Как известно, электрический ток имеет нагревательный эффект. Преодолевая сопротивление проводника, электрический ток выполняет работу, в процессе которой в проводнике выделяется тепло. Свободные электроны при своем движении сталкиваются с атомами и молекулами и при этих столкновениях механическая энергия движущихся электронов переходит в тепловую.
Электрические нагреватели
Зависимость тепловой энергии от силы тока в проводнике определяется по закону Джоуля-Ленца. При прохождении электрического тока по проводнику количество тепла, выделяемого током в проводнике, прямо пропорционально силе тока, взятой во второй степени, величине сопротивления проводника и времени действия тока.
Если количество тепла обозначать буквой Q, силу тока в а — I, сопротивление в ом — R и время в секундах — t, то математически закон Джоуля-Ленца можно представить так:
При а = 1 количество тепла Q получится в джоулях. При а = 0,24 количество тепла Q получится в малых калориях. Коэффициент 0,24 в формуле фигурирует потому, что ток в 1 а в проводнике с сопротивлением в 1 ом за 1 секунду выделяет 0,24 малых калорий тепла. Малая калория служит единицей для измерения количества тепла. Малая калория равна количеству тепла, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1° С.
Этот закон независимо друг от друга открыли в 1840-м году английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Христианович Ленц. Этот физический закон определяет количество теплоты Q, выделяемой в проводнике при прохождении через него электрического тока.
Эксперимент по закону Джоуля-Ленца
Закон Джоуля-Ленца дает связь между тепловой энергией, сопротивлением току и временем:
- Если ток через проводник увеличится, то увеличится и тепловыделение.
- Точно так же при постоянном напряжении и времени, если мы увеличим сопротивление, тепловая энергия также увеличится.
- Тот же случай произойдет, если мы увеличим время прохождения тока через ток.
Температура
Термодинамическая температура является мерой теплового движения частиц, из которых состоит вещество. Единица – К (кельвин). Температура по Цельсию — это температура, указанная в градусах Цельсия (оC). 0 К = -273,16оС
Помимо термодинамической температуры, выраженной в градусах Кельвина, используется температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия.
Шкала Цельсия имеет ноль при температуре тройной точки воды, при которой вода находится во всех трех состояниях вместе при нормальном атмосферном давлении (1013 гПа). Единица такая же, как и по шкале Кельвина.
Применение закона Джоуля-Ленца
Преобразование электрической энергии в тепловую обычно происходит напрямую. Это тепло может быть полезным, например, в электротепловых приборах, или нежелательным, например, в электродвигателях и лампочках.
Преобразование электрической энергии в тепловую используется в электротепловых приборах. Обычно они состоят из нагревательной катушки, через которую проходит электрический ток. По этому принципу работают спиральные плиты, утюги, бойлеры, паяльники, электрические печи сопротивления, аквариумные нагреватели, плавкие предохранители и т. д.
Однако мы должны понимать, что закон сохранения энергии все еще действует. Он говорит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но количество ее при этих превращениях остается прежним, энергия не создается и не уничтожается.
Потери энергии
Основным недостатком нагревательного эффекта электрического тока являются потери энергии, переходящие в тепло, и перегрев электрических установок и машин.
В подавляющем большинстве случаев нагревательный эффект нежелателен. По этой причине некоторые электрические и электронные устройства нуждаются в радиаторах, чтобы избежать чрезмерного нагрева.
Часть подаваемой электроэнергии преобразуется в тепловую энергию, которая рассеивается в виде тепла. Следовательно, вырабатываемое тепло – это потеря энергии и, как следствие, снижение коэффициента полезного действия (КПД) электроустановки.
Передача электроэнергии на расстояние
Воздушные линии электропередач передают электрическую энергию от производителей электроэнергии к потребителям. Однако эти линии электропередач имеют ненулевое сопротивление и подвержены нагревательному эффекту пои протекании по ним электрического тока, вызывающему потери при передаче.
Существует два решения для минимизации потерь при передаче электроэнергии на расстояние:
- Уменьшить сопротивление проводников.
- Увеличить напряжение, чтобы уменьшить силу тока в соответствии с законом Ома.
Подробнее об этом смотрите здесь: Почему передачу электроэнергии на расстояние выполняют на повышенном напряжении
Электрические нагревательные устройства
Электрическая печь
Электрический обогреватель или плита, электрические радиаторы и электрический утюг. Все они основаны на том же принципе, что и при протекании электрического тока по проводу. Они содержат катушки из нихрома (сплав никеля и хрома) и большие токи через них можно пропустить порядка 3-5 ампер.
В случае электронагревателя, работающего на 220 вольт и потребляющего мощность 1000 ватт, ток через катушки будет 4,55 ампер. Сопротивление катушки будет 48,4 Ом.
В случае электрических излучателей катушку располагают вдоль оси параболического металлического отражателя или в фокусе вогнутого отражателя.
Лампы накаливания
Лампа накаливания
Тепло может быть произведено светом, а свет также может быть произведен теплом. Комбинация видимого света и инфракрасного излучения генерирует тепловое излучение, которое вызывает повышение температуры при воздействии на объект.
Тепловое излучение, как и электромагнитная волна, имеет большую энергию (тепло) с короткой длиной волны. Из-за своего волнообразного свойства и природы частиц содержащаяся в нем энергия может передаваться объекту. Когда энергия объекта достаточно высока, он может излучать видимый свет.
Хорошим примером является вольфрамовая нить в лампе накаливания. Даже если температура не очень высока, инфракрасный свет постоянно излучается при температуре выше нуля градусов Кельвина. Поэтому свет и тепло сосуществуют и могут трансформироваться из одного в другое.
Электрические лампы накаливания обычно заполнены аргоном или криптоном. В лампочке вольфрамовая нить (из-за ее высокой температуры плавления) нагревается до большой температуры, чтобы излучать достаточное количество видимого света.
Также существуют специальные инфракрасные нагревательные лампы накаливания, которые не используются для освещения, а только для локального обогрева.
Плавкий предохранитель
Итак, тепло всегда выделяется в проводнике, когда в нем проходит ток. Однако, чрезмерный нагрев проводников и электротехнических устройств допускать нельзя, так как это приведет к их повреждению. Особенно опасен перегрев при коротком замыкании проводов, то есть при электрическом соединении проводников, подводящих электрическую энергию к потребителю.
Чем меньше сечение проводника, тем больше сопротивление, а также сильнее нагревается проводник. Плотность тока также влияет на температуру. При большей плотности тока проводник нагревается до более высокой температуры.
При коротком замыкании обычно сопротивление остающихся под током проводников ничтожно, ток из-за этого достигает большой силы, и тепло выделяется в таком количестве, которое вызывает аварию.
Для предохранения от коротких замыканий и чрезмерных перегревов в цепь включаются плавкие предохранители. Они представляют собой небольшие куски тонкой проволоки или пластинки, которые перегорают как только ток достигает определенной величины.
Плавкие предохранители
Температура, до которой нагревается проволока, прямо пропорциональна кубу радиуса. Таким образом, температура зависит только от тока, протекающего по проводнику, и его радиуса независимо от его длины.
Выбор плавких предохранителей производится в зависимости от площади сечения проводов.
Смотрите также по этой теме:
Джеймс Прескотт Джоуль и его закон превращения электричества в тепло
Как провод нагревается электрическим током
Закон Джоуля-Ленца и электроконтактная сварка
Закон Джоуля-Ленца — это уравнение, которое определяет количество теплоты (энергии), переданной чему-либо. Разумно было бы предположить, что это количество тепла, подведенного в установках прямого нагрева сопротивлением или при электроконтактной сварке к сварному шву.
Однако важно учитывать все факторы в уравнении: ток, напряжение и время. Закон Джоуля-Ленца предполагает, что каждый из этих факторов остается постоянным во вторичной обмотке сварочного трансформатора.
Контроллер сварки или таймер сварки действительно могут обеспечить постоянную величину тока на электродах, но вспомните закон Ома: напряжение равно силе тока, умноженной на сопротивление, или, иначе говоря, сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление.
Электроконтактная сварка
Такие факторы, как точечная коррозия или грибовидное образование электродов, загрязнение обрабатываемых деталей, изменение силы и т. д., влияют на площадь поверхности (площадь контакта) между электродом и свариваемыми деталями.
Поскольку изменение площади поверхности влияет на контактное сопротивление (сопротивление площади поверхности), то разумно говорить, что сопротивление на изделии не является постоянным, а является фактором, который может меняться в зависимости от ряда других условий.
Если сопротивление непостоянно, то, согласно, ток также непостоянен. Это означает, что закон Джоуля-Ленца не покажет количество тепла, выделяемого на заготовке, если не известно сопротивление на контактах.
Проще говоря, чтобы определить, сколько тепла выделяется на изделии с помощью закона Джоуля-Ленца, необходимо измерить ток, напряжение или сопротивление на изделии.
Хотя контроллер сварки может быть запрограммирован на подачу тока 20 кА при напряжении 10 В, при наличии значительного сопротивления во вторичном контуре сварки тепло будет направляться туда, а не на заготовку.
Аналогичным образом, если электроды изношены или заготовка загрязнена, это повлияет на сопротивление и плотность тока. В такой ситуации контроллер может показывать 10 Вольт на вторичной обмотке, однако на самом деле на сварочных контактах может быть только 5 Вольт. Такое несоответствие может легко привести к плохим сварным швам.
Смотрите дальше:
Другие действия электрического тока: химическое, магнитное, световое и механическое