Застосування теплової дії струму.

В даній лабораторній роботі вода в термостаті нагрівається електричним нагрівачем. Тому доречно було би вияснити, чому при протіканні струму через провідник виділяється тепло.

Як відомо, постійний струм в металі – це впорядкований рух електронів зі сталою середньою швидкістю. Для підтримання сталого струму до провідника прикладається напруга, що створює всередині провідника електричне поле. Під дією поля електрони прискорюються, так що, здавалося б, їх швидкість не може лишатись сталою. Отже, для того, щоб рух електронів був в середньому рівномірним, мають існувати і сили гальмування. В металах механізмом гальмування електронів є їх зіткнення з іншими електронами, з іонами кристалічної решітки, а також з домішковими атомами. При таких зіткненнях електрон передає частину кінетичної енергії, отриманої внаслідок прискорення електричним полем джерела, іншим електронам та іонам. При цьому середня енергія електрона підтримується сталою, а іони, отримавши додаткову кінетичну енергію, збільшують амплітуду хаотичних теплових коливань. Таким чином, електрична енергія перетворюється в тепло.

Досліджуючи експериментально, як залежить опір нерухомого металічного провідника від температури, російський фізик Е.Ленц (1804 – 1865) та англійський фізик Д.Джоуль (1818 – 1889) встановили, що кількість теплоти , що виділяється в провіднику при проходженні через нього електричного струму, прямо пропорційна опору провідника , квадрату сили струму та часу, протягом якого підтримується струм в провіднику (закон Джоуля – Ленца):

(12)

Робота, яка виконується при проходженні струму через ділянку електричного кола з напругою за час t:

(13)

Потужність струму P = A / t = IU, врахувавши, що , виражається як:

(Вт). (14)

Потужність вимірюється в ватах (Вт), 1 Вт = 1 Дж/с. В електротехніці одиницею

роботи електричного струму є кіловат-година (кВт*година) – робота, що виконується струмом потужністю 1 кВт за 1 годину, тобто 1 кВт*год=3600 кДж.

Якщо струм тече через нерухомий металічний провідник, то вся робота перетворюється в теплоту, , і отримуємо формулу (12) – закон Джоуля-Ленца.

Якщо ж струм, що тече через провідник, крім нагрівання, виконує механічну роботу (двигун), то робота тільки частково переходить в теплоту, частина витрачається на механічну роботу. Між тим, теплова частина визначається згідно з законом Джоуля–Ленца, який виконується в усіх випадках.

Мал.3. Контактне зварювання; 1 – товста мідна пластина, 2 – мідний загострений стержень великого перетину, 3 і 4 – деталі, що зварюються.

В сучасній техніці широко використовується теплова дія струму. Якщо опір проводів набагато менший, ніж опір деякої ділянки електричного кола, то на цій ділянці виділяється практично все тепло. Наприклад, опір електричних лампочок і нагрівальних приладів набагато більший, ніж опір з’єднуючих їх з джерелом живлення проводів, тому все тепло виділяється на лампочках і нагрівниках. Для зварювання металів з великим питомим опором (молібден, нікель, тантал) застосовується контактне електрозварювання (див мал. 3).

Майже весь опір зосереджений в місці контакту деталей, бо вони мають великий питомий опір і площа контакту мала. При великих струмах (сотні і тисячі ампер) деталі розжарюються і зварюються. В той же час мідні електроди, питомий опір яких малий а площа перетину велика, майже не нагріваються.