Меню

Перечислите приборы с тепловым действием тока

Вопросы § 35

Физика А.В. Перышкин

1.Как можно наблюдать на опыте тепловое действие тока?

Тепловое действие тока можно наблюдать на проволоке, через которую пропускают электрический ток, она нагревается, удлиняется от нагревания и провисает. Если ток увеличить, можно нагреть проволоку докрасна. В лампах накаливания вольфрамовая спираль накаляется током до яркого свечения.

2. Как можно наблюдать на опыте химическое действие тока?

Химическое действие тока состоит в выделении веществ из растворов при прохождении через
них электрического тока — явление электролиза используется для получения чистых металлов. На опыте это можно продемонстрировать, пропуская ток через раствор медного купороса, получая на отрицательно заряженном электроде чистую медь.

3. Где используют тепловое и химическое действия тока?

Тепловое действие электрического тока используется в различных нагревательных приборах: плитах, утюгах, лампах накаливания, обогревателях воздуха и воды, полов, грелках и т.п. Химическое действие электрического тока используется в промышленном производстве чистых металлов и других веществ электролизом.

4. На каком опыте можно показать магнитное действие тока?

Магнитное действие электрического тока можно продемонстрировать следующим опытом. На железный гвоздь намотать медную проволоку в изоляции, концы которой подсоединить к источнику тока. Когда ток идет, к гвоздю примагничиваются мелкие железные предметы: скрепки, гвоздики, кнопки, как только цепь разрывается, магнитное действие пропадает, все осыпается.

5. Какое действие тока используют в устройстве гальванометра?

В устройстве гальванометра используют явление взаимодействия катушки с током и магнита.

Источник

Тепловые измерительные приборы

Принцип действия тепловых приборов основан на удлинении металлической нити при нагревании её током, которое затем преобразуется во вращательное движение подвижной части прибора.

На фиг. 332 показано устройство теплового прибора. Между точками А1 и А2 натянута металлическая нить 1 длиной 100 — 160 мм, диаметром 0,03—0,05 мм, изготовленная из сплава платины с иридием (или с серебром). В точке Б платиноиридиевую нить оттягивает другая металлическая нить 2 (мостик), закреплённая другим своим концом неподвижно в точке В. Мостик в точке Г оттягивается тонкой шёлковой нитью 3, которая, обвивая ролик 4, другим концом крепится к плоской, стальной пружине 5.

Ток, проходя по платиноиридиевой нити, нагревает её (в некоторых конструкциях до 300°). В результате линейного удлинения нити 1 смещаются металлическая нить 2, шёлковая нить 3 и пружина 5.

На фиг. 332 пунктиром показано положение отдельных частей прибора после удлинения платиноиридиевой нити. Количество тепла, выделяемое током, пропорционально квадрату тока и сопротивлению нити (I 2 r). Не принимая во внимание некоторое изменение сопротивления нити при нагревании, можно предположить, что нагрев нити пропорционален квадрату тока. Следовательно, шкала теплового прибора неравномерна.

Тепловой прибор может работать в цепях постоянного и переменного тока, причём в последнем случае прибор будет показывать действующее значение измеряемой величины. Поскольку в работе прибора не участвуют магнитные поля, на его показания не влияют внешние магнитные поля. Отсутствие железа и ничтожная индуктивность короткой нити обеспечивают независимость показаний теплового прибора от изменений частоты тока в широких пределах.

Этим обстоятельством объясняется широкое применение приборов этого типа в цепях с повышенной и высокой частотой.

Успокоение прибора чаще всего бывает электромагнитное. Для этой цели на оси прибора находится алюминиевая пластинка 7, расположенная между полюсами сильного подковообразного магнита 8. При поворачивании оси пластинка 7 пересекает магнитное поле и в ней индуктируются вихревые токи, которые, взаимодействуя с полем магнита, быстро успокаивают подвижную часть прибора.

Но одновременно с положительными качествами тепловые приборы обладают целым рядом недостатков. Наиболее существенным из них является зависимость показаний прибора от внешней температуры. Для уменьшения такого влияния плита 9, на которой крепятся все части прибора, изготовляется из двух различных металлов, имеющих тот же коэффициент теплового расширения, что и платиноиридиевая нить, благодаря чему при действии внешней температуры плита и нить расширяются одинаково и натяжение нити остаётся без изменений. Имеются и другие способы компенсации влияния внешней температуры. Тепловые приборы боятся перегрузки, так как в этом случае нить перегорает или получает остаточную деформацию, после чего шкалу прибора приходится градуировать заново.

ОММЕТРЫ

Приборы, предназначенные для непосредственного измерения сопротивлений, получили название омметров. Поясним принцип действия омметра.

Электрическая схема простейшего омметра изображена на рисунке 2-26. В цепь магнитоэлектрического прибора (измерителя) включены резистор переменного сопротивления R и источник постоянного тока 8 (например, один элемент от батареи карманного фонаря). Так как малому сопротивлению соответствует большой ток (и наоборот), то для нахождения положения нулевого деления на шкале накоротко замыкают зажимы 33 и перемещением движка резистора R добиваются наибольшего отклонения стрелки. Это положение стрелки соответствует нулевому делению шкалы. Затем поочередно к зажимам 33 подключают известные сопротивления, отмечая всякий раз их значения против положения стрелки. Так изготовляется шкала, на которой фактически против определенных значений тока наносят соответствующие этим токам при данном напряжении сопротивления. Отсчет ведется по такой шкале справа налево, а так как по закону Ома между током и сопротивлением существует обратная пропорциональная зависимость, то шкала такого прибора (омметра) неравномерная. Она сильно сжата у конца, соответствующего большим значениям сопротивлений.

Читайте также:  Определить протекающий ток через цилиндр

В выпускаемых промышленностью омметрах резистор переменного сопротивления, а иногда и источник тока вмонтированы внутри приборов. Перед измерениями зажимы для подключения

измеряемых сопротивлений закорачивают и перемещением движка резистора переменного сопротивления стрелка омметра устанавливается на нуль. Это необходимо делать всякий раз, так как ЭДС источника уменьшается по мере эксплуатации прибора.

В некоторых омметрах установка стрелки на нуль осуществляется с помощью магнитного шунта МШ (рис. 2-27).

Здесь при использовании новой батареи (когда ЭДС её максимальна) значительная часть магнитного потока замыкается через стальную пластинку — через магнитный шунт МШ, минуя воздушный зазор, в котором находится рамка. По мере уменьшения ЭДС батареи магнитный шунт смещают в сторону так, что магнитный поток, замыкающийся через воздушный зазор, возрастает. Так поддерживают значение вращающего момента, действующего на рамку и обеспечивающего отклонение стрелки на всю шкалу при коротком замыкании зажимов омметра После того как стрелка омметра установлена на нуль, прибор подключают к тому участку (или к концам той детали), сопротивление которого хотят измерить.

Кратко рассмотрим простейшие омметры М-57 и М-471.

В омметре-пробнике М-57 (рис. 2-28) источник тока (батарею КБС) вставляют внутрь прибора. Установку нуля осуществляют

магнитным шунтом (ручка регулятора выведена на заднюю стенку).

В омметре М-471 (рис. 2-29) источник тока подключают к зажимам Б и при нажатой кнопке К (цепь измеритель-источник тока замкнута) установку стрелки на нуль осуществляют вращением ручки МШ — регулятора магнитного шунта. Резистор измеряемого сопротивления подключают к зажимам 1—2 или 1—3.

Для измерения изоляции обмоток приборов, машин, кабелей и очень больших сопротивлений применяют мегомметры (меггеры), с помощью которых можно измерять сопротивления до 100 МОм. Принципиально это такие же омметры, но вместо батареи они снабжены маленькими генераторами постоянного тока с ручным приводом, дающими напряжение до 500 В (рис. 2-30).

ЛОГОМЕТРЫ

Логометры — электроизмерительные приборы, у которых положение подвижной системы определяется отношением токов, протекающих по двум отдельным обмоткам.

Логометры могут быть разных систем. Наибольшее распространение получили логометры магнитоэлектрической, электродинамической и электромагнитной систем.

В отличие от обычных приборов, у логометров нет устройства для создания противодействующего момента. При отключённом приборе положение его подвижной системы безразлично, а при включенном приборе на подвижную систему действуют два противоположно направленных вращающих момента. Подвижная система поворачивается в сторону большого момента до тех пор, пока оба момента не сравняются.

В магнитоэлектрическом логометре (рис. 2-31) неподвижная часть состоит из постоянного магнита со стальными полюсными наконечниками и цилиндра из мягкой стали. Вокруг цилиндра могут поворачиваться две жестко связанные между собой рамки, укрепленные на оси со стрелкой. Токи в рамках создают два противоположно направленных вращающих момента.

Магнитное поле в воздушном зазоре специально делают неоднородным (нерадиальным). Это можно достигнуть, если

цилиндру или полюсным наконечникам придать специальную форму. В этом случае вращающие моменты оказываются зависимыми от положения подвижной системы. При повороте подвижной системы в сторону большого момента момент одной рамки возрастает, в то время как момент другой рамки уменьшается. Поэтому поворот происходит до тех пор, пока моменты не окажутся равными при данном соотношении токов в рамках. Причем при одновременном и одинаковом изменении токов в рамках точно так же изменяются и вращающие моменты, оставаясь по-прежнему равными. Следовательно, положение подвижной системы логометра не зависит от абсолютных значений токов в рамках, а определяется отношением токов в них.

Магнитоэлектрические логометры часто используют как омметры и мегомметры для непосредственного измерения сопротивлений.

Читайте также:  Распределение напряжения при стекании тока с заземлителя

В логометрах электродинамической и ферродинамической систем происходит взаимодействие токов в рамках с полем неподвижной катушки. Если логометры работают в цепях переменного тока, то положение подвижной системы определяется не только отношением токов в подвижных катушках, но и отношением сдвигов фаз между этими токами и током неподвижной катушки. Это позволяет использовать логометры электродинамической и ферродинамической систем в качестве фазометров, частотометров и т. д.

Логометры получили широкое практическое применение как щитовые, переносные и регистрирующие приборы.

Источник

Тепловое действие электрического тока

Тепловое действие электрического тока

Еще в девятнадцатом веке опыты по изучению проводимости свидетельствовали, что ток, проходящий по нагрузке, нагревает ее. Исследования показали, что нагревается не только нагрузка, но и проводники.

Тепловое действие электрического тока

Рис. 1. Тепловое действие электрического тока.

Данный факт легко объясним, если вспомнить, что электрический ток – это перемещение зарядов в веществе нагрузки. При движении заряды взаимодействуют с ионами кристаллической решетки, и отдают им часть энергии, которая и переходит в тепло.

Закон Джоуля-Ленца

Поскольку разность потенциалов (напряжение) на нагрузке равна работе, которую совершит единичный заряд, двигаясь по нагрузке, то для вычисления работы тока, необходимо напряжение умножить на заряд, прошедший через нагрузку. Заряд же равен произведению тока, проходящего по нагрузке, на время прохождения. Таким образом:

Детальным изучением теплового действия электрического тока в середине XIXв занимались независимо Д.Джоуль (Великобритания) и Э.Ленц (Россия).

Джоуль и Ленц

Рис. 2. Джоуль и Ленц.

Было выяснено, что если нагрузка неподвижна, то вся работа электрического тока в этой нагрузке перейдет в тепло:

Как правило, напряжение на элементах электрической цепи различно, а ток в ней общий. Поэтому для определения теплового действия удобнее выразить напряжение через ток, учитывая сопротивление:

То есть, количество тепла, образующееся в нагрузке, равно произведению значения тока в квадрате, сопротивления и времени. Этот вывод носит название Закона Джоуля-Ленца.

Иногда ток нагрузки неизвестен, но известно ее сопротивление и подводимое напряжение. В этом случае удобнее выразить ток через известные величины:

и, подставив в формулу выше, получаем:

Из данной формулы можно видеть интересный факт – если в нагревательной плите сгорит часть спирали, и мы просто исключим сгоревшие места, то сопротивление спирали уменьшится, а поскольку напряжение сети останется прежним, то тепло, выделяемое плитой, возрастет. Мощность плитки увеличится.

Использование теплового действия электричества

Тепловое действие электрического тока находит широкое применение, в первую очередь, в нагревательных приборах.

Еще одним важным направлением использования теплового действия являются плавкие предохранители. Если необходимо отключить электрическую цепь при превышение допустимого тока, то в цепь можно включить плавкий предохранитель.

Устройство плавкого предохранителя

Рис. 3. Устройство плавкого предохранителя.

Это небольшая колба из негорючего материала, внутри которой проходит плавкая проволочка или лента, сопротивление которой рассчитано так, чтобы при превышении предельного тока она расплавилась, тем самым разорвав электрическую цепь.

Что мы узнали?

Вся работа тока в неподвижной нагрузке превращается в тепло. Тепловое действие электрического тока по закону Джоуля Ленца пропорционально квадрату тока, сопротивлению и времени. Данное явление широко применяется в плавких предохранителях и нагревательных приборах.

Источник



Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников

Под тепловым действием электрического тока понимают выделение тепловой энергии в процессе прохождения тока по проводнику. Когда через проводник проходит ток, образующие ток свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами проводника, нагревая его.

Выделяемое при этом количество теплоты можно определить с помощью закона Джоуля-Ленца, который формулируется так: количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока через проводник, равно произведению квадрата тока, сопротивления данного проводника и времени прохождения тока через проводник.

Закон Джоуля-Ленца

Приняв ток в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, получим количество теплоты в джоулях. А учитывая что произведение тока на сопротивление — есть напряжение, а произведение напряжения на ток — мощность, в результате оказывается, что количество выделенной теплоты в данном случае равно количеству электрической энергии, переданной данному проводнику во время прохождения по нему тока. То есть электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Получение тепловой энергии из электрической широко применяется с давних времен в различной технике. Электронагревательные приборы, такие как обогреватели, водонагреватели, электрические плиты, паяльники, электропечи и т. д., а также электросварка, лампы накаливания и многое другое используют именно этот принцип для получения тепла.

Читайте также:  Стабилизаторы для генераторов переменного тока

Электрическая плитка

Но в большом количестве электрических устройств нагрев, вызываемый током, вреден: электродвигатели, трансформаторы, провода, электромагниты и т. д. — в данных устройствах, не предназначенных для получения тепла, нагрев снижает их КПД, мешает эффективной работе, и даже может привести к аварийным ситуациям.

Для любого проводника, в зависимости от параметров окружающей среды, характерно определенное допустимое значение величины тока, при котором проводник заметно не нагревается.

Так, например, для нахождения допустимой токовой нагрузки на провода, используют параметр «плотность тока», характеризующий ток, приходящийся на 1 кв.мм площади поперечного сечения данного проводника.

Допустимая плотность тока для каждого проводящего материала в определенных условиях своя, она зависит от многих факторов: от вида изоляции, интенсивности охлаждения, температуры окружающей среды, площади поперечного сечения и т. д.

К примеру для электрических машин, где обмотки изготавливают, как правило, из меди, величина предельно допустимой плотности тока не должна превышать 3-6 ампер на кв.мм. Для лампы накаливания, а точнее для ее вольфрамовой нити, — не более 15 ампер на кв.мм.

Для проводов осветительных и силовых сетей предельно допустимая плотность тока принимается исходя из вида их изоляции и площади поперечного сечения.

Если материалом проводника служит медь, а изоляция резиновая, то при площади сечения, например, в 4 кв.мм допускается плотность тока не более 10,2 ампер на кв.мм, а если сечение 50 кв.мм, то допустимая плотность тока будет всего 4,3 ампера на кв.мм. Если же проводники указанной площади не имеют изоляции, то допустимые плотности тока будут соответственно 12,5 и 5,6 ампер на кв.мм.

Нагретые током электрические проводники

С чем же связано понижение допустимой плотности тока для проводников большего сечения? Дело в том, что проводники с существенной площадью поперечного сечения, в отличие от проводников малого сечения, имеют больший объем проводящего материала расположенного внутри, и получается что внутренние слои проводника сами окружены нагревающимися слоями, которые мешают отводу тепла изнутри.

Чем больше площадь поверхности проводника по отношению к его объему, — тем большую плотность тока способен выдержать проводник не перегреваясь. Неизолированные проводники допускают нагрев до более высокой температуры, так как от них тепло отводится прямо в окружающую среду, изоляция этому не препятствует, и охлаждение происходит быстрее, поэтому для них допускается более высокая плотность тока чем для проводников в изоляции.

Если превысить допустимый для проводника ток, он начнет перегреваться, и в какой-то момент его температура окажется чрезмерной. Изоляция обмотки электродвигателя, генератора или просто проводки, может в таких условиях обуглиться или загореться, что приведет к короткому замыканию и пожару. Если же говорить о неизолированном проводе, то он при высокой температуре может просто расплавиться и разорвать цепь, в которой служит проводником.

Электродвигатель на экране тепловизора

Превышение допустимого тока принято предотвращать. Поэтому в электрических установках обычно принимают специальные меры с целью автоматического отключения от источника питания той части цепи или того электроприемника, в котором случилась перегрузка по току или короткое замыкание. Для этого служат автоматические выключатели, плавкие предохранители и другие устройства, несущие аналогичную функцию — разорвать цепь при перегрузке.

Из закона Джоуля-Ленца следует, что перегрев проводника может произойти не только из-за превышения тока через его поперечное сечение, но и из-за более высокого сопротивления проводника. По этой причине для полноценной и надежной работы любой электрической установки крайне важно сопротивление, особенно в местах соединения друг с другом отдельных проводников.

Электрическое соединение жил кабеля с помощью клеммника

Если проводники соединены не плотно, если их контакт друг с другом не качественный, то сопротивление в месте соединения (так называемое переходное сопротивление в месте контакта) окажется выше чем для цельного участка проводника той же длины.

В результате прохождения тока через такое некачественное, не достаточно плотное соединение, место данного соединения будет перегреваться, что чревато возгоранием, выгоранием проводников или даже пожаром.

Чтобы этого избежать, концы соединяемых проводников надежно зачищают, облуживают и оснащают кабельными наконечниками (впаивают или прессуют) или гильзами, которые обеспечивают запас на переходное сопротивление в месте контакта. Такие наконечники можно плотно закрепить на клеммах электрической машины при помощи болтов.

К электрическим аппаратам, предназначенным для включения и выключения тока, также применяют меры по уменьшению переходного сопротивления между контактами.

Источник