Proč se vodič zahřívá při průchodu proudu?

K zahřívání vodičů elektrickým proudem dochází v důsledku interakce toku nabitých mikročástic s atomy a molekulami kovu. Zároveň se začne uvolňovat teplo. Jeho množství se vypočítává na základě Joule-Lenzova zákona. Na základě tohoto jevu byla v 19. století vynalezena žárovka. V moderním světě existuje mnoho tepelných zařízení.

• Teoretický základ
• Joule-Lenzův zákon
• Praktické zkušenosti
• Parametry ovlivňující vytápění
• Domácí použití

Teoretický základ

Abyste pochopili, proč se vodič zahřívá, když prochází elektrický proud, musíte vědět, že se po něm pohybují záporně nabité elektrony. Při pohybu se neustále srážejí s kovovými mikročásticemi, přenášejí na ně energii a uvádějí je do pohybu.

Teplo se uvolňuje při průchodu proudu v důsledku toho, že kinetická energie molekul a atomů vodiče neustále roste.

V důsledku toho tok elektronů zvyšuje vnitřní energii vodivého prvku.

Z toho plynou dva důsledky:

• Čím větší odpor, tím větší zahřívání vodiče. Navíc má tento jev přímo úměrný vztah.
• Množství tepla v elektřině se zvyšuje v závislosti na síle proudu.

Uvažujeme-li tento proces z hlediska zákona zachování energie, pak proudová síla pohybujících se elektronů srážejících se s mikročásticemi kovu klesá.

Nemůže však zmizet beze stopy. Ta se přeměňuje na tepelnou energii vodiče.

Joule-Lenzův zákon

Na základě existujícího Joule-Lenzova zákona je množství tepla uvolněného v drátu úměrné druhé mocnině proudu, době, kterou projde, a existujícímu odporu kovu. Hodnota se vypočítá pomocí vzorce:

Q je uvolněné teplo;

I je síla procházejícího proudu;

R je odpor kovu vodiče;

T je doba, po kterou teče proud.

V případě, kdy je síla proudu neznámá, ale je možné změřit napětí, vzorec se změní. Podle Ohmova zákona I = U / R.

Tato hodnota se dosadí do hlavního vzorce:

Po redukci se získá konečná podoba:

Tyto vzorce lze použít pouze tehdy, když je proud procházející vodičem konstantní a funguje výhradně pro vytápění. Pokud se provádí nějaká mechanická práce, pak jsou výpočty jiného charakteru.

Praktické zkušenosti

Chcete-li zkontrolovat, jak se bude teplota vodiče měnit v závislosti na kolísání parametrů proudu a odporu, můžete provést několik experimentů. Jsou následující povahy:

• Je sestaven obvod, který obsahuje zdroj energie a 2 ohřívače s různými odpory. Při průchodu elektřiny se ohřívač s větším odporem více zahřívá. To dokazuje, že ohřev závisí na velikosti odporu.
• Do elektrického obvodu je připojena kromě zdroje energie žárovka, ampérmetr a reostat. Napětí je připojeno a kontrolka se rozsvítí. Nastavením odporu pomocí reostatu při konstantním napětí vlákno změní svůj jas. To udává závislost teploty vodiče na síle proudu.

Takové fyzikální experimenty musí být prováděny ve speciálních laboratořích.

Parametry ovlivňující vytápění

Proces zahřívání drátů je negativní jev, se kterým je třeba bojovat. V opačném případě dojde ke zvýšené spotřebě energie nebo k požáru okruhu. Abyste tomu zabránili, musíte sledovat následující indikátory:

• Sekce drátu. Tato velikost musí vydržet maximální povolené zatížení bez zahřívání. Výpočet se provádí s ohledem na vliv prostředí, protože vodič není ve vakuu.
• Tepelná vodivost materiálu. Na vodiče se používají barevné kovy: měď, hliník.
• Rozdíl teplot mezi vodičem a okolím. Kov uvolňuje teplo rychleji, když je velký teplotní rozdíl.

Při návrhu elektrických obvodů je třeba vzít v úvahu všechny tyto faktory.

Domácí použití

I přes negativní důsledky vytápění je tento jev v praxi využíván. Například existují ohřívače, kde se za základ bere zvýšení teploty vodivých prvků. Příkladem může být:

• rychlovarné konvice;
• vysoušeče vlasů;
• páječky;
• svařovací stroje.

S objevem elektromagnetické indukce se rozšířil způsob ohřevu vysokofrekvenčními proudy.

Indukční tavicí pece nebo domácí kamna lze touto metodou rychle ohřát.

Všechna tato zařízení jsou vyvinuta na základě znalosti Joule-Lenzova zákona. Pouze použitím existujících vzorců můžete provést správný výpočet jednotky a vybrat vodivé materiály požadovaného průřezu.