§ 38. Закон Джоуля-Ленца. Електронагрівальні прилади

1. Проходження електричного струму через провідник завжди супроводжується нагріванням провідника. Нагрівання відбувається тому, що вільні електрони в металах, які розігналися під дією електричного поля, або йони в розчинах, які проводять струм, стикаються з молекулами або атомами провідника і віддають їм свою енергію. Так енергія електричного поля переходить у внутрішню енергію провідника.

У нерухомих металевих провідниках, як показують досліди, вся робота струму йде на збільшення внутрішньої енергії. Провідники при цьому нагріваються. Отже, кількість теплоти, що виділяється в провіднику, дорівнює роботі струму:

Q = A або Q = UIt.

2. Очевидно, що кількість теплоти, що виділяється в провіднику, має залежати від опору провідника. Чим більший опір, тим «важче» рухатися

Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) – англійський фізик. Досліджував теплову дію електричного струму.

зарядам у провіднику, тим більша частина електричної енергії буде перетворюватися у внутрішню енергію. Користуючись законом Ома, перетворимо формулу Q = UIt. Оскільки U = IR, то отримаємо:

Кількість теплоти, що виділяється при проходженні струму через провідник, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника і часу проходження струму.

Ця залежність уперше була виявлена експериментально одночасно двома вченими: англійським ученим Джеймсом Джоулем (1818-1889) і російським ученим Емілем Ленцом (1804-1865). Тому цей закон називають законом Джоуля-Ленца.

Еміль Ленц (1804-1865) – російський фізик і електротехнік. Установив закон, який визначає теплову дію струму.

3. Властивість провідників нагріватися при протіканні по них електричного струму широко застосовується в побуті, промисловості, транспорті і т.д. Основу добре всім відомих електронагрівальних приладів, таких, як праска, чайник, кип’ятильник, становить металевий нагрівальний елемент, температура якого зростає при проходженні по ньому електричного струму.

В нагрівальних елементах використовують метали, які можуть витримувати температуру до 1000 °С.

Найчастіше для виготовлення нагрівального елемента застосовують ніхром (сплав нікелю, заліза, хрому і марганцю), який має високу температуру плавлення та великий питомий опір. Завдяки великому опору нагрівальні елементи з ніхрому мають невеликі розміри. Нагрівальні елементи розмішують на теплостійких (переважно керамічних) ізоляторах.

Перевагою електронагрівальних приладів є їхня екологічність. Під час їхньої роботи не виділяються шкідливі речовини. В порівнянні з газовими нагрівачами вони є вибухобезпечними.

Запитання для самоперевірки

• 1. Як можна пояснити нагрівання провідників електричним струмом? Чому кількість теплоти, що виділяється в провіднику, тим більша, чим більша сила струму й опір провідника?
• 2. Наведіть приклади пристроїв, в яких використовується нагрівання провідників електричним струмом.
• 3. Сформулюйте закон Джоуля-Ленца.
• 4. Чому для виготовлення нагрівальних елементів використовують матеріали з великим опором? Відповідь обґрунтуйте.

Завдання 38

• 1. Реостат із опором 100 Ом включений в коло максимальним опором. Сила струму в колі З А. Яка кількість теплоти виділиться в реостаті протягом 10 хв?
• 2. Два провідники, мідний і залізний, однакової довжини і однакової площі поперечного перерізу включені в коло джерела струму. У якому провіднику виділиться більша кількість теплоти, якщо вони з’єднані: а) послідовно; б) паралельно? Відповіді обґрунтуйте.
• 3*. В електричному чайнику при напрузі 220 В і силі струму 6 А за 20 хв нагрілося 4 кг води від 20 °С до 80 °С. Визначте ККД цього чайника.
• 4*. У колі, яке складається з трьох однакових провідників, з’єднаних паралельно й увімкнених у мережу постійної напруги, за 40 с виділилась певна кількість теплоти. За який час виділиться така ж кількість теплоти, якщо провідники з’єднати послідовно?

Робота з комп’ютером

Вивчіть матеріал уроку і виконайте запропоновані в електронному додатку завдання.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) — формули і розрахунки

Ефективність і тривалість роботи силового агрегату залежить від коефіцієнта корисної дії (ККД). При експлуатації двигун перетворює теплову енергію, яка утворюється в результаті згоряння палива, в механічну.

Щоб знайти ККД, враховуються характеристики мотора. Формула коефіцієнта корисної дії у фізиці представлена у вигляді процентного відношення корисної роботи до загальної.

Трактування поняття

Електродвигун та інші механізми виконують певну роботу, яка називається корисною. Пристрій, функціонуючи, частково витрачає енергію. Для визначення ефективності роботи застосовується формула

• А₁ – корисна роботу, яку виконує машина або мотор;
• А₂ – загальний цикл роботи;
• η – позначення ККД.

Показник вимірюється у відсотках. Для знаходження коефіцієнта в математиці використовується наступна формула:

Щоб виразити значення у відсотках, ККД множиться на 100%. Дія не несе змістовного сенсу, оскільки 100% = 1. Для джерела струму ККД менше одиниці.

У старших класах учні вирішують завдання, в яких потрібно знайти ККД теплових двигунів. Поняття трактується наступним чином: відношення виконаної роботи силового агрегату до енергії, отриманої від нагрівача. Розрахунок проводиться за наступною формулою:

• Q₁-теплота, отримана від нагрівального елементу;
• Q₂-теплота, віддана холодильній установці.

Максимальне значення показника ККД характерне для циклічної машини. Вона оперує при заданих температурах нагрівального елементу (Т₁) і холодильника (Т₂). Вимірювання здійснюється за формулою:

Щоб дізнатися ККД котла, який функціонує на органічному паливі, використовується нижча теплота згоряння.

Плюс теплового насоса, як нагрівального приладу, полягає в можливості отримання більшої кількості енергії, ніж він може затратити на функціонування.

Показник трансформації обчислюється шляхом ділення тепла конденсації на роботу, що витрачається на виконання даного процесу.

Потужність різних пристроїв

За статистикою, під час роботи приладу втрачається до 25% енергії. При функціонуванні двигуна внутрішнього згоряння паливо згорає частково. Невеликий відсоток вилітає в вихлопну трубу. При запуску бензиновий мотор гріє себе і складові елементи. На втрату йде до 35% від загальної потужності.

При русі механізмів відбувається тертя. Для його ослаблення використовується мастило. Але воно нездатна повністю усунути явище, тому витрачається до 20% енергії.

Приклад на автомобілі: якщо витрата становить 10 літрів палива на 100 км, на рух буде потрібно 2 л, а залишок, рівний 8 л — втрата.

Якщо порівнювати ККД бензинового і дизельного моторів, корисна потужність першого механізму дорівнює 25%, а другого — 40%. Агрегати схожі між собою, але у них різні види сумішоутворення:

Поршні бензинового мотора функціонують на високих температурах, тому потребують хорошого охолодження. Тепло, яке могло б перейти в механічну енергію, витрачається даремно, що сприяє зниженню ККД.

У ланцюзі дизельного пристрою паливо запалюється в процесі стиснення. На основі даного фактора можна зробити висновок, що тиск в циліндрах високий, при цьому мотор екологічніше і менше першого аналога. Якщо перевірити ККД при низькому функціонуванні і великому об’ємі, то результат перевищить 50%.

Асинхронні механізми

Розшифровка терміна “асинхронність” – розбіжність за часом. Поняття використовується в багатьох сучасних машинах, які є електричними і здатні перетворювати відповідну енергію в механічну. Плюси асинхронних механізмів:

• просте виготовлення;
• низька ціна;
• надійність;
• незначні експлуатаційні витрати.

Щоб розрахувати ККД, використовується формула:

Для розрахунку Р ₁ і Р ₂ застосовуються загальні дані втрати енергії в обмотках мотора. У більшості агрегатів показник знаходиться в межах 80-90%. Для швидкого розрахунку використовується онлайн-ресурс або особистий калькулятор.

Для перевірки можливого ККД у мотора зовнішнього згоряння, який функціонує від різних джерел тепла, використовується силовий агрегат Стірлінга. Він представлений у вигляді теплової машини з робочим тілом у вигляді рідини або газу. Речовина рухається по замкнутому об’єму.

Принцип його функціонування заснований на поступовому нагріванні і охолодженні об’єкта шляхом вилучення енергії з тиску. Подібний механізм застосовується на косметичному апараті і сучасному підводному човні.

Його працездатність спостерігається при будь-якій температурі. Він не потребує додаткової системи для запуску. Його ККД можливо розширити до 70%, на відміну від стандартного мотора.

Значення показника ККД

У 1824 році інженер Карно дав визначення ККД ідеального двигуна, коли коефіцієнт дорівнює 100%. Для трактування поняття була створена спеціальна машина з наступною формулою:

Для розрахунку максимального показника застосовується рівняння ККД_макс= (T1-T2)/T1 * 100%. У двох прикладах T1 вказує на температуру нагрівача, а T2 – температуру холодильника.

На практиці для досягнення 100% коефіцієнта потрібно прирівняти температуру охолоджувача до нуля. Подібне явище неможливо, оскільки T1 вище температури повітря.

Процедура підвищення ККД джерела струму або силового агрегату вважається важливим технічним завданням. Теоретично проблема вирішується шляхом зниження тертя елементів двигуна і зменшення тепловтрати. У дизельному моторі подібне досягається турбонаддувом. В такому випадку ККД зростає до 50%.

Потужність стандартного двигуна збільшується наступними способами:

• підключення до системи багатоциліндрового агрегату;
• застосування спеціального палива;
• заміна деяких деталей;
• перенесення місця спалювання бензину.

ККД залежить від типу і конструкції мотора. Сучасні вчені стверджують, що майбутнє за електродвигунами.

На практиці робота, яку здійснює будь-який пристрій, перевищує корисну, оскільки певна її частина виконується проти тертя. Якщо використовується рухливий блок, відбувається додаткова робота: підіймається блок з мотузкою, при цьому долаються сили тертя в блоці.

Рішення прикладів

Задача 1 . Поїзд на швидкості 54 км/год розвиває потужність 720 кВт. Потрібно обчислити силу тяги силових агрегатів.

Рішення : щоб знайти потужність, використовується формула N=F * V. Якщо перевести швидкість в одиницю СІ, вийде 15 м/с. Підставивши дані в рівняння, отримуємо, що F дорівнює 48 kH.

Завдання 2 . Маса транспортного засобу складає 2200 кг. Машина, піднімаючись в гору під ухилом в 0,018, проходить відстань 100 м. Швидкість розвивається до 32,4 км/год, а коефіцієнт тертя відповідає 0,04. Потрібно визначити середню потужність авто при русі.

Рішення: обчислюється середня швидкість — v/2. Щоб визначити силу тяги мотора, виконується малюнок, на якому показуються сили, що впливають на машину:

Перша величина обчислюється за другим законом Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для прискорення використовується рівняння a=v2/2s. Якщо підставити останні значення і скористатися cos, вийде середня потужність. Оскільки прискорення вважається постійною величиною і дорівнює 9,8 м/с², тому v= 9 м/с. Підставивши дані в першу формулу, вийде: N= 9,5 kBt.

При вирішенні складних завдань з фізики рекомендується перевірити відповідність наданих в умовах одиниць виміру з міжнародними стандартами. Якщо вони відрізняються, необхідно перевести дані з урахуванням СІ.

ККД нагрівальних приладів

Електричний нагрів в порівнянні з іншими видами нагріву (за допомогою газу, рідкого або твердого палива) має ряд істотних переваг. Основне з них – відсутність шкідливих виділень, які супроводять такому широко поширеному енергоносію, як природний газ: при відкритому горінні газу виділяються як продукти згорання (вуглекислий газ, вода), так і особливо шкідливі для здоров’я людей продукти неповного згорання (оксид вуглецю, смолянисті речовини і ін.). Крім того, електроприлади вибухобезпечні. Нагрівальні електроприлади мають коефіцієнт корисної дії (ККД) 55—95 %, тоді як у нагрівальних приладів, що працюють на твердому паливі, ККД рівний 12-20%, на рідкому паливі — 20-40 %, а на газоподібному паливі — 50—60 %. Однією з важливих переваг нагрівальних електроприладів є можливість регулювання ступеня нагріву до певної температури.

Електричні нагрівачі побутових приладів – це пристрої, що перетворюють електричну енергію в теплову.

Тепло від нагрівального елементу до тіла, що нагрівається, може передаватися шляхом теплопровідності, конвекції або випромінювання,

Передача тепла безпосередньо від більш нагрітого тіла до менш нагрітого (або від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих) називається теплопровідністю (наприклад, в електропрасках). Розповсюдження тепла шляхом пересування самих нагрітих частинок речовини називається конвекцією. Наприклад при нагріванні води знизу нагріті легші шари піднімаються вгору, а важчі холодні шари опускаються вниз. Виникають, так звані конвекційні струми, температура води поступово вирівнюється і підвищується. Перенесення тепла в воді і в повітрі шляхом конвекції відбувається швидше, ніж при теплопровідності. Нарешті, можлива також передача тепла випромінюванням від більш нагрітого до менш нагрітого тіла (наприклад, від електрокамінів).

У нагрівальних електроприладах передача тепла тілу, що нагрівається, заснована на одному з цих принципів або на їх сукупності.

Нагр івальні електроприлади складаються з корпусу, нагр івального елемента, регулюючих пристроїв, контактних штифтів, електроізоляційних та теплоізоляційних матер іалів.

Сплави, з яких виготовляють дріт або стрічку для нагрівальних елементів, повинні мати вищій питомий опір, ніж мідь та інші провідники, що забезпечує компактність конструкції і малу залежність від температури (температурний коефіцієнт сплаву повинен бути дуже малий). Крім того, вони повинні витримувати високу температуру, не розплавляючись і не окислюючись. Більше всього задовольняють цим вимогам спеціальні сплави — константан, ніхром і фехраль.

Константан — випускається у вигляді дроту або стрічки відповідно діаметром або товщиною від 0,003 мм і більш, в зв’язку з низькою робочою температурою в основному застосовується для виготовлення нагрівальних елементів кип’ятильників.

Ніхром — випускається у вигляді холоднокатаного дроту діаметром 0,2—5,5 мм, гарячекатаного дроту діаметром 6—10 мм і стрічки завтовшки 0,2—3 мм при ширині 6—30 мм. Перевагою цього сплаву є висока допустима робоча температура (до 1100 °С). Нагрівальні елементи, виготовлені з н і хромово го дроту або стрічки, застосовуються в електричних плитках, прасках, чайниках і інших побутових приладах.

Фехраль — випускається у вигляді дроту діаметром 0,2— 6 мм . Перевагою його є відносно низька вартість (зміст заліза 80%), а недоліком — порівняно низька допустима робоча температура (до 850 °С). Нагрівальні елементи, виготовлені з фехралево го дроту, застосовуються також в електричних плитках, чайниках, прасках та інших приладах.

У всіх нагрівальних елементах струмопровідний дріт і стрічку ретельно ізолюють від корпусу. Від цього залежать якість і надійність нагрівальних електроприладів, а також їх електробезпе чність .

Зазвичай для ізоляції застосовують матеріали з високими электро- і теплоізоляційними властивостями, а також високою механічною міцністю, оскільки вони повинні витримувати часті коливання температури і при нагріванні розширюватися в такому ж ступені, як і провідники.

Найкращими ізоляційними матеріалами для нагрівальних електроприладів з температурою нагріву не вище 600 °С вважаються фарфор, натуральна слюда і жаротривкий міканіт (шматочки слюди, склеєні рідким склом або борною кислотою). Для приладів з температурою нагріву 700—900°С застосовують алунд — майже чистий оксид алюмінію, магнезію — порошок оксиду магнію. Нарешті, для приладів з вищою температурою нагріву (понад 900 °С) застосовують шамот (вогнетривку глину), кварцовий пісок (SiO2) і періклаз (M g O).

Для компактності приладу при виготовленні нагрівальних елементів дріт діаметром 0,3—0,6 мм звивають в спіраль, а стрічку намотують на плоску електроізоляційну підставу.

Залежно від призначення нагр івальні елементи виконують відкритими або закритими. Закриті поділяються на негерметичні і герметичні.

Нагрівальні елементи відкритого типу є спіралі, відкрито розміщені в канавках електроізоляційного матеріалу відповідної форми або вільно підвішені на кронштейнах з електроізоляційного матеріалу. Передача тепла в них здійснюється шляхом конвекції і випромінювання. До переваг нагрівальних елементів відкритого типу відносяться простота конструкції, швидкість нагріву, легкість ремонту і відносно низька вартість. До недоліків — можливість замикання витків спіралі зовнішніми предметами, механічне пошкодження спіралі, а також недостатня електробезпека.

Нагрівальні елементи закритого типу негерметичні виконують із спіралі або стрічки, поміщеної в захисну оболонку з електроізоляційного матеріалу, яка оберігає її від механічних пошкоджень, але не перешкоджає доступу повітря. Як захисна оболонка іноді служать лускові керамічні намиста, які надягають на спіраль, навиту з ніхромового або фехралевого дроту. Елементи подібного типу раніше знаходили застосування в чайниках і прасках. Вони прості, дешеві але мають невелику механічну міцністю. При поломці їх може відбутися замикання спіралі на корпус.

Рис. 1. Нагрівальні елементи закритого типу:

а — в захисній оболонці з керамічних намист; б — пластинчастий; в — трубчастий; 1 — керамічні намиста; 2 — дріт з ніхрому або фехралю; 3 — пластина з міканіту; 4 — контактні виводи елементу; 5 — контактні стрижні; 6 — нагрівальна спіраль; 7 —оболонка; 8 — наповнювач; 9 — герметична пробка; 10 — контактна гайка; L—розгорнута довжина нагрівача; La — активна довжина нагрівача; Lk — довжина контактного стрижня

Нагрівальні елементи закритого типу у вигляді спіралі з ніхромового або фехральового дроту поміщають також в металевий кожух, що складається з двох кільцевих чашок, запресованих одна в одну. Внутрішня частина кожуха заповнена електроізоляційною масою. Такі елементи застосовують в електричних плитках і прасках. Вони надійні в експлуатації, але нагрівають прилад порівняно довго.

Трубчасті нагрівальні елементи закритого типу герметичні є більш досконалі. В них використовуються трубчасті електричні нагрівачі (ТЕН), які працюють за принципом передачі тепла випромінюванням, конвекцією і теплопровідністю (Рис. 1 в).

ТЕНи виготовляються на номінальну напругу 6, 12, 24, 36, 42, 110, 127 і 220 В змінного і постійного струму.

Трубчасті електронагрівачі є металевою трубкою, усередині якої знаходиться нагрівальна спіраль, запресована в спеціальному наповнювачі, — періклазі (мінерал, оксид магнію M g O, t плав = 2800. 2940 °С). Наповнювач забезпечує надійну електроізоляцію і має велику теплопровідність, тому використовується також для зменшення перепаду температур між зовнішньою трубкою і нагрівальною спіраллю.

Оболонку 7 залежно від умов експлуатації виготовляють з неіржавіючої жаростійкої сталі, алюмінієвих сплавів або вуглецевої сталі. Торці ТЕНу герметизують для запобігання проникнення атмосферної вологи в наповнювач.

Принципові переваги ТЕНів перед іншими видами нагрівачів полягають в наступному: поверхня нагрівача не знаходиться під електричною напругою, тобто електронагрівач електробезпечний (при заземленні зовнішньої трубки і правильно вибраних запобіжниках), його можна поміщати у воду, рідкий метал та інші рідини; нагрівальна спіраль, запресована в наповнювачі (при достатній герметизації торців нагрівача), має малий діаметр дроту і значний термін служби; нагрівачі надійно працюють при вібраціях і значних ударних навантаженнях (завдяки щільності набивання наповнювача); нагрівачі можуть мати будь-яку форму; конструкція нагрівача не складна.

Нагрівальна спіраль ТЕНа виконується, як правило, з дроту діаметром 0,2—1,6 мм .

ТЕН можна зігнути в будь-яку форму в холодному стані після відпалу трубки за умови, що радіус вигину буде не менше 2,5 діаметру зовнішньої трубки (при цьому спіраль усередині трубки розташована строго по осі трубки).

Приклад умовного позначення ТЕНа розгорненою довжиною 800 мм , номінальною довжиною контактного стрижня 50 мм , діаметром 8 мм , потужністю 1 кВт , призначений для нагріву харчових продуктів, номінальна напруга 220 В : трубчастий електронагрівач ТЕ Н-80-5-8/1 , ОП 220.

Все наявні в природі тіла з температурою вище за абсолютний нуль володіють інфрачервоним випромінюванням. Інфрачервоним є нагрів від електронагрівачів , в яких використовуються провідники з високим питомим опором.

У практиці під інфрачервоними нагр івачами розуміють такі, у яких максимум випромінювання доводиться на інфрачервону область спектру з довжинами хвиль від 0,76 до 3 мкм . Інфрачервоні електронагрівачі поділяють на світлі, випромінюючі крім інфрачервоних видимі промені, і темні, випромінюючі переважно інфрачервоні промені. До світлих випромінювачів відносяться лампи розжарювання типа І КЗ (інфрачервона дзеркальна) з внутрішньою дзеркальною поверхнею для отримання направленого променевого потоку. До темних випромінювачів інфрачервоних хвиль — відкриті спіралі і ТЕНи з температурою на поверхні 700—750ºС.

При використанні приладів з інфрачервоним нагрівом для випічки і смаження підвищується якість кулінарної обробки.

По типу нагрівальні електроприлади підрозділяються на чотири групи: без регулювання, з регулюванням температури нагріву, з регулюванням потужності, автоматичні з програмним управлінням.

Для регулювання температури в приладах встановлюють терморегулятори, термо обмежувачі і термов имикачі .

Терморегулятор — пристрій, чутливий до температури, якій при нормальній експлуатації служить для підтримки температури приладу або його частин в певних межах шляхом автоматичного включення і відключення ланцюга (наприклад, в побутових холодильниках, електропрасках).

Термообмежувач — пристрій, чутливий до температури, з регулюванням температури або без нього, якій при нормальній експлуатації служить для відключення ланцюга, коли температура приладу або його частин досягає наперед заданого значення. Термообмежувач може бути з ручними поверненням і без нього.

Термовимикач — пристрій, який обмежує температуру приладу або його частин при ненормальній роботі шляхом автоматичного розмикання ланцюга або зменшення величини струму і яке сконструйоване так, що його установка не може бути змінена споживачем. Термовимикач може бути з автоматичним і з ручним поверненням.

Регулювання потужності приладу може бути ступінчастим (у електрогрілках, електроплитках і т. д.) і плавним за допомогою реостата (привід швейної машини).

Термообмежувачі , терморегулятори і термо вимикачі працюють за принципом використання різних фізичних явищ. Так, в одному з найбільш поширених терморегуляторів — біметалічному — використовується явище вигинання біметалевої пластинки при зміні температури. Цей вид терморегулятора набув найбільшого поширення в електропрасках і інших побутових електроприладах.

У манометричному терморегуляторі використовується явище зміни об’єму (при зміні тиску) рідині або газу. що заповнюють замкнуту термосистему . Такі терморегулятори набули великого поширення в побутових холодильниках.

Біметалічна система складається з двох або декількох шарів металів або сплавів з різними коефіцієнтами теплового розширення, зварених між собою по всій площині зіткнення. Шар металу або сплаву з великим коефіцієнтом теплового розширення називається активним шаром, з меншим — пасивним. Пасивний шар виготовляють зазвичай з інвару (сплав заліза з нікелем) марки З6Н (нікель 35—37%, інше — залізо і домішки), який при температурі від — 60 до + 100 °С практично не змінює своїх розмірів. Активний шар виготовляють з латуні марок Л62, Л90, легованій сталі і ін.

Регулятори температури і потужності за швидкістю замикання і розмикання контактів підрозділяють на швидкодіючі і повільнодіючі . Швидкодіючі регулятори складніше по конструкції, забезпечують миттєве замикання і розмикання контактів, що виключає їх підгоряння і забезпечує великий термін служби. Швидкодіючі терморегулятори і реле застосовують в побутових холодильниках, пральних машинах і інших приладах. Розмикання і замикання контактів повільнодіючих регуляторів відбувається залежно від швидкості вигинання біметалевої пластини (наприклад, в електропрасках). Такі регулятори простіше по конструкції, але із-за іскріння контактів менш довговічні і створюють перешкоди прийому радіохвиль.