Proč se vodič zahřívá, když jím prochází elektrický proud?
Fenomén ohřevu vodiče při jeho připojení ke zdroji zná každý.
Vysvětleme tento jev uvažováním toku proudu kovovým vodičem.
Fyzikální význam elektrického proudu je pohyb nabitých částic. Každé pohybující se těleso má kinetickou energii úměrnou jeho rychlosti a hmotnosti. Vodič se skládá z částic: molekul, atomů, elementárních částic (elektrony, protony, neutrony).
Před náběhem proudu ve vodiči existuje tzv. elektronový plyn, ve kterém se elektrony pohybují náhodně. Když je vodič připojen ke zdroji, výsledné elektrické pole funguje a nutí elektrony, aby se pohybovaly uspořádaně jedním směrem. Výsledkem práce pole bude kinetická energie, která se objeví v každém z elektronů.
Při pohybu přes krystalové mřížky atomů uvnitř vodiče se elektrony neustále srážejí s částicemi v uzlech mřížky. Podle zákona zachování energie se po srážce část kinetické energie volného elektronu uvolní do prostoru ve formě tepla – Q.
V obecném případě může být uvolněná energie přeměněna nejen na teplo, ale také vynaložena na jiné druhy práce nebo energie, například chemické reakce. V této lekci fyziky uvažujeme případ, kdy je práce pole určena součtem kinetické energie pohybujících se elektronů a množství uvolněného tepla.
Popsaný proces platí pro různé třídy vodičů: pevné, kapalné a plynné.
Elektronický plyn nazývané elektrony, které mají slabou vazbu s jádrem atomu, proto pod vlivem vnějších sil mohou překonat sílu přitažlivosti k jádru. Právě tyto elektrony, pohybující se mezi póly zdroje, vytvářejí v pevných vodičích elektrický proud. V kapalinových a plynových vodičích je proud způsoben pohybem kladných a záporných iontů.
Joule-Lenzův zákon. Definice, vzorec, fyzikální význam
Množství tepla, uvolněný během toku proudu, závisí na následujících parametrech:
- Aktuální hodnotyA. Síla proudu určuje množství náboje, které prošlo průřezem vodiče za jednotku času. Čím větší je tedy proud v obvodu, tím větší počet volných elektronů se bude srážet s navázanými částicemi a tím větší bude množství uvolněného tepla.
- Napětí obvodu. Napětí je přímo úměrné práci, kterou pole vykoná při pohybu náboje. To znamená, že čím větší je napětí, tím větší je práce pole a tím větší je kinetická energie přijatá volnými elektrony, což znamená, že množství uvolněného tepla bude větší.
- Odpor vodiče. Odpor charakterizuje schopnost vodiče propouštět proud. Závislost množství generovaného tepla na odporu je také přímo úměrná. Čím větší je odpor vodiče, tím více práce je vynaloženo na pohyb nábojů a množství uvolněného tepla se zvýší.
- čas. Počet srážek volných a vázaných elektronů, ke kterým dochází, se bude s přibývajícím časem zvyšovat, stejně jako množství tepla.
Závislost množství uvolněného tepla na parametrech obvodu a vodiče se podařilo popsat dvěma vědcům: anglickému fyzikovi J. Joulemu a ruskému fyzikovi E. Lenzovi. V XNUMX. století samostatně formulovali zákon o tepelném působení pole na vodič. Následně byl zákon pojmenován po jeho objevitelích – zákon Joule-Lenz.
Joule-Lenzův zákon uvádí, že množství tepla generovaného při průchodu proudu vodičem je přímo úměrné druhé mocnině síly proudu, odporu a době průchodu proudu.
Joule-Lenzův zákon lze napsat jako vzorec:
Pomocí Ohmova zákona pro obvodovou část transformujeme vzorec pro zápis Joule-Lenzova zákona:
Klady a zápory ohřevu vodiče
Negativní důsledky zákona Joule-Lenz zahrnují:
- ztráta kinetické energie při srážce částic, což ztěžuje přenos elektřiny na velké vzdálenosti. Nejjednodušší způsob, jak tento problém vyřešit, je zvýšit napětí, ale to vede ke snížení bezpečnosti;
- přehřátí vodiče, což může vést k poškození jak vodiče samotného, tak jeho izolace.
Objevené minusy zahřívání vodiče lze snadno změnit na plusy, pokud je správně použit Joule-Lenzův zákon:
- Aby nedocházelo ke ztrátám energie při přenosu proudu na velké vzdálenosti a také ke kompenzaci nárůstu napětí, je odpor obvodu zvýšen. Hodnota odporu se volí na základě vzorce vyjadřujícího závislost tepla na napětí a odporu;
- pomocí Joule-Lenzova zákona se volí parametry vodiče (materiál, průřez) a obvodu (napětí, proudová síla) tak, aby nedošlo k poškození nebo vznícení vodiče.
Praktické využití Joule-Lenzova zákona
Navzdory přítomnosti negativních důsledků je Joule-Lenzův zákon v praxi široce používán:
- Žárovka. Pro vlákno v lampě je zvolen materiál, který při zahřívání vydává světlo. Když je lampa připojena ke zdroji, proud ohřívá vlákno, v důsledku čehož vlákno vyzařuje světlo.
- Pojistky. Když se v obvodu objeví napětí přesahující přípustnou hodnotu, pojistka se začne zahřívat a tavit. Přepálená pojistka přeruší obvod.
- Elektrická topná zařízení. Když je zařízení připojeno ke zdroji, topné těleso se zahřívá a produkuje teplo.
Příklady řešení problémů
Najděte množství tepla uvolněného za 20 sekund elektrickým sporákem zapojeným do okruhu 220 V. Je známo, že odpor kamen je 100 ohmů.
Určete sílu proudu v obvodu s odporem 95 Ohmů, je-li známo, že se za 15 sekund uvolnilo 142 kJ.
Pravděpodobně se mnozí setkali s takovým jevem, jako jsou topné dráty. Všichni si myslíme, že je to špatné, ale ne vždy rozumíme tomu, proč se to děje. V tomto článku se pokusíme tento fenomén pochopit.
Co je dirigent
Vodič se od izolantu liší svou schopností vést elektrický proud. Elektrický proud je zase uspořádaný pohyb nabitých částic. Mohou to být elektrony nebo ionty. V izolantech nejsou žádné nabité částice ve volném stavu. V takových materiálech jsou elektrony pevně vázány na jádra v atomech a nemohou je opustit. Z tohoto důvodu nejsou izolátory schopny vést elektrický proud.
Vodiče jsou uspořádány jinak. Ve své struktuře nejsou elektrony tak pevně vázány na jádra. Elektrony se mohou uvolnit a náhodně se pohybovat v tloušťce materiálu. Pokud se objeví rozdíl potenciálů, elektrony se začnou synchronně pohybovat jedním směrem. V souladu s tím dojde k elektrickému proudu.
Když je aplikován potenciálový rozdíl, elektrony ve vodiči se začnou pohybovat jedním směrem
Co se děje ve vodiči, když protéká proud
Elektrony ve vodiči se nemohou volně pohybovat. Na své cestě potkávají další elektrony, ionty nebo atomy. V důsledku toho elektrony ztrácejí část své energie. Ale nezmizí beze stopy, ale přenese se na ionty nebo atomy krystalové mřížky materiálu.
Ve vodiči je obrovské množství volných elektronů, takže toto bombardování je velmi aktivní. V důsledku toho se zvyšuje frekvence vibrací atomů nebo iontů krystalové mřížky a právě tento parametr je zodpovědný za nárůst teploty. Elektrony jsou tedy jak příčinou elektrického proudu, tak zahřívání vodiče.
Elektrony ve vodiči se neustále srážejí s ionty
Proč se vodiče zahřívají jinak
Vodiče vyrobené z různých materiálů nebo na různá napětí se totiž ohřívají různými způsoby. K vysvětlení této funkce použijeme analogie. Zkusme si představit místo vodiče s proudem potrubí s vodou. Potom je napětí tlak vody a velikost proudu je tloušťka jejího paprsku. Roli odporu vodiče bude hrát nějaká porézní látka, která vyplňuje potrubí.
Co se stane, když vodičem prochází proud a co je k tomu potřeba? V našem případě je nutné zajistit protlačování určitého množství vody potrubím. K tomu je nutné vytvořit určitý tlak (přivést napětí na vodič). Množství vody (množství proudu), které projde potrubím, závisí na třech faktorech: propustnosti potrubí (odpor vodiče), jeho průměru (průřez vodiče) a použitém tlaku (napětí).
Pokud se vrátíme ke klasickému dirigentovi, můžeme vyvodit následující závěry:
- Dokud je napětí nízké, vodiče z různých materiálů si stejně dobře poradí s přenosem proudu.
- S rostoucím napětím se vodiče s větším odporem začnou zahřívat. Takto funguje obyčejná žárovka. Jako vodič používá wolframové vlákno. Tento materiál má vysoký odpor, proto se při průchodu elektrického proudu zahřeje na žhavicí teplotu.
- Při stejném napětí a materiálu výroby se vodiče s menším průřezem budou více zahřívat.
Jak to využít v praxi
V našich domácnostech je napětí v síti vždy stejné a je 220 V. V tomto případě může být velikost proudu různá. Záleží na tom, co přesně do zásuvky zapojíme. Pokud se jedná o konvici o výkonu 2,2 kW, lze provést následující výpočty:
V tomto vzorci je I proudová síla, P je výkon elektrického spotřebiče připojeného k síti, U je napětí v síti. Dosadíme do něj hodnoty, které známe. Dostaneme následující výsledek:
Takže množství proudu, který protéká dráty při provozu konvice, je 10 A. Pak zbývá zjistit, které vodiče z jakých materiálů a jaké sekce mohou takový proud vést, a právě ty by měly být použity v praxe. Samozřejmě je to zjednodušený příklad, ale podstata přístupu k výběru drátů je přesně taková.
Jaké jsou důsledky zahřívání vodičů
Když se vodiče zahřejí, vlastnosti izolace se zhorší, pokryje se trhlinami a poté se začne rozpadat. V důsledku toho může dojít ke zkratu. V lepším případě nebude v domě nebo v některém z jeho prostor nějakou dobu fungovat elektřina. Přinejhorším vše skončí požárem.
Vodič pod proudem se může nejen zahřívat, ale také svítit
Závěr
Vodiče se mohou zahřívat nejen kvůli svým vlastnostem, ale také na spojích v důsledku špatného kontaktu. V těchto bodech dochází ke zvýšenému odporu a v důsledku toho se zahřívají. Proto je tak důležité nejen zpočátku vybrat správný průřez vodiče, ale také sledovat stav elektroinstalace v budoucnu.
