Подготовьтесь к сдаче ЕГЭ интересно и эффективно!
Количество теплоты в электрической цепи: формула выделения теплоты
1561

Количество теплоты в электрической цепи: формула выделения теплоты

Содержание:





Эмилий Ленц – российский физик XIX века, вышедший из балтийских немцев, с английским коллегой Джеймсом Джоулем опытным путём установили зависимость количества выделяемой проводником тепловой энергии от его параметров. На интенсивность нагрева влияют: сила тока, время его протекания, сопротивление материала. Рассмотрим, по какой формуле вычисляется количество теплоты на резисторе, участке цепи. 

Формула выделения теплоты

Ленц с Джоулем выяснили: количество генерируемой проводником с током тепловой энергии прямо пропорционально квадрату протекающего через него тока, времени его прохождения и сопротивлению материала. Формула количества теплоты в электрической цепи называется законом Джоуля-Ленца:

Q = I2Rt; где:

  • Q измеряется в Джоулях (Дж);

  • I – сила электричества (А);

  • R – сопротивление участка цепи (Ом);

  • t – время пропускания тока (с).

Для подтверждения закона Джоуля-Ленца используют калориметр. В него помещают проводник с известным сопротивлением, пропускают по нему определённой ток на протяжении времени t. Выделенное тепло определяется благодаря формуле теплового баланса, применяемой при калориметрических измерениях.

Прибегнув к закону Ома, выразим ток через сопротивление и напряжение: 

I= U / R.

После упрощения получим уравнение:

Q = U2 / Rt.

Полученные формулы позволяют вычислять нагрев отдельных участков цепи, подключённых параллельно либо последовательно. В первом случае компоненты схемы пропускают различный ток, напряжение на их клеммах одинаково. Целесообразно пользоваться формулой Q = (U2 * R ) / t: количество тепловой энергии обратно пропорционально сопротивлению компонентов.

Во втором случае через компоненты схемы протекает одинаковый ток, поэтому генерируемое ими тепло зависит от электрического сопротивления материалов, из которых те изготовлены. Для расчётов актуальна формула: Q = I2Rt.



Снижение потерь

При передаче электрической энергии от источника её генерации – тепловой, атомной, гидроэлектростанции или экологичных установок вроде солнечных батарей она частично превращается в тепло, уходит в атмосферу – проводник греется из-за оказываемого на движущиеся заряды сопротивления. За эти потери платит потребитель. Для их снижения, исходя из формулы Q = I2Rt, можно:
  • Снизить сопротивление проводников – вместо распространённого алюминия использовать медь, серебро, иной материал с высшей за Al проводимостью. В достаточном количестве названных металлов для проводки ЛЭП на тысячи километров не раздобыть.

  • Уменьшить время прохождения тока – невозможно, потребитель должен получать электроэнергию непрерывно.

  • Понизить электрический ток – единственное практичное решение с учётом квадратичной зависимости. 

Не зря на дальние расстояния электричество транспортируется с низким током, но под высоким напряжением: 110, 220 и более кВ. При таком потенциале длина линии может достигать 150 и 250 км соответственно. Повышают и понижают напряжение трансформаторы. 



Задача

Вычислить тепловую энергию, выделяемую нагревательным элементом с сопротивлением 250 Ом за 20 минут. Через спираль протекает ток силой 1,2 А.

Воспользуемся формулой вычисления количества выделенной электричеством теплоты: Q = I2Rt.

Минуты переведём в секунды: 20 * 60 = 1200 с.

Q = I2Rt = 1,22 * 250 * 1200 = 432 кДж.

Ответ: Q = 432 кДж.

Поделитесь в социальных сетях:
24 октября 2021, 20:59


Как вы считаете, материал был полезен?

Для оценки комментариев необходимо «войти на сайт».