Prawo Joule`a–Lenza, Schematy z Elektrotechnika

Pobierz Prawo Joule`a–Lenza i więcej Schematy w PDF z Elektrotechnika tylko na Docsity! Prawo Joule`a–Lenza Wprowadzenie Przeczytaj Film samouczek Sprawdź się Dla nauczyciela Czy to nie ciekawe? Kiedy w XIX wieku James Joule i, niezależnie od niego, Heinrich Lenz zauważyli, że w wyniku przepływu prądu wydziela się ciepło, było to wielkim odkryciem fizycznym. Dzisiaj jest to dla nas zjawisko normalne, niewywołujące żadnego zdziwienia. Jeśli chcesz, możesz dołączyć do tych, którzy potrafią je wyjaśnić, opisać i zastosować. Szczegółów dowiesz się w tym e‐materiale. Zapraszamy! Prawo Joule`a–Lenza na elemencie obwodu (czyli wartość pracy, jaką wykona ten prąd w jednostce czasu) wyrażona jest wzorem gdzie to natężenie prądu przepływającego przez ten element, a  to napięcie elektryczne panujące na jego końcach. Moc w fizyce, z definicji, jest to szybkość wykonywania pracy, innymi słowy wartość pracy wykonanej w jednostce czasu. Tak, jak napisaliśmy wyżej, praca wykonana przez prąd elektryczny (czyli przez wszystkie poruszające się elektrony) jest zamieniana na ciepło emitowane z przewodnika. Wykorzystując prawo Ohma, możemy więc stwierdzić, że: gdzie zastosowaliśmy oznaczenia: – ilość ciepła wyemitowanego przez przewodnik podczas przepływu prądu, – czas przepływu prądu, – opór elektryczny przewodnika. Prawo Ohma moglibyśmy także zastosować w odwrotny sposób, uzyskując wzór zawierający napięcie na końcach opornika, ale mechanizm wydzielania się ciepła jednoznacznie wskazuje na to, że jego ilość zależy od liczby przepływających i zderzających się z atomami ładunków elektrycznych. Dlatego we wzorze korzystamy z natężenia prądu. Ostatecznie, zależność nosi nazwę prawa Joule’a‐Lenza. Zastosowania zjawiska Joule’a–Lenza Ciepło jest potrzebne ludziom do życia w bardzo wielu sytuacjach. Gdy chcemy ogrzać pomieszczenie lub ugotować obiad, wówczas korzystamy z urządzeń elektrycznych, które wydzielają ciepło wskutek przepływu prądu. To najprostszy, najtańszy i najbezpieczniejszy sposób podgrzewania. Czasami wydzielanie ciepła uważamy za niepożądany skutek uboczny przepływu prądu. Na przykład, w komputerach musimy stosować specjalne systemy chłodzenia procesora, a przesyłając energię elektryczną na odległość zmniejszamy straty stosując wysokie napięcie. Jednym z ciekawych zastosowań zjawiska Joule’a‐Lenza są badania termowizyjne przeprowadzane w elektrotechnice. W trakcie pracy urządzenia elektrycznego monitoruje P = UI I U Q = Pt = IUt = I 2 Rt Q t R Q = I 2 Rt się temperaturę jego elementów za pomocą kamery termowizyjnej. Pozwala to wskazać elementy wadliwe, gdyż one nagrzewają się bardziej, niż działające prawidłowo lub wcale, jeśli wskutek awarii prąd nie płynie przez nie w ogóle. Rys. 2. Jeden z elementów jest uszkodzony, gdyż nadmiernie się nagrzewa. Źródło: hps://blog.etserwis.pl/badania-termowizyjne-elektrotechnika/ Słowniczek Sieć krystaliczna (ang.: crystal structure) – jony dodatnie nie są w przewodnikach ułożone w przestrzeni w sposób losowy, tylko tworzą pewną uporządkowaną, symetryczną strukturę, którą nazywamy siecią krystaliczną. Poruszające się w polu oddziaływań tej struktury wolne elektrony (biorące udział w przepływie prądu) zderzają się z jonami, przekazując im część swojej energii i tym samym wpływając na drgania jonów wokół ich położeń równowagi (a przez to na temperaturę przewodnika). Termowizja (termografia) (ang.: thermography) – rejestracja oraz przewarzanie i wizualizacja promieniowania elektromagnetycznego w zakresie podczerwieni (o długości fali od 9 do 14 μm). Stosowana jest w badaniach naukowych, w medycynie, przy diagnostyce urządzeń mechanicznych, elektrycznych i izolacji cieplnych oraz przez wojsko i policję. Film samouczek Prawo Joule’a-Lenza Film samouczek bazuje na obserwacji, że podczas przepływu prądu wydziela się ciepło. Rozważając przyczyny tego zjawiska oraz stosując dotychczasowe wiadomości dotyczące elektrostatyki i prądu elektrycznego, lektor wraz z widzem wyprowadzają wzór na wartość tego ciepła. W ten sposób dochodzimy do ostatecznej postaci prawa Joule’a‐Lenza. Film dostępny na portalu epodreczniki.pl Wysłuchaj ścieżki lektorskiej. Polecenie 1 Zastanów się nad tym, czy materiał będący doskonałym przewodnikiem (nieposiadający oporu elektrycznego) wydzielałby również ciepło podczas przepływu prądu. Polecenie 2 Załóżmy, że mamy dwa takie same oporniki, przez które płynie prąd o takim samym natężeniu. Jeden opornik znajduje się w powietrzu, natomiast drugi umieszczono w próżni. Co możemy powiedzieć na temat temperatury obu tych oporników? Ćwiczenie 8 Wzór Joule’a-Lenza występuje pod dwiema postaciami: Jeżeli do tego samego źródła napięcia będziemy podłączać przewodniki o coraz mniejszym oporze, to z jednego wzoru wynika, że wartość ciepła wydzielonego na nich w określonym czasie będzie maleć a z drugiego, że rosnąć. Rozstrzygnij ten dylemat. Porównaj swoją odpowiedź z naszą propozycją. Q = I 2 Rt Q = U 2 R t 難 Dla nauczyciela Scenariusz lekcji: Imię i nazwisko autora: Tomasz Sobiepan Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: Prawo Joule’a–Lenza Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony Podstawa programowa: Cele kształcenia – wymagania ogólne I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. Zakres rozszerzony Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem; 19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu. VIII. Prąd elektryczny. Uczeń: 8) stosuje do obliczeń związek mocy wydzielonej na oporniku (ciepła Joule’a‐Lenza) z natężeniem prądu i oporem oraz napięciem i oporem). Kształtowane kompetencje kluczowe: Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r. kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje cyfrowe, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się. Cele operacyjne: Uczeń: 1. objaśnia prawo Joule’a‐Lenza, 2. stosuje dotychczasową wiedzę do wyjaśnienia zjawiska emisji ciepła przez przewodnik, 3. wyprowadza na dwa różne sposoby wzór opisujący prawo Joule’a‐Lenza, 4. rozwiązuje zadania pojęciowe i rachunkowe dotyczące prawa Joule’a‐Lenza. Strategie nauczania: Strategia Kształcenia Wyprzedzającego Metody nauczania: wykład informacyjny, gra dydaktyczna Formy zajęć: praca w parach, praca indywidualna Środki dydaktyczne: film‐samouczek, zestaw zadań Materiały pomocnicze: e‐materiał: Jaką zależność opisuje prawo Ohma? PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca: Zaciekawienie uczniów według części „Czy to nie ciekawe?”. Uzgodnienie z uczniami celów do osiągniecia na lekcji. Faza realizacyjna: