Содержание

Урок по теме «Закон Джоуля–Ленца. Решение задач». 8-й класс

Тема «Закон Джоуля – Ленца» изучается в школьном курсе физики дважды – в 8 и в 10 классах общеобразовательной школы.  Не смотря на это, физическое содержание этого закона усваивается учащимися  достаточно формально. В дальнейшем, значительная часть абитуриентов не умеет применять теоретические знания в конкретной ситуации при решении задач.

Настоящая статья – попытка автора построить классический урок решения задач, взглянув на него с практической точки зрения. Значительное место на уроке отводится качественным задачам, которые позволяют значительно глубже усвоить физическое понимание закона, поскольку, не требуя громоздких математических выкладок, концентрируют внимание учащихся на физической сущности явлений, на их взаимосвязи и формах проявления.  Урок рассчитан на преподавание физики в 8 классе по программе с углубленным изучением предмета, рассчитанной на 3 часа в неделю.

 

Поскольку контрольные измерительные материалы ГИА по физике содержат экспериментальное задание, которое выполняется выпускниками с использованием реального лабораторного оборудования, закрепление полученных знаний, их обобщение и систематизацию рекомендуется проводить с использованием  средств лаборатории «L-микро» и привлечением компьютера.

Задачи урока:

  • повторение закона Джоуля – Ленца, углубление понимания его физической сущности, изучение практического применения этого закона;
  • формирование интеллектуальных умений, овладение операциями анализа, сравнения, обобщения;
  • развитие самостоятельности и творческого анализа в умственной деятельности; создание  познавательной мотивации при постановке экспериментальных задач.

I.  Проверка домашнего задания, повторение пройденного

Урок начинается с проверки домашнего задания по теме: «Соединения проводников».

На дом учащимся было предложено домашнее задание <Презентация, слайд 2>:

Найти распределение токов и напряжений в цепи, если известно, что на резисторе R4 выделяется мощность 20 Вт, а на резисторе R3 в 5 раз меньше, R1 = 40 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 4 Ом, R5 = 12 Ом, R6 = 8 Ом,  R7 = 4 Ом.

                                   

Рис.1

Ответ:   I

1 = 6 A, I2 = 3A, I3 = I4 = 1 A, I5 = 1 A,  I6 = I7 = 3 A, U1 = 240 B, U2 = 60 B, U3 = 4B, U4 = 20 B, U5 = 24 B, U6 = 18B, U7 = 12B, UАВ= 300 B.

Актуализация  момента осуществляется по следующим вопросам <слайды 3-5>:

  1. Какие действия тока вам известны? Какое из этих действий наблюдается в любом случае?
  2. Как бы вы могли объяснить процесс нагревания проводника с током с точки зрения электронной теории?
  3. Сформулируйте закон Джоуля – Ленца.

Учитель кратко подводит итог пройденного накануне.
О наличии электрического тока в цепи мы можем судить по действиям тока:

  • тепловому,
  • химическому,
  • магнитному.

Магнитное действие тока в отличие от теплового и химического действия является основным, так как оно сопровождает ток всегда, без каких-либо исключений. Химическое действие имеет место лишь при прохождении тока через растворы и расплавы электролитов, а нагревание током отсутствует при прохождении тока через сверхпроводники.     
Итак, если единственным результатом прохождения электрического тока по         проводнику является только нагревание проводника, то работа электрического тока равна   количеству теплоты, выделяемому проводником, т.е. справедливы соотношения <слайд 6>:

Q = I2 R t    (1)                                            Q = U

2/R t    (2)

Если же на участке цепи часть электрической энергии превращается механическую или химическую, то количество теплоты нужно находить только по формуле  (1). [2]

Таким образом, допуская справедливость обеих формул, мы приходим к противоречию: количество тепла, выделяющееся в проводнике при прохождении по нему электрического тока, одновременно и прямо пропорционально, и обратно пропорционально сопротивлению участка цепи R! Учащимся предлагается объяснить противоречие. [6]

Ответ: Обе формулы тождественны, т.к. U = I R. При последовательном соединении двух проводников количество теплоты, выделяемое в них пропорционально их сопротивлениям, т.к. при одной силе тока количество теплоты будет зависеть от напряжения, а

U прямо пропорционально R. При параллельном соединении двух проводников количество теплоты обратно пропорционально их сопротивлениям, т.к. при одинаковом напряжении сила тока больше у проводника с меньшим сопротивлением.

II. Формирование знаний, умений, навыков

Учитель обращает внимание на практическую сторону этого закона. Тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и установках. В домашних условиях применяют электрические плитки, утюги, чайники, кипятильники. В промышленности используют для выплавки металлов, для электросварки. В сельском хозяйстве  с помощью электрического тока обогревают теплицы, инкубаторы, сушат зерно.
Рассмотрим устройство лампы накаливания <слайд 7>. Основной частью современной лампы накаливания является спираль из тонкой вольфрамовой проволоки

2. Спираль помещают в стеклянную колбу 1, из которой выкачивают воздух, чтобы спираль не перегорела. Чтобы предотвратить испарение вольфрама, лампы наполняют азотом, иногда инертными газами – криптоном и аргоном. Молекулы газа препятствуют выходу частиц вольфрама из нити. Концы спирали приварены к двум проволокам 5, которые проходят через стеклянный баллон и припаяны к металлическим частям цоколя 7 лампы: одна к винтовой нарезке, а другая к изолированному от нарезки основанию цоколя 9.
Для углубления учебной проблемы переходят к решению задач.

Задача 1 <слайд 8>

Две электрические лампы, мощности которых 60 Вт и 100 Вт, рассчитаны на одно и то же напряжение. Сравните длины нитей накала обеих ламп, если их диаметры одинаковы.

Ответ: Мощность равна U2/R. Поэтому у лампы 100 Вт сопротивление нити накала меньше. Следовательно, ее нить короче, чем у лампы 60 Вт.  [4]

Задача 2 <слайд 9>

Из-за испарения и распыления материала с поверхности нити накала лампы нить становится тоньше. Как это отражается на потребляемой мощности? [6]
Ответ: Уменьшается.

Основной частью нагревательных электроприборов является нагревательный элемент, который представляет собой проводник с большим удельным сопротивлением, способный выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высокой температуры (1000-1200°C) Для изготовления нагревательного элемента чаще применяется нихром с удельным сопротивлением почти в 70 раз большим, чем удельное сопротивление меди.

<слайд10>

Задача 3 <слайд11>

Почему спирали электронагревательных приборов делают из материала с большим удельным сопротивлением?  Спираль нагревательного прибора – рефлектора при помощи шнура и вилки соединяется с розеткой. Шнур состоит из проводов, подводящих ток к спирали, покрытых изоляцией. Спираль и провода соединены последовательно. Как распределяется подаваемое от сети напряжение между проводами и спиралью? Почему спираль раскаляется, а провода практически не нагреваются? Какими особенностями устройства спирали и проводов достигается эта разница? [6]

Задача 4 <слайд 12>

В каком из двух резисторов мощность тока больше при последовательном  (см. рис. 2а) и  параллельном (см. рис. 2б) соединении? Во сколько раз больше, если сопротивления резисторов

R1 = 10 Ом и  R2 = 100 Ом? [4]

                  

Рис. 2.

Ответ: а) Во втором в 10 раз;  б) В первом в 10 раз. При последовательном соединении сила тока в обоих резисторах одинакова. Из формулы  P = I2R следует, что при последовательном соединении мощность тока в резисторе прямо пропорциональна его сопротивлению. При параллельном соединении сила тока в резисторах неодинакова, поэтому использовать формулу P = I2R нецелесообразно. В этом случае на всех резисторах одно и то же напряжение, поэтому целесообразно воспользоваться формулой P = U2/R. Из нее следует, что при параллельном соединении мощность тока в резисторе

обратно пропорциональна его сопротивлению.

 Задача 5 <слайд 13>

На двух лампочках написано «220 В, 60 Вт» и «220 В, 40 Вт». В какой из них будет меньше мощность тока, если обе лампы включить в сеть последовательно? Какова мощность тока в каждой из лампочек при последовательном включении, если напряжение в сети равно 220 В?  [4]

Ответ: В соответствии с формулой P = U2/R меньшее сопротивление имеет лампочка, рассчитанная на большую мощность, т. е. на 60 Вт. Пользоваться формулой P = U2/R для сравнения мощностей при последовательном включении лампочек нецелесообразно: ведь напряжения на лампочках в этом случае  различны. При последовательном соединении одинакова сила тока в обеих лампочках, поэтому лучше воспользоваться формулой P = I2R, из которой следует: меньшая мощность тока при последовательном включении будет в той лампе, у которой сопротивление меньше (т.е. рассчитанной на мощность 60 Вт).

Решение следующей задачи лучше продемонстрировать экспериментально для большей наглядности.

Задача 6 <слайд 14>

Последовательно с электрическим звонком включена лампа мощностью 60 Вт. Звонок работает тихо. В вашем распоряжении две лампы мощностью 25 и 100 Вт. Какой из них нужно заменить 60-ваттную лампу, чтобы усилить звук? [5]
Обычно сразу, не задумываясь, учащиеся предлагают неправильный ответ – лампой на 25 Вт. Эксперимент позволяет выбрать единственно правильное решение.

Ответ: Для усиления звука нужно увеличить силу тока в катушке звонка, а для этого уменьшить сопротивление цепи. Сделать это можно, заменив 60-ваттную лампу на ту, которая имеет меньшее сопротивление. Из формулы мощности P = U2/R следует, что 100-ваттная лампа имеет меньшее сопротивление (ведь числитель одинаковый). Ее и нужно установить.

 Задача 7 <слайд 15>

Электрический чайник имеет две обмотки. При включении одной из них вода закипает через  t1 = 12 мин, при включении другой – через  t2 = 24 мин. Через какое время закипит вода в чайнике, если включить обе обмотки параллельно? Последовательно? Теплообмен с воздухом не учитывайте. [4]

Ответ: При решении задачи мы предполагали, что необходимое количество теплоты во всех случаях одинаково. На самом деле теплопередача от чайника к окружающему воздуху достаточно велика. Потери теплоты тем больше, чем медленнее происходит нагревание. Поэтому они максимальны при последовательном включении и минимальны при параллельном.  tпосл > 36 мин,   tпарал < 8 мин.

III. Закрепление пройденного материала – творческое, вариативное применение полученных знаний.

В этой части урока, ученикам необходимо напомнить, что электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока, например, мощных электроплиток, стиральных машин, или короткое замыкание.

Коротким замыканием <слайд 16> называется соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Сопротивление цепи при коротком замыкании не значительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара.    Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители <слайд17>. Назначение предохранителя – сразу отключить линию в случае, если сила тока окажется больше допустимой. Главная часть предохранителя – проволочка из легкоплавкого металла (например, свинца). Свинцовая проволочка в предохранителе является частью общей цепи. Толщина свинцовой проволочки рассчитана так, что она выдерживает определенную силу тока.  Такие предохранители с плавящимся проводником, называются плавкими предохранителями.

Демонстрация действия плавкого предохранителя проводится на оборудовании лаборатории «L-микро».

Цель опыта: продемонстрировать действие плавкого предохранителя.

Оборудование:

  • резистор 2 Ом;
  • лампа 12 В, 21 Вт;
  • ключ;
  • медная проволока;
  • модуль с зажимами;
  • модуль для подключения источника тока;
  • источник постоянного тока.

Соберите на стенде электрическую цепь, схема которой показана на рис.3.

Рис. 3.

Роль плавкого предохранителя в эксперименте выполняет медная проволока диаметром 0,16 мм и длиной 12 см. Проволочка укрепляется в зажимах, смонтированных на одном из модулей. Концы проволочки необходимо тщательно зачистить. Резистор вначале остается неподключенным. На выходе выпрямителя устанавливается напряжение 10 В.
Перед проведением эксперимента напомните ученикам, что все источники питания, в том числе и электрическая сеть, рассчитаны на определенную мощность нагрузки, или, иными словами имеют максимальную силу тока, при которой эксплуатация источника питания или сети безопасна. Плавкие предохранители служат для отключения всех устройств, которые включены в сеть, если сила тока в электрической цепи превысит допустимое значение. Увеличение силы тока может произойти из-за короткого замыкания или включения слишком мощных потребителей электроэнергии.

Продемонстрируйте учащимся срабатывание предохранителя при включении слишком мощной нагрузки. Замкните ключ и покажите, что лампа является нормальной нагрузкой для собранной цепи и горит неограниченно долго. Затем попытайтесь подключить к работающей цепи дополнительный потребитель электроэнергии  – проволочный резистор. Сразу после подключения параллельно лампе резистора проволочка, имитирующая плавкий предохранитель, ярко вспыхивает, и перегорает, в результате чего цепь обесточивается.
После этого продемонстрируйте действие предохранителя при коротком замыкании. Выключите источник питания. Измените схему установки как показано на рис. 4.

Рис.4.

Вставьте в зажимы новую проволочку диаметром 0,16 мм. Ключ подключите параллельно лампе и оставьте разомкнутым.
Включите источник питания и продемонстрируйте свечение лампы. Замкните ключ. Проволочка мгновенно перегорит, поскольку сопротивление цепи при замыкании ключа резко уменьшилось, (произошло короткое замыкание), и сила тока превысила допустимое значение.

Задача 8 <слайд 18>

Можно ли на место перегоревшего предохранителя вставить толстую проволоку или пучок медных проволок («жучок»)? Почему? [4]

Ответ: Недопустимо. Медная проволока имеет малое удельное сопротивление и поэтому может выдержать большой ток, превосходящий нормальную нагрузку в сети. В случае короткого замыкания такая проволока может не расплавиться, цепь не разорвется, а накалившаяся проводка может вызвать пожар.

IV. Подведение итогов. Домашнее задание <слайд 19>:

§§ 54, 55, [1], задачи стр.79 №№ 3, 7, [3].

Список литературы

  1. Перышкин А.В. Физика. Учеб. 8 кл. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2009.
  2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. 10 – 11кл.: Учеб. Для углубленного изучения физики. – М.:Дрофа, 2012.
  3. Кирик Л.А. Физика-8. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. –  М.: Илекса, 2013.
  4. Генденштейн Л.Э., Кирик Л.А., Гельфгат И.М. Решение ключевых задач по физике для основной школы. 7-9 классы. –   М.: Илекса, 2009.
  5. Лабковский В.Б. 220 задач по физике с решениями: кн. Для учащихся 10-11 кл. общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2006.
  6. Аганов А. В. , Сафиуллин Р.К., Скворцов А.И., Таюрский Д.А. Физика вокруг нас. Качественные задачи по физике.  – Дом педагогики, 1998.
  7. Савченко Н.Е. Физика. Интенсивный курс подготовки к экзамену. Основные методы решения задач. – М.: Айрис-пресс, 2006.

Урок по теме «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца»

Цели урока: организовать деятельность обучающихся по восприятию, осмыслению и первичному запоминанию закона Джоуля-Ленца, фактов: причины нагревания проводников электрическим током,

способствовать формированию умений решать задачи на применение закона Джоуля-Ленца, объяснять физические явления на основе закона Джоуля-Ленца,

совершенствовать вычислительные навыки, навык преобразования формул, навык перевода единиц физических величин в СИ,

применить дифференцированный подход в обучении,

создать условия для развития мышления, внимания, памяти, познавательного интереса, грамотной речи,

воспитывать культуру общения

Ход урока:

I. Организационный этап.

II. Этап подготовки к активной деятельности на основном этапе:

1.Решение задач в группах (первые две задачи на «3», остальные три на «4» и «5»).

1. Напряжение в осветительной сети 220 В. Сопротивление спирали 20 Ом. Найти силу тока. (11 А).

2. Сила тока в электрической лампе 11 А.Напряжение равно 55 В. Вычислить её сопротивление. (5 Ом)

3. Две лампы сопротивлением 5 Ом и 7 Ом включены последовательно в цепь, сила тока в которой 4 А. Найдите напряжение на каждой лампе и общее напряжение.( U₁= 20 В U₂= 28 В U= 48 В).

4. Электрический двигатель в течение 2 мин совершает работу 17,28 кДж. Напряжение в цепи 48 В . Вычислить мощность двигателя и силу тока в цепи.( 144 Вт, 3 А).

5. В электрическую цепь включены параллельно две спирали. Их общее сопротивление 4 Ом. Сила тока, проходящего через первую спираль 3 А, через вторую 5 А. Найдите мощность тока.(256 Вт).

2.Фронтальная беседа по вопросам:

1. Дайте определение электрического тока

2. Что представляет собой электрический ток в металлах?

3.Что представляет собой электрический ток в растворах и расплавах электролитов?

4. Какие действия оказывает электрический ток?

5. В чем заключается тепловое действие тока?

III. Этап изучения нового материала.

1. Постановка цели урока.

Давайте попытаемся сформулировать цели урока, т. е. на какие вопросы мы должны сегодня ответить.проводников электрическим током сначала на примере металлов.

Какое строение имеют металлы? ( В узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны.)

Что представляет собой электрический ток в металлах? (Упорядоченное движение свободных электронов).


 


 

Что происходит при движении свободных электронов? (Они взаимодействуют с узлами (ионами) кристаллической решетки)

Что происходит в результате этого взаимодействия? (Свободные электроны передают свою энергию ионам кристаллической решетки)

В результате внутренняя энергия проводника увеличивается. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам.

Аналогично объясняется нагревание и других проводников: растворов кислот, щелочей и солей при прохождении тока. Ионы, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с атомами или ионами проводника и передают свою энергию. В результате работы тока внутренняя энергия проводника увеличивается.

3. Изучение закона Джоуля-Ленца.

В неподвижных проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, равно работе тока.

По какой формуле рассчитывается работа тока? (А=IUt)

Так как Q=A, то Q=IUt.

Выразите напряжение из закона Ома. (U=IR)

Подставим значение напряжения в формулу работы тока. (Q=I * IR*Rt=I2Rt) Полученная формула называется законом Джоуля-Ленца и позволяет рассчитать количество теплоты, выделяемое проводником с током.

Давайте попытаемся сформулировать этот закон.

Закон был установлен экспериментально независимо друг от друга английским ученым Д. Джоулем и русским ученым Э. Ленцем. Поэтому он носит двойное название: закон Джоуля-Ленца.

4.Историческая минутка.

Сообщение обучающегося о Д. Джоуле и Э.Ленце

5.Применение теплового действия тока

Сообщение обучающегося о применении теплового действия тока

IV. Этап применения знаний :

Устные упражнения: а) Как изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, при увеличении силы тока в 2 раза? (Увеличится в 4 раза)

    б) Два проводника: медный и железный равной длины и сечения включены в цепь с одной и той же силой тока. В каком проводнике: медном или железном выделится большее количество теплоты? (В железном, так как удельное сопротивление железа больше, чем у меди, а количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально сопротивлению проводника, которое, в свою очередь, прямо пропорционально удельному электрическому сопротивлению)

    2. Фронтальное решение.

    1.В спирали электроплитки сопротивлением 80 Ом сила тока 2 А. Сколько времени была включена в сеть плитка, если в ней выделилось 320 кДж тепла?

    Решение: Q=I2Rt. t = t =

    2.Какое количество теплоты выделится в железном проводнике длиной 10 см и сечением 0,1 мм2 за 1 минуту при силе тока 2 А?

    Решение. Q=I2Rt R=Q = I2 t , Q= 4 А² 0,1Ом мм²/м 0,1/0,1 мм² *60 с = 24 Дж

    3. В электрокипятильнике емкостью 5 л с КПД 70% вода нагревается от 10 до 100 градусов Цельсия за 20 минут. Какой силы ток проходит по спирали электрокипятильника, если напряжение в сети 220 В?

    Решение.

    Ап = с m ( t2 – t1 ) m = V Aп = с V ( t2 – t1 )

    Аз = I U t

    I= 10 А

    V. Подведение итогов урока.

    Какова причина нагревания проводника электрическим током?

    Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.

    VI. Домашнее задание

    п.53, упр.27(1)

    Закон Джоуля-Ленца – презентация онлайн

    Закон
    Джоуля-Ленца
    Повторение темы
    «Законы постоянного тока»
    1.Что называют электрическим
    током? Как направлен электрический
    ток?
    Электрическим током называют
    упорядоченное, направленное
    движение заряженных частиц. За
    направление тока принимают
    направление
    «+» заряженных
    частиц.
    2. Какими действиями обладает
    электрический ток?
    1. Тепловое
    действие
    2. Магнитное
    действие
    3. Химическое
    действие
    3. Какие необходимы условия для
    существования электрического
    тока?
    1. Наличие свободных зарядов.
    2. Наличие электрического поля.
    4. От чего зависит
    электрическое
    сопротивление проводника?
    1. От длины проводника.
    2. От площади поперечного сечения
    проводника.
    3. От рода материала.
    l
    R
    S
    5. При каком соединении все
    проводники находятся под
    одним и тем же напряжением?
    Проводники находятся при
    одинаковом напряжении при
    параллельном соединении:
    U1= U2=U
    6. Как называют прибор для измерения
    напряжения?
    Напряжение измеряют с помощью
    вольтметра:
    Вольтметр присоединяют
    к тем точкам цепи,
    между которыми
    надо измерить
    напряжение.
    7. Сформулируйте закон Ома
    для участка цепи?
    U
    I
    R
    Сила тока I прямо
    пропорциональна приложенному напряжению U и
    обратно пропорциональна
    сопротивлению R
    проводника.
    Ом Георг
    (1787-1854)
    8. Как называют прибор для измерения
    силы тока?
    Силу тока измеряют с помощью
    амперметра:
    Амперметр включают в цепь
    последовательно с тем прибором,
    силу тока в котором измеряют.
    Работа и мощность
    постоянного тока.
    Закон Джоуля-Ленца
    Работа электрического поля по
    перемещению заряда – работа
    тока. Обозначается: А
    А = Δq · U
    Т.к. Δq= I·Δt
    А = I·U·Δt
    Работа тока на участке цепи
    равна произведению силы тока,
    напряжения и времени, в течение
    которого совершалась работа.
    [А] – 1 Дж; 1Дж = 1 А · В ·c
    U
    I
    R
    А = I·U·Δt
    A = I2·R·Δt – при
    последовательном
    U2
    соединении
    A
    t
    R
    – при параллельном
    соединении
    Закон Джоуля-Ленца
    Q = I2·R·Δt – количество
    теплоты, выделяемое
    проводником с током, равно
    произведению квадрата силы
    тока, сопротивления проводника
    и времени прохождения тока по
    проводнику.
    Энергии, которую прибор потребляет
    в единицу времени – мощность.
    Обозначается: Р
    А
    Р
    I U
    t
    Мощность тока равна отношению
    работы тока за время Δt к этому
    интервалу времени.
    [P]=1Вт; 1 Вт = 1 Дж/с ; 1 Вт = 1 А · В
    Физическая
    величина
    Обозначени
    е
    Формула
    Единица в СИ
    Сила тока
    I
    I=q/t
    A
    Напряжение
    U
    U=A/q
    B
    Сопротивлени
    е
    R
    R=U/I
    Ом
    Закон Ома

    I=U/R
    А=В/Ом
    Работа эл. тока
    A
    A=IUΔt
    Дж
    Мощность
    P
    P=IU
    Вт
    Количество
    теплоты
    Q
    Дж
    Источники: Образовательный портал
    «Открытый урок. 1 сентября», urok.1sept.ru
    Автор: Кузнецова Анна Ивановна
    Материал доступен по ссылке:
    https://urok.1sept.ru/articles/656432
    Внесенные изменения: Мызникова И. В.,
    преподаватель ГАПОУ СО «НТЖТ»

    § 34. Тепловое действие тока. Закон Джоуля

    Вы уже хорошо знаете, что при прохождении электрического тока нить лампы накаливания нагревается настолько сильно, что начинает излучать видимый свет. Благодаря действию электрического тока нагреваются утюг и электрическая плита. А вот вентилятор и пылесос нагреваются незначительно, не становятся очень горячими (конечно, если все в порядке) и подводящие провода. От чего же зависит тепловое действие тока?

    Рассуждаем о тепловом действии тока

    Прохождение электрического тока всегда сопровождается выделением теплоты, и этот факт нетрудно объяснить.

    Когда в проводнике идет ток, то свободные заряженные частицы, двигаясь под действием электрического поля, сталкиваются с другими частицами и передают им часть своей энергии. Электроны в металлах сталкиваются с ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки, ионы в электролитах — с другими ионами, атомами или молекулами. В результате средняя скорость хаотичного (теплового) движения частиц вещества увеличивается — проводник нагревается. По закону сохранения энергии кинетическая энергия, приобретенная свободными заряженными частицами в результате действия электрического поля, преобразуется во внутреннюю энергию проводника.

    Очевидно: чем чаще сталкиваются частицы, то есть чем больше сопротивление проводника, тем больше энергии передается проводнику и тем сильнее он нагревается. Таким образом, при неизменной силе тока количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника.

    Кроме того, с увеличением в проводнике силы тока количество выделяемой теплоты тоже увеличивается. Ведь чем больше частиц проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше столкновений частиц происходит.

    |2 Открываем закон Джоуля — Ленца

    Тепловое действие тока изучали на опытах английский ученый Дж. Джоуль(рис. 34.1) и российский ученый немецкого происхождения

    Э. Х. Ленц(рис. 34.2). Независимо друг от друга они пришли к одинаковому выводу, который позже получил название закон Джоуля — Ленца:

    Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:

    На рис. 34.3 изображена схема опыта, доказывающего справедливость закона Джоуля — Ленца. Попробуйте описать этот опыт.

    Закон Джоуля — Ленца был установлен экспериментально. Теперь же, зная формулу для расчета работы тока (A = UIt), данный закон можно вывести с помощью простых математических выкладок.

     

    Если на участке цепи, в котором течет ток, не выполняется механическая работа и не происходят химические реакции, результатом работы тока будет только нагревание проводника. Нагретый проводник путем теплопередачи отдает полученную энергию окружающим телам. Следовательно, в данном случае согласно закону сохранения энергии количество выделенной теплоты Q будет равно работе A тока: Q = A.

    Обращаем внимание на некоторые особенности вычисления количества теплоты

    Для получения математического выражения закона Джоуля — Ленца мы воспользовались некоторыми предположениями. Исследования показали, что в любом случае количество теплоты, выделяющееся в участке цепи в результате прохождения тока, можно вычислить по формуле Q = 12Rt.

    Возникает вопрос: что делать, если сила тока неизвестна, а известно напряжение на концах участка цепи? Казалось бы, можно воспользоваться законом Ома. Действительно,

     

     

    После сокращения на R получим:

    Однако этой формулой, впрочем как и формулой Q = UIt, можно воспользоваться только в том случае, когда вся электрическая энергия расходуется на нагревание.

    Если же на участке цепи есть потребители энергии, в которых выполняется механическая работа или происходят химические реакции, U2

    формулы Q =— t и Q = UIt использовать нельзя. В таких случаях при-R

    меняют более сложные математические выражения, учитывающие всю совокупность явлений.

    Учимся решать задачи

    Задача. Определите сопротивление нагревателя, с помощью которого можно за 5 мин довести до кипения 1,5 кг воды, взятой при температуре 12 °С. Напряжение в сети равно 220 В, КПД нагревателя — 84 %.

    Анализ физической проблемы. Когда в нагревателе проходит электрический ток, выделяется количество теплоты Qiioth. Часть ее (QnOTe3H) расходуется на нагревание воды до кипения, то есть до 100 °С.

    Выразив Qhoth и Qnmesn через указанные в условии задачи величины, найдем искомую величину. Значение удельной теплоемкости с воды найдем в соответствующей таблице (см. табл. 1 Приложения).

    , Подводим итоги

    Прохождение тока в проводнике сопровождается выделением теплоты. Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока: Q = I2Rt (закон Джоуля — Ленца).

    Контрольные вопросы    =

    1.    Почему нагреваются проводники, в которых течет электрический ток?

    2.    Сформулируйте закон Джоуля — Ленца. Почему он имеет такое название? 3. Как математически записывается закон Джоуля — Ленца?

    4. Какие формулы для расчета количества теплоты, выделяющегося

    в проводнике при прохождении тока, вы знаете? Всегда ли можно ими

    пользоваться?

    Упражнение № 34

    1.    Сколько теплоты выделится за 10 мин в электроплите, если сопротивление нагревательного элемента плиты равно 30 Ом, а сила тока в нем 4 А?

    2.    Два проводника сопротивлениями 10 и 20 Ом включены в сеть напряжением 100 В. Какое количество теплоты выделится за 5 с в каждом проводнике, если они соединены параллельно?

    3.    Почему электрические провода, по которым подается напряжение к электрической лампе накаливания, не нагреваются, а нить накала лампы нагревается и ярко светится?

    4.    Электрокипятильник за 5 мин нагревает 0,2 кг воды от 14 °С до кипения при условии, что в его обмотке течет ток силой 2 А. Определите напряжение, поданное на электрокипятильник. Потерями энергии пренебречь.

    5.    В каждый из двух калориметров налили 200 г воды при температуре 20 °С. В один калориметр поместили нагреватель сопротивлением 24 Ом, во второй — сопротивлением 12 Ом. Нагреватели соединили последовательно и подключили к источнику тока (см. рис. 34.3). Определите температуру воды в каждом калориметре после нагревания, если оно длилось 7 мин при неизменной силе тока в цепи 1,5 А. Потерями энергии пренебречь.

    6.    Какой длины нихромовый провод нужно взять, чтобы сделать электрический камин, работающий при напряжении 120 В и выделяющий 1 МДж теплоты в час? Диаметр провода 0,5 мм.

    7.    Сравните количества теплоты, которые необходимо затратить, чтобы расплавить медный и свинцовый провода, если эти провода имеют одинаковую массу и взяты при температуре 27 °С.

    ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ – E-knowledge.in

    Если W – это работа, выполненная в системе, а Q – количество сердца, произведенное в результате этой работы, то

    Выражение J говорит, что механический эквивалент тепла – это количество единиц работы, которые должны быть выполнены в системе для производства одной единицы тепла.

    Эксперимент Джоуля

    Для демонстрации его эксперимента мы сначала возьмем цилиндрический калориметр из меди. Мы будем использовать систему лопасть-лопасть, как показано выше.

    Теперь заполним калориметр определенным количеством воды. Теперь мы прикрепим лопаточную систему к заполненному водой калориметру с водонепроницаемой верхней крышкой. Теперь мы прикрепим два груза известной и равной массы, как показано на рисунке выше, с помощью шкивов. Когда ручка системы вращается в любом направлении, оба груза поднимаются или опускаются вертикально в зависимости от направления вращения.

    Прикрепляем две вертикальные шкалы для измерения вертикали; движения тяжестей.Мы также установили один термометр на верхней крышке системы, чтобы увидеть повышение температуры воды.

    Теперь поднимем груз, вращая ручку. Подняв грузы на высоту h, мы позволяем им свободно опуститься в прежнее положение. Когда грузы падают, потенциальная энергия, накопленная в системе во время подъема грузов, высвобождается в виде кинетической энергии, которая вызывает вращение фургонов в воде. Эта работа, выполняемая в системе, приведет к выделению тепла в воде и повышению температуры воды.После того, как гири опустятся в исходное положение, мы снова поднимем гирю на ту же высоту h и позволим им свободно опускаться. Мы продолжаем, делая это до тех пор, пока на термометре, установленном в системе, не появится измеримая разница температур. Теперь мы можем измерить проделанную работу, умножив общий вес на высоту движения гирь, количество повторений движений гири. Будем считать, что оба груза имеют одинаковую массу m. Итак, общая масса гирь составляет 2 метра.Таким образом, работа за счет падения груза по вертикали на h метров составляет 2 мгч. Теперь скажем, всего n повторений движений веса, сделанных до повышения температуры воды до ее измеренного значения. Следовательно, общая проделанная работа будет: Здесь все n, m, g и h известны, поэтому общую проделанную работу можно легко вычислить.

    Рассмотрим, M – масса воды в калориметре. W ‘- водный эквивалент калориметра. Таким образом, общее количество тепла, выделяемого из-за повышения температуры воды на θ, составляет Q = (M + W ‘) θ.Теперь, механический эквивалент тепла

    После этого эксперимента, поместив все известные значения m, g, h, n, M, W ‘и θ, мы получим. Здесь в этом эксперименте потенциальная энергия падающей массы равна преобразуется в кинетическую энергию и, наконец, в тепловую энергию.

    Эксперимент Фарадея

    СВЯЗЬ МЕЖДУ ИНДУЦИРОВАННОЙ ЭДС И ПОТОКОМ В этом эксперименте Фарадей берет магнит и катушку и подключает гальванометр к катушке.При запуске магнит находится в состоянии покоя, поэтому гальванометр не прогибается, т.е. стрелка гальванометра находится в центральном или нулевом положении. Когда магнит перемещается к катушке, стрелка гальванометра отклоняется в одном направлении. Когда магнит удерживается в неподвижном положении в этом положении, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. Теперь, когда магнит отодвигается от катушки, наблюдается некоторое отклонение стрелки, но в противоположном направлении, и снова, когда магнит становится неподвижным в этой точке относительно катушки, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение.Точно так же, если магнит удерживается в неподвижном состоянии, а катушка перемещается в сторону магнита, гальванометр показывает отклонение аналогичным образом. Также видно, что чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше будет наведенная ЭДС или напряжение в катушке.
    Положение магнита Отклонение гальванометра
    Магнит в состоянии покоя Отсутствие отклонения гальванометра
    Магнит движется по направлению к катушке Отклонение гальванометра в одном направлении
    Магнит остается неподвижным в том же положении (рядом с катушкой) Нет отклонения в гальванометре
    Магнит движется от катушки Отклонение в гальванометре, но в противоположном направлении
    Магнит удерживается неподвижно в том же положении (вдали от катушки) В гальванометре нет отклонения
    Заключение: из этого эксперимента Фарадей пришел к выводу, что всякий раз, когда происходит относительное движение между проводником и магнитным полем, магнитная связь с катушкой изменяется, и это изменение потока индуцирует напряжение на катушке.
    Майкл Фарадей сформулировал два закона на основе описанных выше экспериментов. Эти законы называются законами электромагнитной индукции Фарадея .

    Законы Фарадея

    Первый закон Фарадея

    Любое изменение магнитного поля катушки с проволокой вызовет в катушке ЭДС. Эта индуцированная ЭДС называется индуцированной ЭДС, и если цепь проводника замкнута, ток также будет циркулировать по цепи, и этот ток называется индуцированным током.
    Метод изменения магнитного поля:
    1. Перемещая магнит к катушке или от нее.
    2. Перемещая катушку в магнитное поле или из него.
    3. Путем изменения площади катушки, помещенной в магнитное поле.
    4. Путем вращения катушки относительно магнита.

    Второй закон Фарадея

    Он гласит, что величина ЭДС, индуцированная в катушке, равна скорости изменения магнитного потока, который связывается с катушкой. Магнитная связь катушки – это произведение количества витков в катушке и магнитного потока, связанного с катушкой.

    Формула закона Фарадея

    Рассмотрим, магнит приближается к катушке. Здесь мы рассматриваем два момента в момент времени T 1 и времени T 2 .Потоковая связь с катушкой во время, Потоковая связь с катушкой во время, Изменение в потокосцеплении, Пусть это изменение в потокосцеплении будет, Итак, Изменение в потокосцеплении Теперь скорость изменения потоковой связи Возьмите производную справа, мы будем get
    Скорость изменения магнитной связи Но согласно закону электромагнитной индукции Фарадея скорость изменения магнитной индукции равна наведенной ЭДС. С учетом закона Ленца, где поток Φ в Wb = BA
    B = напряженность магнитного поля
    A = площадь катушки
    КАК УВЕЛИЧИТЬ ЭДС, ИНДУЦИРОВАННУЮ В КАТУШКЕ
    • Увеличивая количество витков в катушке i.e N, из приведенных выше формул легко увидеть, что если количество витков в катушке увеличивается, наведенная ЭДС также увеличивается.
    • Путем увеличения напряженности магнитного поля, то есть B, окружающего катушку. Математически, если магнитное поле увеличивается, увеличивается поток, а если увеличивается поток, индуцированная ЭДС также увеличивается. Теоретически, если катушка проходит через более сильное магнитное поле, будет больше силовых линий, которые она может разрезать, и, следовательно, будет больше индуцированной ЭДС.
    • За счет увеличения скорости относительного движения между катушкой и магнитом – Если относительная скорость между катушкой и магнитом увеличивается по сравнению с ее предыдущим значением, катушка будет обрезать линии потока с большей скоростью, поэтому больше наведенной ЭДС будет произведено.

    Применение закона Фарадея

    Закон Фарадея – один из самых основных и важных законов электромагнетизма. Этот закон находит свое применение в большинстве электрических машин, промышленности, медицины и т. Д.
    • Электрические трансформаторы работают по закону Фарадея
    • Основным принципом работы электрического генератора является закон взаимной индукции Фарадея.
    • Индукционная плита – самый быстрый способ готовки. Он также работает по принципу взаимной индукции. Когда ток течет через катушку с медной проволокой, расположенную под посудой, он создает изменяющееся магнитное поле. Это переменное или изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС и, следовательно, ток в проводящем контейнере, и мы знаем, что поток тока всегда выделяет в нем тепло.
    • Электромагнитный расходомер используется для измерения скорости определенных жидкостей. Когда магнитное поле прикладывается к электрически изолированной трубе, по которой протекают токопроводящие жидкости, то, согласно закону Фарадея, в ней индуцируется электродвижущая сила. Эта индуцированная ЭДС пропорциональна скорости течения жидкости.
    • В основе теории электромагнетизма идея Фарадея о силовых линиях используется в хорошо известных уравнениях Максвелла. Согласно закону Фарадея, изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля, и обратное этому используется в уравнениях Максвелла.
    • Он также используется в музыкальных инструментах, таких как электрогитара, электрическая скрипка и т. Д.

    Видео-презентация закона Фарадея

    Закон Ленца назван в честь немецкого ученого Х.Ф. Ленца в 1834 году. Закон Ленца подчиняется третьему закону Ньютона. движение (т.е. на каждое действие всегда есть равная и противоположная реакция) и сохранение энергии (т.е. энергия не может быть ни создана, ни разрушена, и поэтому сумма всех энергий в системе является постоянной). Закон Ленца основан на законе индукции Фарадея, поэтому до понимания закона Ленца ; нужно знать, что такое закон индукции Фарадея? Когда изменяющееся магнитное поле связано с катушкой, в ней индуцируется ЭДС. Это изменение магнитного поля может быть вызвано изменением напряженности магнитного поля путем перемещения магнита по направлению к катушке или от нее или перемещением катушки в магнитное поле или из него по желанию. Или простыми словами, мы можем сказать, что величина ЭДС, индуцированная в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

    Закон Ленца

    Закон Ленца гласит, что, когда ЭДС генерируется изменением магнитного потока в соответствии с законом Фарадея, полярность индуцированной ЭДС такова, что создается ток, магнитное поле которого противодействует изменению, которое его вызывает. .

    Отрицательный знак, используемый в законе электромагнитной индукции Фарадея, указывает на то, что наведенная ЭДС (ε) и изменение магнитного потока (δΦ B ) имеют противоположные знаки, где
    ε = Индуцированная ЭДС
    δΦ B = изменение в магнитном потоке
    N = Количество витков в катушке

    Причина противодействия, причина индуцированного тока в

    Законе Ленца ?
    • Как указано выше, Закон Ленца подчиняется закону сохранения энергии, и если направление магнитного поля, которое создает ток, и магнитное поле тока в проводнике совпадают, то эти два магнитных поля суммируется и производит ток вдвое большей величины, а это, в свою очередь, создает большее магнитное поле, что вызывает увеличение тока, и этот процесс, продолжающийся и продолжающийся, приводит к нарушению закона сохранения энергии.
    • Если индуцированный ток создает магнитное поле, которое равно и противоположно направлению магнитного поля, которое его создает, то только он может противостоять изменению магнитного поля в этой области, что соответствует третьему закону Ньютона. движение.

    Объяснение закона Ленца

    Для понимания закона Ленца рассмотрим два случая:
    CASE-I Когда магнит движется к катушке. Когда северный полюс магнита приближается к катушке, магнитный поток связывается с катушка увеличивается.Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, при изменении магнитного потока в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле. Теперь, согласно закону Ленца , это созданное магнитное поле будет противодействовать своему собственному или, можно сказать, противодействовать увеличению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает северной полярности, поскольку мы знаем, что подобные полюса отталкиваются друг от друга. Как только мы узнаем магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки.В этом случае ток течет против часовой стрелки.
    CASE-II Когда магнит удаляется от катушки Когда северный полюс магнита удаляется от катушки, магнитный поток, связанный с катушкой, уменьшается. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле. Теперь, согласно закону Ленца , это созданное магнитное поле будет противодействовать своему собственному или, можно сказать, противодействовать уменьшению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает южной полярности, поскольку мы знаем, что разные полюса притягиваются друг к другу.Как только мы узнаем магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки. В этом случае ток течет по часовой стрелке.

    ПРИМЕЧАНИЕ: Для определения направления магнитного поля или тока используйте правило большого пальца правой руки, т.е. если пальцы правой руки расположены вокруг провода так, чтобы большой палец указывал в направлении потока тока, то будет видно изгибание пальцев. направление магнитного поля, создаваемого проволокой.Закон Ленца можно резюмировать следующим образом:

    • Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, увеличивается, направление тока в катушке будет таким, что он будет противодействовать увеличению потока, и, следовательно, индуцированный ток будет вызывать его поток в направлении, показанном ниже (с использованием правила для большого пальца правой руки).
    • Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, уменьшается, поток, создаваемый током в катушке, таков, что он поддерживает основной поток и, следовательно, направление тока такое, как показано ниже,

    Применение закона Ленца

    • Закон Ленца можно использовать для понимания концепции накопленной магнитной энергии в индукторе.Когда к индуктору подключен источник ЭДС, через него начинает течь ток. Этому увеличению тока через катушку индуктивности препятствует обратная ЭДС. Чтобы установить ток, внешний источник ЭДС должен проделать некоторую работу, чтобы преодолеть это противодействие. Эта работа может быть выполнена за счет того, что ЭДС сохраняется в катушке индуктивности, и ее можно восстановить после удаления внешнего источника ЭДС из цепи.
    • Этот закон указывает на то, что индуцированная ЭДС и изменение потока имеют противоположные знаки, которые обеспечивают физическую интерпретацию выбора знака в законе индукции Фарадея.
    • Закон Ленца также применяется к электрическим генераторам. Когда в генераторе индуцируется ток, направление этого индуцированного тока таково, что он противодействует и вызывает вращение генератора (как в соответствии с законом Ленца ), и, следовательно, генератору требуется больше механической энергии. Он также обеспечивает обратную ЭДС в случае электродвигателей.
    Закон Ленца также используется для электромагнитного торможения и индукционных варочных панелей.

    Законы электролиза Фарадея

    Прежде чем понять законы электролиза Фарадея , мы должны вспомнить процесс электролиза сульфата металла.
    Когда электролит, такой как сульфат металла, разбавляется водой, его молекулы расщепляются на положительные и отрицательные ионы. Положительные ионы или ионы металлов перемещаются к электродам, соединенным с отрицательной клеммой батареи, где эти положительные ионы отбирают от нее электроны, становятся атомами чистого металла и осаждаются на электроде. В то время как отрицательные ионы или сульфионы перемещаются к электроду, соединенному с положительной клеммой батареи, где эти отрицательные ионы отдают свои лишние электроны и становятся радикалами SO 4 .Поскольку SO 4 не может существовать в электрически нейтральном состоянии, он атакует металлический положительный электрод и образует сульфат металла, который снова растворяется в воде. Законы электролиза Фарадея объединяют два закона, а именно:

    Первый закон электролиза Фарадея

    Из краткого объяснения выше ясно, что протекание тока через цепь внешней батареи полностью зависит от того, сколько электронов передается от отрицательного электрода. или катод на положительный металлический ион или катионы.Если катионы имеют валентность два, как Cu ++ , то для каждого катиона будет два электрона, переданных с катода на катион. Мы знаем, что каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд – 1,602 × 10 -19 кулонов, и скажем, что это – e. Таким образом, для размещения каждого атома Cu на катоде будет происходить передача заряда с катода на катион. Теперь предположим, что в течение t времени на катоде будет всего n атомов меди, поэтому общий переданный заряд будет равен -2.н.э. Кулоны. Очевидно, масса осажденной меди m зависит от числа нанесенных атомов. Таким образом, можно сделать вывод, что масса осажденной меди прямо пропорциональна количеству электрического заряда, проходящего через электролит. Следовательно, масса осажденной меди m Q количество электрического заряда проходит через электролит.
    Первый закон электролиза Фарадея утверждает, что только
    Согласно этому закону химическое осаждение из-за протекания тока через электролит прямо пропорционально количеству электричества (кулонов), прошедшего через него., то есть масса химического осаждения, где Z – коэффициент пропорциональности, известный как электрохимический эквивалент вещества.
    Если мы положим Q = 1 кулон в приведенное выше уравнение, мы получим Z = m, что означает, что электрохимический эквивалент любого вещества – это количество вещества, осажденного при прохождении 1 кулона через его раствор. Эта постоянная прохождения электрохимического эквивалента обычно выражается в миллиграммах на кулон или килограммах на кулон.

    Второй закон электролиза Фарадея

    До сих пор мы узнали, что масса химического вещества, отложившегося в результате электролиза, пропорциональна количеству электричества, которое проходит через электролит. Масса химического вещества, отложившегося в результате электролиза, не только пропорциональна количеству электричества, проходящего через электролит, но также зависит от некоторых других факторов. У каждого вещества будет свой атомный вес. Таким образом, при одинаковом количестве атомов разные вещества будут иметь разные массы.Опять же, количество атомов, нанесенных на электроды, также зависит от их валентности. Если валентность больше, то для того же количества электричества количество отложенных атомов будет меньше, тогда как если валентность меньше, то для того же количества электричества будет отложено большее количество атомов. Таким образом, при прохождении одного и того же количества электричества или заряда через разные электролиты масса нанесенного химического вещества прямо пропорциональна его атомному весу и обратно пропорциональна его валентности.
    Второй закон электролиза Фарадея гласит, что когда одно и то же количество электричества проходит через несколько электролитов, масса осажденных веществ пропорциональна их соответствующему химическому эквиваленту или эквивалентной массе.
    Химический эквивалент или эквивалентный вес
    Химический эквивалент или эквивалентный вес вещества может быть определен Законом электролиза Фарадея , и он определяется как вес этой субаренды, которая будет объединяться с водородом или замещать его. Таким образом, химический эквивалент водорода равен единице. Поскольку валентность вещества равна количеству атомов водорода, которые оно может заменить или с которыми оно может объединить, химический эквивалент вещества может быть определен как отношение его атомного веса к его валентности.Два французских физика, Жан Батист Био и Феликс Савар, в 1820 году вывели математическое выражение для плотности магнитного потока в точке из-за близлежащего проводника с током. Наблюдая за отклонением стрелки магического компаса, двое ученых пришли к выводу, что любой элемент тока создает магнитное поле. поле в пространстве.
    После наблюдений и расчетов они вывели математическое выражение, которое показывает, что плотность магнитного потока, дБ, прямо пропорциональна длине элемента dl, току I, синусу угла и θ между направлением ток и вектор, соединяющий данную точку поля и текущий элемент, обратно пропорционален квадрату расстояния данной точки от текущего элемента, r.Это утверждение закона Био-Савара . Где k является константой, зависит от магнитных свойств среды и системы используемых единиц. В системе единиц СИ, поэтому окончательный вывод закона Био-Савара таков: давайте рассмотрим длинный провод, по которому проходит ток I, а также точку p в пространстве. На рисунке ниже провод показан красным цветом. Рассмотрим также бесконечно малую длину провода dl на расстоянии r от точки P, как показано. Здесь r – вектор расстояния, который составляет угол θ с направлением тока в бесконечно малой части провода.

    Если вы попытаетесь визуализировать состояние, вы легко сможете понять плотность магнитного поля в точке P из-за того, что бесконечно малая длина провода dl прямо пропорциональна току, переносимому по этой части провода.
    Поскольку ток через эту бесконечно малую длину провода такой же, как ток, протекающий по самому проводу, мы можем написать: также очень естественно думать, что плотность магнитного поля в этой точке P из-за этой бесконечно малой длины провода dl обратно пропорциональна квадрату расстояния по прямой от точки P до центра dl.Математически мы можем записать это как: Наконец, плотность магнитного поля в этой точке P из-за того, что бесконечно малая часть провода также прямо пропорциональна фактической длине бесконечно малой длины провода dl. Поскольку θ – это угол между вектором расстояния r и направлением тока через этот бесконечно малый участок провода, компонент dl, обращенный непосредственно перпендикулярно точке P, равен dlsinθ. Теперь, объединив эти три утверждения, мы можем написать: Это основной форма Закон Био-Савара
    Теперь, поместив значение константы k (которое мы уже ввели в начале этой статьи) в приведенное выше выражение, мы получаем Здесь μ 0 , используемое в выражении константы k, является абсолютным проницаемость воздуха или вакуума и ее значение составляет 4π10 -7 Вт b / Am в системе единиц СИ.μ r выражения постоянной k – относительная проницаемость среды.
    Теперь, плотность потока (B) в точке P, обусловленная общей длиной токопроводящего проводника или провода, может быть представлена ​​как: Если D – перпендикулярное расстояние точки P от провода, то теперь выражение плотности потока B в точке P можно переписать как, Как показано на рисунке выше, Наконец, выражение B выглядит так: Этот угол θ зависит от длины провода и положения точки P. Скажем, для некоторой ограниченной длины провода, угол θ, как показано на рисунке выше, изменяется от θ 1 до θ 2 .Следовательно, плотность магнитного потока в точке P из-за общей длины проводника равна. Давайте представим, что провод бесконечно длинный, тогда θ будет изменяться от 0 до π, то есть от θ 1 = 0 до θ 2 = π. Помещая эти два значения в приведенное выше окончательное выражение закона Био-Савара , мы получаем

    Это не что иное, как выражение закона Ампера. Эта теорема утверждает, что полный электрический поток через любую замкнутую поверхность, окружающую заряд, равен чистому положительному заряду, заключенному на этой поверхности.

    Предположим, что заряды Q 1 , Q 2 _ _ _ _Q i , _ _ _ Q n заключены в поверхность, тогда теорема может быть выражена математически через поверхностный интеграл как Где, D – поток плотность в кулонах / м 2 и dS – вектор, направленный наружу.

    Объяснение теоремы Гаусса

    Для объяснения теоремы Гаусса лучше рассмотреть пример для правильного понимания.
    Пусть Q будет зарядом в центре сферы, а поток, исходящий от заряда, перпендикулярен поверхности.Эта теорема утверждает, что полный поток, исходящий от заряда, будет равен Q кулонов, и это также можно доказать математически. Но как быть, если заряд помещен не в центр, а в любую точку, кроме центра (как показано на рисунке). В это время силовые линии не перпендикулярны поверхности, окружающей заряд, тогда этот поток разрешается. на две составляющие, которые перпендикулярны друг другу, горизонтальная – это компонента sinθ, а вертикальная – компонента cosθ.Теперь, когда сумма этих компонентов берется для всех зарядов, тогда чистый результат равен общему заряду системы, что доказывает теорему Гаусса .

    Доказательство теоремы Гаусса

    Рассмотрим точечный заряд Q, расположенный в однородной изотропной среде с диэлектрической проницаемостью ε. Напряженность электрического поля в любой точке на расстоянии r от заряда равна. через область dSWhere, θ – угол между D и нормалью к dS
    Теперь dScosθ – это проекция dS, перпендикулярная радиус-вектору.По определению телесного угла, где dΩ – телесный угол, стягиваемый в Q элементарной поверхностью dS. Таким образом, полное смещение потока по всей площади поверхности равно. Теперь мы знаем, что телесный угол, образуемый любой замкнутой поверхностью, равен 4π стерадиан, поэтому полный электрический поток через всю поверхность равен. Это интегральная форма теоремы Гаусса . И, следовательно, эта теорема доказана: всякий раз, когда проводник с током попадает в магнитное поле, на проводник будет действовать сила, а, с другой стороны, если проводник с силой подвергнуть воздействию магнитного поля, будет индуцированное ток в этом проводнике.В обоих явлениях существует связь между магнитным полем, током и силой. Эта связь направленно определяется правилом левой руки Флеминга и правилом правой руки Флеминга соответственно. Направленный означает, что эти правила не показывают величину, но показывают направление любого из трех параметров (магнитное поле, ток, сила), если направление двух других известно. Правило левой руки Флеминга в основном применимо к электродвигателю, а правило Правой руки Флеминга в основном применимо к электрическому генератору.В конце 19 -х годов века Джон Амброуз Флеминг ввел оба этих правила, и, согласно его имени, правила хорошо известны как правило для левой и правой руки Флеминга .

    Правило левой руки Флеминга

    Установлено, что всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует сила в направлении, перпендикулярном как направлению тока, так и магнитного поля. На рисунке показано, что часть проводника длиной L, помещенная вертикально в однородное горизонтальное магнитное поле H, создается двумя магнитными полюсами N и S.Если i – ток, протекающий через этот проводник, величина силы, действующей на проводник, равна: Вытяните левую руку указательным, вторым и большим пальцами под прямым углом друг к другу. Если указательный палец представляет направление поля, а второй – направление тока, то большой палец указывает направление силы.
    В то время как ток течет по проводнику, вокруг него наводится одно магнитное поле. Это можно представить, рассматривая количество замкнутых магнитных силовых линий вокруг проводника.Направление магнитных силовых линий может быть определено правилом штопора Максвелла или правилом правостороннего захвата. Согласно этим правилам, направление магнитных силовых линий (или силовых линий) – по часовой стрелке, если ток течет от наблюдателя, то есть если направление тока через проводник направлено внутрь от плоскости отсчета, как показано на рисунке. фигура.

    Теперь, если горизонтальное магнитное поле приложено извне к проводнику, эти два магнитных поля, то есть поле вокруг проводника из-за тока через него, и внешнее приложенное поле будут взаимодействовать друг с другом.На рисунке мы видим, что силовые линии внешнего магнитного поля проходят от северного к южному полюсу, то есть слева направо. Магнитные силовые линии внешнего магнитного поля и магнитные силовые линии, возникающие из-за тока в проводнике, находятся в одном направлении над проводником и в противоположном направлении под проводником. Следовательно, над проводником будет больше сонаправленных магнитных силовых линий, чем под проводником. Следовательно, в небольшом пространстве над проводником будет большая концентрация магнитных силовых линий.Поскольку магнитные силовые линии больше не являются прямыми линиями, они находятся под натяжением, как натянутые резиновые ленты. В результате возникнет сила, которая будет стремиться переместить проводник из более концентрированного магнитного поля в менее концентрированное магнитное поле, то есть из текущего положения вниз. Теперь, если вы заметите направление тока, силы и магнитного поля в приведенном выше объяснении, вы обнаружите, что направления соответствуют правилу левой руки Флеминга.

    Правило правой руки Флеминга

    Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, всякий раз, когда проводник движется внутри магнитного поля, в нем будет индуцированный ток.Если этот проводник будет принудительно перемещен внутри магнитного поля, возникнет связь между направлением приложенной силы, магнитным полем и током. Это соотношение между этими тремя направлениями определяется Правилом правой руки Флеминга .

    Эффект Зеебека

    Это было обнаружено немецким физиком Томасом Зеебеком (1770-1831). Зеебек обнаружил это, наблюдая за стрелкой компаса, которая отклоняется, когда между этими двумя разными металлами или полупроводниками образуется замкнутая петля.Первоначально Зеебек считал, что это происходит из-за магнетизма, вызванного разницей температур, и назвал этот эффект термомагнитным эффектом. Однако датский физик Ганс Кристиан Орстед понял, что индуцируется электрический ток, который по закону Ампера отклоняет магнит.

    Объяснение эффекта Зеебека

    Валентные электроны в более теплой части металла несут единоличную ответственность за это, и причиной этого является тепловая энергия. Также из-за кинетической энергии этих электронов эти валентные электроны мигрируют быстрее к другому (более холодному) концу, по сравнению с более холодной частью электроны мигрируют к более теплой части.Концепция их движения:
    • На горячей стороне распределение Ферми мягкое, то есть более высокая концентрация электронов выше энергии Ферми, но на холодной стороне распределение Ферми резкое, то есть у нас меньше электронов с энергией Ферми.
    • Электроны идут туда, где энергия ниже, поэтому они будут перемещаться от более теплого конца к более холодному концу, что приводит к переносу энергии и, таким образом, к уравновешиванию температуры в конечном итоге
    Или, простыми словами, мы можем прийти к выводу, что электроны на более теплом конце имеют высокий средний импульс по сравнению с более холодным.Следовательно, они будут брать с собой энергию (больше) по сравнению с другим.
    Это движение приводит к более отрицательному заряду в более холодной части, чем в более теплой части, что приводит к генерации электрического потенциала. Если эта пара соединена через электрическую цепь. Это приводит к генерации постоянного тока. Однако создаваемое напряжение составляет несколько микровольт (10 -6 ) на разницу температур по Кельвину. Теперь мы все знаем, что напряжение увеличивается последовательно, а ток увеличивается параллельно.Помните об этом факте, если мы сможем подключить много таких устройств для увеличения напряжения (в случае последовательного соединения) или для увеличения максимального передаваемого тока (параллельно). Позаботьтесь только об одном, что для этого требуется большой перепад температур. Однако нужно иметь в виду одну вещь: мы должны поддерживать постоянную, но разную температуру, и поэтому распределение энергии на обоих концах будет различным, и, следовательно, это приводит к успешному упомянутому процессу.

    Коэффициент Зеебека

    Напряжение, возникающее между двумя точками на проводе, когда между ними поддерживается постоянная разница температур в 1 o Кельвин, называется Коэффициент Зеебека . Одна такая комбинация медного константана имеет коэффициент Зеебека , равный 41 микровольт на Кельвин при комнатной температуре.

    Эффект Спина Зеебека

    Однако в 2008 году было замечено, что когда тепло подается на намагниченный металл, его электрон перестраивается в соответствии с его спином.Однако эта перестановка не отвечает за выделение тепла. Этот эффект K / w как эффект Зеебека вращения. Этот эффект используется при разработке быстрых и эффективных микропереключателей.

    Применение эффекта Зеебека

    1. Этот эффект Зеебека обычно используется в термопарах для измерения разницы температур или для приведения в действие электронных переключателей, которые могут включать или выключать систему. Обычно используемые комбинации металлов термопар включают константан / медь, константан / железо, константан / хромель и константан / алюмель.
    2. Эффект Зеебека используется в термоэлектрическом генераторе, который работает как тепловая машина.
    3. Они также используются на некоторых электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную энергию.
    4. В автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов для повышения топливной экономичности.
    Закон Видемана-Франца – это закон, который связывает теплопроводность (κ) и электропроводность (σ) материала, который состоит из несколько свободно движущихся в нем электронов.
    • Теплопроводность (κ): Это степень (мера) способности материала проводить тепло.
    • Электропроводность (σ): Это степень (мера) способности материала проводить электричество.
    Металлы; когда температура увеличивается, скорость свободных электронов увеличивается, что приводит к увеличению теплопередачи, а также увеличивает столкновения между ионами решетки и свободными электронами. Это приводит к падению электропроводности.
    Закон определяет отношение электронной роли теплопроводности материала к электропроводности материала (металла) непосредственно по отношению к температуре. Этот закон назван в честь Густава Видемана и Рудольфа Франца в 1853 году. сообщили, что соотношение имеет более или менее аналогичное значение для разнородного металла при той же температуре.

    Вывод закона

    Для этого мы должны предположить однородный изотропный материал. Затем этот материал подвергается воздействию температурного градиента.Направление теплового потока будет противоположным направлению температурного градиента на всем протяжении проводящей среды.
    Тепло, протекающее через материал в единицу времени на единицу площади, является тепловым потоком. Он будет пропорционален градиенту температуры. K → Коэффициент теплопроводности (Вт / мK)
    K = K фонон + K электрон ; так как передача тепла в твердых телах за счет фононов и электронов.
    Теперь мы можем вывести выражение для коэффициента теплопроводности.
    Для этого мы должны предположить, что поток тепла идет от более высокой температуры к более низкой температуре в металлической плите, которая имеет температурный градиент .c v → Удельная теплоемкость
    n → Количество частиц в единице объема
    λ → среднее свободный пробег столкновений
    v → скорость электронов
    Сравнивая уравнения (1) и (2), мы получаем, что энергия свободных электронов равна. газ при постоянном объеме. Когда мы помещаем уравнение (8) в (6), мы получаем Далее, мы можем рассматривать плотность электрического тока металла с приложением электрического поля, E (рисунок 1)
    Дж = σ E; Закон Ома Итак, правильная форма закона Ома дается формулой: существует длина свободного пробега и среднее время между столкновениями.e → Заряд электрона = 1,602 × 10 -9 C
    τ → Время столкновения или среднее время: это среднее время, за которое электрон перемещается или перемещается до рассеяния.
    v d Скорость дрейфа: Это стандартная скорость электрона во время столкновения.
    Когда мы помещаем уравнение (11) в (10), мы получаем электрическую проводимость (проводимость Друде), поскольку рассмотрим электроны, которые движутся в металле без какого-либо приложения электрического поля. Тогда теорема о равнораспределении дается формулой Из уравнения (13) мы получаем m as Теперь мы помещаем уравнение (14) в (12) Таким образом, мы получили значения K и σ из уравнений (6) и (15).Теперь мы можем взять соотношение. Мы предполагаем, что v = v d , тогда уравнение (16) становится Из этого мы можем сказать, что соотношение одинаково для всех металлов. Это также функция температуры. Этот закон известен как Закон Видемана-Франца Лоренца . Можно сделать вывод, что лучший проводник тепла будет лучшим проводником тепла.

    Ограничения Закона Видемана Франца

    • Значение L не одинаково для всех материалов.
    • Этот закон не действует для промежуточных температур.
    • В чистых металлах как σ, так и κ возрастают с понижением температуры.

    Развитие сильно неоднородного температурного профиля в электрически нагретых щелочно-силикатных стеклах

    Недавнее открытие EFIS стекла 19,20,21 , настоящие наблюдения локализованного нагрева и теплового разгона (рис. 2–5), а также Моделирование методом МКЭ (рис. 5–8) ясно демонстрирует, что классический макромасштабный закон Джоуля для однородных образцов не применим к электрическому нагреву обычных стекол, даже любого ионопроводящего твердого тела, когда используются обычные металлические или графитовые электроды.О макромасштабной асимметрии изменения температуры сообщалось также во время мгновенного спекания оксид-анион-проводящей керамики из оксида циркония, стабилизированной оксидом иттрия 31,32 . Чтобы понять источник этого макромасштабного несоответствия, отметим случай простого резистивного нагрева, который обычно используется для плавления и очистки расплавов стекла 33,34 . Этот метод зависит от удельного сопротивления стекла и его температурной зависимости как ионного проводника в расплавленной фазе 35 .

    В фазе жесткого стекла на макроуровне закон Джоуля не применяется, поскольку однородное стекло начинает изменяться при приложении к нему внешнего напряжения.В начале приложения напряжения однородное стекло подчиняется закону Джоуля 26 . Однако подвижные ионы в стекле начинают мигрировать к противоположно заряженным электродам, образуя обедненный ионами щелочных металлов слой в стекле, ближайшем к аноду 20 . Полученный тонкий слой имеет гораздо более высокое удельное сопротивление по сравнению с массивным стеклом, так что в течение одной минуты почти полное падение напряжения полинга происходит через этот слой в условиях термического полирования 20,30 . Было рассчитано резкое падение напряжения на образце, которое видно на рис.6а для обедненного слоя 100 нм на анодной стороне модели при напряжении 200 В. При этой толщине внутреннее электрическое поле достигает ~ 1,9 × 10 7 В / см, тогда как внешнее приложенное поле будет составлять 200 В / см, что делает внешнее поле макромасштаба незначительным. Диэлектрическая прочность чистого кремнезема составляет 10 7 В / см, и, следовательно, внутреннее электрическое поле достаточно велико, чтобы изменить потенциальный энергетический барьер для электронной проводимости внутри изоляционного материала 36,37 .В этот момент может произойти пробой диэлектрика, увеличивая электронную проводимость до точки, когда рассеивание электрической энергии нагревает стекло до состояния теплового разгона. Таким образом, выделение тепла во время разгона может выдержать аварию. Альтернативная точка зрения состоит в том, что тепловыделение из-за сильно неоднородного джоулева нагрева вызывает тепловой разгон, который затем приводит к пробою диэлектрика. Настоящие результаты не могут полностью разрешить эту причинно-следственную дилемму между пробоем диэлектрика и тепловым разгоном.{{t} _ {f}} v \ ast i \, dt \, $$

    (1)

    , где Q – тепловая энергия из-за рассеивания мощности из-за электрических потерь [Дж], v – напряжение на образце [В], i – ток [A], t с и t f – время начала и окончания EFIS [s]. Это соотношение предполагает полное преобразование электрической энергии в тепловую без потерь.Затем тепловая энергия, оцененная по уравнению 1, может быть использована для расчета соответствующего повышения температуры в образце на основе простой теплопередачи со следующим соотношением:

    $$ Q = m \ ast {C} _ {p} \ ast {\ Delta} T \, $$

    (2)

    , где м – масса образца [г], C p – удельная теплоемкость стекла [Дж / гК], а ΔT – изменение температуры от начальной до конечное значение [K].Этот расчет предполагает, что тепловыделение намного больше, чем тепловые потери, и что температура образца везде одинакова с постоянной теплоемкостью.

    Очевидно, что очень высокие температуры могут быть реализованы в слое, обедненном щелочными ионами, рядом с анодом при одновременном приложении постоянного напряжения и нагрева печи – достаточно высоких, чтобы вызвать испарение и повторное осаждение стекловидного порошка, как показано на рис. 1a. 30,38 . Например, рассмотрим стекло NS с напряжением 150 В постоянного тока, применяемое в печи T при температуре 350 ° C.Энергия, рассеиваемая внутри стекла во время такой обработки, была рассчитана на основе плотности мощности с использованием уравнения 1. На рис. 9 показаны временные рамки во время пробоя диэлектрика вместе с соответствующим увеличением температуры образца за пределами T печи . Изменение температуры образца было аппроксимировано уравнением 2 с удельной теплоемкостью 1,15 Дж / г · К и массой 0,5921 г 39 . На рис. 9 наблюдаются две важные особенности. Во-первых, диссипация энергии в начале пробоя диэлектрика увеличивается экспоненциально, что обозначено как «Thermal Runaway».Вторая особенность – линейное увеличение рассеиваемой энергии, которое является результатом ограничения тока, налагаемого силовым резистором, включенным последовательно с образцом. Рассеяние энергии в конечном итоге выравнивается из-за снятия приложенного напряжения. Это простое приближение дает ограничивающую оценку увеличения температуры образца на 2500 ° C после двух минут ограниченного током теплового неуправляемого нагрева. Этот интенсивный нагрев объясняет размягчение и последующее испарение стекла, в результате чего остаются отложения, богатые щелочью и кремнеземом, которые видны на рис.1.

    Рисунок 9

    Рассеяние энергии и соответствующее повышение температуры образца (в пределе отсутствия тепловыделения) за пределами печи T для стекла NS при 150 В постоянного тока при 350 ° C. Диссипация энергии рассчитывается по формуле. 1 и повышение температуры по формуле. 2. Примечание. Красная пунктирная линия указывает на линейный режим ограничения тока из-за включенного последовательно включенного силового резистора.

    Графики на рис. 9 основаны на простых приближениях, но они, кажется, правильно показывают величину температуры, при которой может происходить размягчение и испарение стекла.Большинство образцов размягчаются после ~ 30 с теплового разгона, и согласно рис. 9 однородная температура стекла будет порядка 1500 ° C. Чтобы оценить справедливость этого предположения, использовалось тепловизионное изображение для непосредственного измерения фактической температуры поверхности образца. Это также позволило детально наблюдать процесс теплового разгона, в том числе то, как соответствующее большое тепловложение распределяется в образце. Роль обедненного слоя вблизи анода наглядно демонстрирует график температурного профиля на рис.3. Здесь в течение первых 20 с пробоя диэлектрика, вызванного протеканием большого тока, сильно локализованные области стекла вблизи анода нагреваются. Считается, что локализованный нагрев соответствует процессу термического пробоя диэлектрика, который, вероятно, инициируется на неровностях поверхности или диэлектрических неоднородностях, где напряженность электрического поля локально максимальна 11 . Это могло бы объяснить неравномерный нагрев, наблюдаемый на рисунках 2 и 3.

    Различия в EFIS, наблюдаемые между приложенными напряжениями постоянного и переменного тока, как полагают, связаны с разницей в рассеиваемой мощности во время EFIS для двух случаев, что приводит к до самонагрева и теплового разгона 21 .Сравнение проводится для NS с 150 В постоянного тока на рис. 4 и 150 В переменного тока при 1 кГц на рис. 5. Обратите внимание, что образец на ИК-изображениях расположен в центре с анодом вверху и катодом внизу. для случая DC. На рисунке 4 сравнивается тот же образец NS с напряжением 150 В постоянного тока при двух значениях T печи , 353,5 ° C и 363,6 ° C. Поскольку скорость нагрева печи составляла 10 ° C / мин, а два изображения были сняты с интервалом в 40 секунд, огромная разница в температуре образца объясняется тепловым разгоном.Для случая постоянного тока на рис. 4 самая высокая температура была измерена на анодной стороне стекла, как показано на рис. 2. В течение 40 секунд температура образца подскочила примерно на 1400 ° C и стала очень неоднородной. В случае переменного тока на рис. 5 два изображения были получены с интервалом примерно 270 с в печи T = 385,3 ° C и 428,6 ° C. Между двумя изображениями температура образца увеличилась с 500,8 ° C до 514,4 ° C, показывая, что изменение в печи T было больше, чем в стеклянном образце, скорее всего, из-за более однородного внутреннего поля и соответствующего распределения тепла под Переменного тока, чем в аналогичном случае постоянного тока.Очевидно, что резистивный нагрев в AC-EFIS может быть более управляемым по сравнению с резким тепловым разгоном DC-EFIS.

    Наблюдаемая разница в ИК-изображениях для полей постоянного и переменного тока подтверждается измеренной плотностью мощности на единицу объема. Мощность в DC-EFIS рассчитывалась по напряжению и току, а в AC-EFIS – по среднеквадратичному напряжению и току [Мощность, рассчитанная на основе среднеквадратичных значений напряжения и тока, включает ненагревающий компонент, в результате чего коэффициент мощности меньше чем один.Его значение трудно определить напрямую из-за постоянно меняющейся температуры и сопротивления обедненного слоя, но этот фактор не изменит настоящего вывода.]. Например, для стекла NS, испытанного при 150 В постоянного тока, максимальная плотность мощности составила 91 мВт / мм 3 , тогда как при 150 В – 1 кГц переменного тока максимальная плотность мощности составила 55 мВт / мм 3 . Аналогичная тенденция была измерена с составом 5Л5НС при напряжении 150 В. При постоянном токе максимальная плотность мощности составляла 78 мВт / мм 3 , но при 150 В – 1 кГц переменного тока удельная мощность составляла 54 мВт / мм 3 .Следует отметить, что при постоянном токе рассеивание мощности намного более локально вблизи анода по сравнению со случаем переменного тока, что преувеличивает разницу в плотности мощности на единицу объема.

    Самонагрев НЗ в переменном токе является равномерным, и самое горячее измерение было в центре образца между электродами. Этот профиль указывает на то, что резистивный джоулев нагрев, вероятно, является результатом колебательного напряжения, которое заставляет протекать ток, а джоулев нагрев запускается и останавливается каждый полупериод частоты.Для сравнения, использование постоянного напряжения приводит к экстремальному локальному нагреву и размягчению стекла, в то время как переменный ток способствует равномерному нагреву и постепенному размягчению. Как обсуждалось в предыдущей работе AC-EFIS 21 , приложение переменного напряжения создает два процесса, которым подвергаются подвижные катионы. В первом полупериоде переменного напряжения электрод имеет временное положительное смещение, которое отталкивает подвижные катионы от границы раздела электрод / стекло в объем. Миграция ионов доминирует над диффузией в этом полупериоде.Во втором полупериоде смещение временно меняется на противоположное, теперь имеется большой градиент концентрации катионов, приводящий к диффузии катионов обратно к обедненному слою, и обратное смещение напряжения также вызывает обратную миграцию катионов. Этот процесс, вероятно, предотвращает пробой диэлектрика и интенсивный локальный нагрев, как измерено в DC-EFIS.

    Экспоненциальный рост тока на рис. 7a показывает положительную обратную связь резистивного нагрева. Однако рост тока достигает асимптоты, демонстрирующей конкуренцию между тепловыделением за счет резистивного нагрева и тепловыми потерями из-за конвекции в электроды и излучения в окружающую печь.Расчетные температуры вместе с тепловым профилем хорошо согласуются с экспериментальными измерениями. Тепловидение показало, что температуры выше 1300 ° C (см. Рис. 2) часто достигаются при использовании постоянного напряжения. Максимальная температура 1868 ° C была измерена в NS около области обедненного слоя во время DC-EFIS при 150 В после ~ 30 с пробоя диэлектрика, как показано на рис. 4. Эти расчеты показывают, что размягчение стекла происходит от анода к катоду, как показано на рис. передача тепла от обедненного слоя в объем стеклянного образца.Это предположение подтверждается рис. 4б. Моделирование методом конечных элементов предсказывает общую температуру истощенного слоя около 1600 ° C, в то время как инфракрасное изображение измеряет около 1800 ° C. Расхождение в значениях могло быть результатом моделирования FEA образца как одномерного твердого тела, которое не учитывает накопление тепла в центре стекла с радиальным градиентом температуры. Модель также использовала для расчетов не зависящую от температуры теплопроводность.

    В настройке модели FEA ограничение тока с помощью логического оператора было наложено на 0.3A, что было больше, чем асимптота, достигнутая во время FEA. Подобный максимум тока около 0,23 А был аналогичным образом измерен экспериментально во время EFIS, как показано на рис. 7a. Последовательный силовой резистор теоретически ограничивал максимальный ток до 0,5 А, но никогда не был полностью достигнут экспериментально 20 . Сравнение теоретической и экспериментальной асимптот тока показывает, что процесс EFIS является самоподдерживающимся. Ток, протекающий через стекло, рассеивается в виде тепла, которое увеличивает температуру и увеличивает ионную миграцию и диффузию.Однако создание богатой диоксидом кремния области увеличивает сопротивление образца, предотвращая дальнейшее экспоненциальное увеличение тока. Это ограничение тепловыделения не соблюдалось во время AC-EFIS 21 . Рассеивание мощности постоянно увеличивалось во время AC-EFIS, но событие размягчения происходило при более низкой температуре печи. Последний факт был отмечен в результате более равномерного нагрева и постепенного размягчения образца, в отличие от DC-EFIS, который был резким и резким 21 .В принципе, асимптотический ток будет наблюдаться также в AC-EFIS, если используется достаточно низкая частота, чтобы дать достаточно времени для образования слоя обеднения щелочными ионами и сохранения его стабильности на обоих электродах.

    Для оптимизации тепловыделения моделирование температурных профилей для различных значений δ методом FEA выявляет проницательную тенденцию на рис. 8. При очень малых δ, скажем при 5 нм, удельное сопротивление обедненного слоя не создавало локализованного нагрева вблизи анод. Вместо этого в объеме стекла наблюдался равномерный джоулев нагрев.Тепло, которое генерировалось в обедненном слое 5 нм, могло быстро рассеиваться в электрод за счет теплопроводности. Максимальная температура, которую испытывал обедненный слой, приходилась на его толщину 100 нм. Значение δ выше 100 нм начинает ограничивать количество тока, который может проходить через образец из-за большего сопротивления обедненного слоя. В свою очередь, уменьшенный ток уменьшил сопутствующие эффекты джоулева нагрева, как показано на рис. 8. Следовательно, тепловой разгон либо расширяется до более длительного временного масштаба, либо подавляется до тех пор, пока теплопотери уже не являются незначительными по сравнению с тепловыделением и достигают устойчивое состояние.Это понимание, полученное с помощью теплового моделирования, объясняет динамический джоулев нагрев, наблюдаемый с помощью экспериментального тепловизора.

    Видео тепловизоров показывают, что нагрев во время EFIS вблизи анода сильно локализован и неравномерен. Локализованная «горячая точка» также имеет тенденцию изгибаться в боковом направлении на границе раздела анод / стекло. Результаты модели FEA объясняют это наблюдение, когда интенсивный локализованный нагрев создает большое значение δ из-за термически усиленной миграции катионов. Затем δ может вырасти до порядка 50 мкм, как измерено с помощью линейных сканеров EDS 21 .При достижении относительно «толстого» обедненного слоя в 50 мкм тепловое бегство в этой локальной области подавляется ограниченным током через более резистивный слой. Этот процесс служит петлей отрицательной обратной связи способности диэлектрического материала поддерживать ток в этой локализованной области. Однако в области, прилегающей к локализованному нагреву, условия могут способствовать продолжению пробоя диэлектрика, переходя в боковом направлении в соседнюю область, которая была нагрета в результате близкого теплового разгона, но сохранила “ оптимальное ” значение δ на ~ 100 нм. .Процесс теплового разгона продолжается в этой новой области, пока он, в свою очередь, также не будет подавлен растущим обедняющим слоем, заставляя его снова перемещаться в соседнюю область и так далее. По мере того как соседние области «горячих точек» соединяются друг с другом, коллективное сопротивление расширенного обедненного слоя будет уменьшаться, и будет генерироваться достаточно тепла для инициирования EFIS. Таким образом, теплопередача от обедненного слоя в объемную часть в конечном итоге приведет к тому, что температура объемного образца достигнет температуры размягчения, что приведет к возникновению вязкого течения.

    Закон Джоуля-Ленца

    Эмиль Христианович Ленц (1804 – 1865) – известный русский физик. Он один из основоположников электромеханики. Его имя связано с открытием закона, определяющего направление индукционного тока, и закона, определяющего электрическое поле в проводнике с током.

    Кроме того, Эмили Ленц и английский физик Джоуль, экспериментально изучая тепловые эффекты тока независимо друг от друга, обнаружили закон, согласно которому количество тепла, выделяемого в проводнике, будет прямо пропорционально квадрату электрический ток, проходящий через проводник, его сопротивление И время, в течение которого электрический ток поддерживается неизменным в проводнике.

    Этот закон получил название закона Джоуля-Ленца, его формула выглядит следующим образом:

    Q = kl²Rt, (1)

    Где Q – количество выделяемого тепла, l – ток, R – сопротивление проводника, t – время; Величина k называется тепловым эквивалентом работы. Числовое значение этой величины зависит от выбора единиц измерения остальных величин в формуле.

    Если количество тепла измеряется в калориях, сила тока – в амперах, сопротивление – в Ом, а время – в секундах, то k численно равен 0.24. Это означает, что ток в 1a обеспечивает в проводнике, имеющем сопротивление 1 Ом, за одну секунду тепловое число, равное 0,24 ккал. Исходя из этого, количество выделяемого в проводнике тепла в калориях можно рассчитать по формуле:

    Q = 0,24 л²Rt.

    В системе единиц СИ энергия, количество тепла и работа измеряются в единицах – джоулях. Следовательно, коэффициент пропорциональности в законе Джоуля-Ленца равен единице. В этой системе формула Джоуля-Ленца имеет вид:

    Q = l²Rt.(2)

    Закон Джоуля-Ленца можно проверить на опыте. Ток пропускается через проволочную спираль, погруженную в жидкость, налитую в калориметр. Затем подсчитывают количество тепла, выделяемого в калориметре. Сопротивление спирали известно заранее, ток измеряется амперметром, а время – секундомером. Изменяя ток в цепи и используя разные спирали, можно проверить закон Джоуля-Ленца.

    По закону Ома

    I = U / R,

    Подставляя ток в формулу (2), получаем новое выражение для формулы закона Джоуля-Ленца:

    Q = (U² / R) т.

    Удобно использовать формулу Q = l²Rt при расчете количества тепла, выделяемого при последовательном соединении, потому что в этом случае электрический ток во всех проводниках одинаков. Следовательно, когда несколько проводников соединены последовательно, каждому из них будет передано количество тепла, пропорциональное сопротивлению проводника. Если, например, последовательно соединить три провода одинакового размера – медь, железо и никель, наибольшее количество тепла будет отводиться от никеля, так как его удельное сопротивление наибольшее, он сильнее и нагревается.

    Если жилы соединить параллельно, то электрический ток в них будет разным, а напряжение на концах таких жил будет одинаковым. Расчет количества тепла, которое будет выделяться при таком подключении, лучше проводить, используя формулу Q = (U² / R) t.

    Эта формула показывает, что при параллельном подключении каждый проводник будет выделять столько тепла, сколько будет обратно пропорционально его проводимости.

    Если вы соедините три провода одинаковой толщины – медь, железо и никель – параллельно друг другу и пропустите через них ток, то наибольшее количество тепла будет выделяться в медном проводе, и он нагревается сильнее других.

    Взяв за основу закон Джоуля-Ленца, рассчитывают различные электроосветительные установки, нагревательные и нагревательные электрические приборы. Также широко используется преобразование энергии электричества в тепло.

    экспериментов с законом Ленца для планов уроков и проектов научной ярмарки


    Определение

    Закон Ленца гласит, что любая наведенная электродвижущая сила будет иметь такое направление, что создаваемый ею поток будет противодействовать изменению потока, создавшего ее.

    Основы

    Закон Ленца определяет направление наведенной электродвижущей силы (ЭДС) и тока, возникающего в результате электромагнитной индукции. Генрих Ленц сформулировал ее в 1834 году.

    Закон Ленца является одним из следствий принципа сохранения энергии. Чтобы понять, почему, переместите постоянный магнит к поверхности замкнутого контура провода (например, катушки или соленоида). В проводе индуцируется электрический ток, потому что электроны внутри него подвергаются воздействию увеличивающегося магнитного поля по мере приближения магнита.Это создает ЭДС (электродвижущую силу), которая действует на них. Направление индуцированного тока зависит от того, приближается ли северный или южный полюс магнита: приближающийся северный полюс будет производить ток против часовой стрелки (с точки зрения магнита), а южный полюс, приближающийся к катушке, будет производить ток по часовой стрелке. Текущий.

    Чтобы понять последствия для сохранения энергии, предположим, что направления индуцированных токов противоположны только что описанным.Тогда северный полюс приближающегося магнита индуцирует южный полюс на ближней стороне петли. Сила притяжения между этими полюсами ускорила бы приближение магнита. Это заставило бы магнитное поле увеличиваться быстрее, что, в свою очередь, увеличило бы ток петли, усилив магнитное поле, увеличив притяжение и ускорение и так далее. И кинетическая энергия магнита, и скорость рассеивания энергии в контуре (из-за джоулева нагрева) будут увеличиваться.Небольшой вклад энергии приведет к большому выходу энергии, что нарушит закон сохранения энергии.

    Этот сценарий – только один пример электромагнитной индукции. Закон Ленца гласит, что магнитное поле любого индуцированного тока противодействует изменению, которое его вызывает.

    Для строгой математической обработки см. Электромагнитную индукцию и уравнения Максвелла.

    Демонстрация, которую может попробовать даже маленький ребенок:

      – Найдите небольшой электромотор.
      – Раскрутите его вал.
      – Соедините его провода вместе (скрепкой или крокодилом) и снова закрутите вал.
      – На этот раз двигатель сопротивляется вращению, потому что по его проводам может течь ток.

    Источник: Википедия (Весь текст доступен в соответствии с условиями лицензии GNU Free Documentation License и Creative Commons Attribution-ShareAlike License.)

    Скачать презентацию на тему закона Джоуля Ленза. Закон Джоуля-Ленца и его применение. В.Закрепление новых знаний

    Класс: 10

    Презентация к уроку


























    Назад вперед

    Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в информационных целях и может не дать представление обо всех возможностях презентации.Если вам интересна эта работа, пожалуйста, скачайте полную версию.

    Цель: обобщить и повторить материал по теме «Законы постоянного тока», научить студентов объяснять понятия работы и силы тока, определять закон Джоуля-Ленца на основе классической теории электроники, применять теоретические знания на практике.

    Задания:

    • Образовательные : ознакомление с понятиями работы и мощности электрического тока; Приведение закона Джоуля Лензы; повышение навыков решения проблем; Повторите основные физические концепции по этой теме.
    • Развивающие : развивать навыки управления учебной деятельностью; развитие устной и письменной речи, логического мышления; совершенствование практических навыков решения проблем; Умение выделить в изучаемом материале главное.
    • Образовательная : формирование коммуникативных навыков при совместной работе; стремление к цели; Активизируйте познавательную деятельность через содержание и степень сложности задач.

    Тип урока: Урок изучения нового материала.

    Ресурсы урока: Учебные пособия и учебные пособия различных авторов, компьютер, мультимедийный проектор, экран.

    Методы и методические приемы: самостоятельная работа с текстом, индивидуальная работа, работа в группах, заполнение таблицы, выполнение тестовых заданий, работа в парах; Сообщения студентов, рассказ с элементами беседы.

    Планируемые результаты:

    Тема:

    • знать понятие работы и мощности постоянного тока;
    • идентифицируют закон Джоуля – Ленза.

    MetaPered:

    • уметь слушать собеседника и вести диалог; уметь распознавать возможность разных точек зрения;
    • использовать различные способы поиска, сбора, обработки, анализа и интерпретации информации в соответствии с задачами урока;
    • сможете высказать свое мнение и аргументировать свою точку зрения
    • активно используют информационные инструменты и ИКТ для решения коммуникативных и познавательных задач.

    Персональный:

    • развивать навыки взаимодействия с учителем и сверстниками в различных ситуациях; навыки не создают конфликтов и находят выход из спорных ситуаций;
    • сформировать уважительное отношение к чужому мнению;
    • упражнения на самоконтроль, взаимный контроль
    • оцените достижения сои на уроке.

    ВО ВРЕМЯ КЛАССОВ

    I. Организационный этап

    1. Введение Учитель

    • Какой раздел физики мы изучаем с вами? (Электродинамика)
    • Какие вопросы мы рассматривали на последних уроках? (Электрический ток, сила тока, условия, необходимые для существования электрического тока, закон Ома, сопротивление, соединения проводов)

    На сегодняшнем уроке продолжим изучение главы «Законы округа Колумбия».Но сначала давайте немного повторим основные понятия, формулы и определения.

    2. Актуализация знаний

    А) Фронтальный опрос по вопросам:

    1. Что называется поражением электрическим током? (Электрический ток называется упорядоченным, направленным движением заряженных частиц.)
    2. Основные действия электрического тока? Приведите примеры / (Тепловой, магнитный, химический, механический, физиологический.)
    3. Условия существования электрического тока? ( 1.Наличие бесплатных сборов. 2. Наличие электрического поля.)
    4. От чего зависит электрическое сопротивление проводника? (1. От длины жилы. 2. От Квадратного сечения Проводника. 3. От вида материала.)

    5. При каком подключении все жилы находятся под одинаковым напряжением? (При параллельном включении жилы находятся под одинаковым напряжением: U 1 = U 2 = U.)

    6.Устройство для измерения напряжения? (Напряжение измеряется вольтметром, который включен в цепочку параллельно участку, напряжение на котором требуется измерить.)

    7. Слово Ома для участка цепи: ( – из ток I прямо пропорционален приложенному напряжению U и обратно пропорционален сопротивлению проводника.

    8. Устройство для измерения силы тока? (Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно с прибором, силу тока в котором нужно измерить.)

    Молодцы, вспомнили материал прошлого урока, а теперь давайте выполнять задания по карточкам с последующим самотестированием. У вас на столах лежат задачи, распишитесь на них. И приступаем к их выполнению, через 5 минут мы приступим к проверке.

    B) Самостоятельная работа с последующей самопроверкой ( Приложение 1 )

    Ответы:

    Вариант 1. 1. B, 2. B, 3. B, 4. B, 5. A. 6.V.
    Вариант 2. 1. B, 2. B, 3. B, 4. A, 5. B, 6. B.

    II. Организация познавательной деятельности

    – А теперь послушайте стихотворение и попробуйте ответить, что это за речь:

    Спираль с подогревом горячая,
    Хотя горела она долго.
    Положив руку, ему тепло.
    Спросите: «Сколько светится спираль тепла?»
    Найдите постоянную проблему
    Какого рода закон следует?

    (Ло Жюль Ленза)

    – Молодцы, догадались, что мы с вами сегодня потратим.
    – Какие понятия нужно ввести, чтобы перейти к изучению этого закона? (Понятие труда и мощности)
    Итак, откройте тетради, запишите номер и тему нашего сегодняшнего урока: «Работа и сила постоянного тока». Закон Джоуля Ленза
    Какие вопросы мы должны рассмотреть на уроке? Отзывы детей)
    Вы абсолютно правы. Посмотрите на экран, у вас есть вопросы, на которые мы должны ответить во время урока:

    Работа с учебником

    Вопросы:

    1.Что делает электрическое поле способным перемещать заряженную частицу по линии электропередачи? (Работа)

    2. Как обозначена работа? Примечания: A.

    3. Как отобразить текущую формулу?

    4. По формуле укажите определение текущей операции.

    Действие тока на участке цепи равно работе тока, напряжения и времени, в течение которого работа была выполнена.

    5. Почему электрический ток нагревает проводник?

    Электрическое поле действует с силой на свободные электроны, которые начинают двигаться упорядоченно, одновременно участвуя в хаотическом движении, ускоряясь в промежутках между столкновениями с ионами кристаллической решетки.Приобретаемая электронами под действием электрического поля энергия направленного движения расходуется на нагрев проводника, т.к. последующие столкновения ионов с другими электронами увеличивают амплитуду их колебаний и, соответственно, температуру всего проводника.
    В фиксированных металлических проводниках вся работа по току сводится к увеличению их внутренней энергии. Нагретый проводник передает полученную энергию окружающим телам (за счет теплопередачи). Итак, количество тепла, выделяемого проводником, по которому протекает ток, равно текущей операции.

    6. Как выразить напряжение через силу тока и силу тока через напряжение?

    Какую формулу удобнее использовать при последовательном подключении, а какую при параллельном? Почему?

    – при последовательном соединении проводников, т.к. мощность тока в этом случае одинакова во всех проводниках.
    – с параллельным соединением проводов, т.к. напряжение на всех проводниках одинаковое.

    7. На основании чего можно убрать закон Джоуля-Ленца?

    Если обозначить количество тепла буквой Q.Тогда Q = A, или. Тогда, используя закон Ома, возможно, что количество тепла, выделяемого проводником с током, можно выразить силой тока, сопротивлением цепи и временем. Зная, что u = ir, получаем: Q =

    Какой физический смысл закона?

    Количество тепла, выделяемого проводником с током, равно произведению силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения через проводник.

    К нашему уроку девочки подготовили отчеты об ученых, которые внесли свой вклад в открытие закона.

    Доклады студентов (см. Презентация , слайд 19)

    • «Жизнь и деятельность Ленца» (Челирава Наталья)
    • «Жизнь и деятельность Джоуля» (Алехина Евгения)

    Перейдем к рассмотрению текущей мощности

    Итак, любой электрический прибор спроектирован так, чтобы потреблять определенную энергию в единицу времени, т.е.е. при определенной мощности.
    – обозначает и измеряет: [p] = [W].
    – Располагается по формуле:
    Текущая мощность равна отношению тока к текущему времени.
    Также формулу мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах:

    Мощность электроприборов в паспортах указана .

    4. Первичное крепление

    1. Итак, исходя из материала уроков, заполните недостающие данные в таблице ( Приложение 2. ):

    Проверить правильность заполнения. (Озвучен один студент)
    2. Вашему вниманию предлагается кроссворд. Давайте решим это. ( Приложение 3. )

    3. Переходим к решению проблем.

    • Найти время, в течение которого в проводнике находился постоянный ток, если для передачи заряда в 10 ячейках через проводник с сопротивлением 1 Ом потребовалась работа 10 Дж. (10 с)
    • Два проводника сопротивлением 10 Ом и 14 Ом соединены параллельно и подключены к источнику тока.Какое-то время в первом проводнике выделялось 840 Дж тепла. Какое количество тепла выделяется за то же время во втором проводнике. (600 Дж)

    Какие вопросы по решению проблем?

    5. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

    § 106, упражнение 19 (4)

    6. Отражение

    Итак, наш урок подошел к концу, завершите, пожалуйста, следующие предложения:

    • Сегодня я узнал …
    • Теперь я могу…
    • Я бы хотел…
    • Наибольшие затруднения вызвали …
    • Ваша работа на уроке I … (удовлетворен / не удовлетворен)

    – Спасибо за активную работу на уроке, думаю, все вы сегодня хорошо усвоили. Арендуйте собственные тестовые работы. Оценки для них объявлю на следующем уроке.

    Слайд 2.

    План урока: Проверка знаний; Закон Джоуля – Ленза; Использование теплового режима электрического тока. Лампа накаливания; Применение закона Джоуля – Ленца в сварочном производстве; Фиксация пройденного материала; Решение качественной задачи с помощью MS Excel; Анализ полученных результатов.

    Slide 3.

    Front Poll: 1. Как запустить табличный процессор? 2. Как установить адрес ячейки? 3. Как ввести формулу в ячейку? 4. Как вставить диаграмму? 5. Как выбрать тип диаграммы? 6. Как отобразить график и таблицу для печати?

    Слайд 4.

    Открытие закона Джоуля – Ленза

    Джеймс Джоуль (английский физик) в 1841 году

    Slide 5.

    Закон Джоуля – Ленза: a = uit в фиксированных проводниках Все текущие операции выполняются только на нагревании проводников, т.е.е., чтобы увеличить свою внутреннюю энергию. Учитывая, что U = IR (из закона Ома для участка цепи)

    Slide 6.

    Q = i2RT Количество тепла, выделяемого проводником с током, равно произведению силы тока, сопротивления проводника и времени. Закон Джоуля – Ленца:

    Слайд 7.

    1. Q = I2RT 3. Q = U2T / R 2. Q = UIT

    Слайд 8.

    Видеофрагмент “Закон Джоуля – Ленза”

    Слайд 9.

    Вольфрамовый спиральный стеклянный цилиндр Цоколь социальной лампы Пружинное контактное устройство Современная светящаяся лампа 2 1 3 4 5

    Слайд 10.

    Фронтальная съемка: параллельно соединены два провода одинаковой длины и сечения – железный и медный. Какой там больше тепла? 2. Электроплитка с укороченной спиралью. Как изменится количество выделяемого в нем тепла, если плитку включить на такое же напряжение? 3. Каков тепловой ток текущего манифеста? В каких условиях это наблюдается? 4.Почему при пропускании тока нагревается проводник? 5. Почему при прохождении электрического тока по проводнику проводник расширяется?

    Слайд 11.

    Задача №1 Какое количество тепла выделяется в течение часа в проводнике с сопротивлением 10 Ом при токе 2 э? Решение задачи: Задача №2 Какое сопротивление нужно включить в сеть с напряжением 220 В, чтобы за 10 минут в ней нагрелось 66 КДж?

    «Действие электрического тока» – укажите гипотезу о предполагаемом действии тока.Сделайте выводы. Тепловой ток. «Репортаж-рассказ». Тема: «Действие электрического тока». (Кант Иммануил, немецкий философ, 1724–1804 гг.). Что является источником магнитного поля Земли? Магнитное действие Ток. 10. «Поделиться». Приведите примеры применения этого действия.

    «Переменный электрический ток» – i = im cos? T. P = IM UM / 2 = IM2R / 2. P = I2R. Переменный электрический ток. F = b * s * cos ?. Амплитуда тока равна: мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения.IM = UM / R. Среднее значение квадрата косинуса за 1 период составляет 0,5. Текущие значения тока и напряжения.

    «Работа от электрического тока» – выводим формулу для расчета работы от электрического тока. U = 3,5 В = 14 Ом T = 2мин. А) анализ преобразований энергии, происходящих в электрических цепях. C) Какую роль выполняет текущий источник? 3. Новый материал. Новый материал. Электрический ток. Выступает преподаватель физики Курочина Т.А. 120с.

    «Электроемкость и конденсаторы» – конденсатор переменной емкости. Обозначение по электрическим схемам: Подключение напряжения. Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора. Последовательный. Конденсатор, заряженный энергией. + Q. Конденсаторы. Электрическая мощность. Электрическая емкость плоского конденсатора. -Q. Параллельно. Конденсатор постоянной емкости.

    «Постоянный электрический ток» – 10.2. Плотность тока. Линии в случае постоянного тока нигде не начинаются и нигде не заканчиваются.Величина, равная работе сторонних сил по перемещению одиночного положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС), действующей в цепи: (7.4.1). Распределение напряжения E и потенциала? электростатическое поле связано с плотностью распределения зарядов? В пространстве по уравнению Пуассона:

    «Работа и мощность тока» – единицы мощности. Единицы работы. я = п / у. Джеймс Ватт. Задачи урока: а = п * т. Работа и мощность электрического тока.Научитесь применять формулы при решении задач. Ватт 1 ватт = 1 вольт * 1 ампер 1 Вт = 1 В * 1 А 1 кВт = 1 000 Вт 1 МВт = 1000000 Вт. Электрический ток. Шестнадцатое марта классная работа.

    Всего по тематике 16 презентаций

    Как найти количество тепла в электрической цепи. Закон Джоуля-Ленца. Выбор проводов по схемам

    Джеймс Прескотт Джоуль (слева) и Эмили Христианович Ленц (справа)

    Человечество веками использовало электрические обогреватели всех типов из-за того, что электрический ток выделяет тепло при прохождении через проводник.Это явление также имеет негативный фактор – перегрев электропроводки из-за слишком большого тока часто вызывает короткое замыкание и возгорание. Выделение тепла при работе электрического тока изучалось в школьном курсе физики, но многие забыли эти знания.

    Впервые зависимость тепловыделения от силы электрического тока была сформулирована и математически определена Джеймсом Джоулем в 1841 году, а немного позже, в 1842 году, независимо от него, Эмилем Ленцем.В честь этих физиков был назван закон Джоуля-Ленца, по которому рассчитываются мощность электронагревателей и тепловые потери в линиях электропередач.

    Определение закона Джоуля-Ленца

    В словесном определении, согласно исследованиям Джоуля и Ленца, закон звучит так:

    Количество тепла, выделяемого в определенном объеме проводника при протекании электрического тока, прямо пропорционально произведению плотности электрического тока и величины напряженности электрического поля

    В виде формулы этот закон выглядит следующим образом:


    Выражение закона Джоуля-Ленца

    Поскольку описанные выше параметры редко используются в повседневной жизни, и, учитывая, что почти все бытовые расчеты тепловыделения от работы электрического тока относятся к тонким проводникам (кабелям, проводам, нити, шнурам питания) , токопроводящие дорожки на плате и т. д.) воспользуйтесь законом Джоуля Ленца с формулой, представленной в интегральной форме:


    Интегральная форма закона

    В словесном определении закон Джоуля Ленца звучит так:


    Словесное определение закона Джоуля-Ленца

    Если предположить, что сила тока и сопротивление проводника не меняются со временем, то закон Джоуля-Ленца можно записать в упрощенной форме:

    Применяя закон Ома и алгебраические преобразования, получаем следующие эквивалентные формулы:


    Эквивалентные выражения для теплоты по закону Ома

    Применение и практическое значение закона Джоуля-Ленца

    Исследования Джоуля и Ленца в области тепловыделения при работе электрического тока значительно продвинули научное понимание физических процессов, а полученные основные формулы не изменились и используются по сей день в различных областях науки и техники. .В области электротехники можно выделить несколько технических проблем, в которых количество тепла, выделяемого при протекании тока, критически важно. означает при расчете таких параметров:

    • потери тепла в линиях электропередач;
    • характеристики проводов электрических сетей;
    • тепловая мощность (количество тепла) электронагревателей;
    • температура выключателей;
    • температура плавления предохранителей;
    • Тепловыделение различных электротехнических устройств и элементов радиотехники.

    Электроприборы, использующие тепловую работу тока

    Тепловое воздействие электрического тока в проводах линий электропередачи (ЛЭП) нежелательно из-за значительных потерь электроэнергии на тепловыделение.

    По разным данным, до 40% всей производимой в мире электроэнергии теряется в линиях электропередач. Для уменьшения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния напряжение в ЛЭП повышают, производя расчеты по производным формулам закона Джоуля-Ленца.


    Схема всех видов потерь электроэнергии, среди которых тепловые потери на воздушных линиях составляют львиную долю (64%)

    В очень упрощенном виде тепловую работу тока можно описать следующим образом: электроны движутся между молекулами, и время от времени сталкиваются с ними, что усиливает их тепловые колебания. Наглядная демонстрация тепловой работы текущих и ассоциативные объяснения процессов показаны на видео ниже:

    Расчет потерь электроэнергии в ЛЭП

    Примером является гипотетический участок линии электропередачи от электростанции до трансформаторной подстанции.Поскольку провода ЛЭП и потребителя электроэнергии (трансформаторной подстанции) соединены последовательно , то по ним протекает один и тот же ток I. Согласно рассмотренному здесь закону Джоуля-Ленца количество тепла, выделяемого на проводах Q w (тепловые потери), рассчитывается по формуле:

    Мощность, производимая электрическим током (Q c) в нагрузке, рассчитывается по закону Ома:

    Таким образом, если токи равны, выражение Q c / U c может быть вставлено в первую формулу вместо I, поскольку I = Q c / U c:

    Если не учитывать зависимость сопротивления проводников от изменения температуры, то R w можно считать неизменным (постоянным).Таким образом, при стабильном энергопотреблении потребителя (трансформаторной подстанции) тепловыделение в линиях электропередачи будет равно , обратно пропорционально квадрату напряжения в конечных точках линий. Другими словами, чем больше напряжение передается, тем меньше потеря электричества.


    Для передачи электроэнергии высокого напряжения требуются большие опоры ЛЭП

    Действие закона Джоуля-Ленца в повседневной жизни

    Эти расчеты справедливы и в повседневной жизни при передаче электроэнергии на короткие расстояния – например, от ветрогенератора на инвертор.При автономном электроснабжении оценивается каждый ватт энергии, вырабатываемой низковольтной ветряной турбиной, и может быть более выгодно поднять напряжение с помощью трансформатора непосредственно на ветрогенераторе, чем тратить деньги на большой участок кабеля в для снижения потерь электроэнергии при передаче.


    При значительном удалении от низковольтной ветряной турбины переменного тока для снижения потерь электроэнергии будет более выгодным подключение через повышающий трансформатор

    В бытовых электрических разводочных сетях расстояния крайне малы, чтобы снизить тепловые потери до повышают напряжение, поэтому при расчете разводки учитывается тепловая работа тока, согласно закону Джоуля-Ленца при выборе сечения проводов так, чтобы они термический нагрев не приводил к оплавлению и возгорание изоляции и окружающих материалов.Выбор кабеля для питания и проводки осуществляется в соответствии с таблицами и нормативными документами ПУЭ, и подробно описаны на других страницах этого ресурса.


    Коэффициент тока и сечение проводника

    При расчете температуры нагрева элементов радиотехники, биметаллической пластины автоматического выключателя или предохранителя используется закон Джоуля-Ленца в интегральной форме, так как сопротивление этих материалов изменяется с увеличением температура. В этих сложных расчетах также учитывается теплопередача, нагрев от других источников тепла, собственная теплоемкость и многие другие факторы.


    Программное обеспечение для моделирования тепловыделения полупроводниковых приборов

    Полезная тепловая работа электрического тока

    Теплогенерирующая работа электрического тока широко применяется в электронагревателях, в которых используется последовательное соединение проводников с разным сопротивлением. Этот принцип работает следующим образом: в проводниках, соединенных последовательно, протекает один и тот же ток, что означает, согласно закону Джоуля-Ленца, больше тепла будет выделяться из материала проводника с высоким сопротивлением.


    Катушка с высоким сопротивлением нагревается, но питающие провода остаются холодными.

    Таким образом, шнур питания и подводящие провода конфорки остаются относительно холодными, в то время как нагревательный элемент нагревается до температуры красного свечения. В качестве материала проводников нагревательных элементов используются сплавы с повышенным (по сравнению с медной и алюминиевой проводкой) удельным сопротивлением – нихром, константан, вольфрам и другие.


    Нить накаливания лампы накаливания изготовлена ​​из тугоплавких сплавов вольфрама

    При параллельном соединении проводов теплоотвод будет больше за счет нагревательного элемента с меньшим сопротивлением, так как при его уменьшении ток относительно соседнего компонента цепи увеличивается .В качестве примера можно привести наглядный пример свечения двух ламп накаливания разной мощности – более мощная лампа имеет тепловыделение и больший световой поток.

    Если прозвонить лампочку омметром, то окажется, что у более мощной лампы меньшее сопротивление. На видео ниже автор демонстрирует последовательное и параллельное подключение, но, к сожалению, в комментарии он ошибся – лампа с большим сопротивлением , а не наоборот.

    Закон Джоуля-Ленца – это физический закон, определяющий количественную меру теплового воздействия электрического тока.Этот закон сформулировал в 1841 г. английский ученый Д. Джоуль и полностью отдельно от него в 1842 г. знаменитый русский физик Э. Ленц. Поэтому он получил двойное название – закон Джоуля-Ленца.

    Определение закона и формулы

    Словесная формулировка выглядит следующим образом: мощность тепла, выделяемого в проводнике при его протекании, пропорциональна произведению плотности электрического поля на величину напряженности.

    Математически закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом:

    ω = j E = ϭ E²,

    где ω – количество выделяемого тепла в единицах.объем;

    E и j – напряженность и плотность электрического поля соответственно;

    σ – проводимость среды.

    Физический смысл закона Джоуля-Ленца

    Этот закон можно объяснить следующим образом: ток, протекающий по проводнику, представляет собой движущийся электрический заряд под воздействием. Итак, электрическое поле выполняет некоторую работу. Эта работа идет на нагрев проводника.

    Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

    Но нельзя допускать чрезмерного нагрева токоведущих проводов и электрооборудования, так как это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при работе проводов, когда по проводникам могут протекать достаточно большие токи.

    В интегральной форме для тонких проводников Закон Джоуля-Ленца звучит следующим образом: количество тепла, которое выделяется в единицу времени на рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата тока прочность и сопротивление секции.

    Математически эта формулировка выражается следующим образом:

    Q = ∫ k I² R t,

    , где Q – количество выделяемого тепла;

    I – величина тока;

    R – активное сопротивление жил;

    т – время выдержки.

    Значение параметра k обычно называют тепловым эквивалентом работы. Значение этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.

    Закон Джоуля-Ленца носит довольно общий характер, поскольку он не зависит от природы сил, генерирующих ток.

    Из практики можно утверждать, что это справедливо как для электролитов, так и для проводников и полупроводников.

    Область применения

    Области применения в повседневной жизни закона Джоуля Ленца – большое количество … Например, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга при электросварке, нагревательная нить в электронагревателе и многое другое.и т. д. Это самый распространенный физический закон в повседневной жизни.

    Сообщение от администратора:

    Ребята! Кто давно хотел выучить английский?
    Go on и получите два бесплатных урока в школе английского языка SkyEng!
    Сам там учусь – очень круто. Прогресс очевиден.

    В приложении вы можете выучить слова, потренироваться в аудировании и произношении.

    Попробуй. Два урока бесплатно по моей ссылке!
    Нажмите

    Количество тепла, выделяемого в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока в этом участке на сопротивление участка

    Закон Джоуля-Ленца в интегральной форме в тонких проволоках:

    Если сила тока со временем изменяется, проводник неподвижен и в нем отсутствуют химические превращения, то в проводнике выделяется тепло.

    – Мощность тепла, выделяемого на единицу объема среды во время протекания электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля.

    Преобразование электрической энергии в тепло широко применяется в электрических печах и различных электронагревательных устройствах. Тот же эффект в электрических машинах и аппаратах приводит к непроизвольной трате энергии (потере энергии и снижению эффективности). Тепло, вызывающее нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку; в случае перегрузки повышение температуры может повредить изоляцию или сократить срок службы установки.

    В формуле мы использовали:

    Количество тепла

    Рабочий ток

    Напряжение на проводе

    Проводник с током

    Временной интервал

    Задание на тему «Законы постоянного тока». Задание может быть интересно студентам 10-х классов и выпускникам для подготовки к ЕГЭ. Кстати, такая задача была на экзамене в части 1 с немного другим вопросом (нужно было найти соотношение количеств тепла, выделяемого на резисторах).

    Какой из резисторов будет выделять наибольшее (наименьшее) количество тепла? R1 = R4 = 4 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 2 Ом. Дайте решение. Чтобы ответить на вопрос о проблеме, необходимо сравнить количество тепла, выделяемого на каждом из их резисторов. Для этого воспользуемся формулой закона Джоуля-Ленца. То есть основной задачей будет определение силы тока (или сравнения), протекающего через каждый резистор.

    По законам последовательного соединения ток, протекающий через резисторы R1 и R2, R3 и R4, одинаков.Для определения силы тока в верхней и нижней ветвях воспользуемся законом параллельного соединения, согласно которому напряжение на этих ветвях одинаково. При записи напряжения на нижней и верхней ветвях по закону Ома для участка цепи имеем: Подставляя числовые значения сопротивлений резисторов, получаем: То есть получаем соотношение между токи, протекающие в верхней и нижней ветвях: определив ток через каждый из этих резисторов, мы определяем количество тепла, выделяемого на каждом из резисторов.Сравнивая числовые коэффициенты, мы приходим к выводу, что максимальное количество тепла будет выделяться на четвертом резисторе, а минимальное – на втором.

    Вы можете оставить комментарий, или поставить трекбэк со своего сайта.

    Написать комментарий

    fizika-doma.ru

    Тепловая энергия – формула расчета

    Теплотехническими расчетами приходится заниматься собственникам частных домов, квартир или любых других объектов. Это основа строительного дизайна.

    Разобраться в сути этих расчетов в официальных бумагах не так сложно, как кажется.

    Для себя вы также можете научиться выполнять расчеты, чтобы решить, какую изоляцию использовать, какой толщины она должна быть, какой мощности покупать котел и достаточно ли доступных радиаторов для данной площади.

    Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти, если разобраться, что такое тепловая мощность. Формула, определение и объем – читайте в статье.

    Что такое тепловой расчет?

    Проще говоря, расчет тепла помогает точно знать, сколько тепла здание хранит и теряет, и сколько энергии должно генерировать отопление для поддержания комфортных условий в доме.

    При оценке теплопотерь и степени теплоснабжения учитываются следующие факторы:

    1. Что это за объект: сколько в нем этажей, наличие угловых помещений, жилое или производственное. , так далее.
    2. Сколько человек будет «жить» в доме.
    3. Важная деталь – зона остекления. И размеры крыши, стен, пола, дверей, высота потолков и т.д.
    4. Какова продолжительность отопительного сезона, климатические особенности региона.
    5. Согласно СНиПам определяются нормы температур, которые должны быть в помещениях.
    6. Толщина стен, полов, избранные утеплители и их свойства.

    Также могут быть учтены другие условия и особенности, например, рабочие и выходные дни, мощность и тип вентиляции, ориентация жилья по сторонам света и т. Д.рассматриваются для производственных помещений.

    Для чего нужен тепловой расчет?

    Как же в прошлом строители обходились без тепловых расчетов?

    Сохранившиеся купеческие дома показывают, что все делалось просто с запасом: окна меньше, стены толще. Получилось тепло, но экономически невыгодно.

    Теплотехнический расчет позволяет строить наиболее оптимальным образом. Материалов берут не больше – не меньше, а ровно столько, сколько нужно.Уменьшаются габариты здания и затраты на его возведение.

    Расчет точки росы позволяет строить так, чтобы материалы не ухудшались как можно дольше.

    Для определения необходимой мощности котла также незаменимы расчеты. Его общая мощность складывается из затрат на электроэнергию для обогрева помещений, нагрева горячей воды для бытовых нужд и способности покрывать тепловые потери от вентиляции и кондиционирования. Запас хода прибавляется на период пиковых холодов.

    При газификации объекта требуется согласование со службами. Рассчитаны годовой расход газа на отопление и общая мощность источников тепла в гигакалориях.

    Нужны расчеты при выборе элементов системы отопления. Рассчитана система труб и радиаторов – можно узнать, какой у них должна быть длина, площадь поверхности. Потери мощности учитываются при повороте трубопровода, на стыках и прохождении арматуры.

    При расчете затрат на тепловую энергию может пригодиться знание того, как преобразовать Гкал в кВт и наоборот. В следующей статье мы подробно рассмотрим эту тему с примерами расчетов.

    В этом примере приведен полный расчет теплого водяного пола.

    Знаете ли вы, что количество секций радиатора отопления отсчитывается не от потолка? Слишком мало их приведет к тому, что в доме будет холодно, а слишком много создаст тепло и приведет к чрезмерной сухости воздуха.По ссылке http://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/raschet-sistem-otopleniya/kolichestva-sekcij-radiatorov.html приведены примеры правильного расчета радиаторов.

    Расчет тепловой мощности: формула

    Рассмотрим формулу и приведем примеры ее расчета для зданий с различным разбросом коэффициентов.

    Vx (дельта) TxK = ккал / ч (тепловая мощность), где:

    • Первый показатель «V» – это объем расчетного помещения;
    • Дельта «Т» – разница температур – это величина, которая показывает, на сколько градусов внутри помещения теплее, чем снаружи;
    • «К» – коэффициент рассеяния (также называемый «коэффициентом теплопередачи»).Значение взято из таблицы. Обычно показатель колеблется от 4 до 0,6.
    Приблизительные значения коэффициента рассеяния для упрощенного расчета
    • Если это неизолированный металлический профиль или плита, то «K» будет = 3-4 единицы.
    • Одинарная кирпичная кладка и минимальная изоляция – «К» = от 2 до 3.
    • Стена в два кирпича, стандартный пол, окна и
    • двери – «К» = от 1 до 2.
    • Самый теплый вариант. Стеклопакеты, кирпичные стены с двойным утеплением и т. Д.- «К» = 0,6 – 0,9.

    Более точный расчет можно произвести, рассчитав точные размеры поверхностей домов, различающихся свойствами в м2 (окна, двери и т. Д.), Рассчитав для них отдельно и сложив полученные показатели.

    Пример расчета тепловой мощности

    Возьмем некое помещение площадью 80 м2 с высотой потолка 2,5 м и посчитаем, сколько мощности котла нам необходимо для его обогрева.

    Сначала посчитаем кубатуру: 80 х 2.5 = 200 м3. У нас дом утеплен, но недостаточно – коэффициент рассеяния 1,2.

    Морозы могут быть до -40 ° C, но в помещении, в котором вы хотите иметь комфортные +22 градуса, перепад температур (дельта “Т”) 62 ° C.

    Подставляем числа в формулу на мощность тепловых потерь и умножить:

    200 х 62 х 1,2 = 14880 ккал / ч.

    Полученные килокалории в киловатты конвертируем с помощью конвертера:

    • 1 кВт = 860 ккал;
    • 14880 ккал = 17302.3 Вт.

    Округляем с запасом, и понимаем, что в самый лютый мороз -40 градусов нам нужно 18 кВт энергии в час.

    Умножаем периметр дома на высоту стен:

    (8 + 10) x 2 x 2,5 = 90 м2 поверхности стены + 80 м2 потолка = 170 м2 поверхности, контактирующей с холодами. Рассчитанная нами выше потеря тепла составила 18 кВт / ч, мы разделим площадь дома на рассчитанную потребляемую энергию, получаем, что 1 м2 теряет около 0,1 кВт или 100 Вт каждый час при температуре наружного воздуха -40 ° C, и в комнате +22 ° С…

    Эти данные могут стать основой для расчета необходимой толщины утеплителя на стенах.

    Приведем еще один пример расчета, в некоторых точках он сложнее, но точнее.

    Формула:

    Q = S x (дельта) T / R:

    • Q – требуемая величина теплопотерь дома в Вт;
    • S – площадь охлаждающих поверхностей в м2;
    • T – разница температур в градусах Цельсия;
    • R – тепловое сопротивление материала (м2 x К / Вт) (квадратные метры, умноженные на Кельвины и разделенные на Ватты).

    Итак, чтобы найти «Q» того же дома, что и в примере выше, давайте посчитаем площадь его поверхностей «S» (мы не будем считать пол и окна).

    • «S» в нашем случае = 170 м2, из которых 80 м2 потолок и 90 м2 – стены;
    • Т = 62 ° С;
    • R – термическое сопротивление.

    Ищем “R” по таблице термических сопротивлений или по формуле. Формула для расчета коэффициента теплопроводности следующая:

    R = H / K.Т. (H – толщина материала в метрах, KT – коэффициент теплопроводности).

    В данном случае в нашем доме стены из двух кирпичей, обшитые пенопластом толщиной 10 см. Потолок покрыт опилками толщиной 30 см.

    Система отопления частного дома должна быть устроена с учетом экономии энергоресурсов. Расчет системы отопления частного дома, а также рекомендации по выбору котлов и радиаторов – читайте внимательно.

    Как и как утеплить деревянный дом изнутри, вы узнаете, прочитав эту информацию.Выбор утеплителя и технологии утепления.

    Из таблицы коэффициентов теплопроводности (измеренные Вт / (м2 x К) Ватт, деленные на произведение квадратного метра на Кельвин). Находим значения для каждого материала, они будут:

    • кирпич – 0,67;
    • пена – 0,037;
    • опилки – 0,065.
    Подставляем данные в формулу (R = H / K.T.):
    • R (потолок толщиной 30 см) = 0,3 / 0,065 = 4,6 (м2 x K) / Вт;
    • R (стена кирпичная 50 см) = 0.5 / 0,67 = 0,7 (м2 х К) / Вт;
    • R (пенопласт 10 см) = 0,1 / 0,037 = 2,7 (м2 x K) / Вт;
    • R (стены) = R (кирпич) + R (пена) = 0,7 + 2,7 = 3,4 (м2 x K) / Вт.

    Теперь можно приступить к расчету теплопотерь «Q»:

    • Q для потолка = 80 x 62 / 4,6 = 1078,2 Вт.
    • Q стен = 90 x 62 / 3,4 = 1641,1 Вт.
    • Осталось добавить 1078,2 + 1641,1 и переведя в кВт, получается (если округлить сразу) 2,7 кВт энергии за 1 час.
    Вы можете обратить внимание на то, насколько велика была разница в первом и втором случаях, хотя объем домов и температура за окном в первом и втором случаях были совершенно одинаковыми.

    Все дело в степени утомляемости домов (хотя, конечно, данные могли бы быть другими, если бы мы просчитывали пол и окна).

    Заключение

    Приведенные формулы и примеры показывают, что при теплотехнических расчетах очень важно учитывать как можно больше факторов, влияющих на теплопотери. Сюда входит и вентиляция, и площадь окон, и степень их усталости, и т. Д.

    И подход, когда на 10 м2 дома берется 1 кВт мощности котла, слишком приблизительный, чтобы на него серьезно полагаться. .

    Видео по теме

    microklimat.pro

    13 Тепловой расчет

    10. Тепловой расчет.

    Конструкция ИС должна быть такой, чтобы тепло, выделяющееся при ее работе, в самых неблагоприятных условиях эксплуатации не приводило к отказу элементов в результате перегрева. К основным твэлам относятся, прежде всего, резисторы, активные элементы и компоненты. Мощность, рассеиваемая конденсаторами и катушками индуктивности, мала. ИС с переключением на пленку, благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок, способствует отводу тепла от наиболее нагретых элементов и выравнивает температуру платы GIS и полупроводникового кристалла ИС.

    Рис. 10.1. Вариант крепления платы к корпусу.

    Тепловой расчет резисторов.

    Тепловое сопротивление резистора рассчитывается по формуле (10.1)

    p = 0,03 [Вт / см ° C] – коэффициент теплопроводности материала подложки;

    δп = 0,06 см – толщина плиты.

    RT = 0,06 / 0,03 = 2 см2 ∙ ° С / Вт

    Рассчитаем температуру пленочных резисторов по формуле

    PR – мощность, рассеиваемая на резисторе;

    SR – площадь, занимаемая резистором на плате;

    P0 – суммарная мощность, выделяемая всеми компонентами микросхемы;

    Sп – бортовая площадка.

    PR = 0,43 мВт – мощность, рассеиваемая на резисторе;

    SR = 0,426мм2 – площадь, занимаемая резистором;

    Sn = 80 мм2 – площадь платы;

    RT = 2 см2 ∙ ° С / Вт – тепловое сопротивление резистора;

    Tkr.av = 40С – максимальная температура окружающей среды;

    T = 125С = максимально допустимая температура пленочных резисторов.

    TR = (0,43 ∙ 10-3 ∙ 200) /0,426+ (24,82 ∙ 10-3 ∙ 200) /80+40=40,26 С

    Температура остальных резисторов рассчитывается аналогично с использованием программа MathCad.Результаты расчетов представлены в таблице 10.1.

    Таблица. 10.1

    Из таблицы видно, что для всех пленочных резисторов указанный тепловой режим соблюдается.

    Тепловой расчет навесного элемента.

    Термическое сопротивление рассчитаем по формуле:

    k = 0,003 [Вт / см ° С] – коэффициент теплопроводности клея;

    δк1 = 0,01 см – толщина клея.

    Rт = (0,06 / 0,03) + (0,01 / 0,003) = 5,33 см2 ∙ ° С / Вт

    Рассчитаем температуру навесного элемента по формуле:

    Расчет транзистора КТ202А, VT14

    Pne = 2.6 мВт – мощность, выделяемая транзистору;

    Sne = 0,49 мм2 – площадь, занимаемая транзистором;

    P0 = 24,82 мВт – мощность, рассеиваемая всеми компонентами платы;

    Sn = 80 мм2 – площадь платы;

    Т0С = 40С – максимальная температура окружающей среды;

    T = 85С = максимально допустимая температура транзистора.

    Tne = (2,6 ∙ 10-3 ∙ 533) /0,49+ (24,82 ∙ 10-3 ∙ 533) /80+40=42,99С

    Таким образом, указанный тепловой режим соблюдается.

    Температура остальных транзисторов рассчитывается таким же образом с помощью программы MathCad.Результаты расчетов представлены в таблице 10.2.

    Таблица 10.2

    Из таблицы видно, что для всех транзисторов соблюдается указанный тепловой режим. Следовательно, тепловые условия для всего контура также соблюдаются.

    studfiles.net

    Тепловая мощность электрического тока и ее практическое применение

    Причина нагрева проводника заключается в том, что энергия движущихся в нем электронов (другими словами энергия тока) в процессе последовательных столкновений частицы с ионами молекулярной решетки металлического элемента преобразуются в теплый тип энергии, или Q, так формируется понятие «тепловая мощность».

    Работа по току измеряется в международной системе СИ, к ней прилагаются джоули (Дж), мощность тока определяется как «ватт» (Вт). Отходя от системы на практике, они также могут использовать несистемные единицы измерения работы тока. Среди них ватт-час (Вт × ч), киловатт-час (сокращенно кВт × ч). Например, 1 Вт × ч обозначает работу тока с удельной мощностью 1 ватт и продолжительностью один час.

    Если электроны движутся по неподвижному металлическому проводнику, в этом случае вся полезная работа генерируемого тока распределяется на нагрев металлической конструкции, и, исходя из положений закона сохранения энергии, это можно описать следующим образом: формула Q = A = IUt = I2Rt = (U2 / R) * t.Такие отношения точно выражают известный закон Джоуля-Ленца. Исторически оно было впервые определено эмпирическим путем учёным Д. Джоулем в середине XIX века и одновременно, независимо от него, другим учёным, Э. Ленцем. Тепловая энергия нашла практическое применение в техническом исполнении с момента изобретения в 1873 г. русским инженером А. Ладыгиным обыкновенной лампы накаливания.

    Тепловая мощность тока используется в ряде электрических устройств и промышленных установок, а именно в термоизмерительных приборах, электрических плитах нагревательного типа, электросварочном и инвентарном оборудовании, очень распространены бытовые приборы с эффектом электрического нагрева – котлы. , паяльники, чайники, утюги.

    Тепловой эффект также встречается в пищевой промышленности. При высокой степени использования используется возможность нагрева электрических контактов, что гарантирует тепловую мощность. Это вызвано тем, что ток и его тепловая мощность, воздействуя на пищевой продукт, имеющий определенную степень сопротивления, вызывают в нем равномерный нагрев. Пример тому, как делают колбасы: через специальный дозатор фарш подают в металлические формы, стенки которых одновременно служат электродами.Здесь обеспечивается постоянная равномерность нагрева по всей площади и объему продукта, поддерживается заданная температура, поддерживается оптимальная биологическая ценность пищевого продукта, наряду с этими факторами сохраняется продолжительность технологических работ и энергозатраты. самый низкий.

    Удельная тепловая мощность электрического тока (ω), другими словами, количество тепла, которое выделяется в единице объема в единицу времени, рассчитывается следующим образом. Элементарный цилиндрический объем проводника (dV) с поперечным сечением проводника dS, длиной dl, параллельной направлению тока, и сопротивлением выражаются уравнениями R = p (dl / dS), dV = dSdl.

    Согласно определениям закона Джоуля-Ленца, за отведенное время (dt) в взятом нами объеме выделяется тепло, равное dQ = I2Rdt = p (dl / dS) (jdS) 2dt = pj2dVdt. В этом случае ω = (dQ) / (dVdt) = pj2 и, применяя здесь закон Ома для установления плотности тока j = γE и отношения p = 1 / γ, сразу получаем выражение ω = jE = γE2. Он дает понятие закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

    fb.ru

    Страница для вставки »Тепловые расчеты

    Все электронные компоненты выделяют тепло, поэтому умение рассчитать радиаторы так, чтобы не разлететься на пару порядков, очень пригодится любому электронщику.

    Тепловые расчеты очень просты и имеют много общего с расчетами электронных схем. Здесь взгляните на типичную проблему теплового расчета, с которой я только что столкнулся.

    Задача

    Вам нужно выбрать радиатор для линейного регулятора на 5 вольт, который питается максимум от 12 вольт и выдает 0,5 А. Максимальная рассеиваемая мощность составляет (12-5) * 0,5 = 3,5 Вт

    Теоретическое погружение

    Чтобы не производить сущностей, люди поцарапали тыкву и поняли, что тепло очень похоже на электрический ток, и для тепловых расчетов вы можете используйте обычный закон Ома, только

      Напряжение (U) заменяется температурой (T)

      Ток (I) заменяется мощностью (P)

      Сопротивление заменяется тепловым сопротивлением.Типичное сопротивление – вольт / ампер, тепловое сопротивление – ° C / ватт.

    В результате закон Ома заменяется его тепловым аналогом:

    Небольшое замечание – чтобы указать, что мы имеем в виду тепловое (а не электрическое) сопротивление, к букве R добавляется буква тета: я не есть такая буква на клавиатуре, но копировать из таблицы символов лень, поэтому я просто буду использовать букву R.

    Продолжаем

    В кристалле стабилизатора выделяется тепло, и наша цель – предотвратить это от перегрева (для предотвращения перегрева самого кристалла, а не корпуса, это важно!).

    До какой температуры можно нагревать кристалл, написано в даташите:

    Обычно предельную температуру кристалла называют Tj (j = junction = junction – термочувствительные внутренности микросхем в основном состоят из pn переходов. Можно считать, что температура перехода равна температуре кристалла)

    Без радиатора

    Тепловая диаграмма выглядит очень просто:

    Специально для случаев использования корпуса без радиатора в даташитах написан кристалл теплового сопротивления -атмосфера (Rj-a) (что j вы уже знаете, a = ambient = environment)

    Обратите внимание, что температура грунта не равна нулю, а температура окружающей среды (Ta).Температура воздуха зависит от условий, в которых находится радиатор. Если на улице, то можно поставить Ta = 40 ° C, а если в закрытом ящике, то температура может быть намного выше!

    Запишем тепловой закон Ома: Tj = P * Rj-a + Ta. Подставляя P = 3,5, Rj-a = 65, мы получаем Tj = 227,5 + 40 = 267,5 ° C. Но это уже слишком!

    Цепляемся за радиатор

    Тепловая схема нашего примера со стабилизатором на радиаторе принимает вид:

    • Rj-c – сопротивление от кристалла к радиатору корпуса (c = case = case).Он указан в даташите. В нашем случае – 5 ° C / Вт – из даташита
    • Rc-r – сопротивление корпуса-радиатора. Не все так просто. Это сопротивление зависит от того, что находится между корпусом и радиатором. Например, силиконовая прокладка имеет коэффициент теплопроводности 1-2 Вт / (м * ° С), а паста КПТ-8 – 0,75 Вт / (м * ° С). Тепловое сопротивление может быть получено из коэффициента теплопроводности по формуле:

      R = толщина прокладки / (коэффициент теплопроводности * площадь одной стороны прокладки)

      Rc-r часто можно полностью игнорировать.Например, в нашем случае (мы используем корпус ТО220, с пастой КПТ-8 средняя глубина приклеивания с потолка составляет 0,05 мм). Суммарная Rc-r = 0,5 ° С / Вт. При мощности 3,5Вт разница температур между корпусом стабилизатора и радиатором составляет 1,75 градуса. Это не много. Для нашего примера возьмем Rc-r = 2 ° C / Вт

    • Rr-a – это тепловое сопротивление между радиатором и атмосферой. Это определяется геометрией радиатора, наличием обдува и множеством других факторов.Этот параметр гораздо проще измерить, чем рассчитать (см. В конце статьи). Например – Rr-c = 12,5 ° C / Вт

      Ta = 40 ° C – здесь мы посчитали, что температура атмосферы редко бывает выше, можно взять 50 градусов, так что обязательно будет.

    Подставляем все эти данные в закон Ома, и получаем Tj = 3,5 * (5 + 2 + 12,5) + 40 = 108,25 ° C

    Это значительно меньше предела 150 ° C. Такой радиатор можно использовать. При этом корпус радиатора будет нагреваться до Tc = 3.5 * 12,5 + 40 = 83,75 ° С. Эта температура уже способна размягчать некоторые пластики, поэтому нужно быть осторожным.

    Измерение сопротивления радиатора атмосфере.

    Скорее всего, у вас уже валяется куча радиаторов, которые можно использовать. Термическое сопротивление очень легко измерить. Ему нужно сопротивление и источник питания.

    Формируем сопротивление к радиатору с помощью термопасты:

    Подключаем источник питания, и устанавливаем напряжение так, чтобы на сопротивлении выделялась некоторая мощность.Лучше, конечно, нагревать радиатор той мощностью, которую он будет рассеивать в конечном устройстве (и в том положении, в котором он будет находиться, это важно!). Такой состав я обычно оставляю на полчаса, чтобы он хорошо прогрелся.

    После измерения температуры можно рассчитать тепловое сопротивление.

    Rr-a = (T-Ta) / P. Например, мой радиатор нагрелся до 81 градуса, а температура воздуха была 31 градус. таким образом Rr-a = 50/4 = 12,5 ° C / Вт.

    Оценка площади радиатора

    В старинном справочнике радиолюбителя был график, по которому можно оценить площадь радиатора.2 радиатора. Этот график завышает площадь и не учитывает множество факторов, таких как принудительный воздушный поток, геометрия ребра и т. Д.

    bsvi.ru


    В 1841 и 1842 годах, независимо друг от друга, английские и российские физики установил зависимость количества тепла от протекания тока в проводнике. Эта зависимость получила название «Закон Джоуля-Ленца». Англичанин установил зависимость на год раньше россиянина, но свое название закон получил от имен обоих ученых, потому что их исследования были независимыми.Закон не теоретический, но имеет большое практическое значение. Итак, давайте кратко и наглядно выясним определение закона Джоуля-Ленца и где он применяется.

    Формулировка

    В реальном проводнике при протекании по нему тока совершается работа против сил трения. Электроны движутся по проволоке и сталкиваются с другими электронами, атомами и другими частицами. В результате выделяется тепло. Закон Джоуля-Ленца описывает количество тепла, выделяемого при протекании тока через проводник.Оно прямо пропорционально силе тока, сопротивлению и времени истечения.

    В интегральной форме закон Джоуля-Ленца выглядит так:

    Ток обозначается буквой I и выражается в амперах, сопротивление – R в омах, а время t – в секундах. Единицей измерения тепла Q является Джоуль; чтобы перевести в калории, нужно результат умножить на 0,24. В этом случае 1 калория равна количеству тепла, которое необходимо подвести к чистой воде, чтобы повысить ее температуру на 1 градус.

    Эта запись формулы действительна для участка цепи, когда проводники соединены последовательно, когда в них протекает одно значение тока, но на концах падает другое напряжение. Произведение тока в квадрате на сопротивление равно мощности. В то же время мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению. Тогда для электрической цепи с параллельным включением закон Джоуля-Ленца можно записать в виде:

    В дифференциальной форме это выглядит так:

    Где j – плотность тока, А / см 2, E – напряженность электрического поля, сигма – удельное сопротивление проводника.

    Следует отметить, что для однородного участка цепи сопротивление элементов будет одинаковым. Если в цепи присутствуют проводники с разным сопротивлением, возникает ситуация, когда максимальное количество тепла выделяется на том, который имеет наибольшее сопротивление, что можно сделать, проанализировав формулу закона Джоуля-Ленца.

    FAQ

    Как узнать время? Имеется в виду период протекания тока по проводнику, то есть когда цепь замкнута.

    Как найти сопротивление проводника? Для определения сопротивления используется формула, которую часто называют «рельсовой», то есть:

    Здесь буква «Ro» обозначает удельное сопротивление, оно измеряется в Ом * м / см2, l и S – длина и площадь поперечного сечения. При подсчете уменьшаются квадратные метры и сантиметры, а Омы остаются.

    Удельное сопротивление – это табличное значение, которое имеет свое значение для каждого металла. Медь на порядки меньше, чем у высокоомных сплавов, таких как вольфрам или нихром.Для чего он используется, мы рассмотрим ниже.

    Приступим к практике

    Закон Джоуля-Ленца очень важен для электрических расчетов. В первую очередь, вы можете применить его при расчете отопительных приборов. В качестве нагревательного элемента чаще всего используется проводник, но не простой (например, медный), а с большим сопротивлением. Чаще всего это нихром или кантал, фехраль.

    Они обладают высоким сопротивлением. Вы можете использовать медь, но тогда вы потратите много кабеля (сарказм, медь для этой цели не используется).Чтобы рассчитать тепловую мощность для нагревательного прибора, нужно определить, какой корпус и в каких объемах нужно обогреть, учесть количество необходимого тепла и сколько времени его нужно передать телу. После расчетов и преобразований вы получите сопротивление и силу тока в этой цепи. На основании полученных данных по удельному сопротивлению выберите материал проводника, его сечение и длину.

    Закон Джоуля Ленза. Закон Джоуля-Ленца, в котором сопротивлениям выделяется одинаковое количество тепла

    Джеймс Прескотт Джоуль (слева) и Эмили Христианович Ленц (справа)

    Человечество веками использовало электрические обогреватели всех типов благодаря свойствам электрического тока для выделения тепла при прохождении через проводник.У этого явления есть отрицательный фактор – перегрев проводки из-за слишком большого тока часто приводил к короткому замыканию и возгоранию. Выделение тепла от срабатывания электрического тока изучалось в школьном курсе физики, но многие забыли эти знания.

    Впервые зависимость выделения тепла от мощности электрического тока была сформулирована и математически определена Джеймсом Джоулем в 1841 году, а немного позже, в 1842 году, независимо от него, Эмилем Ленцем.В честь этих физиков был назван закон Джоуля-Ленцы, согласно которому мощность электронагревателей и потери тепла на рассеяние в линиях электропередачи.

    Определение закона Джоуля – Ленца

    В словесном определении, согласно исследованиям Джоуля и Ленца, закон звучит так:

    Количество тепла, выделяемого в определенном количестве проводника, когда электрический ток прямо пропорционален произведению плотности электрического тока и величины напряженности электрического поля

    По формуле этот закон выглядит так:


    Выражение закона Джоуля – Ленза

    Поскольку параметры, описанные выше, редко используются в повседневной жизни, и, учитывая, что почти все бытовые расчеты по выделению тепла при работе электрического тока касаются тонких проводников (кабели, провода, нити накаливания, шнуры питания, токопроводящие дорожки на плате и т. д.), Используя закон Джоуля Ленца с формулой, представленной в интегрированном виде:


    Интегральная форма закона

    В словесном определении закон Джоуля Ленца звучит так:


    Словесное определение Закона Джоуля – Ленза

    Если мы примем, что ток и сопротивление проводника не изменяются с течением времени, то закон Джоуля – Ленца можно записать в упрощенной форме:

    Применяя Ома и алгебраические преобразования, получаем эквивалентные формулы ниже:


    Эквивалентные выражения для нагрева согласно закону Ома

    Применение и практическое значение закона Джоуля – Ленза

    Исследования Джоуля и Ленца по рассеиванию тепла при работе с электрическим током значительно продвинули научное понимание физических процессов, а выведенные основные формулы не изменились и используются по сей день в различных областях науки и техники.В области электротехники можно выделить несколько технических задач, в которых количество тепла, выделяемого при протекании, является критическим значение При расчете таких параметров:

    • тепловые линии в ЛЭП;
    • характеристики проводов электрических сетей;
    • тепловая мощность (количество тепла) электронагревателей;
    • температура срабатывания выключателей;
    • температура плавления предохранителя;
    • Тепловыделение различной электроаппаратуры и элементов радиотехники.

    Электроприборы, использующие тепловой режим тока

    Тепловое воздействие электрического тока в проводах линий электропередачи (ЛП) нежелательно из-за значительных потерь электроэнергии на отвод тепла.

    По разным данным в линиях электропередач теряется до 40% всей производимой в мире электроэнергии. Чтобы снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, поднимите напряжение в ЛАМ, производя расчеты по производным формулам закона Джоуля – Ленза.


    Диаграмма всех видов потерь электроэнергии, среди которых тепловые потери в воздушных линиях составляют львиную долю (64%)

    Очень упрощенно тепловая операция тока может быть описана следующим образом: Электрографы перемещаются между молекулами, а время от времени – между молекулами. время столкнулось с ними, почему их тепловые колебания становятся более интенсивными. Наглядная демонстрация теплового тока и ассоциативные объяснения процессов показаны на видео ниже:

    Расчет потерь электроэнергии в ЛЭП

    В качестве примера вы можете взять гипотетический участок линии электропередачи от электростанции до трансформаторной подстанции.Так как провода ЛАП и потребителя энергии (трансформаторной подстанции) соединены последовательность Через них протекал один и тот же ток I. Согласно рассматриваемому закону Джоуля закон Ленца – количество тепла, выделяемого на проводах q Вт (теплопотери), рассчитывается по формуле:

    Мощность, производимая электрическим током (Q c) в нагрузке, рассчитывается по закону Ома:

    Таким образом, при равенстве токов, в первую формулу можно вставить вместо выражения Q C / U C, так как i = Q C / U C:

    Если не учитывать зависимость сопротивления проводников от изменения температуры, то R w можно считать неизменным (постоянным).Таким образом, при стабильном энергопотреблении потребителя (трансформаторной подстанции) тепловыделение в проводах LAP будет равно , обратно пропорционально Квадратное напряжение в конечной точке линии. Другими словами, чем больше напряжение питания, тем меньше потери электроэнергии.


    Для передачи электроэнергии высокого напряжения требуются большие опоры LAP

    Действие закона Джоуля – Ленза в повседневной жизни

    Эти расчеты справедливы и в повседневной жизни при передаче электроэнергии на небольшие расстояния – например, от ветрогенератора к инвертору.При автономном энергоснабжении оценивается каждый ватт, произведенный низковольтной ветряной турбиной, и может быть более выгодно поднять напряжение трансформатором непосредственно от ветрогенератора, чем тратить большое поперечное сечение кабеля для снижения потерь электроэнергии во время передачи. .


    При значительном удалении низковольтного ветрогенератора переменного тока для снижения потерь электроэнергии будет выгоднее подключать через повышающий трансформатор

    В бытовых сетях расстояния электропроводки чрезвычайно малы для уменьшения тепловых потерь на подъем напряжения, поэтому при расчете электропроводки учитывается тепловой режим работы по току, согласно закону Джоуля – Ленца при выборе сечения проводов до нагрев не приводил к оплавлению и возгоранию изоляции и окружающей среды. материалы.Выбор силового кабеля и электропроводки осуществляется по таблицам и нормативным документам ПУЭ, и подробно описаны на других страницах этого ресурса.


    Коэффициенты силы тока и сечения проводников

    При расчете температуры нагрева радиотехнических элементов биметаллическая пластина выключателя или предохранителя используется по закону Ленцы-Ленца в интегральной форме, так как при повышении температуры сопротивление эти материалы меняются.При этих сложных расчетах учитывается также теплопередача, нагрев от других источников тепла, собственная теплоемкость и многие другие факторы.


    Программное моделирование тепловыделения полупроводникового прибора

    Полезный тепловой режим электрического тока

    Топливная работа электрического тока широко применяется в электронагревателях, в которых используется последовательное соединение проводников с разным сопротивлением. Этот принцип работает следующим образом: один и тот же ток течет в соединенных последовательно, один и тот же ток течет, это означает, что согласно закону Джоуля-Ленца тепло будет распространяться больше от материала проводника с большим сопротивлением.


    Спираль с повышенным сопротивлением нагревается, но питающие провода остаются холодными

    Таким образом, шнур питания и питающие провода электроклюсов остаются относительно холодными, а нагревательный элемент нагревается до температуры красного свечения. В качестве материала проводников нагревательных элементов используются сплавы с повышенным (по сравнению с медной и алюминиевой электропроводкой) удельным сопротивлением – нихром, константан, вольфрам и другие.


    Резьба ламп накаливания изготовлена ​​из тугоплавких сплавов вольфрама.

    При параллельном соединении проводов рассеивание тепла будет больше на нагревательном элементе с меньшим сопротивлением, так как при его уменьшении увеличивается ток относительного соседнего компонента цепи.В качестве примера наглядным примером свечения двух ламп накаливания разной мощности является наличие более мощной лампы тепловыделения и светового потока.

    Если прозвонить лампочку, то окажется, что у более мощной лампы меньшее сопротивление. На видео ниже автор демонстрирует последовательное и параллельное подключение, но, к сожалению, в комментариях ошибся – он будет ярче лампы с более ярким большим сопротивлением , а не наоборот.

    В 1841 и 1842 годах, независимо друг от друга, английские и русские физики установили зависимость количества тепла от тока, протекающего в проводнике.Эти отношения получили название «Закон Джоуля-Ленза». Англичанин установил зависимость на год раньше, чем русский, но свое название закон получил от имен обоих ученых, поскольку их исследования были независимыми. Закон не носит теоретического характера, но имеет большое практическое значение. Итак, давайте вкратце разберемся с определением закона Джоуля-Ленцы и где он применяется.

    Состав

    В реальном проводнике при протекании по нему тока совершается работа против сил трения.Электроны движутся по проволоке и сталкиваются с другими электронами, атомами и другими частицами. В результате выделяется тепло. Закон Джоуля-Ленцы описывает количество тепла, выделяемого при протекании тока через проводник. Оно прямо пропорционально зависит от силы тока, сопротивления и времени прохождения потока.

    В интегральной форме закон Джоуля-Ленцы выглядит так:

    Сила тока обозначается буквой I и выражается в амперах, сопротивление – R в Омах, а время T – в секундах.Единица измерения теплоты Q – Joble для перевода в калории нужно результат умножить на 0,24. При этом 1 калория равна количеству тепла, которое необходимо подвести к чистой воде, чтобы повысить ее температуру на 1 градус.

    Такая регистрация формулы действительна для участка цепи с последовательным соединением проводников, когда в них протекает один ток, а на концах падает разное напряжение. Произведение тока в квадрате на сопротивление и есть мощность.В то же время мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению. Тогда для электрической цепи при параллельном включении закон Джоуля-Ленца можно записать в виде:

    В дифференциальной форме это выглядит так:

    Где J – плотность тока, А / см 2, E – напряженность электрического поля, сигма – удельное сопротивление проводника.

    Стоит отметить, что для однородного участка цепи сопротивление элементов будет одинаковым.Если в цепи присутствуют проводники с разным сопротивлением, возникает ситуация, когда максимальное количество тепла выделяется на том объеме, который имеет наибольшее сопротивление, что можно сделать вывод, проанализировав формулу закона Джоуля-Ленца.

    FAQ

    Как найти время? Здесь я имею в виду период протекания тока по проводнику, то есть когда цепь замкнута.

    Как найти сопротивление проводника? Для определения сопротивления используйте формулу, которую часто называют «рельс», то есть:

    Здесь буква «RO» обозначает удельное сопротивление, оно измеряется в ОМ * М / см2, L и S – длина и площадь поперечного сечения.При подсчете метров и сантиметров квадраты уменьшаются, а омы остаются.

    Удельное сопротивление – табличное значение и для каждого металла свое. Медь на порядок меньше, чем высокопрочные сплавы типа вольфрама или нихрома. Для чего он применяется, мы рассмотрим ниже.

    Обратимся к практике

    Закон Джоула Ленза имеет большое значение для электрических расчетов. В первую очередь, вы можете применить его при расчете отопительных приборов. В качестве нагревательного элемента чаще всего используется проводник, но не простой (типа медный), а с большим сопротивлением.Чаще всего это нихром или Канталь, Фехераль.

    У них большое удельное сопротивление. Можно использовать медь, но тогда вы потратите много кабеля (сарказм, медь не использовать для этих целей). Чтобы рассчитать теплоту тепла для нагревательного прибора, нужно определить, какое тело и в каких объемах нужно обогреть, учесть необходимое количество тепла и за какое время его нужно передать телу. После расчетов и преобразований вы получите в этой цепочке сопротивление и силу тока.На основании полученных данных по удельному сопротивлению выберите материал проводника, его сечение и длину.

    Закон Джоуля – Ленца – это закон физики, определяющий количественную меру теплового воздействия электрического тока. Этот закон сформулировал в 1841 г. английский ученый Д. Джоуль и полностью отдельно от него в 1842 г. знаменитый русский физик Э. Ленц. Поэтому он получил свое двойное имя – закон Джоуля – Ленза.

    Определение закона и формулы

    Словесная формулировка имеет следующую форму: теплота тепла, выделяемого в проводнике во время прохождения через него, пропорциональна произведению значения плотности электрического поля на величину напряжения.

    Математически закон Джоуля – Ленца выражается следующим образом:

    ω = j e = ϭ e²,

    где ω – количество тепла, выделяемого в установке. объем;

    E и J – напряжение и плотность, соответственно, электрического поля;

    Σ – проводимость среды.

    Физический смысл закона Джоуля – Ленза

    Этот закон можно объяснить следующим образом: ток, проходящий по проводнику, представляет собой движение электрического заряда под действием.Таким образом, электрическое поле выполняет некоторую работу. Эта работа уходит на нагрев проводника.

    Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

    Но нельзя допускать чрезмерного нагрева проводников током и электрооборудованием, так как это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при работе проводов, когда могут быть довольно большие токи.

    В интегрированной форме Для тонких проводников Закон Джоуля – Lenza Звучит следующим образом: Количество тепла, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата тока на стойкость сайта.

    Математически эта формулировка выражается следующим образом:

    Q = ∫ K I² R T,

    в данном случае Q – количество выделенного тепла;

    I – текущее значение;

    R – активное сопротивление жил;

    т – время выдержки.

    Значение параметра K принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разряда единиц, в которых измеряются значения, указанные в формуле.

    Закон Джоуля-Ленцы довольно распространен, поскольку не зависит от характера сил, генерирующих ток.

    Из практики можно утверждать, что это справедливо как для электролитов, так и для проводников и полупроводников.

    Сфера применения

    Сферы применения в жизни закона Джоуля Ленза – огромное количество. Например, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга при электросварке, нагревательная нить в электронагревателе и МН.Доктор Это самый распространенный физический закон в повседневной жизни.

    Содержимое:

    Известный русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя эксперименты по изучению тепловых воздействий электрического тока, независимо вывели закон Джоуля-Ленца. Этот закон отражает взаимосвязь количества тепла, выделяемого в проводнике, и электрического тока, проходящего через этот проводник в течение определенного периода времени.

    Свойства электрического тока

    Когда электрический ток проходит через металлический проводник, его электроны постоянно сталкиваются с различными внешними частицами.Это могут быть обычные нейтральные молекулы или молекулы, потерявшие электроны. Электрон в процессе движения может отсоединить от нейтральной молекулы другой электрон. В результате его кинетическая энергия теряется, и вместо молекулы происходит образование положительного иона. В других случаях электрон, наоборот, соединяется с положительным ионом и образует нейтральную молекулу.

    В процессе столкновений электронов и молекул происходит расход энергии, в дальнейшем превращающийся в тепло.Затраты определенного количества энергии связаны со всеми движениями, во время которых им приходится преодолевать сопротивление. В это время происходит преобразование работы, затрачиваемой на преодоление сопротивления трения, в тепловую энергию.

    Формула и определение закона Джоуля-Ленца

    Согласно закону Джоуля Ленза, электрический ток, проходящий через проводник, сопровождается количеством тепла, прямо пропорциональным площади и сопротивлению, а также времени протекания этого тока по проводнику.

    В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = i 2 RT, в которой q отображает количество выделенного тепла, I -, R – сопротивление проводника, Т это период времени. Величина «К» является тепловым эквивалентом работы и применяется в тех случаях, когда количество тепла измеряется в калориях, сила тока – в Омах, а время – в секундах. Числовое значение K составляет 0,24, что соответствует току в 1 ампер, что при сопротивлении проводника в 1 Ом количество тепла равно 0.За 1 секунду выделяется 24 ккал. Поэтому для расчетов количества выделенного тепла в калориях используется формула q = 0,24i 2 Rt.

    При использовании системы единиц количество тепла измеряется в джоулях, поэтому величина «K» по закону Джоуля-Ленца будет равна 1, а формула будет иметь вид : Q = i 2 RT. В соответствии с i = u / r. Если это значение текущей силы подставить в основную формулу, оно приобретет следующий вид: Q = (U 2 / R) T.

    Базовая формула Q = i 2 RT очень удобна для использования при расчете количества тепла, которое выделяется в случае последовательного подключения. Сила тока во всех проводниках будет одинаковой. При последовательном соединении сразу нескольких проводников каждый из них будет выделять столько тепла, что будет пропорционально сопротивлению проводника. Если можно последовательно соединить три одинаковых провода из меди, железа и никеля, то максимальное количество тепла будет выделено последним.Это связано с самым высоким сопротивлением никеля и более сильным нагревом этой проволоки.

    При параллельном соединении одинаковых проводов значение электрического тока в каждом из них будет разным, а напряжение на концах одинаковым. В этом случае для расчетов больше подходит формула Q = (U 2 / R) T. Количество тепла, выделяемого проводником, будет обратно пропорционально его проводимости. Таким образом, закон Джоуля – Ленца широко используется для расчета установок электрического освещения, различных нагревательных и нагревательных устройств, а также других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

    Закон Джоуля Ленза. Действие и мощность электрического тока

    Задание на “Законы постоянного тока”. Задание может быть интересно ученикам 10 классов и выпускникам для подготовки к ЕГЭ. Кстати, такая задача была на экзамене в части 1 с несколько другим вопросом (нужно было найти соотношение количества тепла, выделяемого на резисторах).

    Какие резисторы выделяются наибольшим (наименьшим) количеством тепла? R1 = R4 = 4 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 2.Дайте решение. Чтобы ответить на вопрос поставленной задачи, необходимо сравнить количество тепла, выделяемого на каждом из их резисторов. Для этого воспользуемся формулой закона Джоуля – Ленца. То есть основной задачей будет определение силы тока (или сравнения), протекающего через каждый резистор.

    По законам последовательного соединения ток, протекающий через резисторы R1 и R2, а также R3 и R4, одинаков. Для определения силы тока в верхней и нижней ветвях воспользуемся законом параллельного соединения, согласно которому напряжение на этих ветвях одинаково.После напряжения на нижней и верхней ветвях по закону Ома для участка цепи имеем: Подставляя числовые значения сопротивления сопротивления, получаем: то есть получаем соотношение между токами, возникающими в верхнем а в нижней ветви: определяя силу тока через каждый из этих резисторов, мы определяем количество тепла, выделяемого на каждом из резисторов. Сравнивая числовые коэффициенты, делаем вывод, что максимальное количество тепла выделяется на четвертом резисторе, а минимальное количество тепла – на втором.

    Вы можете оставить комментарий или поставить трекбэк со своего сайта.

    Написать комментарий

    fizika-doma.ru.

    Тепловая мощность – формула расчета

    Теплотехникам приходится иметь дело с собственниками частных домов, квартир или любых других объектов. Это основа основ строительного дизайна.

    Разобраться в сути этих расчетов в официальных бумагах не так уж и сложно, как кажется.

    Для меня вы также можете научиться выполнять расчеты, чтобы решить, какую изоляцию применять, какой толщины должна быть какая мощность для установки котла и достаточно ли радиаторов в этой области.

    Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти, если разобраться, что такое тепловая мощность. Формула, определение и объем – читайте в статье.

    Что такое тепловой расчет?

    Проще говоря, тепловой расчет помогает точно узнать, сколько тепла хранит и теряет здание, и сколько энергии должно производить отопление для поддержания комфортных условий в жилом помещении.

    При оценке теплопотерь и степени подвода тепла учитываются следующие факторы:

    1. Что такое объект: сколько в нем этажей, наличие угловых комнат, жилого или производственного помещения и т. Д.
    2. Сколько человек будет «жить» в доме.
    3. Важная деталь – зона остекления. И размеры крыши, стен, пола, дверей, высота потолков и т.д.
    4. Какова продолжительность отопительного сезона, климатические особенности региона.
    5. Снайперы определяют стандарты температуры, которые должны быть в помещении.
    6. Толщина стен, перекрытий, выбранные утеплители и их свойства.

    Также могут быть приняты во внимание другие условия и особенности, например, рабочие и выходные, мощность и тип вентиляции, ориентация жилья по сторонам света и т. Д.можно считать.

    Зачем нужен тепловой расчет?

    Как удалось обойтись без тепловых расчетов застройщиков прошлого?

    Сохранившиеся купеческие дома показывают, что все делалось просто с запасом: окна меньше, стены утолщаются. Получилось тепло, но это экономически не выгодно.

    Теплотехнический расчет позволяет построить наиболее оптимальное. Материалов берут больше – не меньше, а ровно столько, сколько нужно.Уменьшаются габариты конструкции и затраты на ее возведение.

    Расчет точки росы позволяет строить так, чтобы материалы не портились как можно дольше.

    Для определения необходимой мощности котла без расчетов не обойтись. Его общая мощность складывается из затрат энергии на обогрев помещений, нагрева горячей воды для бытовых нужд и возможности перекрытия теплопотерь от вентиляции и кондиционирования. Запас мощности добавляется в пиковые холода.

    При газификации объекта требуется согласование со службами. Рассчитан годовой расход газа на отопление и общая мощность тепловых источников в гигаклотах.

    Нужны расчеты при выборе элементов системы отопления. В его основе система труб и радиаторов – можно узнать, какой должна быть их длина, площадь поверхности. Потери мощности учитываются при повороте трубопровода, на стыках и проходе арматуры.

    При расчете стоимости тепловой энергии может пригодиться знание того, как переводить Гкал в кВт и обратно. В следующей статье подробно описана эта тема с примерами расчетов.

    В этом примере приведен полный расчет теплого водяного пола.

    А вы знаете, что количество секций радиаторов отопления не отводят «от потолка»? Их количество приведет к тому, что в доме будет холодно, а чрезмерное их количество создаст тепло и приведет к чрезмерной сухости воздуха.Согласно http://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/raschet-sistem-otopleniya/kolichestva-sekcij-radiatorov.html приведены примеры правильного расчета радиаторов.

    Расчет тепловой мощности: формула

    Рассмотрим формулу и приведем примеры, как произвести расчет для зданий с другим коэффициентом рассеивания.

    VX (Delta) TXK = ккал / ч (тепловая мощность), где:

    • Первый показатель «V» – это количество расчетного помещения;
    • Дельта «Т» – разница температур – величина, показывающая, на сколько градусов в помещении теплее, чем на улице;
    • «К» – коэффициент дисперсии (его еще называют «коэффициентом теплопередачи»).Значение взято из таблицы. Обычно число колеблется от 4 до 0,6.
    Примерные значения коэффициента дисперсии для упрощенного расчета
    • Если это недовольный металл или доска, то «К» будет = 3 – 4 единицы.
    • Одинарная кирпичная кладка и минимальная изоляция – «К» = от 2 до 3 до 3.
    • Стена в два кирпича, стандартное перекрытие, окна и
    • двери – «К» = от 1 до 2.
    • Самая теплая вариант.Стеклопакеты, кирпичные стены с двойным утеплителем и т. Д. – «К» = 0,6 – 0,9.

    Более точный расчет можно произвести, рассчитав точные размеры свойств поверхности домов в М2 (окна, двери и т. Д.), Произведя расчеты для них отдельно и сложив полученные показатели.

    Пример расчета тепловой мощности

    Возьмем некое помещение площадью 80 м2 с высотой потолка 2,5 м и посчитаем, какая мощность котла потребуется для его обогрева.

    Сначала посчитаем кубатуру: 80 х 2,5 = 200 м3. Наш дом утеплен, но недостаточно – коэффициент рассеивания 1,2.

    Морозы до -40 ° С, а в помещении хочу комфортных +22 градуса, перепад температур (Дельта “Т”) получается 62 ° С.

    Подставляем в формулу мощности тепловые потери численности и разворачиваемости:

    200 х 62 х 1,2 = 14880 ккал / ч.

    Полученные килокалории перевести в киловатты с помощью преобразователя:

    • 1 кВт = 860 ккал;
    • 14880 Ккал = 17302.3 Вт.

    Округлим в большую сторону с запасом, и понимаем, что в самый сильный мороз -40 градусов нам потребуется 18 кВт энергии в час.

    Умножаем периметр дома на высоту стен:

    (8 + 10) х 2 х 2,5 = 90 м2 поверхности стен + 80 м2 потолка = 170 м2 поверхности, контактирующей с холодом. Рассчитанные нами выше тепловые потери составили 18 кВт / ч, мы делим площадь дома на расчетную потребляемую энергию, которую теряет 1 м2 около 0.1 кВт или 100 Вт в час при температуре на -40 ° С, а в помещении +22 ° С.

    Эти данные могут быть основой для расчета необходимой толщины утеплителя на стенах.

    Приведем еще один пример расчета, в некоторых моментах более сложный, но более точный.

    Формула:

    Q = S X (Delta) T / R:

    • Q – искомая величина теплопотерь дома в ВТ;
    • S – площадь охлаждающих поверхностей в м2;
    • T- разница температур в градусах Цельсия;
    • R – тепловое сопротивление материала (M2 x K / W) (квадратные метры, умноженные на Кельвины и разделенные на Ватты).

    Итак, чтобы найти «q» того же дома, что и в примере выше, вычисляем площадь его поверхностей «S» (мы не будем рассматривать пол и окна).

    • «S» в нашем случае = 170 м2, из которых 80 м2 потолок и 90 м2 – стены;
    • Т = 62 ° С;
    • R-термическое сопротивление.

    Ищем “R” по таблице термического сопротивления или по формуле. Формула расчета коэффициента теплопроводности такая:

    R = H / K.Т. (N – толщина материала в метрах, К.Т. – коэффициент теплопроводности).

    В данном случае у дома стена из двух кирпичей толщиной 5 см, покрытая пеной толщиной 10 см. Потолок покрыт опилками толщиной 30 см.

    Система отопления частного дома должна быть устроена с учетом экономии затрат на электроэнергию. Расчет системы отопления частного дома, а также рекомендации по выбору котлов и радиаторов – читайте внимательно.

    Чем и как утеплить деревянный дом изнутри, вы узнаете, прочитав эту информацию. Выбор теплоизоляции и технологии утепления.

    Из таблицы коэффициентов теплопроводности (измеряется Вт / (M2 x K), ватты делятся на квадратный метр по Кельвину). Находим значения для каждого материала, они будут:

    • кирпич – 0,67;
    • пенопласт – 0,037;
    • пилы – 0,065.
    Подставляем данные в формулу (R = H / K.Т.):
    • R (потолок толщиной 30 см) = 0,3 / 0,065 = 4,6 (м2 х К) / Вт;
    • R (кирпичная стена 50 см) = 0,5 / 0,67 = 0,7 (М2 х К) / Вт;
    • R (Пенопласт 10 см) = 0,1 / 0,037 = 2,7 (М2 х К) / Вт;
    • R (стены) = R (кирпич) + R (пенопласт) = 0,7 + 2,7 = 3,4 (м2 х К) / Вт.

    Теперь можно перейти к расчету теплопотерь «Q»:

    • Q для потолка = 80 х 62 / 4,6 = 1078,2 Вт.
    • Q стенка = 90 х 62 / 3,4 = 1641.1 Вт.
    • Осталось сложить 1078,2 + 1641,1 и перевести в кВт, получается (если сразу округлить) 2,7 кВт энергии за 1 час.
    Можно обратить внимание на то, насколько сильно получилась разница в первом и втором случае, хотя объем домов и температура за окном в первом и втором случае были совершенно одинаковыми.

    Все дело в степени полезности домов (хотя, конечно, данные могли бы быть другие, если бы мы рассчитывали пол и окна).

    Заключение

    Приведенные выше формулы и примеры показывают, что при теплотехнических расчетах очень важно учитывать как можно больше факторов, влияющих на теплопотери. Сюда входит и вентиляция, и площадь окон, и степень их усталости и т.д.

    А подход, когда 1 кВт мощности котла берется на 10 м2 дома – слишком приблизительный, чтобы серьезно полагаться на него. Это.

    Видео по теме

    microklimat.pro.

    13 тепловой расчет

    10. Тепловой расчет.

    Конструкция МКС должна быть такой, чтобы выделяющееся при ее работе тепло не приводило в самых неблагоприятных условиях эксплуатации к выходу из строя элементов в результате перегрева. К основным тепловым элементам следует отнести в первую очередь резисторы, активные элементы и компоненты. Мощность, рассеиваемая конденсаторами и индукторами, мала. ЭМС с переключением пленок, благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок, способствует отводу тепла от наиболее нагретых элементов и выравниванию температуры карты GIS и кристалла полупроводниковой ИС.

    Рис. 10.1. Варианты крепления доски к корпусу.

    Тепловой расчет резисторов.

    Тепловое сопротивление резистора рассчитывается по формуле (10.1)

    P = 0,03 [Вт / см ° C] – коэффициент теплопроводности материала подложки;

    ΔP = 0,06 см – толщина доски.

    Rt = 0,06 / 0,03 = 2 см2 ∙ ° C / Вт

    Рассчитайте температуру пленочных резисторов по формуле

    PR – мощность, выделяемая на резисторе;

    SR – площадь, занимаемая резистором на плате;

    P0 – суммарная мощность, выделяемая всеми компонентами микросхемы;

    СП – Площадь пл.

    ПР = 0,43 МВт – мощность, выделяемая на резисторе;

    SR = 0,426мм2 – площадь, занимаемая резистором;

    Sn = 80 мм2 – план платы;

    Rt = 2 см2 ∙ ° C / Вт – тепловое сопротивление резистора;

    Tocr.Sr = 40С – максимальная температура окружающей среды;

    T = 125С = Максимально допустимая температура пленочных резисторов.

    TR = (0,43 ∙ 10-3 ∙ 200) /0,426+ (24,82 ∙ 10-3 ∙ 200) /80+40\u003d40,26 С

    Температура остальных резисторов рассчитывается аналогично с помощью MathCAD программа.Результаты расчетов представлены в Табл. 10.1

    Табл. 10.1.

    Из таблицы видно, что для всех пленочных резисторов соблюдается указанный тепловой режим.

    Тепловой расчет присоединяемого элемента.

    Термическое сопротивление рассчитаем по формуле:

    k = 0,003 [Вт / см ° C] – коэффициент теплопроводности клея;

    ΔK1 = 0,01 см – толщина клея.

    R = (0,06 / 0.03) + (0,01 / 0,003) = 5,33 см2 ∙ ° C / Вт

    Рассчитайте температуру присоединяемого элемента по формуле:

    Расчет транзистора Кт202а, VT14

    PNE = 2,6 МВт – мощность, выделяемая на транзистор;

    СНЭ = 0,49 мм2 – площадь, занимаемая транзистором;

    P0 = 24,82 МВт – мощность, выделяемая всеми компонентами платы;

    Sn = 80 мм2 – план платы;

    T0C = 40С – максимальная температура окружающей среды;

    T = 85С = Максимально допустимая температура транзистора.

    TNE = (2,6 ∙ 10-3 ∙ 533) /0,49+ (24,82 ∙ 10-3 ∙ 533) /80+40\u003d42,99

    Следовательно, указанный тепловой режим соблюдается.

    Температура остальных транзисторов рассчитывается аналогично с помощью программы MathCAD. Результаты расчетов представлены в таблице 10.2

    Таблица 10.2.

    Из таблицы видно, что для всех транзисторов соблюдается указанный тепловой режим. Следовательно, тепловой режим для всей схемы выполняется.

    studfiles.net.

    Тепловая мощность электрического тока и ее практическое применение

    Причина нагрева проводника заключается в том, что энергия движущегося в нем электрона (другими словами, энергия тока) при последовательном столкновении частиц с молекулярным Решетка ионы металлического элемента превращаются в теплый вид энергии, или q, формируется понятие «тепловая мощность».

    Текущая работа измеряется с использованием Международной системы System System с применением Джоули (Дж), текущая мощность определяется как «Ватт» (Вт).Отходя от системы на практике, могут применяться, помимо прочего, что генерируемые единицы измерения силы тока. Среди них ватт-час (Вт × ч), киловатт-час (сокращенно квт × час). Например, 1 Вт × ч обозначает текущую операцию с удельной мощностью 1 Вт и продолжительностью в один час.

    Если электроны движутся по фиксированному проводнику от металла, в этом случае вся полезная работа производимого тока распределяется на нагрев металлической конструкции и, исходя из положений закона сохранения энергии, это можно описать формулой Q = A = IUT = I2RT = (U2 / R) * t.Такие отношения с точностью выражают знаменитый закон Джоуля-Ленца. Исторически впервые его определил опытный ученый Д. Джоуль в середине 19 века, а вместе с тем, независимо от него, другой ученый – Э. Ленц. Практическое применение. Тепловая энергия найдена в техническом исполнении с изобретением в 1873 г. русского инженера А. Ладыгина обыкновенной детской лампы.

    Термический ток активируется в ряде электрических устройств и промышленных установок, а именно в термоизмерительных приборах, нагревательных типах электроплит, электросварочном и инвентарном оборудовании, очень распространены бытовые приборы на электрическом нагревании – варочные, паяльники и т. Д. чайники, утюг.

    Противостоит тепловому эффекту в пищевой промышленности. При большой доле использования используется возможность электроконтактного нагрева, что гарантирует тепловую мощность. Это обусловлено тем, что ток и его тепловая мощность, воздействуя на пищевой продукт, имеющий определенную степень сопротивления, вызывают в нем равномерный нагрев. Это можно привести как пример того, как делают колбасы: через специальный дозатор мясной начинки поступают металлические формы, стенки которых одновременно являются электродами.Обеспечивает постоянную равномерность нагрева по площади и объему продукта, поддерживается заданная температура, поддерживается оптимальная биологическая ценность пищевого продукта, вместе с этими факторами продолжительность технологических работ и энергозатраты остаются наименьшими. .

    Удельная тепловая мощность электрического тока (ω), другими словами, количество тепла, которое выделяется в единице объема за определенную единицу времени, рассчитывается следующим образом.Элементарный цилиндрический проводник (ДВ), с поперечным сечением проводимости DS, длиной DL, параллельной направлению тока, и сопротивлением выражается уравнениями R = P (DL / DS), DV = DSDL.

    Согласно определениям закона Джоуля-Ленца, за отведенное время (DT) будет различаться уровень тепла, равный DQ = I2RDT = P (DL / DS) (JDS) 2DT = PJ2DVDT. В этом случае Ω = (DQ) / (DVDT) = PJ2 и, применив закон ОЛО для установления плотности тока j = Γe и отношения p = 1 / γ, сразу получаем выражение ω = je = γe2.Он дает понятие закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

    fB.ru.

    Embedder page »Тепловые расчеты

    Все электронные компоненты выделены тепловыделением, поэтому возможность рассчитать радиаторы, чтобы не налетать в атаку на пару порядков очень пригодится любому электрону.

    Тепловые расчеты очень просты и имеют много общего с расчетами электронных схем. Вот посмотрите на обычную проблему теплового расчета, с которой я только что столкнулся

    Задача

    Нужно выбрать радиатор для линейного стабилизатора на 5 вольт, который питается максимум от 12 вольт и дает 0.5а. Максимальная выделяемая мощность составляет (12-5) * 0,5 = 3,5Вт

    Погружение в теорию

    Чтобы не производить сущностей, люди почесали клеща и поняли, что тепло очень похоже на электрический ток, а для теплового при расчетах можно использовать обычный закон Ома, только

      Напряжение (U) заменяется температурой (t)

      Ток (I) заменяется мощностью (P)

      Сопротивление заменяется тепловым сопротивлением. Обычное сопротивление имеет размерность вольт / ампер, а нагрев –

      ° C / ватт.

    В результате закон ОМА заменяется его тепловым аналогом:

    Небольшое замечание – чтобы обозначить, что имеется в виду тепловое (а не электрическое) сопротивление, к букве R добавьте букву: на клавиатуре у меня есть такая буква, а копировать из таблицы символов лень, поэтому буду использовать букву R.

    Продолжить

    Нагрев выделяется в кристалле стабилизатора, и наша цель не допустить его перегрева (не допустить перегрева кристалла, а не корпуса, это важно!).

    До какой температуры можно нагревать кристалл, написано в даташите:

    Обычно предельная температура кристалла называется Tj (j = junction = переход – термочувствительные внутренности микросхем в основном состоят из PN переходов.Можно считать, что температура перехода равна температуре кристалла)

    Без радиатора

    Тепловая схема выглядит очень просто:

    Специально для случаев использования корпуса без радиатора термостойкость кристалла -атмосфера (RJ-a) записана в даташитах (RJ-A) (какой J вы уже знаете, a = ambient = environment)

    Обратите внимание, что температура «земли» не равна нулю, а равна до температуры окружающей среды (TA).Температура воздуха зависит от того, в каких условиях находится радиатор, если он на улице, можно поставить Ta = 40 ° С, а если в закрытом ящике, то температура может быть значительно выше!

    Запишем по тепловому закону Ома: TJ = P * RJ-A + TA. Подставляем p = 3,5, rj-a = 65, получаем TJ = 227,5 + 40 = 267,5 ° С. Мультимито, однако!

    Цепляем радиатор

    Тепловая схема нашего примера со стабилизатором на радиаторе принимает вид:

    • RJ-C – сопротивление от кристалла до радиатора корпуса (C = CASE = футляр).Приведено в даташете. В нашем случае – 5 ° C / Вт – из техпаспорта
    • RC-R – это сопротивление корпуса радиатора. Не все так просто. Это сопротивление зависит от того, что находится между корпусом и радиатором. Например, силиконовая прокладка имеет коэффициент теплопроводности 1-2 Вт / (М * ° С), а паста ПТТ-8 – 0,75 Вт / (М * ° С). Тепловое сопротивление можно получить из коэффициента теплопроводности по формуле:

      R = толщина прокладки / (коэффициент теплопроводности * площадь одной стороны прокладки)

      Часто RC-R можно вообще игнорировать.Например, в нашем случае (мы используем корпус ТО220, с пастой ППТ-8 средняя глубина снимаемой пасты с потолка составляет 0,05 мм). Суммарный RC-R = 0,5 ° С / Вт. При мощности 3,5Вт разница температуры корпуса стабилизатора и радиатора составляет 1,75 Градуса. Это не много. Для нашего примера возьмем RC-R = 2 ° C / Вт

    • RR-A – тепловое сопротивление между радиатором и атмосферой. Определяется геометрией радиатора, наличием обдува и массой других факторов.Этот параметр гораздо проще измерить, чем рассчитать (см. В конце статьи). Например – RR-C = 12,5 ° C / W

      Ta = 40 ° C – здесь мы оцениваем, что температура атмосферы редко бывает выше, для точности можно принять 50 градусов.

    Подставляем все эти данные в закон Ома, и получаем TJ = 3,5 * (5 + 2 + 12,5) + 40 = 108,25 ° C

    Это существенно меньше предела 150 ° C. Такой радиатор может быть использован.При этом кожух радиатора будет теплым до Тс = 3,5 * 12,5 + 40 = 83,75 ° С. Такая температура уже способна размягчить некоторые пластики, поэтому нужно быть осторожным.

    Измерение сопротивления радиатор-атмосфера.

    Скорее у вас уже есть куча радиаторов, которые можно использовать. Тепловое сопротивление измеряется очень легко. Это нужно для сопротивления и питания.

    Устойчивость к царапинам на радиаторе с помощью терморегулятора:

    Подключаем блок питания, и выставляем напряжение так, чтобы на сопротивлении выделялась некоторая мощность.Лучше конечно прогреть радиатор с той мощностью, которую он развеет в конечном устройстве (а в том положении, в котором он будет, это важно!). Я обычно оставляю такую ​​конструкцию на полчаса, чтобы она хорошо согревала.

    После замера температуры можно рассчитать тепловое сопротивление

    RR-A = (T-TA) / P. Например, у меня радиатор прогрелся до 81 градуса, а температура воздуха 31 градус. Таким образом, RR-a = 50/4 = 12,5 ° С / Вт.

    Накидка области радиатора

    В старинном справочнике радиолюбителей была внесена таблица, по которой можно было оценить площадь радиатора.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.