Учение о теплоте и электричестве

I = nU : (nR1 : m  + R)  =  U : (R1 : m  +  R : n).

     Последовательное соединение элементов повышает напряжение. Параллельное соединение уменьшает внутреннее сопротивление.   

г) Присоединение измерительных  приборов.   

  Электрические измерительные приборы основаны или на магнитных действиях тока стрелочный гальванометр, приборы с вращающейся катушкой, железным сердечником) или на нагревательном действии тока (тепловые приборы). Их специальное назначение (как амперметра или вольтметра) зависит от способа включения и применения вспомогательных сопротивлений. Запомни:

     Стрелочный гальванометр – высокочувствительный прибор, поэтому он применим только при измерении токов в несколько миллиампер. Внутреннее сопротивление прибора обозначим R₁. Чтобы иметь возможность использовать этот прибор для измерений, значительно больших токов его шунтируют, т.е. параллельно ему включают некоторое сопротивление Rп (шунт). Это сопротивление изменяет, согласно законам Кирхгофа, предел измерения прибора. Если предел измерений прибора должен возрасти в п раз, то через прибор должна протекать 1/п часть основного тока (рис.35):                                 

I_п : I  =  (п-1) : 1 =  R₁ : R_п ;     R_п = R₁ : (п-1).

     Пример. Сопротивление амперметра 50 ом, его предел измерения 50 мв, т. е.  прибор может выдержать ток не более 50 ма. Чтобы увеличить предел измерения до 5 а,  т. е.  в 100 раз, следует параллельно амперметру включить сопротивление  R_п :                                     

R_п  = 50 : (100 –1) = 50 : 99 ≈ 0,5 ом.                  

Если соединить  последовательно с измерительным  прибором большое сопротивление R_п и включить эту комбинацию в ответвление (рис.36), то через прибор потечет слабый ток  i = U : (R_v + R_i),  при этом ток в основной цепи заметно не изменится.

     Прибор измеряет напряжение U =  i (R_v + R_i),  и может быть проградуирован в вольтах; в этом случае он называется вольтметром. Падение напряжения распределяется на R_v +R_i . Это дополнительное сопротивление  R_v обычно вмонтировано в прибор. Для увеличения предела измерения вольтметра в п раз на прибор должна приходиться 1/п часть напряжения; тогда получается   R_v : R_i = (п-1) :1.    Для увеличения предела измерения в 100 раз нужно включить дополнительное сопротивление, равное 99 R_i . 

НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ  ДЕЙСТВИЕ ТОКА,

РАБОТА ТОКА.    

а) Нагревание, создаваемое  током.  

   При прохождении тока проводник нагревается. Мощность, выделяемая током, зависит от его величины и от сопротивления. Она может быть измерена при помощи калориметра (рис.37).        

     Расход мощности на нагревание пропорционален квадрату тока и сопротивлению проводника (Джоуль, 1843).

     Электрический эквивалент С = 0,239 кал/джуоль, так как обычно измеряют напряжение в вольтах, а ток в амперах.

     Вдвое больший ток за то же время создает четырехкратное нагревание проводника.

     Удлинение проволоки от нагревания при прохождении тока может быть использовано для измерения тока: тепловой измерительный прибор  (рис.38). Обтекаемая током тонкая проволока оттянута непроводящей нитью. Эта нить переброшена через блок со стрелкой. При прохождении тока проволока нагревается и удлиняется; пружина F оттягивает ее вниз, указатель перемещается вправо. Так как нагревание, а также и удлинение растут пропорционально квадрату тока, то на тепловом приборе нанесена шкала, расстояние между делениями которой растут, как квадраты чисел. Тепловые приборы применяются как щитковые приборы для грубых измерений.

     Преимущество: возможность применения для измерения переменного тока. Еще приборы, основанные на нагревательном действии тока: Лампы накаливания, электрические печи, электрические плитки и электрические утюги, угольная дуга (дуговая лампа).   

б) Мощность тока.   

  Мощность обычно измеряется в ваттах = джоуль/секунда,

1 дж/сек = 10⁷ эрг/сек  = 1 в · 1 а,

 

 1 вт = 10⁷ эрг/сек  = 10⁷ дин · см /сек  = 1 н · м /сек = 1 кпм : 9,81 сек.  

1 лс  = 75 кпм /сек = 75 · 9,81 вт = 736 вт; 1 квт = 1,36 лс.      

в) Работа тока.

     работа в 1 киловатт-час получается когда потребитель использует в течение 1 часа ток мощностью в 1 квт или 1/п  часа  п квт.

 

 

 

     На основании закона Джоуля 1 вт · сек соответствует 0,239 кал.

1 квт · час = 0,239 · 3600 ккал = 860,4 ккал.   

г) Термоэлектричество и эффект Пельтье.   

  Непосредственное превращение тепла в электричество происходит в термоэлементах.

     Основной опыт.   Два различных металла (например, медь и висмут) спаяны с одного конца. Если подогреть место спая, то на свободных концах обнаруживается напряжение. Эти две металлические полоски образуют термоэлемент.

     Особенно активными являются железо и висмут. Возникшее напряжение очень мало, например висмут – медь дает 0,000093 в при разности температур в 1º; если сопротивление термоэлемента очень мало (например,0,003 ом), то получается все же значительный ток: при разности температур в 100º С.

I = 0,0093 / 0,003 = 3,1а. 

    Последовательно соединенные термоэлементы образуют термостолбик.

Термоэлементы применяются для измерения высоких  температур в доменных печах. Напряжение измеряется в милливольтах (термоэлементы платина - платинородий дают на каждые 100ºС  около 0,001 в). Для измерения переменных токов высокой частоты служит термокрест (рис.39).  Переменный ток нагревает место спая. На свободных концах креста возникает постоянная разность напряжений. Эти концы подключаются к миллиамперметру, в котором возникает постоянный ток.

     Эффект Пельтье – обращение термоэффекта: если пропустить ток через место спая двух различных металлов, то оно охлаждается или нагревается в зависимости от направления тока; охлаждение наступает, когда ток течет в том же направлении, что и термоток, возникающий при нагревании спая. 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

               

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

                    
 
 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

                              

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЛИТЕРАТУРА. 

1. Дягилев Ф. М. Из истории физики и жизни ее творцов. М.: Просвещение, 1986.
2. Спасский Б. И. История физики. — М., «Высшая школа», 1977.
3. Кудрявцев, П. С. Курс истории физики — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Просвещение, 1982.
4. Астахов А.В., Широков Ю.М. Курс физики. Том 2. Электромагнитное поле. М.: Наука, 1980.
5. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс обшей физики. Том 2. Электричество и магнетизм (5-е издание). М.: Наука, 1972. 
6. Поль Р.В. Механика, акустика и учение о теплоте. М.: ГИТТЛ, 1957.