А ЯК НАСПРАВДІ?
Хто, на вашу думку, має рацію (Платон чи дідусь)?
Дідусь правий. Запобіжник, розрахований на занадто велику силу струму, не розірве коло вчасно. Це спричинить перегрів деталей приладу, що призведе до його поломки або пожежі.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Чому нагріваються провідники, в яких тече електричний струм?
Під дією електричного поля вільні заряджені частинки рухаються і зіштовхуються з частинками провідника (наприклад, йонами кристалічної ґратки в металах). Під час цих зіткнень кінетична енергія частинок передається провіднику, збільшуючи його внутрішню енергію. Тому провідник нагрівається.
2. Сформулюйте закон Джоуля — Ленца.
Кількість теплоти, яка виділяється у провіднику зі струмом, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору цього провідника та часу проходження струму.
Формула закону:
$$Q=I^{2}Rt$$
3. Які формули для розрахунку кількості теплоти, що виділяється в провіднику внаслідок проходження струму, ви знаєте?
Крім основної формули $Q=I^{2}Rt$, використовують $Q=UIt$ та $Q=\dfrac{U^{2}}{R}t$.
Чи завжди можна ними (формулами для розрахунку теплоти) користуватися?
Формула $Q=I^{2}Rt$ є універсальною. Формули $Q=UIt$ та $Q=\dfrac{U^{2}}{R}t$ можна застосовувати лише тоді, коли вся електрична енергія витрачається тільки на нагрівання. Якщо енергія витрачається на механічну роботу (двигун) або хімічні реакції, ці дві формули використовувати не можна.
4. Які перетворення енергії відбуваються всередині електронагрівника в разі його ввімкнення в електричне коло?
Електрична енергія перетворюється на внутрішню енергію нагрівального елемента. Потім пристрій передає це тепло навколишньому середовищу.
5. Які властивості повинен мати метал, із якого виготовляють нагрівальний елемент?
Матеріал повинен мати високий питомий опір та бути тугоплавким, щоб витримувати сильне нагрівання без плавлення.
6. Чому нагрівальний елемент має бути ізольований від корпусу нагрівального приладу?
Це необхідно для безпеки, щоб користувача не вдарило струмом при торканні до корпусу приладу.
7. Що може стати причиною надмірного збільшення сили струму в електричному колі?
Сила струму різко зростає через коротке замикання (з’єднання дротів із дуже малим опором) або при одночасному ввімкненні багатьох потужних приладів у паралельну мережу.
До чого це може призвести?
Це призводить до перегріву дротів, займання ізоляції та виникнення пожежі. Також можуть зіпсуватися підключені електроприлади.
З якою метою застосовують запобіжники?
Їх використовують для автоматичного розмикання кола, якщо сила струму перевищує допустиму норму. Це захищає мережу від пожежі.
8. Поясніть принцип дії автоматичного запобіжника.
Головним елементом є біметалева пластина. Коли струм стає занадто великим, вона нагрівається, вигинається і механічно розмикає електричне коло.
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:
$t = 600 \text{ с}$ (10 хв)
$R = 30 \text{ Ом}$
$I = 4 \text{ А}$
Розв’язання:
За законом Джоуля — Ленца: $Q = I^2Rt$.
$Q = 4^2 \cdot 30 \cdot 600 = 16 \cdot 18000 = 288000 \text{ Дж} = 288 \text{ кДж}$.
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:
$R_1 = 10 \text{ Ом}$, $R_2 = 20 \text{ Ом}$
$U = 100 \text{ В}$, $t = 5 \text{ с}$
Розв’язання:
При паралельному з’єднанні напруга однакова. Використовуємо формулу $Q = \dfrac{U^2}{R}t$.
$Q_1 = \dfrac{100^2}{10} \cdot 5 = 5000 \text{ Дж} = 5 \text{ кДж}$.
$Q_2 = \dfrac{100^2}{20} \cdot 5 = 2500 \text{ Дж} = 2,5 \text{ кДж}$.
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?
Дано:
$I = 6 \text{ А}$, $U = 220 \text{ В}$
Розв’язання:
$P = UI = 220 \cdot 6 = 1320 \text{ Вт}$.
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 («скрутка») має великий опір. Через це в місці з’єднання виділяється багато тепла, що плавить ізоляцію та призводить до іскріння або пожежі.
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:
$I = 2 \text{ А}$, $t = 300 \text{ с}$, $m = 0,2 \text{ кг}$, $\Delta T = 86 \text{ °С}$, $c = 4200 \text{ Дж/(кг·°С)}$
Розв’язання:
Тепло для води: $Q = cm\Delta T = 4200 \cdot 0,2 \cdot 86 = 72240 \text{ Дж}$.
Робота струму: $A = UIt$. Оскільки $A = Q$, то $U = \dfrac{Q}{It} = \dfrac{72240}{2 \cdot 300} = 120,4 \text{ В}$.
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?
Тонкий освітлювальний шнур має великий опір і не розрахований на 100 А. Через величезну кількість тепла він миттєво перегріється, ізоляція спалахне, що призведе до короткого замикання.
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:
$U = 120 \text{ В}$, $Q = 10^6 \text{ Дж}$, $t = 3600 \text{ с}$, $d = 0,5 \text{ мм}$, $\rho = 1,1 \text{ Ом·мм}^2/\text{м}$
Розв’язання:
Опір: $R = \dfrac{U^2t}{Q} = \dfrac{120^2 \cdot 3600}{10^6} = 51,84 \text{ Ом}$.
Площа перерізу: $S = \dfrac{\pi d^2}{4} \approx 0,196 \text{ мм}^2$.
Довжина: $L = \dfrac{RS}{\rho} = \dfrac{51,84 \cdot 0,196}{1,1} \approx 9,24 \text{ м}$.
Відповідь: ~9,24 м.
8. Праска — один із найпоширеніших нагрівальних пристроїв, здавна використовуваних людиною. Дізнайтесь історію створення праски та підготуйте коротке повідомлення.
Перші праски були кам’яними або металевими молотками. Згодом з’явилися «вугільні» чавунні скриньки та литі праски, що грілися на печі. У 1882 році Генрі Сілі Вайт винайшов електричну праску. Сучасні моделі мають термостати для точного регулювання температури.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
З’ясуйте потужність різних споживачів струму у вашій оселі.
Типові показники: LED-лампа — 10 Вт, ноутбук — 65 Вт, телевізор — 100 Вт, електрочайник — 2000 Вт, пральна машина — 2200 Вт.
Дізнайтеся, на яку силу струму розраховані запобіжники, що встановлені у вашому електролічильнику.
У більшості квартир встановлені автомати на 16 А (маркування С16).
Визначте, скільки споживачів і які саме можна одночасно ввімкнути в одне відгалуження проводки (у вашій оселі).
При ліміті 16 А та напрузі 220 В максимальна потужність становить 3520 Вт. Можна одночасно ввімкнути чайник (2000 Вт) та комп’ютер (100 Вт), але ввімкнення разом із ними пральної машини (2200 Вт) виб’є запобіжник.