Физика · конспекты
★0
Физика › 8 класс › Электрические явления

Тема 45Закон Джоуля — Ленца

★★★
Термины темы — найди их в тексте:Джеймс ДжоульЭмилий Христианович Ленцпоследовательномбо́льшимпараллельномменьшим

Одно из главных действий тока — тепловое. От чего зависит, сколько теплоты выделит проводник?

Закон Джоуля — Ленца

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени:

Q=I2 R tQ=I^2\,R\,t

Закон в 1841–1842 гг. независимо открыли английский физик Джеймс Джоуль и российский академик Эмилий Христианович Ленц.

Почему так?

Свободные электроны, разогнанные полем, сталкиваются с ионами кристаллической решётки и передают им энергию. Ионы колеблются сильнее — проводник нагревается.

Столкновения электронов с ионами решётки нагревают проводник
Столкновения электронов с ионами решётки нагревают проводник Иллюстрация: light-fizika.ru

Откуда берётся формула

Работа тока A=UItA=UIt. По закону Ома U=IRU=IR. Если вся работа идёт на нагревание проводника, то

Q=A=I⋅R⋅I⋅t=I2RtQ=A=I\cdot R\cdot I\cdot t=I^2Rt

С помощью закона Ома можно записать и так: Q=UIt=U2R tQ=UIt=\dfrac{U^2}{R}\,t.

Какой проводник греется сильнее
  • При последовательном соединении ток одинаков, и больше теплоты выделяется в проводнике с бо́льшим сопротивлением (Q=I2RtQ=I^2Rt).
  • При параллельном соединении одинаково напряжение, и больше теплоты выделяется в проводнике с меньшим сопротивлением (Q=U2RtQ=\frac{U^2}{R}t).
Образ для запоминания

Ток в формуле — в квадрате: увеличил ток вдвое — тепла стало вчетверо больше. Поэтому перегрузка так опасна для проводов.

⚗ Мини-опыт

Меняйте силу тока, сопротивление и время. Во сколько раз больше теплоты выделится, если увеличить ток вдвое? А сопротивление вдвое? Нагрейте стакан воды на 10 °C быстрее всего.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Как изменится количество теплоты, если силу тока увеличить в 2 раза?
Q∼I2Q\sim I^2.
2Почему провода, ведущие к чайнику, почти не нагреваются, а его спираль раскаляется?
Ток одинаков (последовательное соединение), Q∼RQ\sim R.
3В каком проводнике при параллельном соединении выделится больше теплоты?
Q=U2RtQ=\dfrac{U^2}{R}t при одинаковом UU.

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

  1. Какое количество теплоты выделит проводник сопротивлением 10 Ом за 30 с при силе тока 2 А?

    Ответ

    Q=22⋅10⋅30=1200Q=2^2\cdot10\cdot30=1200 Дж.

    Как получилось?

  2. Сила тока в проводнике увеличилась в 2 раза. Как изменилось количество выделяющейся теплоты?

    Ответ

    Увеличилось в 4 раза.

    Как получилось?

  3. Сколько теплоты выделит резистор 20 Ом за 1 мин при силе тока 0,5 А?

    Ответ

    Q=0,25⋅20⋅60=300Q=0{,}25\cdot20\cdot60=300 Дж.

    Как получилось?

  4. Сколько теплоты выделится за 1 ч в проводе сопротивлением 0,5 Ом при силе тока 10 А?

    Ответ

    Q=100⋅0,5⋅3600=180 000Q=100\cdot0{,}5\cdot3600=180\,000 Дж =180=180 кДж.

    Как получилось?

  5. Почему подводящие провода почти не нагреваются, а спираль плитки раскаляется?

    Ответ

    Ток в них одинаковый, а сопротивление проводов намного меньше.

    Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

  1. Кипятильник сопротивлением 48,4 Ом включён в сеть 220 В. За какое время он нагреет 1 кг воды от 20 ∘C20\,{}^\circ\text{C} до 100 ∘C100\,{}^\circ\text{C}, если потерь нет?

    Ответ

    P=220248,4=1000P=\dfrac{220^2}{48{,}4}=1000 Вт; Q=4200⋅1⋅80=336 000Q=4200\cdot1\cdot80=336\,000 Дж; t=336 0001000=336t=\dfrac{336\,000}{1000}=336 с ≈5,6\approx5{,}6 мин.

    Как получилось?

  2. Проволоки сопротивлением 2 Ом и 4 Ом соединены последовательно. В какой выделится больше теплоты и во сколько раз?

    Ответ

    Ток одинаков — во второй (4 Ом) в 2 раза больше.

    Как получилось?

  3. Те же проволоки соединили параллельно. В какой теперь выделится больше теплоты и во сколько раз?

    Ответ

    Напряжение одинаково, Q∼1RQ\sim\dfrac1R — в первой (2 Ом) в 2 раза больше.

    Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Закон Джоуля — Ленца
Q=I2RtQ=I^2Rt
Другие формы закона
Q=UIt=U2RtQ=UIt=\dfrac{U^2}{R}t
Причина нагрева проводника
Столкновения электронов с ионами решётки.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.