Audytor.ru

Теплоснабжение "Аудитор"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Презентация на тему; Решение задач на расчет работы и мощности электрического тока, тепловое действие тока

Презентация на тему «Решение задач на расчет работы и мощности электрического тока, тепловое действие тока» по физике. Состоит из 17 слайдов. Размер файла 0.38 Мб. Каталог презентаций в формате powerpoint. Можно бесплатно скачать материал к себе на компьютер или смотреть его онлайн с анимацией.

Презентация: Решение задач на расчет работы и мощности электрического тока, тепловое действие тока

Решение задач на расчет работы и мощности электрического тока,тепловое действие тока

Слайд 2

Решая задачи на расчет работы и мощности электрического тока необходимо помнить:

Формулы работы и мощности электрического тока. Закон Джоуля-Ленца. Закон сохранения энергии. Закономерности последовательного и параллельного соединения проводников. Зависимость сопротивления от материала и размеров. Формулы для расчета количества теплоты в различных процессах.

Слайд 3

Задача № 1. Условие

В электрической цепи, схема которой изображена на рисунке, резисторы имеют сопротивления: R1=1 Ом, R2=2Ом, R3=2Ом, R4=4Ом. На каком резисторе выделяется большая тепловая мощность? R1 R2 R3 R4 Обратите внимание! Нам не дано напряжение или сила тока. Значит, нас не спрашивают о том, ЧЕМУ РАВНА мощность. Требуется только ответить на вопрос, на каком резисторе тепловая мощность будет максимальной. Как Вам кажется: на каком резисторе мощность будет больше? Давайте проверим!

Слайд 4

Задача № 1. Анализ условия

В электрической цепи, схема которой изображена на рисунке, резисторы имеют сопротивления: R1=1 Ом, R2=2Ом, R3=2Ом, R4=4Ом. На каком резисторе выделяется большая тепловая мощность? R1 R2 R3 R4 В данной цепи имеется два параллельных участка, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных резисторов. Вспомним, как можно рассчитать мощность электрического тока?

Слайд 5

Задача № 1. Решение

В электрической цепи, схема которой изображена на рисунке, резисторы имеют сопротивления: R1=1 Ом, R2=2Ом, R3=2Ом, R4=4Ом. На каком резисторе выделяется большая тепловая мощность? R1 R2 R3 R4 Если резисторы соединены последовательно, значит в них текут одинаковые по величине токи. Подумайте, какой формулой для расчета мощности удобнее пользоваться в случае последовательного соединения резисторов? Нажмите на выбранную Вами формулу Подсказка. Нажмите меня

Слайд 6

В электрической цепи, схема которой изображена на рисунке, резисторы имеют сопротивления: R1=1 Ом, R2=2Ом, R3=2Ом, R4=4Ом. На каком резисторе выделяется большая тепловая мощность? R1 R2 R3 R4 Т.к. при последовательном соединении токи одинаковы, то большая мощность выделится на резисторе, сопротивление которого больше (говорят: на большем по номиналу). Следовательно на резисторе R2выделится в 2 раза большая мощность, чем на резисторе R1. Аналогично: на резисторе R4выделится в 2 раза большая мощность, чем на резисторе R3. Отметим при этом, что сопротивление резистора R4 в 2 раза больше, чем сопротивление резистора R2.

Слайд 7

В электрической цепи, схема которой изображена на рисунке, резисторы имеют сопротивления: R1=1 Ом, R2=2Ом, R3=2Ом, R4=4Ом. На каком резисторе выделяется большая тепловая мощность? R1 R2 R3 R4 Теперь надо обсудить, на каком из двух резисторов – R2 или R4 – выделится большая мощность. Т.к. эти резисторы находятся в параллельных ветвях цепи, то в них текут разные токи. Согласно свойствам параллельного соединения, ток в параллельной ветви тем больше, чем меньше сопротивление этой ветви. Сопротивление верхней ветви меньше в 2 раза, значит, ток больше в 2 раза.

Читайте так же:
Схема защита тепловая по току

Слайд 8

В электрической цепи, схема которой изображена на рисунке, резисторы имеют сопротивления: R1=1 Ом, R2=2Ом, R3=2Ом, R4=4Ом. На каком резисторе выделяется большая тепловая мощность? R1 R2 R3 R4 Подведем итоги: Выделяемая мощность: Сила тока в верхней ветви в 2 раза больше, чем в нижней: Сопротивление резистора R4 в 2 раза больше, чем сопротивление резистора R2: Следовательно: Т.к. мощность пропорциональна квадрату силы тока, то Большая мощность (в 2 раза) выделится на резисторе R2 Мы получили решения исходя из физического анализа ситуации. Попробуем сделать выводы с использованием традиционного математического решения.

Слайд 9

В электрической цепи, схема которой изображена на рисунке, резисторы имеют сопротивления: R1=1 Ом, R2=2Ом, R3=2Ом, R4=4Ом. На каком резисторе выделяется большая тепловая мощность? R1 R2 R3 R4 Параллельное соединение: Последовательное соединение: Расчет мощности: Ответ: большая тепловая мощность выделится на втором резисторе

Слайд 10

Обратите внимание:

Мы решили задачу разными способами и, естественно, получили одинаковые ответы. Вы, решая любую задачу, имеете право выбирать способ решения. Ваша оценка не зависит от выбранного способа, если только это специально не оговорено в условии задачи или учителем. Выбирайте тот способ, который Вам удобнее и понятнее, но обязательно подумайте: нет ли более простого, более «физического» способа решения. Важно только, чтобы выбранные Вами способы решения были правильными.

Слайд 11

Задача № 2. Условие

Кипятильник с кпд 80% изготовлен из нихромовой проволоки сечением 0,84 мм2 и включен в сеть с напряжением 220 В. За 20 минут с его помощью было нагрето 4 л воды от 10°С до 90°С. Какова длина проволоки, из которой изготовлен кипятильник? Внимание! В нашей задаче необходимо знание двух табличных величин – удельного сопротивления нихрома и плотности воды. Обе эти величины обычно обозначаются одной и той же буквой: ρ. Для того, чтобы избежать путаницы, введем обозначения: ρ у.с.– удельное сопротивление, ρп – плотность.

Слайд 12

Задача № 2. Решение

Кипятильник с кпд 80% изготовлен из нихромовой проволоки сечением 0,84 мм2 и включен в сеть с напряжением 220 В. За 20 минут с его помощью было нагрето 4 л воды от 10°С до 90°С. Какова длина проволоки, из которой изготовлен кипятильник? Формула расчета сопротивления: При протекании тока согласно закону Джоуля-Ленца выделяется количество теплоты, равное

Слайд 13

Кипятильник с кпд 80% изготовлен из нихромовой проволоки сечением 0,84 мм2 и включен в сеть с напряжением 220 В. За 20 минут с его помощью было нагрето 4 л воды от 10°С до 90°С. Какова длина проволоки, из которой изготовлен кипятильник? Так как по условию кпд кипятильника 80%, то только 80% энергии электрического тока идет на нагревание воды (остальная часть – на нагревание сосуда, воздуха и т.п.). Следовательно:

Читайте так же:
Сформулируйте закон джоуля ленца каково тепловое действие тока

Слайд 14

Кипятильник с кпд 80% изготовлен из нихромовой проволоки сечением 0,84 мм2 и включен в сеть с напряжением 220 В. За 20 минут с его помощью было нагрето 4 л воды от 10°С до 90°С. Какова длина проволоки, из которой изготовлен кипятильник? Окончательно:

Слайд 15

Кипятильник с кпд 80% изготовлен из нихромовой проволоки сечением 0,84 мм2 и включен в сеть с напряжением 220 В. За 20 минут с его помощью было нагрето 4 л воды от 10°С до 90°С. Какова длина проволоки, из которой изготовлен кипятильник? Подставим значения и проведем действия с наименованиями Получим: ℓ ≈29,04 м Ответ: длина нихромовой проволоки, из которой изготовлен кипятильник примерно 29, 04 м.

Слайд 16

Задача № 2. Анализ решения

Кипятильник с кпд 80% изготовлен из нихромовой проволоки сечением 0,84 мм2 и включен в сеть с напряжением 220 В. За 20 минут с его помощью было нагрето 4 л воды от 10°С до 90°С. Какова длина проволоки, из которой изготовлен кипятильник? Т.к. в основе действия кипятильника лежит тепловое действие тока, записали закон Джоуля-Ленца и преобразовали (с учетом закона Ома) через известное напряжение. Получили значение сопротивления проволоки кипятильника. Записали формулу для расчета количества теплоты при нагревании и преобразовали с учетом зависимости массы от плотности и объема. Исходя из закона сохранения энергии (с учетом кпд кипятильника) записали соотношение между количеством теплоты, выделившимся при прохождении тока, и количеством теплоты, необходимым для нагревания воды. Получили конечную формулу путем подстановки Выразили длину проволоки из формулы зависимости сопротивления проводника от материала и размеров;

Слайд 17

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Работа и мощность электрического тока»

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о том, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством особого вида материи, которую называют электрическим полем. Примером такого взаимодействия может служить электрический ток, то есть упорядоченное движение заряженных частиц, которое создаётся электрическим полем. Следовательно, электрическое поле способно совершать работу, которую называют работой тока.

Давайте вспомним, что в общем случае под работой понимают скалярную физическую величину, которая описывает действие силы (заметьте, именно силы, а не те́ла), приводящее к изменению значения скорости рассматриваемого тела.

Из этого становится очевидным, что термин «работа тока» — это своеобразный жаргонизм, с которым вы уже неоднократно сталкивались. Работа тока — это, говоря строгим языком физики, работа электрически сил, которые, перемещая заряженные частицы, увеличивают их скорость, а значит и кинетическую энергию.

Мы уже с вами знаем, что работа по переносу электрического заряда в электрическом поле оценивается произведением величины перенесённого заряда на величину разности потенциалов между начальной и конечной точками переноса, то есть на величину напряжения:

Читайте так же:
Что такое условный тепловой ток в оболочке

A = ΔqU.

Очевидно, что это соотношение может быть применимо и для оценки работы тока. Однако эта формула имеет неудобство в связи с тем, что и ней фигурирует перенесённый в электрическом поле заряд, измерение которого требует особых методов. Поэтому удобнее расписать этот заряд, используя формулу силы тока:

Такая запись приводит нас к удобной формуле для определения работы электрического тока: работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

A = IUΔt.

Единицей работы тока, как вы догадались, является джоуль. Эту единицу можно выразить через электрические единицы — ампер и вольт:

1 Дж = 1 А ∙ 1 В ∙ 1 с.

Для измерения работы тока в реальной жизни пользуются специальными приборами — счётчиками электрической энергии, которые сейчас можно увидеть в каждом доме. Однако в них работу тока принято выражать не в джоулях, а в киловатт-часах (1 кВт ∙ час = 3,6 ∙ 10 6 Дж).

Применяя к потребителю электротока закон Ома, можно из основной формулы работы получить ещё два варианта, исключив в первом случае из формулы напряжение, а во-втором — силу тока:

Получив формулу для работы электрического тока, мы легко получим и формулу для мощности тока. Ведь в любом случае мощность есть отношение работы ко времени её совершения:

Напомним, что единицей измерения мощности является ватт.

А для измерения мощности электрического тока в цепи используют специальные приборы, называемые ваттметрами.

Давайте для примера решим с вами такую задачу. Два потребителя, сопротивления которых равны R1 и R2 подключают к сети постоянного тока сначала последовательно, а потом — параллельно. В каком случае потребляется большая мощность от сети?

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах. Давайте с вами вспомним, что тепловое действие тока проявляется в том, что при протекании тока по проводнику последний нагревается.

Химическое действие тока мы можем наблюдать при его прохождении через растворы солей, кислот или щелочей.

А магнитное действие тока проявляется в создании им магнитного поля.

Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток производит в любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Например, нагревание проводника происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные носители зарядов — электроны — сталкиваются с ионами кристаллической решётки проводника и отдают им часть своей энергии. В результате энергия теплового движения ионов около положений равновесия возрастает. То есть происходит переход энергии электрического поля во внутреннюю энергию проводника.

При этом, очевидно, что чем больше будет сопротивление проводника, тем большее количество теплоты в нём выделится при протекании электрического тока одной и той же силы.

Читайте так же:
Тепловое действие тока это в физике определение

Это легко проверить на простом опыте. Возьмём три последовательно соединённых проводника, изготовленных из разных материалов, например, из нихрома, никелина и меди, и подключим их к источнику постоянного тока.

Спустя некоторое время мы заметим, нихромовый проводник нагрелся почти до белого каления, никелиновый — лишь слегка покраснел, а вот медный проводник практически не изменил свой цвет.

Таким образом, действительно, чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам в нём и тем больше нагревается проводник.

В 1841 году английский учёный Джеймс Прескотт Джоуль и независимо от него в 1842 году российский учёный Эмилий Христианович Ленц, изучая на опыте тепловые действия тока установили закон, позволяющий рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике при протекании в нём электрического тока. Согласно этому закону, количество теплоты, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, проходящего по проводнику, сопротивлению проводника и времени, в течение которого поддерживается неизменный ток в проводнике.

Проверим его справедливость с помощью такого опыта. Возьмём калориметр, содержащий 100 мл миллилитров воды при температуре 18 о С, и поместим в неё проводник в виде спиральки известного сопротивления. Концы проводника включим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью секундомера будем засекать время эксперимента.

Замкнув ключ, подождём пока температура воды в калориметре не повысится на 10 о С.

Теперь рассчитаем количество теплоты, полученное водой, используя для этого известную нам формулу из термодинамики:

Здесь c — это удельная теплоёмкость воды; m — её масса; а Δt — изменение температуры воды. Тогда после подстановки чисел и простых расчётов, получаем, что вода получила от нагревателя 4200 Дж теплоты.

Теперь определим количество теплоты, выделившееся в проводнике, используя для этого закон Джоуля — Ленца:

Подставив в полученное уравнение данные наших опытов, найдём, что за время эксперимента в проводнике выделились те же 4200 Дж теплоты. Это подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.

Формулой Q = I 2 RΔt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же.

При параллельном же соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле: Q = U 2 Δt / R.

Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника.

Практическое значение

Понятно, что количество выделяемого тепла зависит от плотности тока и проводимости определенного вещества. Наглядно соответствующие влияния можно регистрировать в ходе последовательного пропускания тока 2 и 50 А через контрольную медную жилу сечением 2 мм кв. Во втором эксперименте нагрев будет значительно сильнее. Его можно уменьшить, увеличив диаметр проводника.

Снижение потерь энергии

Рассмотренный пример демонстрирует нежелательное явление для линий электропередач. Использование части энергии на обогрев окружающего пространства увеличивает потери воздушных линий. Превышение порогового значения провоцирует разрушение жил, защитных оболочек. Чрезмерное повышение температуры – причина возникновения пожаров.

Читайте так же:
Расчет автоматических выключателей теплового расцепителя

Подобные явления происходят, если выбрана чрезмерная сила тока, либо недостаточно поперечное сечение проводника. Количество тепла, выделяемого в линии, обратно пропорционально зависит от квадрата напряжения (U) на подключенном потребляющем устройстве. Повышением U можно уменьшить потери. Однако подобное действие увеличивает вероятность короткого замыкания, ухудшает общие параметры безопасности.

Выбор проводов для цепей

Отмеченные выше проблемы теплового разрушения в значительной мере зависят от удельного сопротивления (Rу). Для наглядности можно использовать материалы со значительно различающимися характеристиками.

Эксперимент с различными проводниками

Расчеты количества теплоты (Q, Дж) для образцов длиной 1 м сечением 1 мм кв. при силе тока 5А за 30 секунд:

  • медь – 12,75;
  • сталь – 75;
  • никелин – 315.

Особое внимание следует уделять параметрам силовых кабелей, которые должны сохранять целостность в процессе реальной эксплуатации. Как правило, бытовые линии монтируют в глубине строительных конструкций. Такой способ подразумевает хорошую защищенность от неблагоприятных внешних воздействий. Вместе с тем возрастают затраты на исправление ошибок и устранение последствий аварий.

Чтобы использовать кабельную продукцию правильно, следует руководствоваться тематическими нормативами, которые изложены в ПУЭ. Для упрощения выбора предлагаются специализированные таблицы, в которых приведены результаты расчетов с учетом следующих важных факторов:

  • тип изоляции;
  • длительность и величина перегрузок;
  • особенности прокладки.

Отдельно рассмотрены в ПУЭ поправочные коэффициенты, учитывающие увеличение сопротивления при росте температуры. Данное явление объясняется повышением частоты колебаний атомов, что создает дополнительные препятствия электрическому току.

Пример:

  • проводник нагревается номинальным током 7 А до +50°C при температуре окружающей среды +25°C;
  • подбирают подходящую продукцию с учетом реальных условий;
  • если кабель будет применяться на открытом воздухе, где температура повышается до +45°C, используют коэффициент 0,45 (допустимый ток уменьшается I=7*0,45=3,15 А);
  • при морозе (-5°С) выбирают иной поправочный множитель:

Ускорить выбор можно с помощью сводных таблиц. В них приведены допустимые токи для медных (алюминиевых) жил с нормированным сечением.

Электронагревательные приборы

С учетом одинаковой величины тока в любой части единой цепи можно создать конструкцию для намеренного нагрева определенной зоны. Здесь устанавливают проводник с высоким удельным сопротивлением либо уменьшают площадь поперечного сечения. Точный расчет поможет исключить повышение температуры до критического уровня, разрушающего изделие.

Подводящие питание проводники выбирают на основе принципов, изложенных в предыдущем разделе. Они не должны перегреваться чрезмерно в установленных планом условиях эксплуатации.

Плавкие предохранители

Термический разрыв цепи используют для защиты оборудования и потребителей, если сила тока превышает номинальное значение. Специализированные устройства (плавкие предохранители) делают из свинца, стали, других металлов и сплавов. В нормальном рабочем режиме тепло рассеивается, не вызывает повреждений. После достижения пороговых значений существенно увеличиваются сопротивление и температура. На определенном уровне происходит разрушение элемента с одновременным отключением источника питания.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector