Закон Джоуля-Ленца.

Електричні нагрівальні прилади.

Мета.

Освітня. Ознайомити учнів із законом Джоуля-Ленца. Вчитися розв’язувати задачі на застосування закону Джоуля-Ленца.

Розвиваюча. Розвивати логічне та алгоритмічне мислення.

Виховна. Виховувати свідоме ставлення до економії електроенергії.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Фізика: підруч. для 9 класу загальноосвіт.навч. закл./В. Д. Сиротюк, - К.: Зодіак-ЕКО, 2009, - 208 с.; іл. <<Читати онлайн>>
• Демонстрація. Застосування автоматичних та плавких запобіжників (біметалева пластинка, плавкі запобіжники, автоматичний запобіжник)
• Відео. Чим небезпечні електроприлади.
• Відео. Електрика і перші електроприлади.

План

1. Актуалізація опорних знань.
2. Закон Джоуля-Ленца. Електричні нагрівальні прилади. Запобіжники.
3. Закріплюємо теоретичний матеріал.
4. Вчимося розв’язувати задачі.
5. Запитання до уроку.
6. Домашнє завдання.

Хід уроку

1. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

Самостійна робота: “Робота й потужність електричного струму”

2. Закон Джоуля-Ленца. Електричні нагрівальні прилади. Запобіжники.

В провіднику під час протікання струму відбувається перетворення електричної енергії на внутрішню і провідник нагрівається.

При послідовному з’єднанні провідників процес нагрівання залежить від:

• сили струму: чим більша сила струму, тим дужче нагрівається провідник;
• опору провідника: чим більший опір, тим більше він нагрівається.

Англійський фізик Джеймс Джоуль у 1841 році та російський фізик Емілій Ленц у 1842 році незалежно один від одного, на основі дослідів, установили, що в нерухомих металевих провідниках уся робота електричного струму витрачається на збільшення їхньої внутрішньої енергії.

Джеймс Джоуль                          Емілій Ленц

Нагрітий провідник віддає отриману енергію навколишнім тілам, але вже внаслідок теплообміну.

Закон Джоуля-Ленца. Кількість теплоти, яка виділяється провідником зі струмом, визначається добутком квадрата сили струму, опору провідника і часу проходження струму: Q=I2Rt, де Q - кількість теплоти, яка виділяється провідником зі струмом; І - сила струму в провіднику; R - опір провідника; t - час проходження струму.

Якщо провідники з’єднані паралельно, то вони перебувають під однаковою напругою, у такому випадку Q зручно розраховувати  за формулою:

.

За законом збереження енергії кількість теплоти, що передається навколишньому середовищу, дорівнює роботі електричного струму: Q=A=UIt.

Закон Джоуля-Ленца справедливий у межах застосовності закону Ома.

Електронагрівальні прилади. Електричні нагрівальні пристрої широко застосовують у сільському господарстві, промисловості, на транспорті, в побуті. Незважаючи на зовнішнє різноманіття, усі електронагрівники, використовувані на практиці, мають спільні риси.

По-перше, робота всіх електричних нагрівників ґрунтується на тепловій дії струму: в таких пристроях енергія електричного струму перетворюється на внутрішню енергію нагрівника, який, у свою чергу, віддає енергію довкіллю шляхом теплопередачі.

По-друге, основною частиною будь-якого електронагрівника є нагрівальний елемент — провідник, який нагрівається в разі проходження струму.

Найчастіше для виготовлення нагрівальних елементів застосовують сплав нікелю, заліза, хрому і марганцю, відомий під назвою “ніхром”.

Підвідні проводи та нагрівальний елемент з’єднані послідовно, тому сила струму в них є однаковою. При цьому підвідні проводи нагріваються набагато менше, ніж нагрівальний елемент. Це означає, що опір підвідних проводів у багато разів менший від опору нагрівального елемента. Зазвичай нагрівальні елементи виготовляють із речовин з великим питомим опором, а підвідні проводи — із речовин з малим питомим опором.

З’ясуємо, з яких причин може різко збільшуватися сила струму в електричному колі звичайної квартири. Оскільки напруга в мережі є незмінною, збільшення сили струму можливе тільки за умови зменшення загального опору кола. Споживачі струму в квартирі з’єднані паралельно, тому, якщо увімкнути відразу кілька потужних споживачів, загальний опір кола суттєво зменшується, відповідно сила струму в колі значно збільшиться. Різко збільшується сила струму в колі й у випадку короткого замикання — з’єднання кінців ділянки кола провідником, опір якого дуже малий порівняно з опором даної ділянки. Так, коротке замикання може виникнути у випадку порушення ізоляції проводів або під час ремонту елементів електричного кола, які перебувають під напругою (нагадаємо, що це є смертельно небезпечним!).

Щоб уникнути пожежі у випадку короткого замикання або перевантаження електричного кола, а також не допустити псування споживачів електричної енергії під час небезпечного збільшення сили струму, використовують запобіжники — пристрої, які розмикають коло, якщо сила струму в ньому збільшиться понад норму.

Робоча частина автоматичного запобіжника — біметалева пластина. У разі збільшення сили струму понад норму біметалева пластина вигинається, в результаті чого коло розмикається. Після охолодження запобіжник знову можна повернути в робочий стан.

Плавкі запобіжники застосовують в радіотехніці. Уздовж осі скляної трубочки з металевими наконечниками натягнутий тонкий дріт із легкоплавкого матеріалу.

3. Запитання до уроку.

Запитання 56.1. Якщо в коло паралельно ввімкнути мідний і сталевий дроти, які мають однакові довжини і площі поперечного перерізу, то в мідному провіднику за той самий час виділиться більше теплоти. Чому?

Запитання 56.2. Назвіть винахідників ламп розжарювання? Які електричні лампи використовують для практичних потреб людини?

Запитання 56.3. Що таке нагрівальний елемент? Назвіть електронагрівальні прилади, які ви знаєте.

Запитання 56.4. Спіраль електроплитки дуже сильно нагрівається під час проходження електричного струму. Чому дроти, якими електроплита підключена до мережі, нагріваються значно менше?

Запитання 56.5. Якщо вийняти з води увімкнений електричний кип’ятильник, то його спіраль може перегоріти. Чому?

Запитання 56.6. Що може стати причиною надмірного збільшення сили струму в колі? До чого це може призвести?

Запитання 56.7. Що таке коротке замикання?

Запитання 56.8. З якою метою застосовують запобіжник? Поясніть принцип дії плавкого запобіжника. Чи можна замість запобіжника вставити товстий провід або пучок мідних проводів?

Запитання 56.9. Яким вимогам має відповідати речовина, з якої виготовляють дріт для плавкого запобіжника?

Запитання 56.10. Чому для запобігання займанню електропроводки особливу увагу слід приділяти якісному з’єднанню дротів один з одним та з приладами, які увімкнено в мережу?

Запитання 56.11. Чому у квартирних лічильниках електричної енергії вмонтовано запобіжники, які не дозволяють зростати силі струму через лічильник вище від певної границі?

Запитання 56.12. Чому для плавких запобіжників не використовують залізний дріт замість свинцевого? Чому цей дріт повинен бути набагато тоншим, ніж проводи, які з’єднують споживачі електроенергії?

4. Домашнє завдання.

Підручник:  § 34-35.

Задача 56.1. Яка кількість теплоти виділиться протягом години в провіднику опором 10 Ом за сили струму 10 А?

Задача 56.2. Яка максимально допустима потужність струму в пристрої, якщо його плавкий запобіжник розраховано на максимальний струм 6 А при напрузі 220 В?

Усне опитування по запитаннях до уроку.

5. Перевір себе.

Тести онлайн. Закон Джоуля-Ленца (Відповіді учнів)

6. Для допитливих.

Споживачі електричного струму. З доісторичних часів і до середини ХІХ ст. людина використовувала для освітлення смолоскипи (факели), свічки, гасові лампи і газові пальники.

Лише у 1878 р. деякі вулиці й площі Парижа  було освітлено електричними свічками - лампами з електричною дугою. Електричну свічку створив російський винахідник Павло Яблочков, тому її ще називають “свічкою Яблочкова”.

У 1870 році російський електротехнік Олександр Лодигін сконструював електричну лампу розжарювання.

У 1879 році американський винахідник Томас Едісон винайшов спосіб одержання тонких вугільних ниток, які він використовував у конструкції електричної лампи.

На початку ХХ ст. створюють більш економічні лампи з металевою зигзагоподібною ниткою.

У 1906 році Лодигін конструює лампу з ниткою із вольфраму.

Вольфрам - тугоплавкий метал, що плавиться при температурі 33800С. Щоб зменшити швидке випаровування вольфраму, балон лампи почали наповнювати інертними газами - аргоном (з домішками азоту), криптоном.