Какой из опытов вы предложили бы провести чтобы доказать что мощность выделяемая в проводнике

Какой из опытов вы предложили бы провести чтобы доказать что мощность выделяемая в проводнике

Задача №2
Электрическая плитка, включена в сеть напряжением 220 В. Какую энергию потребляет плитка за 20 мин работы, если сила тока, протекающего через ее спираль, 5 А?
1) 22 кДж
2) 110 кДж
3) 1320 кДж
4) 4840 кДж

Задача №3
На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения напряжения на концах двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока А₁ и А₂ в этих проводниках за одно и то же время.
1) А₁ и А₂
2) А₁ и 3А₂
3) 9А₁ и А₂
4) 3А₁ и А₂

Задача №4
На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения силы тока в двух проводниках (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните до значения работы тока А₁ и А₂ в этих проводниках за одно и то же время.
1) А₁ и А₂
2) А₁ и 3А₂
3) 9А₁ и А₂
4) 3А₁ и А₂

Задача №5
Электрическая плитка, подключённая к источнику постоянного тока, за 120 с потребляет 108 кДж энергии. Чему равна сила тока в спирали плитки, если её сопротивление 25 Ом?
1) 36 А
2) б А
3) 2,16 А
4) 1,5 А

Задача №6
Какую энергию за 20 мин потребляет электрическая плитка, включенная в сеть напряжением 220 В, если сопротивление её спирали 44 Ом?
1) 1320 кДж
2) 193,6 кДж
3) 22 кДж
4) 6 кДж

Задача №7
Электрическая плитка, включенная в сеть, за 20 мин потребляет 1320 кДж энергии. Чему равно напряжение сети, если сила тока, протекающего через спираль электроплитки, 5 А?
1) 3,6 В
2) 15 В
3) 115 В
4) 220 В

Задача №8
За 0,5 мин работы электрическая лампа потребляет 900 Дж при силе тока через неё 0,5 А. Найдите напряжение на лампе.
1) 0.001 В
2) 1,5 В
3) 60 В
4) 3600 В

Задача №9
Электрическая плита за 3 минуты работы потребляет энергию 900 кДж. Сила тока, протекающего через спираль плиты, равна 5 А. Найдите сопротивление спирали плиты.
1) 0.005 0м
2) 200 Ом
3) 1 кОм
4) 12 кОм

Задача №10
Сопротивление электрического кипятильника 100 Ом. Сила тока в цепи 2 А. Чему равна работа, совершаемая электрическим током за 5 мин работы кипятильника?
1) 12 Дж
2) 2*10 3 Дж
3) 6*10 3 Дж
4) 12*10 4 Дж

Задача №11
На рисунке представлен участок электрической цепи, причём R₁ = R₂ = 8 Ом; R₃ = 8 Ом; R₄ = 6 Ом. Точки А и В подключены к полюсам источника постоянного тока.
Если сравнивать мощности тока, выделяемые на каждом резисторе в отдельности, то максимальная мощность выделяется на
1) резисторе R₃
2) резисторе R₄
3) резисторах R₁ и R₂
4) резисторах R₁, R₂ и R₃

Задача №12
Если в люстре для освещения помещения использовать лампы мощностью 60 и 100 Вт. то
А. большая работа за одно и то же время совершается током в лампе мощностью 60 Вт
Б. большим сопротивлением обладает лампа мощностью 100 Вт
Верным(-и) утверждением(-ями) является(-ются)
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Задача №13
В цепь источника тока включены последовательно три проволоки: медная, железная и никелиновая. Площади поперечных сечений и длины проволок одинаковы. При замыкании ключа
1) наибольшая мощность выделяется в медной проволоке
2) наибольшая мощность выделяется в железной проволоке
3) наибольшая мощность выделяется в никелиновой проволоке
4) выделяется одинаковая мощность во всех проволоках

Задача №14
Если в люстре для освещения помещения использовать лампы мощностью 60 и 100 Вт. то
А. большая сила тока будет в лампе мощностью 100 Вт.
Б. большее сопротивление имеет лампа мощностью 60 Вт.
Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я)
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Задача №15
На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения напряжения на концах проводников 1 и 2 одинакового сопротивления. Сравните значения мощности N₁ и N₂ тока в этих проводниках.
1) N₁ = N₂
2) N₁ = 3N₂
3) 9N₁ = N₂
4) 3N₁ = N₂

Задача №16
На рисунке представлен участок электрической цепи, в которой R₁ = R₂ = 2 Ом; R₃ = 3 Ом; R4 = 2 Ом. Точки А и В подключены к полюсам источника постоянного тока.
Если сравнивать мощности тока, выделяемые на каждом резисторе в отдельности, то минимальная мощность выделяется на
1) резисторе R₃
2) резисторе R₄
3) резисторах R₁ и R₂
4) резисторах R₁, R₂ и R₃

Задача №17
На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения силы тока в проводниках 1 и 2 одинакового сопротивления. Сравните значения мощности N₁ и N₂ тока в этих проводниках.
1) N₁ = N₂
2) N₁ = 3N₂
3) 3N₁ = N₂
4) 9N₁ = N₂

Задача №18
При ремонте спираль электроплитки укоротили вдвое. Как изменилась мощность электроплитки?
1) увеличилась в 2 раза
2) увеличилась в 4 раза
3) уменьшилась в 2 раза
4) уменьшилась в 4 раза

Задача №19
На рисунке представлен участок электрической цепи, в которой R₁ = R₂ = 6 Ом; R₃ = 3 Ом; R₄ = 5 Ом. Точки А и В подключены к полюсам источника постоянного тока.
Если сравнивать мощность тока, выделяемую на каждом резисторе в отдельности, то минимальная мощность выделяется на резисторе(-ах)
1) R₃
2) R₄
3) R₁ и R₂
4) R₁, R₂ и R₃

Задача №20
На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения мощности тока для двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения напряжения U₁ и U₂, на концах этих проводников.

Задача №21
В цепь источника тока включены последовательно три проволоки: медная, железная и никелиновая. Площадь поперечного сечения и длина проволок одинакова. При замыкании ключа
1) наименьшая мощность выделяется в медной проволоке
2) наименьшая мощность выделяется в железной проволоке
3) наименьшая мощность выделяется в никелиновой проволоке
4) во всех проволоках выделяется одинаковая мощность

Задача №22
На диаграмме изображены значения мощности, выделяемые двумя проводниками, которые соединены последовательно. Сравните сопротивления этих проводников.
1) R₁=4R₂
2) R₁=2R₂
3) 2R₁=R₂
4) 4R₁=R₂

Задача №23
Если к спирали электроплитки подключить последовательно ещё одну такую же. то мощность плитки со спиралью двойной длины станет

Задача №24
На рисунке представлен участок электрической цепи, в которой R₁ = R₂ = 6 Ом; R₃ = 3 Ом; R₄ = 5 Ом. Точки А и В подключены к полюсам источника постоянного тока.
Если сравнивать мощности тока, выделяемые на каждом резисторе в отдельности, то максимальная мощность выделяется на
1) резисторе R₃
2) резисторе R₄
3) резисторах R₁ и R₂
4) резисторах R₁, R₂ и R₃

Задача №25
Какой(-ие) из опытов Вы предложили бы провести, чтобы доказать, что мощность, выделяемая в проводнике с током, зависит от удельного электрического сопротивления проводника?
А. Показать, что время нагревания воды в кружке изменится в случае, если спираль плитки укоротить.
Б. Показать, что время нагревания воды в кружке изменится в случае, если никелиновую спираль плитки заменить на такую же по размерам нихромовую спираль.
1) только А
2) только Б
3) и А. и Б
4) ни А. ни Б

Задача №26
К источнику постоянного напряжения подключено сопротивление R. Затем последовательно с ним подключают второе такое же сопротивление. При этом мощность, выделяющаяся в цепи,
1) увеличится в 2 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) уменьшится в 4 раза
4) не изменится

Задача №27
К источнику постоянного напряжения подключено сопротивление R. Затем параллельно с ним подключают второе такое же сопротивление. При этом мощность, выделяющаяся в цепи,
1) увеличится в 2 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) уменьшится в 4 раза
4) не изменится

Какой из опытов вы предложили бы провести чтобы доказать что мощность выделяемая в проводнике

Задание 18. Какой(-ие) из опытов Вы предложили бы провести, чтобы доказать, что мощность, выделяемая в проводнике с током, зависит от удельного электрического сопротивления проводника?

А. Показать, что время нагревания воды в кружке изменится в случае, если спираль плитки укоротить.

Б. Показать, что время нагревания воды в кружке изменится в случае, если никелиновую спираль плитки заменить на такую же по размерам нихромовую спираль.

1) только А; 2) только Б; 3) и А, и Б; 4) ни А, ни Б

Удельное сопротивление проводника зависит только от материала, из которого изготовлен проводник.

А) Если укоротить спираль плитки, то удельное сопротивление ее спирали останется прежним, но сопротивление самой спирали изменится. Поэтому такой опыт покажет как влияет длина проводника на количество выделяемой теплоты, а значит, и мощности на спирали.

Б) При замене никелированной спирали на нихромовую той же длины, все параметры в опыте остаются неизменными кроме материала спирали, то есть удельного сопротивления проводника. Следовательно, такой опыт покажет как меняется количество излучаемой теплоты при изменении удельного сопротивления материала спирали, то есть покажет зависимость удельного электрического сопротивления проводника от мощности, выделяемой на проводнике с током.

Нагревание проводников электрическим током

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц “застрял” с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи “источник энергии – проводник – потребитель энергии” сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало – невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший “нагреватель” – стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся – тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Использование закона Джоуля-Ленца для передачи электроэнергии на расстояние

Когда происходит передача электричества на расстояние, появляется проблема потери на линиях передач. Закон показывает количество тепла, которое выделяется проводником при проходе тока.

ЛЭП используются предприятиями и городами, следственно необходимо больше мощности и больше тока.

Количество теплоты связано с сопротивлением тока и проводника, для того чтобы избежать нагрева, необходимо уменьшить количество тепла.

Не всегда можно использовать сечение провода, это дорого стоит из-за цены меди и веса кабелей, следовательно, увеличивается стоимость несущей конструкции.

На рисунке показаны высоковольтные линии электропередач. Это огромные конструкции из металла, создающиеся для поднятия кабеля на высоту, безопасную для людей на земле, чтобы избежать удара током.

Для этого необходимо снизить ток, следовательно, повышается напряжение.

Линии электропередач между городами используют напряжение 220 и 110 кВ, а у того, кто потребляет, понижают до необходимой величины, используя трансформатные подстанции. Или множеством КТП медленно понижая до безопасной величины, например, 6кВ.

То есть ток уменьшится в тысячи раз, но при той же потребляемой мощности. По закону Джоуля-Ленца, теплота в данном случае определится мощностью, которая теряется на кабеле.

Закон Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Формулировка

Закон джоуля ленца формулировка словесно выглядит следующим образом: мощность тепла, которая выделяется в проводниковом элементе в момент протекания в нем электротока имеет пропорциональную зависимость умножения плотности электрополя на напряженность.

Его по-другому можно сформулировать так: энергия, протекая по проводнику, перемещает электрозаряд в электрополе. Так, электрополе совершает работу. Работа производится благодаря проводниковому нагреванию. Энергия превращается в тепло.

Однако, из-за чрезмерного проводникового нагрева при помощи тока и электрооборудования, может повредиться проводка и сами аппараты. Сильное перегревание опасно, когда есть короткое замыкание в проводах. Из-за этого проводники могут иметь большое токовое значение.

Что касается интегральной формы тонких проводников правило или уравнение Джоуля — Ленца звучит так: то тепло, которое выделяется за время в конкретном участке электроцепи, определяется квадратным произведением токовой силы на сопротивление участка.

Обратите внимание! Закон Джоуля-Ленца обладает достаточно общим характером, потому что не имеет зависимости от природы, силу которой генерирует электроток.

Вам это будет интересно Описание кабеля КСПВ

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Упрощенная формулировка

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

Из формулы также следует – чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге – подгорание с последующим пропаданием контакта.

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах:

Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток производит и любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Нагревание среды происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах, или ионы в проводящих ток растворах, сталкиваются с молекулами или атомами проводника и отдают им часть своей энергии. Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника.

Обратимся теперь к количественной стороне вопроса: сколько теплоты выделяется при прохождении тока определённой силы в данном конкретном проводнике?

Ответ на него мы найдём, применив закон сохранения энергии. Если в результате протекания тока в проводнике увеличивается только внутренняя энергия проводника, то есть если ток произведёт лишь тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты должно быть равно работе, совершенной за это время электрическими силами. Тогда мы можем рассчитывать выделенную теплоту по формулам, полученными нами для работы электрического тока:

Гораздо сложнее будет ситуация, когда протекание тока в проводнике вызывает не только его нагревание, но и создаёт другие виды энергии. Примером этому является работа любого электродвигателя или электромотора. Согласно закону сохранения и превращения энергии работа, совершенная электрическими силами за некоторый промежуток времени, вызывает не только нагревание обмотки электродвигателя (кстати, не очень большое), но и появление весьма значительного количества механической энергии:

Аналогичная ситуация возникает при зарядке аккумулятора, где за счёт работы электрических сил происходит не только нагревание заряжаемого аккумулятора, но и накопление в нем химической энергии:

Однако очевидно, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике, должно зависеть от сопротивления проводника. Проверим это предположение на опыте. В цепь из источника тока, амперметра и реостата включим последовательно три проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения: из нихрома, никелина и меди. При увеличении силы тока заметим, что нихромовый проводник нагревается почти до белого каления, никелиновый лишь слегка краснеет, а медный остаётся темным.

Действительно, ведь чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам. При этом совершается большая работа по их перемещению и, следовательно, проводник больше нагревается.

А как узнать количество выделенной теплоты в таких случаях, ведь здесь очевидно только то, что эта теплота меньше работы электрических сил? Ответ на этот вопрос был найден в 1841 г. английским учёным Дж. Джоулем и независимо от него в 1842 г. русским учёным Э. Х. Ленцем. На основании многочисленных опытов ими было установлено, что количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока в любом проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока:

Это и есть закон Джоуля — Ленца.

Проверить его справедливость можно с помощью следующей экспериментальной установки. В калориметр, содержащий 100 г воды при температуре 20 оС, поместим нихромовую проволоку, концы которой подключим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью вольтметра будем измерять напряжение на концах проводника, а с помощью секундомера — время эксперимента.

Как видим, количество теплоты, полученное водой, равно количеству теплоты, которое выделилось в проводнике

, что подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.

Формулой Q
=I2Rt
удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же. Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника:
Q

R.
При параллельном соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле:

Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника: Q

1/R.

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины – первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна , данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.

Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку

Простейшие электрические расчеты нагревательных элементов

Электронагреватели широко используются в бытовых электроприборах: чайниках, утюгах, каминах, плитках, паяльниках и т. д. Тепловое действие тока. При прохождении электрического тока через неподвижные металлические проводники единственным результатом работы тока является нагревание этих проводников, и, следовательно,по закону сохранения энергии вся работа, совершенная током, превращается в тепло.

Работа (в джоулях), совершаемая током при прохождении его через участок цепи, вычисляется по формуле:

• U — напряжение, В;
• I — сила тока, А;
• t- время, с.

Количество теплоты (Дж), выделенное в проводнике при прохождении по нему электрического тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока и вычисляется по закону Джоуля — Ленца:

где R — сопротивление проводника, Ом.

Произведем расчет количества теплоты, необходимой для того, чтобы вскипятить воду в чайнике, вмещающем 2 л. Напряжение сети U=220 В. Ток, потребляемый электрочайником, I= 4 А. Определить время закипания воды в чайнике, если КПД его 80% и начальная температура воды 20° С.

• U=220 В;
• I=4 А;
• m=2 кг;
• КПД=0,8;
• t=20° С;
• tкип = 100° С.
• Удельная теплоемкость воды С=4200.

Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды до температуры кипения.

Qпол = cm (tкип — t0) = 4200 * 2(100 — 20) = 672 000 Дж.

Определим общее количество теплоты, которое должен выделить нагревательный элемент электрочайника, с учетом потерь на нагрев керамики, корпуса чайника и внешней среды:

Определим время закипания воды в чайнике:

Отсюда находим t;

Мощность электрического тока. Зная работу, совершаемую током за некоторый промежуток времени, можно рассчитать и мощность тока, под которой, так же как и в механике, понимают работу, совершаемую за единицу времени. Из формулы, определяющей работу постоянного тока А = U//t, следует, что мощность его (Р) равна:

Нередко говорят о мощности электрического тока, потребляемой от сети, желая этим выразить мысль, что при помощи электрического тока (за счет тока) нагреваются утюги, электроплитки и т. д.

В соответствии с этим на приборах нередко обозначается их мощность, т. е. мощность тока, необходимая для нормального действия этих приборов. Так, например, для нормальной работы электроплитки на 220 В мощностью 500 Вт требуется ток около 2,3 А при напряжении 220 В (2.3 * 220 = 500).

Физика 8 класс. Урок№57. Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца.

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах:

Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток производит и любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Нагревание среды происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах, или ионы в проводящих ток растворах, сталкиваются с молекулами или атомами проводника и отдают им часть своей энергии. Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника.

Обратимся теперь к количественной стороне вопроса: сколько теплоты выделяется при прохождении тока определённой силы в данном конкретном проводнике?

Ответ на него мы найдём, применив закон сохранения энергии. Если в результате протекания тока в проводнике увеличивается только внутренняя энергия проводника, то есть если ток произведёт лишь тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты должно быть равно работе, совершенной за это время электрическими силами. Тогда мы можем рассчитывать выделенную теплоту по формулам, полученными нами для работы электрического тока:

Гораздо сложнее будет ситуация, когда протекание тока в проводнике вызывает не только его нагревание, но и создаёт другие виды энергии. Примером этому является работа любого электродвигателя или электромотора. Согласно закону сохранения и превращения энергии работа, совершенная электрическими силами за некоторый промежуток времени, вызывает не только нагревание обмотки электродвигателя (кстати, не очень большое), но и появление весьма значительного количества механической энергии:

Аналогичная ситуация возникает при зарядке аккумулятора, где за счёт работы электрических сил происходит не только нагревание заряжаемого аккумулятора, но и накопление в нем химической энергии:

Однако очевидно, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике, должно зависеть от сопротивления проводника. Проверим это предположение на опыте. В цепь из источника тока, амперметра и реостата включим последовательно три проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения: из нихрома, никелина и меди. При увеличении силы тока заметим, что нихромовый проводник нагревается почти до белого каления, никелиновый лишь слегка краснеет, а медный остаётся темным.

Действительно, ведь чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам. При этом совершается большая работа по их перемещению и, следовательно, проводник больше нагревается.

А как узнать количество выделенной теплоты в таких случаях, ведь здесь очевидно только то, что эта теплота меньше работы электрических сил? Ответ на этот вопрос был найден в 1841 г. английским учёным Дж. Джоулем и независимо от него в 1842 г. русским учёным Э. Х. Ленцем. На основании многочисленных опытов ими было установлено, что количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока в любом проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока:

Это и есть закон Джоуля — Ленца.

Проверить его справедливость можно с помощью следующей экспериментальной установки. В калориметр, содержащий 100 г воды при температуре 20 о С, поместим нихромовую проволоку, концы которой подключим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью вольтметра будем измерять напряжение на концах проводника, а с помощью секундомера — время эксперимента.

Как видим, количество теплоты, полученное водой, равно количеству теплоты, которое выделилось в проводнике, что подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.

Формулой Q = I 2 Rt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же. Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника: Q

R.

При параллельном соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле:

Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника: Q