Тепловое действие тока
Прохождение тока через проводник вызывает его нагрев. Это явление широко используется в различных областях. Например, всем хорошо знакомы такие бытовые приборы, как лампа накаливания, электрокипятильник, электрочайник, электрообогреватель, паяльник, утюг и другие приборы.
Также часто можно замечать, что провода, идущие к какому-то мощному электроприбору, нагреваются. Нагреваются и другие устройства, например, телевизоры, компьютеры и т.д.
Тепловое действие тока может быть как полезным (например в случае кипятильника или обогревателя), так и вредным (в случае нагрева проводов). Поэтому необходимо знать, сколько тепла выделяется в том или ином случае, чтобы создать наиболее эффективное нагревающее устройство или, наоборот, избежать чрезмерного нагрева.
Единицей количества теплоты является 1 Джоуль (иногда используют другую единицу – калорию). Количество теплоты, выделившееся на проводнике можно рассчитать по следующей формуле:
Где P – мощность, выраженная в Ваттах, t – время, выраженное в секундах, Q – количество тепла, выраженное в Джоулях.
Пример. Пусть обогреватель, имеющий мощность 1000 Ватт, работает в течение 1 часа (в одном часе 3600 секунд). Вычислим, сколько тепла выделится на этом обогревателе. Подставив имеющиеся данные в вышеприведённую формулу, получим: Q=Pt=1000*3600=3600000 Джоулей или 3,6 МегаДжоуля (МДж).
Можно вычислить на сколько градусов повысится температура воды в электрочайнике, имеющего нагревательный элемент определённой мощности и включённого в течение определённого времени.
Число градусов Цельсия, на которое повысится температура вещества, выражается по следующей формуле:
где С – теплоёмкость. Для воды С=4200 Дж/кг*градус. m – масса вещества в килограммах.
Пример. Пусть электрочайник имеет мощность 2000 Ватт. В него налито 2 литра (2 кг) воды. Вычислим на сколько градусов Цельсия поднимется температура воды в чайнике, если он будет включён в течении 5 минут (300 секунд).
Решение. За 5 минут (300 секунд) нагревательный элемент выделит количество теплоты, равное Q=Pt=2000*300=600000 Дж. Это тепло передано двум литрам воды, следовательно, повышение температуры воды составит:
Итак, нам известна формула для расчета количества теплоты:
где P – мощность. Нам также известна формула для расчёта мощности:
где I –ток, U – напряжение. По закону Ома U=IR, где R – сопротивление, поэтому
Следовательно, формулу для расчёта количества теплоты можно записать следующим образом:
Таким образом, зная, какой ток течёт через проводник, сопротивление проводника и время, в течение которого протекал ток, можно вычислить количество теплоты, выделившееся на проводнике.
Пример. Пусть имеется два резистора, соединённых последовательно. Через них течёт один и тот же ток, пускай 0,1 Ампера. Допустим, что сопротивление одного резистора 10 Ом, а другого 1000 Ом (Рис.1). Вычислим, сколько тепла выделилось на резисторах, если через них протекал ток в течение 1 минуты.
Рис. 1
Из расчётов видно, что сильнее нагревается тот проводник, сопротивление которого больше.
Разные провода имеют разное сопротивление. Оно зависит от толщины провода.
Пусть вам понадобилось увеличить длину провода, при помощи которого утюг включается в сеть. Для этого вы можете воспользоваться удлинителем. Очень часто старые удлинители имеют относительно тонкий провод (тоньше, чем провод утюга), поэтому сопротивление провода удлинителя будет больше, чем сопротивление провода утюга. Значит, существует опасность, что провод удлинителя будет чрезмерно нагреваться, что может привести к замыканию или пожару.
Следовательно, мощные электроприборы, необходимо подключать к сети только при помощи провода достаточной толщины. Если провод слишком тонкий он может загореться.
На вилках и розетках всегда пишется, какой максимальный ток может через них течь. Старые розетки могут выдержать ток не более 6 Ампер. Некоторые современные приборы потребляют значительно больше. Например, через чайник мощностью 2200 Ватт течёт ток 10 Ампер. Поэтому его ни в коем случае не следует подключать в старые розетки, даже через переходник!