Мощность тока. закон джоуля-ленца

Рассмотрим произвольный участок цепи постоянного тока, к концам которого приложено напряжение U. За время t через каждое сечение проводника проходит заряд q=I*t . Это равносильно тому, что заряд q переносится за время t из одного конца проводника в другой.

При этом силы электростатического поля и сторонние силы, действующие на данном участке, совершают работу A=q*U=I*U*t. Разделив работу на время t, за которое она совершается, получим мощность, развиваемую током на рассматриваемом участке .P=I*U

Эта мощность может расходоваться на совершение работы над внешними телами; на протекание химических реакций; на нагревание данного участка цепи и др.

В случае, когда проводник неподвижен и химических превращений в нем не совершается, работа тока затрачивается на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается. Принято говорить, что при протекании тока в проводнике выделяется тепло

Q=I*U*t=I²*R*t

Это соотношение называется законом Джоуля - Ленца. Оно было экспериментально установлено английским физиком Д. П. Джоулем и подтверждено точными опытами Э. Х. Ленца.

Если сила тока изменяется со временем, то количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время t, вычисляется по формуле

От формулы (4.1), можно перейти к выражению, характеризующему выделение тепла в различных точках проводника. Выделим в проводнике элементарный объем в виде цилиндра. Согласно закону Джоуля - Ленца, за время dt, в этом объеме выделится количество теплоты

где - dV элементарный объем. Разделив это выражение на dV и dt, найдем количество теплоты, выделяющееся в единице объема в единицу времени:

Величину называют удельной тепловой мощностью тока. Эта формула представляет собой дифференциальную форму закона Джоуля - Ленца.

ВОПРОС №32

Электрический ток в металлах

Элек­тро­ны, пе­ре­ска­ки­вая от од­но­го атома к дру­го­му, дви­жут­ся в том на­прав­ле­нии, куда им ука­зы­ва­ет элек­три­че­ское поле. Это дви­же­ние и на­зы­ва­ет­ся элек­три­че­ским током в ме­тал­лах.

Мы знаем, что элек­три­че­ский ток – это на­прав­лен­ное, упо­ря­до­чен­ное дви­же­ние за­ря­жен­ных ча­стиц. В ме­тал­лах в роли дви­жу­щих­ся за­ря­жен­ных ча­стиц вы­сту­па­ют элек­тро­ны. В дру­гих ве­ще­ствах это могут быть ионы или ионы и элек­тро­ны.

Дви­же­ние за­ря­жен­ных ча­стиц (в ме­тал­лах – элек­тро­нов) про­ис­хо­дит очень мед­лен­но (доли мил­ли­мет­ров в се­кун­ду). Воз­ни­ка­ет во­прос: по­че­му же, когда мы на­жи­ма­ем на вы­клю­ча­тель, лам­поч­ка за­го­ра­ет­ся прак­ти­че­ски мгно­вен­но?

Дело в том, что внут­ри про­вод­ни­ков с огром­ной ско­ро­стью (со ско­ро­стью света – при­бли­зи­тель­но 300 000 ки­ло­мет­ров в се­кун­ду) рас­про­стра­ня­ет­ся элек­три­че­ское поле.

При за­мы­ка­нии цепи поле рас­про­стра­ня­ет­ся прак­ти­че­ски мгно­вен­но. А уже вслед за полем на­чи­на­ют мед­лен­но дви­гать­ся элек­тро­ны, при­чём сразу по всей цепи. Эту си­ту­а­цию можно срав­нить с дви­же­ни­ем воды в во­до­про­во­де. Воду за­став­ля­ет дви­гать­ся дав­ле­ние в тру­бах, ко­то­рое при от­кры­тии крана рас­про­стра­ня­ет­ся прак­ти­че­ски мгно­вен­но, за­став­ляя «бли­жай­шую» к крану воду вы­ли­вать­ся. При этом по тру­бам дви­жет­ся вся вода под этим самым дав­ле­ни­ем. По­лу­ча­ет­ся, что дав­ле­ние – это ана­лог элек­три­че­ско­го поля, а вода – ана­лог элек­тро­нов. Как толь­ко пре­кра­ща­ет­ся дей­ствие элек­три­че­ско­го поля, сразу пре­кра­ща­ет­ся упо­ря­до­чен­ное дви­же­ние элек­три­че­ских за­ря­дов.

ВОПРОС№33

Ток в Жидкостях

Жидкости, как и любые другие вещества, могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Например, дистиллированная вода будет являться диэлектриком, а растворы и расплавы электролитов будут являться проводниками. Полупроводниками будут являться, например, расплавленный селен или расплавы сульфидов.

Ионная проводимость

Электролитическая диссоциация - это процесс распадения молекул электролитов на ионы под действием электрического поля полярных молекул воды. Степенью диссоциации называется доля молекул распавшихся на ионы в растворенном веществе.

Степень диссоциации будет зависеть от различных факторов: температура, концентрация раствора, свойства растворителя. При увеличении температуры, степень диссоциации тоже будет увеличиваться.

После того как молекулы разделились на ионы, они движутся хаотично. При этом два иона разных знаков могут рекомбинироваться, то есть снова объединиться в нейтральные молекулы. При отсутствии внешних изменений в растворе должно установиться динамическое равновесие. При нем число молекул которое распалось на ионы за единицу времени, будет равняться числу молекул, которые снова объединятся.

Носителями зарядов в водных растворах и расплавах электролитов будут являться ионы. Если сосуд с раствором или расплавом включить в цепь, то положительно заряженные ионы начнут двигаться к катоду, а отрицательные – к аноду. В результате этого движения возникнет электрический ток. Данный вид проводимости называют ионной проводимостью.

Помимо ионной проводимости в жидкостях может обладать и электронной проводимостью. Такой тип проводимости свойственен, например, жидким металлам. Как отмечалось выше, при ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества.

Электролиз

Вещества которые входят в состав электролитов, будут оседать на электродах. Этот процесс называется в электролизом. Электролиз – процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями.

Электролиз нашел широкое применение в физике и технике. С помощью электролиза поверхность одного металла покрывают тонким слоем другого металла. Например, хромирование и никелирование.

С помощью электролиза можно получить копию с рельефной поверхности. Для этого необходимо, чтобы слой металла, который осядет на поверхности электрода, легко можно было снять. Для этого иногда на поверхность наносят графит.

Процесс получения таких легко отслаиваемых покрытий получил название гальвано-пластика. Этим метод разработал русский ученый Борис Якоби при изготовлении полых фигур для Исаакиевского собора с Санкт-Петербурге.

Еще одним способом применения электролиза является получение чистого металла из примесей. С помощью электролиза изготавливают печатные платы для различных цифровых устройств.

ВОПРОС №34

Ионизация газа

Элек­три­че­ский ток в газах, как и ток в любой дру­гой среде, тре­бу­ет на­ли­чия сво­бод­ных элек­три­че­ских за­ря­дов. В нор­маль­ном со­сто­я­нии газа таких за­ря­дов там нет, по­это­му их необ­хо­ди­мо со­здать ис­кус­ствен­но. Су­ще­ству­ет два спо­со­ба это сде­лать. Пер­вый – это рас­ще­пить ней­траль­ные атомы газа на элек­тро­ны и по­ло­жи­тель­ные ионы. Вто­рой – при­вне­сти в газ эти сво­бод­ные но­си­те­ли извне. Как пра­ви­ло, при­ме­ня­ет­ся спо­соб иони­за­ции.

Опре­де­ле­ние. Иони­за­ция – про­цесс рас­щеп­ле­ния ней­траль­ных мо­ле­кул на ионы и элек­тро­ны. Для про­те­ка­ния про­цес­са иони­за­ции необ­хо­ди­мо ка­ким-ли­бо спо­со­бом при­дать ча­сти­цам до­пол­ни­тель­ную энер­гию, чтобы они смог­ли разо­рвать внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ные связи. Для этого ис­поль­зу­ет­ся либо неко­то­рое из­лу­че­ние (на­при­мер све­то­вое), либо на­гре­ва­ние. После иони­за­ции газа, если при­ло­жить неко­то­рую раз­ность по­тен­ци­а­лов, раз­но­имен­но за­ря­жен­ные ча­сти­цы нач­нут дви­же­ние в про­ти­во­по­лож­ных на­прав­ле­ни­ях, что будет озна­чать про­те­ка­ние тока.

Про­цесс иони­за­ции про­ис­хо­дит слож­ным об­ра­зом: в ре­зуль­та­те него об­ра­зу­ют­ся как по­ло­жи­тель­ные ионы, так и от­ри­ца­тель­ные ионы, так и сво­бод­ные элек­тро­ны. Про­во­ди­мость газов – ион­ная.

Газовый разряд

Про­те­ка­ние тока в газах – ско­ро­теч­ное дви­же­ние боль­шо­го ко­ли­че­ства ионов между элек­тро­да­ми. Такое про­те­ка­ние тока на­зы­ва­ет­ся га­зо­вым раз­ря­дом. В слу­чае, если такой ток будет слиш­ком мал и его можно за­сечь толь­ко очень точ­ны­ми при­бо­ра­ми, такой раз­ряд на­зы­ва­ет­ся тихим.

Элек­три­че­ские раз­ря­ды в газе можно раз­де­лить на два вида: са­мо­сто­я­тель­ные и неса­мо­сто­я­тель­ные. Неса­мо­сто­я­тель­ные раз­ря­ды – раз­ря­ды, ко­то­рые про­ис­хо­дят толь­ко при на­ли­чии внеш­не­го иони­за­то­ра и пре­кра­ща­ют­ся при его устра­не­нии. Са­мо­сто­я­тель­ные раз­ря­ды – раз­ря­ды, про­ис­хо­дя­щие и при от­сут­ствии иони­за­то­ров. При­ме­ром са­мо­сто­я­тель­но­го раз­ря­да яв­ля­ет­ся ша­ро­вая мол­ния (рис. 1).

Рис. 1. Ша­ро­вая мол­ния (Ис­точ­ник)

Применение газового разряда

Самым рас­про­стра­нен­ным при­ме­не­ни­ем га­зо­во­го раз­ря­да в тех­ни­ке яв­ля­ет­ся элек­три­че­ская дуга, ко­то­рая ис­поль­зу­ет­ся для элек­тро­свар­ки и осве­ще­ния (рис. 6).

Рис. 6. Элек­три­че­ская дуга

Впер­вые элек­три­че­ская дуга была по­лу­че­на в 1802 году рус­ским фи­зи­ком Пет­ро­вым, а пер­вое осве­ще­ние улиц с по­мо­щью ду­го­вых ламп было пред­ло­же­но и спро­ек­ти­ро­ва­но рус­ским ин­же­не­ром Яб­лоч­ко­вым (рис. 7).

ВОПРОС №59