропогрузчик поднимает груз массой 500 кг на высоту 2 м. Двигатель работает от аккумуляторной батареи с напряжением 24 B при силе тока 41 A и КПД 80 %. Определить скорость подъема груза в этих условиях. [0,16] 20.101. Троллейбус массой 11 т движется со скоро-стью 36 км/ч. Каково сопротивление обмотки двигателя, если напряжение сети 550 B, КПД мотора 80 %, а коэффициент сопротивления движению 0,02? [2,2] 20.102. Электромотор поднимает груз массой 50 кг со скоростью 2 м/c. При каком напряжении работает мотор, если по его обмотке сопротивлением 12 Ом течет ток силой 10 A? [220] 20.103. Электродвигатель трамвайного вагона работает при силе тока 100 A и напряжении 500 B. При силе тяги двигателя 4 кН скорость вагона 18 км/ч. Чему равно сопротивление обмотки двигателя? [3]

Заметим, что в некоторых случаях электрическое сопротивление обусловлено не только неупругими столкновениями электронов с кристаллической решеткой, но и иными причинами. Так при работе электрического двигателя на движущиеся электроны действую тормозящие силы со стороны магнитного поля, в этом случае работа электрического поля равна механической работе, совершаемой двигателем. Приведем еще одну простую механическую аналогию. Если тело движется только под действием только одной постоянной силы, то его движение является равноускоренным и вся работа этой силы идет на увеличение кинетической энергии тела. Если же тело движется в вязкой среде, то на него также действует сила вязкого трения, пропорциональная скорости. Поэтому по прошествии некоторого промежутка времени после начала движения, скорость тела становится постоянной. Так, например, при движении лодки в воде ее скорость пропорциональна мощности двигателя (то есть работе, совершаемой двигателем). В установившемся режиме кинетическая энергия тела также как и скорость остается постоянной, а работа внешней силы расходуется на увеличение внутренней энергии среды. Если среда не обладает электрическим сопротивлением, то для создания постоянного тока постоянное электрическое поле не требуется − достаточно заряженным частицам сообщить некоторую скорость, а дальше они будут двигаться по инерции. Таким образом, в установившемся режиме работа электрического поля по поддержанию постоянного тока равна увеличению энергии рассматриваемой системы.

Электронагревательные приборы Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка. За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.

Существует большое число электрических нагревательных приборов, например электрические плиты, утюги, самовары, кипятильники, обогреватели, электрические одеяла, фены для сушки волос, в которых используется тепловое действие тока. Основным нагревательным элементом является спираль из материала с большим удельным сопротивлением. Она помещается в керамические изоляторы с хорошей теплопроводностью, которые изготовлены в виде своеобразных бус. В приборах, предназначенных для нагревания жидкостей, изолированная спираль помещается в трубки из нержавеющей стали. Ее выводы тоже тщательно изолируются от металлических частей приборов. Температура спирали при работе нагревательного прибора остается постоянной. Объясняется это тем, что очень быстро устанавливается баланс между потребляемой из сети электроэнергией и количеством теплоты, отдаваемым путём теплообмена окружающей среде

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК ОБОГРЕВАЕТ ЦЫПЛЯТ

Выведенные в инкубаторах цыплята чувствительны к низким температурам. Обратите внимание на цыплят, которые ходят с курицей, они то и дело забираются под нее и греются. Но если наседки нет, а нужно сохранить тысячи цыплят, привезенных из инкубатора, то помогает это сделать «электрическая наседка» — электробрудер. На рисунке ЮЗ показан зонтичный электробрудер, часть его приоткрыта, и можно видеть внутреннее устройство. Под таким электробрудером удерживается температура от 38 до 45 °С и обогревается сразу I000 цыплят. Электробрудер представляет собой зонт из листового железа с конусообразным верхом. Электронагревательный элемент рассчитан на подключение к сети с напряжением 220 В. Нихро-мовая спираль 3 расположена внутри зонта между двумя металлическими дисками. Она выполнена из проволоки диаметром 0,8 мм и имеет длину около 40 м. Для изоляции спираль пропущена через фарфоровые ролики 4, которые прикреплены к нижнему диску. Для того чтобы лучше сохранить тепло подзонтом, верхний диск изолирован листовым асбестом 5 толщиной 3 мм. Электробрудер подключают к сети при помощи контактов / и 2. Он потребляет мощность около 550 Вт.

Электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Если по той или иной причине сила тока в цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция - воспламениться. Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока, например электрических плиток, или короткое замыкание. Коротким замыканием называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Короткое замыкание может возникнуть, например, при ремонте проводки под током или при случайном соприкосновении оголенных проводов. Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители. Назначение предохранителей - сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы.

Рассмотрим устройство предохранителей, применяемых в квартирной проводке. Главная часть предохранителя, изображенного на рисунке проволока С из легкоплавкого металла (например, из свинца), проходящая внутри фарфоровой пробки П. Пробка имеет винтовую нарезку Р и центральный контакт К. Нарезка соединена с центральным контактом свинцовой проволокой. Пробку ввинчивают в патрон, находящийся внутри фарфоровой коробки Свинцовая проволока представляет, таким образом часть общей цепи. Толщина свинцовых проволок рассчитана так, что они выдерживают определенную силу тока, например 5, 10 А и т.д. Если сила тока превысит допустимое значение, то свинцовая проволока расплавится и цепь окажется разомкнутой. Предохранители с плавящимся проводником называют плавкими предохранителями.

Очень эффективным преобразователем электрической энергии, дающим много тепла и света, является электрическая дуга. Ее широко используют для электрической сварки металлов, а также в качестве мощного источника света. Для наблюдения электрической дуги надо два угольных стержня с присоединенными к ним проводами закрепить в хорошо изолирующих держателях, а затем подключить стержни к источнику тока, дающему невысокое напряжение (от 20 до 36 В) и рассчитанному на большие силы тока (до 20 А). Последовательно стержням обязательно надо включить реостат. Ни в коем случае нельзя подключать угли в городскую сеть (220 или 127 В), так как это приведет к сгоранию проводов и к пожару. Коснувшись углями друг друга, можно заметить, что в месте соприкосновения они сильно раскалились. Если в этот момент угли раздвинуть, между ними возникает яркое слепящее пламя, имеющее форму дуги. Это пламя вредно для зрения. Пламя электрической дуги имеет высокую температуру, при которой плавятся самые тугоплавкие материалы, поэтому электрическая дуга используется в дуговых электрических печах для плавки металлов. Пламя дуги является очень ярким источником света, поэтому его часто используют в прожекторах, стационарных кинопроекторах и т. д.

К гордости русского народа должен быть на скрижалях истории культуры отмечен тот факт, что инициатива применения электрического; освещения как вольтовой дугой, так и калильными лампами принадлежит русским изобретателям Яблочкову и Лодыгину; поэтому малейшие подробности всей эпопеи зарождения электрического освещения должны быть дороги, интересны и отрадны каждому русскому сердцу, и наш долг перед теми, кто положил начало столь распространённому теперь электрическому освещению, показать их работы и выяснить их право на это великое открытие". Так писал "Почтово-телеграфный журнал" в 1900 г. (№ 2) ещё при жизни знаменитого изобретателя Александра Николаевича Лодыгина.

Яблочков,_Павел_Николаевич - Пав́ел Никола́евич Я́блочков (14 (26) сентября 1847, Сердобский уезд Саратовской губернии — 19 (31) марта 1894, Саратов) — русский электротехник, военный инженер, изобретатель и предприниматель. Известен разработкой дуговой лампы (вошедшей в историю под названием «свеча Яблочкова») и другими изобретениями в области электротехники...

Яблочков,_Павел_Николаевич – Па́вел Никола́евич Я́блочков (14 (26) сентября 1847, Сердобский уезд Саратовской губернии — 19 (31) марта 1894, Саратов) — русский электротехник, военный инженер, изобретатель и предприниматель. Известен разработкой дуговой лампы (вошедшей в историю под названием «свеча Яблочкова») и другими изобретениями в области электротехники...

"Электрическая свеча" Яблочкова «Электрическая свеча» стала первым электрическим источником света. Патент на ее изобретение получил русский электротехник Павел Николаевич Яблочков 23 марта 1876 года в Париже. Это изобретение Яблочков сделал еще в России, в московской лаборатории, созданной на собственные средства. Но на родине, увы, он не нашел ни поддержки, ни понимания.

Лодыгин,_Александр_Николаевич - Лоды́гин Алекса́ндр Никола́евич (6 октября (18 октября) 1847, Стеньшино — 16 марта 1923, Бруклин) — русский электротехник, изобретатель лампы накаливания (11 июля 1874)...

Ученые нашей Родины

Спасибо за интерес к изучению нового материала и внимание!