А ЯК НАСПРАВДІ?
Хто, на вашу думку, має рацію (Платон чи дідусь)?
Правим є дідусь. Якщо поставити запобіжник, розрахований на значно більшу силу струму, він не спрацює вчасно при несправності. Це загрожує перегріванням деталей, поломкою пристрою або навіть пожежею.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Чому нагріваються провідники, в яких тече електричний струм?
Нагрівання відбувається через зіткнення заряджених частинок (електронів) з іонами кристалічної ґратки металу під час руху. Внаслідок цих зіткнень кінетична енергія електричного поля переходить у внутрішню енергію провідника, що й викликає підвищення температури.
2. Сформулюйте закон Джоуля — Ленца.
Кількість теплоти, що виділяється провідником зі струмом, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору цього провідника та часу проходження струму.
Формула:
$$Q=I^{2}Rt$$
3. Які формули для розрахунку кількості теплоти, що виділяється в провіднику внаслідок проходження струму, ви знаєте?
Основна формула: $Q=I^{2}Rt$.
Додаткові формули: $Q=UIt$ та $Q=\dfrac{U^{2}}{R}t$.
Чи завжди можна ними (формулами для розрахунку теплоти) користуватися?
Основною формулою ($Q=I^{2}Rt$) можна користуватися завжди. Похідними формулами ($Q=UIt$ та іншими) дозволено користуватися лише тоді, коли вся електрична енергія йде тільки на нагрівання (теплова дія). Якщо є механічна робота (двигуни) або хімічні реакції — ці формули не підходять.
4. Які перетворення енергії відбуваються всередині електронагрівника в разі його ввімкнення в електричне коло?
Електрична енергія перетворюється на внутрішню енергію нагрівального елемента, який потім передає тепло навколишньому середовищу.
5. Які властивості повинен мати метал, із якого виготовляють нагрівальний елемент?
Матеріал повинен мати високий питомий опір та бути тугоплавким (витримувати високі температури без плавлення).
6. Чому нагрівальний елемент має бути ізольований від корпусу нагрівального приладу?
Ізоляція необхідна для безпеки, щоб запобігти ураженню людини електричним струмом при дотику до корпусу приладу.
7. Що може стати причиною надмірного збільшення сили струму в електричному колі?
Основні причини: коротке замикання (різке падіння опору) або одночасне увімкнення великої кількості потужних приладів (паралельне з’єднання зменшує загальний опір).
До чого це може призвести?
Перевантаження мережі веде до перегріву проводів, плавлення ізоляції, виходу техніки з ладу та пожеж.
З якою метою застосовують запобіжники?
Запобіжники автоматично розмикають коло, якщо сила струму перевищує безпечну норму, захищаючи від пожежі та пошкодження техніки.
8. Поясніть принцип дії автоматичного запобіжника.
В основі роботи лежить біметалева пластина. При проходженні надмірного струму вона нагрівається, вигинається та розмикає контакти електричного кола.
ВПРАВА № 42
1. Скільки теплоти виділиться за 10 хв в електропечі, якщо опір нагрівального елемента печі становить 30 Ом, а сила струму в ньому дорівнює 4 А?
Дано: $t = 600$ с, $R = 30$ Ом, $I = 4$ А.
Розв’язання: Використовуємо закон Джоуля — Ленца: $Q = I^2Rt$.
$Q = 4^2 \cdot 30 \cdot 600 = 16 \cdot 30 \cdot 600 = 288,000$ Дж.
Відповідь: 288 кДж.
2. Два провідники опорами 10 і 20 Ом увімкнено в мережу, що має напругу 100 В. Яка кількість теплоти виділиться за 5 с у кожному провіднику, якщо вони з’єднані паралельно?
Дано: $R_1 = 10$ Ом, $R_2 = 20$ Ом, $U = 100$ В, $t = 5$ с.
Розв’язання: При паралельному з’єднанні напруга однакова ($U=100$ В). Використовуємо формулу $Q = \frac{U^2}{R}t$.
Для першого: $Q_1 = \frac{100^2}{10} \cdot 5 = 5000$ Дж.
Для другого: $Q_2 = \frac{100^2}{20} \cdot 5 = 2500$ Дж.
Відповідь: 5 кДж та 2,5 кДж.
3. Якою є максимально допустима потужність струму в пристрої, якщо його плавкий запобіжник розрахований на максимальний струм 6 А за напруги 220 В?
Розв’язання: Потужність $P = UI$.
$P = 220 \cdot 6 = 1320$ Вт.
Відповідь: 1,32 кВт.
4. Чому для запобігання займанню електропроводки особливу увагу необхідно приділяти якісному з’єднанню дротів один з одним та з приладами, які ввімкнено в мережу?
Поганий контакт (наприклад, нещільна скрутка) має підвищений опір. Згідно із законом Джоуля — Ленца ($Q=I^2Rt$), у місці високого опору виділяється велика кількість тепла, що спричиняє іскріння та займання.
5. Електрокип’ятильник, в обмотці якого тече струм силою 2 А, за 5 хв нагріває 0,2 кг води від 14 °С до кипіння. Визначте напругу, подану на електрокип’ятильник. Втратами енергії знехтуйте.
Дано: $t=300$ с, $m=0,2$ кг, $\Delta t = 100-14=86^\circ$C, $I=2$ А, $c=4200$.
Розв’язання: Теплота для нагріву води $Q = cm\Delta t = 4200 \cdot 0,2 \cdot 86 = 72,240$ Дж.
Робота струму $A = UIt$. Прирівнюємо $A = Q$: $UIt = 72,240$.
$U = \frac{72,240}{2 \cdot 300} = 120,4$ В.
Відповідь: 120,4 В.
6. Для приєднання зварювального апарата, який споживає струм силою 100 А, недосвідчений робітник вирішив скористатися освітлювальним шнуром. Чому ви, знаючи фізику, ніколи цього не зробите?
Освітлювальний шнур тонкий і має великий опір. Струм у 100 А за формулою $Q=I^2Rt$ викличе колосальне виділення тепла (залежність від квадрата струму). Це миттєво розплавить ізоляцію і призведе до пожежі.
7. Якої довжини ніхромовий дріт треба взяти, щоб виготовити електричний камін, який працюватиме за напруги 120 В і виділятиме 1 МДж теплоти за годину? Діаметр дроту 0,5 мм.
Дано: $U=120$ В, $Q=10^6$ Дж, $t=3600$ с, $d=0,5$ мм, $\rho=1,1$.
Розв’язання: З формули $Q = \frac{U^2}{R}t$ знаходимо опір: $R = \frac{U^2 t}{Q} = 51,84$ Ом.
З формули опору $R = \rho \frac{L}{S}$ виражаємо довжину $L = \frac{RS}{\rho}$.
Площа перерізу $S = \frac{\pi d^2}{4} \approx 0,196$ мм².
$L = \frac{51,84 \cdot 0,196}{1,1} \approx 9,24$ м.
Відповідь: ≈ 9,24 м.
8. Праска — один із найпоширеніших нагрівальних пристроїв, здавна використовуваних людиною. Дізнайтесь історію створення праски та підготуйте коротке повідомлення.
Еволюція праски пройшла шлях від гарячого каміння до сучасних приладів. Спочатку використовували розігріті металеві бруски або вугільні праски (скриньки з жаром). У 1882 році Генрі Сілі Вайт винайшов електричну праску. Згодом пристрої отримали терморегулятори та функцію відпарювання, ставши безпечними та зручними.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
З’ясуйте потужність різних споживачів струму у вашій оселі.
Приклади потужностей:
- Лампа LED: 10 Вт.
- Ноутбук: ~65 Вт.
- Телевізор: 100 Вт.
- Пилотяг: 1600 Вт.
- Чайник: 2000 Вт.
- Пральна машина (нагрів): 2200 Вт.
Дізнайтеся, на яку силу струму розраховані запобіжники, що встановлені у вашому електролічильнику.
Зазвичай на побутових автоматах є маркування (наприклад, C16), що вказує на обмеження струму в 16 Ампер.
Визначте, скільки споживачів і які саме можна одночасно ввімкнути в одне відгалуження проводки (у вашій оселі).
Приклад безпечного навантаження: Чайник (2000 Вт) + ПК (65 Вт) + Світло (100 Вт) = 2165 Вт (менше ліміту).
Приклад небезпечного навантаження: Чайник (2000 Вт) + Пральна машина (2200 Вт) = 4200 Вт. Це перевищує допустиму межу для стандартної проводки, тому спрацює запобіжник, щоб уникнути перегріву.