Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца

Электрический ток нагревает проводник. Это явление нам хорошо известно. Объясняется оно тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах электролитов, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с молекулами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию.

Опыты показывают, что в неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на нагревание проводников, т. е. на увеличение их внутренней энергии. Мерой же изменения внутренней энергии тела является количество теплоты. Значит, количество теплоты, выделяющееся в проводнике, равно работе тока.

Мы знаем, что работу тока рассчитывают по формуле:

А = UIt.

Обозначим количество теплоты буквой Q. Согласно сказанному выше Q = A, или

Q = UIt.

Пользуясь законом Ома, можно выразить количество теплоты, выделяющееся в участке цепи при работе тока, через силу тока, сопротивление участка цепи и время.

Зная, что U= IR, получим:

Q=IRIt

т. е.

Q=I²Rt

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тона, сопротивления проводника и времени.

К этому же выводу, но на основании опытов впервые пришли независимо друг от друга английский ученый Джоуль и русский ученый Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля — Ленца.

Вопросы. 1. Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током? 2. По какой формуле можно рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике током? 3. Как, пользуясь законом Ома, можно выразить количество теплоты, выделяемое током в проводнике, через силу тока, сопротивление проводника и время? 4. Как формулируется закон Джоуля Ленца?

Упражнения. 1. Какое количество теплоты выделится за 30 мин в проволочной спирали сопротивлением 20 Ом при силе тока 5 A? 2. С какой целью провода в местах соединения не просто скручивают, а еще и спаивают? Ответ обоснуйте.  3.    Если нагревательный прибор (кипятильник) вынуть из воды, не выкормив предварительно его из сети, то он быстро перегорает. Почем? 4. В цепь источника тока включены последовательно три проволоки одинакового сечения и длины: медная, стальная и никелиновая. Какая из них больше нагреется? Ответ обоснуйте и по возможности проверьте в классе на опыте.