Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля–Ленца

Мы уже упоминали о том, что со временем электрический ток нагревает провода. Чтобы объяснить это явление нам нужно вспомнить, что мы знаем о внутренней энергии тела и об электрическом токе. Под словом «нагревание» мы подразумеваем повышение температуры. А температура — это мера средней кинетической энергии молекул тела. Эта энергия увеличивается в результате интенсивного движения свободных электронов под действием электрического поля.

Итак, электрический ток совершает работу, при этом нагревая проводник. Проводя серию опытов, Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц доказали, что в неподвижных проводниках вся работа электрического тока идет на нагревание проводника.

Из этого мы можем сделать вывод, что количество теплоты, выделяемое проводником, равно работе электрического тока. Это и есть закон Джоуля-Ленца:

Исходя из этого закона, давайте подумаем, как делаются нагревательные элементы. Мы уже говорили, что производители подстраиваются под стандартное напряжение, поэтому регулировать количество теплоты можно только с помощью регулирования силы тока или сопротивления. Мы видим, что чем больше сопротивление, тем больше выделяемое количество теплоты. Однако, нельзя забывать, что большое сопротивление уменьшает силу тока. К тому же, количество теплоты прямо пропорционально сопротивлению, но, при этом, пропорционально квадрату силы тока. С другой стороны, слишком большой ток может перегреть провода. Поэтому, тут нужно найти так называемую, «золотую середину».

Рассмотрим конкретный пример. Мы подключаем обогреватель к сети с помощью провода.

Поскольку это является последовательным соединением, то и по проводу, и по спирали обогревателя будет проходить одинаковый ток. Поэтому нам нужно сделать так, чтобы сопротивление спирали было значительно больше сопротивления провода. Как мы помним, для достижения этой цели, нам надо либо сделать спираль очень тонкой и длинной, либо сделать её из материала с большим удельным сопротивлением. Также, нельзя забывать, что нагревательный элемент должен выдерживать высокие температуры, иначе он может просто расплавиться при длительной работе.

Примеры решения задач.

Задача 1. Нужно, чтобы нагревательный элемент выделял 11 МДж теплоты за 1 час. Длина провода 2 м, а площадь сечения 1 мм². Провод перегревается, если за час получает 72 кДж теплоты. Какой длины должна быть нихромовая проволока с площадью сечения 1 мм²?

Нарисуем соответствующую схему. На ней четко разделено сопротивление спирали и сопротивление самого обогревателя, не нужно их путать. В задаче не требуется найти сопротивление самого прибора, но ради интереса мы легко можем это сделать потом.

Задача 2. Спираль рефлектора, подключенного к стандартной розетке, за 2 ч выделила 8 МДж теплоты. Какова сила тока в этой спирали?