"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Электрические нагревательные приборы превращают электрическую энергию во внутреннюю энергию и помогают нагревать воду, пищу, предметы или воздух. Ток проходит через нагревательный элемент, обычно сделанный из тонкого проводника с большим сопротивлением, и выделяет в нём теплоту. Элемент часто сворачивают в спираль, а для его изготовления используют, например, нихром. Устройство прибора зависит от того, что нужно нагреть и как передать ему теплоту; изоляция и корпус защищают человека от токоведущих частей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический нагревательный прибор — устройство, которое использует тепловое действие электрического тока для нагревания. Ток проходит через специальную часть прибора и вызывает выделение теплоты. Благодаря этому можно нагревать воду, пищу, предметы или воздух.
Нагревательный элемент — часть прибора, в которой электрическая энергия превращается во внутреннюю энергию. Внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием частиц вещества, поэтому при её увеличении элемент нагревается. Затем он отдаёт теплоту другим телам.
Спираль — проводник, обычно сделанный из материала с большим удельным сопротивлением и свёрнутый для компактности. Удельное сопротивление показывает, насколько материал препятствует прохождению тока. Форма спирали позволяет поместить длинный проводник в небольшой части прибора.
Нихром — сплав, который применяют для изготовления нагревательных элементов. Его удельное сопротивление велико, поэтому он хорошо подходит для получения теплоты при прохождении тока. Нихром также выдерживает высокую температуру, не теряя нужных свойств при обычной работе прибора.
Когда прибор включён, электрический ток проходит через нагревательный элемент. Из-за взаимодействия движущихся зарядов с частицами проводника его внутренняя энергия увеличивается, поэтому элемент становится горячим. Затем теплота передаётся окружающим телам: например, от элемента чайника — воде, а от обогревателя — воздуху в комнате. Значит, нагревается не только сам проводник: он служит источником теплоты для других частей и предметов.
Материал элемента выбирают так, чтобы при прохождении тока в нём выделялось достаточно теплоты. По закону Джоуля—Ленца Q = I²Rt: при прочих равных увеличение сопротивления R увеличивает количество теплоты Q. Поэтому для нагревателей подходят материалы с большим удельным сопротивлением. Однако значение имеет не только материал: на сопротивление проводника также влияют его длина и площадь поперечного сечения.
Проводник нагревательного элемента обычно делают длинным и тонким, а затем сворачивают. Длина и толщина помогают получить нужное сопротивление, но прямой провод занял бы много места. Спираль укладывается компактно и позволяет разместить проводник внутри корпуса или возле поверхности, которую нужно нагреть. Так конструкция прибора остаётся удобной, а нагревательный элемент можно расположить рядом с нужным телом.
В разных приборах нагревательный элемент устроен по-разному, потому что отличаются предмет нагрева и способ передачи теплоты. В чайнике тепло нужно передать воде, в утюге — его рабочей подошве, а в плитке — посуде. Обогревателю нужно нагреть воздух вокруг себя, поэтому его элемент располагают так, чтобы тепло распространялось в помещение. Форма, расположение и защита элемента выбираются с учётом этой задачи.
Нагревательный элемент может быть связан с электрической цепью, поэтому его закрывают изоляцией и помещают в защитный корпус. Изоляция не даёт току переходить на корпус или другие части, с которыми может соприкоснуться человек. Корпус также мешает случайно коснуться горячего или токоведущего элемента. Пользоваться прибором безопасно только при исправных изоляции и корпусе.
Сравнивайте приборы по тому, какое тело нужно нагреть, где находится элемент и каким способом тепло доходит до цели. В графе о передаче теплоты указано, что происходит после нагревания элемента. Такая таблица помогает увидеть, почему одна и та же физическая идея воплощается в разных конструкциях.
| Прибор | Что нагревается | Как устроен нагревательный элемент | Как передаётся теплота |
|---|---|---|---|
| Электрический чайник | Вода | Элемент расположен в основании или встроен в него | От элемента через дно к воде; в воде теплота распространяется при перемешивании |
| Электрический утюг | Подошва утюга и ткань | Элемент размещён внутри утюга и нагревает подошву | От элемента к подошве, затем при контакте к ткани |
| Электрическая плитка | Посуда и её содержимое | Элемент находится под рабочей поверхностью или в ней | К посуде через поверхность, затем от посуды к содержимому |
| Электрический обогреватель | Воздух и предметы в помещении | Элемент расположен внутри корпуса; конструкция обеспечивает передачу тепла наружу | Воздуху конвекцией и окружающим предметам излучением |
Через нагревательный элемент сопротивлением 20 Ом проходит ток 2 А в течение 5 минут. Определите количество теплоты, выделившееся в элементе. Искомую величину связывает с данными закон Джоуля—Ленца. Так как ответ требуется в джоулях, сначала переведём время в секунды.
В квадрат нужно возвести силу тока, а затем умножить её квадрат на сопротивление и время. Ответ: в элементе выделится 24 000 Дж теплоты.
Нагревательный элемент чайника подключён к напряжению 220 В и имеет сопротивление 44 Ом. Найдите силу тока и мощность прибора. Сначала определим силу тока по закону Ома, потому что известны напряжение и сопротивление. Затем вычислим мощность как произведение напряжения на силу тока.
Можно проверить результат по формуле P = U²/R: 220²/44 = 1100 Вт. Ответ: сила тока равна 5 А, мощность — 1100 Вт, или 1,1 кВт.
Электрический прибор мощностью 1,5 кВт работает 8 минут. Определите потреблённую энергию в джоулях и киловатт-часах. Используем связь энергии с мощностью и временем: E = Pt. Для расчёта в джоулях переведём мощность в ватты, а время — в секунды; для киловатт-часов оставим мощность в киловаттах и выразим время в часах.
Результаты выражены в разных единицах, но описывают одну и ту же потреблённую энергию. Ответ: 720 000 Дж, или 0,2 кВт·ч.
Считать, что нагревается только спираль. Это неверно: спираль нагревается первой, но затем передаёт теплоту другим частям прибора и предметам. Ошибку легко допустить, потому что спираль непосредственно связана с действием тока. Проверьте себя вопросом: какое тело прибор должен нагреть в итоге?
Подставлять в формулу время в минутах. В формуле Q = I²Rt для получения джоулей время нужно выразить в секундах. Минуты часто оставляют без перевода, потому что они уже указаны в условии. Перед вычислением подпишите единицы всех величин и проверьте, что 1 мин = 60 с.
Путать мощность с количеством теплоты. Мощность показывает скорость передачи энергии, а количество теплоты зависит также от времени работы. Ошибка возникает, когда величину мощности сразу принимают за энергию. Для проверки используйте формулу E = Pt: при большей продолжительности работы потреблённая энергия больше.
Считать, что для спирали подходит любой металл. Разные материалы имеют разные удельное сопротивление и способность выдерживать высокую температуру. Поэтому один и тот же ток не обязательно даст одинаковый нагрев, а обычный металл может не подойти для долговременной работы. Проверьте, указаны ли свойства материала и соответствует ли он условиям нагревания.
Чтобы понять работу нагревательного прибора, нужно знать тепловое действие электрического тока, закон Джоуля—Ленца и закон Ома для участка цепи. Они объясняют, почему проводник нагревается и как найти характеристики тока в элементе. Без этих связей нельзя обоснованно рассчитать нагрев.
Формулы мощности и энергии помогают оценивать работу прибора и расход электричества. Связь E = Pt показывает, что потребление зависит и от мощности, и от времени включения. Эти знания пригодятся при изучении работы и мощности электрического тока.
Изоляция и защитный корпус связаны с устройством электрических цепей и правилами электробезопасности. Они отделяют человека от частей, по которым проходит ток. Поэтому исправность защиты не менее важна, чем правильная работа нагревательного элемента.
Почему нагревательные элементы часто делают из нихрома?
Нихром имеет большое удельное сопротивление, поэтому проводник из него заметно нагревается при прохождении тока. Кроме того, сплав выдерживает высокую температуру и подходит для работы в нагревательных приборах.
Зачем проводник нагревательного элемента сворачивают в спираль?
Нужный проводник делают достаточно длинным и тонким, чтобы обеспечить требуемое сопротивление и нагрев. Свёрнутая спираль занимает меньше места, чем прямой провод такой же длины.
Почему спираль нагревается, когда через неё проходит ток?
При прохождении тока электрическая энергия превращается во внутреннюю энергию проводника. По закону Джоуля—Ленца количество выделившейся теплоты равно Q = I²Rt.
Почему корпус нагревательного прибора не должен проводить ток?
Корпус отделяет человека от токоведущих частей, поэтому он должен защищать от случайного поражения током. Для этого нагревательный элемент электрически изолируют от корпуса и закрывают его.
Как рассчитать количество теплоты, выделившееся в нагревательном элементе?
Используют закон Джоуля—Ленца: Q = I²Rt, где I — сила тока, R — сопротивление, t — время. Для ответа в джоулях время подставляют в секундах.
42. Электрические нагревательные приборы
