Теоретичні відомості. Енергія яка виділяється на ділянці електричної мережі при переміщенні заряду

Енергія яка виділяється на ділянці електричної мережі при переміщенні заряду, дорівнює добутку величини заряду на різницю потенціалів :

(1)

Вона може переходити в енергію електричного чи маґнетного полів на елементах мережі (конденсаторі чи дроселі), переміщувати провідник у маґнетному полі, ініціювати хімічні реакції, нагрівати речовину та інше. Названі процеси відбуваються як кожен поодинці, так і декілька одночасно. Існують такі ідеальні елементи електричної мережі, де вся енергія переходить у теплоту . Вони називаються резисторами. Основною характеристикою резистора є його електричний опір . Відповідно до закону Г.С.Ома величина струму , що протікає через резистор, пропорційна прикладеній до резистора напрузі та обернено пропорційна опору :

(2)

Враховуючи, що заряд , який протікає через поперечний переріз резистора, пропорційний величині струму та часу

(3)

формулу (1) для теплоти запишемо у вигляді закону Джоуля – Ленца в інтегральній формі:

(4)

Кількістьтеплоти , яка виділяється на резисторі, пропорційна квадрату сили струму, опору резистора та часу . Цей закон у 1841 р. вперше встановив Джеймс–Прескот Джоуль. Тут формула (4) отримана з використанням закону збереження енергії і носить загальний характер. Дослід підтверджує виконання виразу (4) як для металів, напівпровідників, плазми, так і електролітів.

Розрахунок теплових потоків в окремих, конкретно заданих об’ємах речовини, здійснюють за допомогою закону Джоуля – Ленца, записаного в диференціальній формі. Нижче наведено три рівноцінних форми запису цього закону:

(5)

Тут – густина теплової потужності, тобто теплота, яка виділяється в одиниці об’єму речовини за одиницю часу, – питома провідність речовини, – вектор напруженості електричного поля, а – вектор густини електричного струму.

Температура , яка встановиться в нагрівальному елементі, залежить від балансу теплових потоків, що підводяться та відводяться від нього. Відведення теплоти може відбуватися різними шляхами: а) внаслідок теплопровідності; б) конвективних течій оточуючого газу чи рідини; в) теплового випромінювання. Поміщаючи нагрівальний елемент у вакуумі, можна уникнути конвективних потоків теплоти. Вплив двох інших чинників можна зменшити за рахунок теплоізоляції та використання теплових екранів, однак зовсім усунути їх неможливо.

Основи теорії теплопровідності було закладено на початку ХІХ ст. Жан– Батистом Фур’є. Згідно з законом Фур’є, кількість теплоти , яка протікає через поперечний переріз речовини, залежить від її теплопровідності та ґрадієнта температури :

(6)

Отже, в стаціонарному випадку (коли теплові потоки встановляться), кількість розсіяної цим шляхом теплоти пропорційна різниці температур нагрівального елемента та навколишнього середовища:

(7)

Коефіцієнт залежить виключно від форми та теплопровідності конструктивних елементів приладу.

Закони випромінювання тепла поверхнями нагрітих тіл стали зрозумілими лише в кінці ХІХ ст. Так, закон Стефана – Больцмана стверджує, що кількість випроміненої теплоти пропорційна четвертій степені абсолютної температури поверхні тіла. Враховуючи одночасне поглинання теплоти отриманої з навколишнього середовища, матимемо результуюче співвідношення:

(8)

Коефіцієнт залежить від площі та стану поверхні тіла. На рис. 1 наведено характерний хід кривих та .

Видно, що при низьких температурах тіла та малих різницях температур і навколишнього середовища переважає механізм теплопровідності, а при великих – радіаційної тепловіддачі.

У лабораторній роботі будемо досліджувати нагрівання дротини на прикладі термоперетворювача ТВБ – 2. Останній складається з вакуумованого балона, в якому до тонкої дротини, що нагрівається електричним струмом, під’єднана термопара “вісмут–сурма”. Схематично будова термоперетворювача наведена на рис. 2.

Кінці дротини та термопари знаходиться при температурі . Термоелектрорушійна сила термопари залежить від різниці температур та :

(9)

Тут коефіцієнт термоелектрорушійної сили

Робота полягає в тестуванні термоперетворювача, тобто знятті залежності температури дротини від струму в ній.

Дата добавления: 2015-10-23