Теплота тока: Количество теплоты, выделяемое проводником с током — урок. Физика, 8 класс.

Теплота и электрический ток

Теплота и электрический ток Марио Льоцци ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Начиная с 1794 г. Вольта многократно проводил такой опыт: он помещал лягушку, препарированную по методу Гальвани, таким образом, чтобы ее задние лапки были опущены в воду одной банки, а спинка и позвоночный столб погружались в другую банку с водой. Если цепь замыкалась железной проволокой, один конец которой опускался на несколько минут в кипящую воду, то наблюдались сильные конвульсии лягушки, продолжавшиеся до тех пор, пока конец проволоки не остывал. Этот опыт прошел незамеченным, и о нем, вероятно, ничего не знал также Томас Зеебек (1770—1831), выступивший в 1821 г. с докладами в Берлинской Академии наук. На основе этих докладов Зеебеком впоследствии была напитана известная работа, вышедшая лишь в 1825 г. Открытое им явление теперь хорошо известно. Сам Зеебек описывает один из своих многочисленных  опытов следующим образом. Небольшой кусок висмута был припаян с обоих концов к медной спирали. Если один конец нагревался с помощью лампы, а другой оставался холодным, то магнитная стрелка, заключенная внутри спирали, поворачивалась, указывая на прохождение тока, который в холодном спае шел от меди к висмуту. Это явление стало известно в 1823 г. благодаря Эрстеду, который и дал ему название, укоренившееся до наших дней. В том же 1823 г. Фурье и Эрстед доказали, что термоэлектрический эффект обладает свойством суперпозиции, и построили первую термоэлектрическую батарею, состоявшую из трех пластин сурьмы, чередовавшихся с тремя пластинами висмута и спаянных на концах так, что они образовывали шестиугольник. Эта батарея была значительно усовершенствована в 1829 г. Нобили, который расположил биметаллические палочки, соединив их не торцами, а плоскостями, в наклонном положении, почти вертикально, по краям цилиндрической поверхности и поместил в сосуд, залитый камедью, так что одна группа спаев была погружена в камедь, а другая выступала наружу. Дальнейшее усовершенствование было внесено через год Меллони, сконструировавшим призматическую модель, используемую и сейчас. На основе батареи Меллони и гальванометра своей конструкции Нобили построил в том же 1830 г. термомультипликатор такой чувствительности, что он реагировал на тепло человеческого тела  на расстоянии 18—20 локтей. В 1834 г. в ходе экспериментальных исследований проводимости сурьмы и висмута Жан Шарль Пельтье (1785—1845) намеревался определить, как изменяется температура вдоль однородного или разнородного проводника, по которому проходит ток. В связи с этим Пельтье исследовал температуру в разных точках термоэлектрической цепи с помощью термопары, соединенной с гальванометром, причем обнаружил, что в местах спаев разных металлов температура резко меняется, имеются даже случаи охлаждения. Наибольшего эффекта ему удалось добиться с парой висмут — сурьма. Таким образом, электроток может вызывать и охлаждение. Беккерель, Де ла Рив и другие физики отнеслись с недоверием к опытам Пельтье, отчасти, вероятно, потому, что он был в науке, так сказать, случайным человеком — до тридцати лет Пельтье был часовщиком. Чтобы исключить всякие сомнения, Пельтье подтвердил открытое им явление непосредственно с помощью воздушного термометра. Именно этот метод и сейчас описывается в учебниках. В других своих опытах Пельтье спаивал накрест два куска металла, затем, подключив гальванометр, пропускал через два последовательных конца креста и через гальванометр термоэлектрический ток, а спустя некоторое время цепь разъединял и подсоединял тот же гальванометр, но к другим двум концам креста — и гальванометр показывал ток, вызывавшийся либо нагреванием, либо охлаждением спая креста. В каких случаях получается нагревание, а в каких охлаждение в месте спая, точно определил в 1838 г. Поггендорф и независимо от него в 1840 г. Луиджи Пачинотти (1807—1889), отец Антонио Пачинотти, изобретателя динамо-машины постоянного тока. ЗАКОН ДЖОУЛЯ В течение первых сорока лет после изобретения батареи предпринималось множество попыток, частью неудачных, а частью незавершенных, выяснить, какому закону подчиняется выделение тепла электрическим током. Неудачи этих попыток можно объяснить недостаточной ясностью понятий силы тока и электрического сопротивления и как следствие — отсутствием точно определенных единиц измерения. К тому же из-за незнания закона Ома исследователи подключали в цепь последовательно провода с разным сопротивлением, считая, что они тем самым изменяют только сопротивление, а не силу тока. Этим объясняется неудача некоторых исследований, таких, как исследования Уильяма Харриса (1791 — 1867), которые, как стало ясно теперь, вполне могли привести к желаемой цели. В 1841 г. Джоуль начал экспериментальное исследование теплоты, выделяемой проводником. Ему пришла удачная мысль прокалибровать сначала свою тангенс-буссоль в цепи с вольтаметром, как это предлагал делать Фарадей. Нагревающее приспособление состояло из исследуемого проводника, обмотанного спиралью вокруг тонкой стеклянной трубки, погруженной в стеклянный резервуар с определенным количеством воды, и чувствительного термометра. В трех проводившихся опытах, в каждом из которых последовательно соединялись два сопротивления, погруженные в одинаковые калориметры, Джоуль установил, что при одной и той же силе тока количество выделяемой теплоты пропорционально сопротивлениям проводников. Этот первый результат привел его к формулировке гипотезы о влиянии силы тока. Он выразил ее в таком не очень ясном рассуждении: «Размышляя над вышеуказанным законом, я подумал, что действие тока должно изменяться при увеличении силы электрического тока как квадрат силы тока, потому что ясно, что в таком случае сопротивление должно изменяться в двойном отношении: из-за увеличения количества проходящего электричества в данный промежуток времени, а также из-за увеличения самой его скорости». Джоуль, вероятно, хотел сказать, что теплота, выделяемая током, вызывается ударами частиц электрического флюида о частицы проводника. Поэтому, если увеличивается сила тока, увеличивается скорость частиц электрического флюида и удары получаются более сильными, а также более частыми вследствие увеличения количества электрического флюида, проходящего за данный промежуток времени через сечение проводника. Но как бы там ни было, Джоуль подверг свою гипотезу опытной проверке и обнаружил, что количество тепла, измеренное калориметром, в который была погружена медная спираль, столь мало отличалось от расчетного, что можно было признать закон вполне подтвержденным, по крайней мере для металлических  проводников. Гораздо более оригинальными были опыты, проведенные Джоулем для проверки этого закона для токов в электролитах и для токов индукции. Результаты этих исследований были изложены в работе 1843 г. В этой работе устанавливается, что в любом случае, с любым проводником, при любом токе выделяемое тепло пропорционально сопротивлению проводника и квадрату силы тока. Естественно, что многие ученые повторили опыты Джоуля, видоизменяя их, и подтвердили полученные Джоулем результаты, выведя из них первые следствия. Среди этих следствий мы упомянем лишь результат, полученный в 1844 г. в Петербурге Ленцем и независимо от него в 1845 г. профессором физики в Турине Доменико Ботто (1791—1865). Эти исследователи установили, что генератор может отдать во внешнюю цепь максимальное количество тепла, если сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению генератора. Именно в этой связи Ленц начал нелегкую работу по определению зависимости температуры нагрева проводника от проходящего по нему тока и от среды, в которой он находится. Составила к.т.н. Савельева Ф.Н.

Работа, энергия, теплота тока. Закон Джоуля-Ленца

Мы уже выяснили, что источником движения электронов в проводнике служит электрическое поле, которое совершает работу по переносу заряда:

(1)

• где
  • — работа электрического поля,
  • — переносимый заряд,
  • ,  — потенциалы точек начала и конца переноса.

Проходя через проводник, ток оказывает тепловое воздействие на сам проводник. Данное тепловое воздействие можно описать энергетически:

(2)

• где
  • — количество теплоты, выделившееся в проводнике,
  • — работа тока,
  • — потери энергии на нагревание,
  • — переносимый заряд,
  • — напряжение на проводнике.

Формула (2) описывает все энергетические характеристики, связанные с током, для упрощения, мы будем называть данный параметр через 

.

Используя определения силы тока: 

, можем получить:

(3)

• где
  • — время течения тока.

Соотношение (3) называется законом Джоуля-Ленца.

Учитывая закон Ома для участка цепи (

), можно получить следующий ряд уравнений:

(4)

• где
  • — полное сопротивление цепи.

Использование каждого из этих уравнений диктуется условиями задачи.

Мы уже ввели понятие механической мощности 

. Тогда соотношения (4) можно адаптировать под мощность:

(5)

Соотношение (5) определяет полную мощность, потребляемую участком цепи.

Для полной цепи постоянного тока, мощность источника тока/напряжения (т.е. мощность, выдаваемую самим источником), то необходимо использовать закон Ома для полной цепи: 

, тогда:

(6)

• где
  • — ЭДС источника,
  • — внутреннее сопротивление источника.

Соотношение (6) определяет полную мощность, генерируемую источником тока/напряжения.

Тогда для полной цепи можем определить, так называемую, полезную мощность, т.е. мощность, расходуемую, непосредственно, на потребителя. Пусть в цепи потребляется напряжение 

, тогда:

(7)

Исходя из закона Ома для участка цепи:

(8)

Зная связь между ЭДС и напряжением:

Можем получить:

(9)

 Выражение (7) и (9) — полезная мощность, выдаваемая источником.

Вывод: любая энергетическая характеристика, связанная с током, может быть найдена, исходя из закона Джоуля-Ленца и его форм (4). По поводу мощности дела сложнее: по задаче нужно определить мощность чего нужно определить. Для этого выясняем, с какой цепью работаем:

• для участка цепи: формулы (5)
• для полной цепи:
  • в случае вопроса о мощности источника, то формулы (6)
  • в случае вопроса о полезной мощности, то формулы (7) и (9)

Прогнозы теплового индекса

Бингемтон, штат Нью-Йорк

Служба прогнозов погоды

Где найти прогнозы теплового индекса, также известного как кажущаяся температура.

В этом примере будет использоваться Национальная метеорологическая служба в Бингемтоне, штат Нью-Йорк.

На приведенном ниже примере показано, как получить прогноз. Нажмите либо на карту, ближайшую к вашему местоположению, либо введите местоположение, город, штат или почтовый индекс в поле в левом верхнем углу веб-страницы.

 

После выполнения любого из этих шагов появится новая страница с прогнозом, который также называется прогнозом « точка и клик «. Страница длинная, поэтому прокрутите вниз до текстовой части прогноза. В этом примере прогноз дается для значений теплового индекса до 104 градусов по Фаренгейту.

 

 

Ниже на странице находятся ссылки на дополнительные экраны прогноза, как показано оранжевыми стрелками

под . Один представляет собой почасовой график, а другой отображается на карте.

 

 

При нажатии на изображение Почасовой график погоды появится прогноз на основе графика или метеограмма. Обратите внимание, что оранжевые стрелки на изображении ниже . Стрелки показывают настройки и места, где можно найти прогноз индекса жары на веб-странице этого типа. В этом примере светло-коричневая линия показывает прогноз теплового индекса.

Почасовой график погоды также может отображать следующие элементы прогноза погоды:

Элементы общественного прогноза погоды	Элементы прогноза пожарной погоды
Температура (°F) Точка росы (°F) Тепловой индекс (°F) Приземный ветер   Небесный покров (%) Потенциал осадков (%) Относительная влажность (%) Дождь Гром Туман	Высота смешивания   Индекс Хейнса Уровень активности молнии Пер. Ветер 20-футовый ветер   Скорость вентиляции (x1000 миль/ч-фут)

 

Наконец, на странице прогноза « наведи и щелкни » была ссылка на Национальную цифровую базу данных прогнозов . Здесь можно найти графические прогнозы. Эти прогнозы отображаются на карте для всей страны, ее частей или для местных районов прогнозирования Национальной метеорологической службы.

На приведенном ниже примере изображения показан графический прогноз для некоторых частей северо-востока США. Щелкнув по карте, вы немного приблизите ее. На страницах этого типа вы можете использовать мышь для перемещения по времени элемента прогноза, чтобы изменить отображаемое изображение.

Обратите внимание на область, выделенную оранжевым цветом. Это прогноз видимой температуры. Кажущаяся температура в летнее время соответствует тепловому индексу. Зимой это будет то же самое, что и Wind Chill.

Планируется, что эта графическая страница прогноза будет заменена средством просмотра карт, которое теперь доступно на сайте digital.weather.gov.

 

Попробуйте для своего местоположения, и если у вас есть какие-либо вопросы, отправьте электронное письмо веб-мастеру или опубликуйте вопрос на Facebook или Twitter.

 

Дополнительная информация

• Критерии наблюдения/предупреждения/рекомендации по чрезмерной жаре для зоны предупреждения округа Бингемтон, штат Нью-Йорк.
• Тепловая безопасность Национальной метеорологической службы
• Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA)
• Метеорологический калькулятор
• Вопросы безопасности и гигиены труда от Управления по охране труда и здоровья (OSHA)
• Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC)

Прогноз жары в США: где можно увидеть опасно высокие температуры

1. Пятница
2. суббота
3. Воскресенье
4. Понедельник
5. вторник
6. Среда
7. Четверг

Этот трекер отслеживал прогнозы опасных уровней жары на прилегающих территориях Соединенных Штатов летом 2022 года. Он больше не обновляется. Следите за обновлениями погоды здесь.

Согласно данным Национального управления океанических и атмосферных исследований, в пятницу на юге и западе страны ожидается опасный уровень жары.

Смотрите температуры на этой странице как:

Осторожно По ощущениям 80°-90°

Предельная осторожность 90°-103°

Опасность 103°-125°

Прогноз теплового индекса на пятницу

Карта, показывающая самый высокий прогнозируемый уровень теплового индекса на территории США в пятницу.

КАЛИФОНИЯ.

НЕВ.

Лос-Анджелес.

ТЕХАС

АЛА.

АРИЗ.

КОВЧЕГ.

ЦВЕТ.

ФЛА.

Г.А.

АЙДАХО

ИЛЛ.

ИНД.

АЙОВА

КАН.

КЯ.

МЭН

МД.

МАСС.

МИХ.

МИН.

МИСС.

МО.

МОНТАЖ.

НЭБ.

N.J.

N.M.

N.Y.

N.C.

N.D.

OHIO

OKLA.

РУДА.

ПА.

S.C.

S.D.

ТЭНН.

ЮТА

Вирджиния.

ПРОМЫВКА.

W.VA.

ВИС.

ВЙО.

КАЛИФОНИЯ.

НЕВ.

Лос-Анджелес.

ТЕХАС

АЛА.

АРИЗ.

КОВЧЕГ.

ЦВЕТ.

СОЕД.

ДЕЛ.

ФЛА.

Г.А.

АЙДАХО

ИЛЛ.

ИНД.

АЙОВА

КАН.

КЯ.

МЭН

МД.

МАСС.

МИХ.

МИН.

МИСС.

МО.

МОНТАЖ.

НЭБ.

N.H.

N.J.

N.M.

N.Y.

N.C.

N.D.

OHIO

OKLA.

РУДА.

ПА.

S.C.

S.D.

ТЭНН.

ЮТА

ВТ.

ВА.

ПРОМЫВКА.

W.VA.

ВИС.

ВЙО.

КАЛИФОНИЯ.

НЕВ.

Лос-Анджелес.

ТЕХАС

АЛА.

АРИЗ.

КОВЧЕГ.

ЦВЕТ.

СОЕД.

ДЕЛ.

ФЛА.

Г.А.

АЙДАХО

ИЛЛ.

ИНД.

АЙОВА

КАН.

КЯ.

МЭН

МД.

МАСС.

МИХ.

МИН.

МИСС.

МО.

МОНТАЖ.

НЭБ.

Н. Х.

Н. Дж.

Н. М.

Нью-Йорк

Северная Каролина

Северная Дакота

Огайо

OKLA.

РУДА.

ПА.

R.I.

S.C.

S.D.

ТЭНН.

ЮТА

ВТ.

ВА.

ПРОМЫВКА.

W.VA.

ВИС.

ВЙО.

КАЛИФОНИЯ.

НЕВ.

Лос-Анджелес.

ТЕХАС

АЛА.

АРИЗ.

КОВЧЕГ.

ЦВЕТ.

СОЕД.

ДЕЛ.

ФЛА.

Г.А.

АЙДАХО

ИЛЛ.

ИНД.

АЙОВА

КАН.

КЯ.

МЭН

МД.

МАСС.

МИХ.

МИН.

МИСС.

МО.

МОНТАЖ.

НЭБ.

N.H.

N.J.

N.M.

N.Y.

N.C.

N.D.

OHIO

OKLA.

РУДА.

ПА.

Р.И.

S.C.

S.D.

ТЭНН.

ЮТА

ВТ.

ВА.

ПРОМЫВКА.

W.VA.

ВИС.

ВЙО.

Источник: NOAA Карта показывает самый высокий прогнозируемый уровень индекса жары в пятницу.

Перейти к:

Ваш районКрупные городаНа предстоящую неделю

Около 10,4 миллиона человек — 3 процента населения континентальной части Соединенных Штатов — живут в районах, где ожидается опасный уровень жары.

Индекс тепла — это мера того, насколько жарко на улице, принимая во внимание влажность и температуру. Измерение используется, чтобы указать, когда уровень тепла опасен для человеческого тела в тени. Находясь на солнце, человек может воспринимать эту температуру как более высокую на 15 градусов по Фаренгейту (8,3 градуса по Цельсию).

Риски, связанные с уровнями теплового индекса

Осторожно

После длительного воздействия или физической нагрузки возможна усталость.

Тепловой индекс от 80 до 90 градусов по Фаренгейту

Крайняя осторожность

Возможный риск теплового удара, тепловых судорог или теплового истощения после длительного воздействия или физической нагрузки.

от 90 до 103 градусов

Опасность

Вероятны тепловые судороги или тепловое истощение. После длительного воздействия или физических упражнений также возможен тепловой удар.

103–125 градусов

Крайняя опасность

Тепловой удар весьма вероятен.

125 градусов или выше

Определения уровня риска взяты из NOAA.

Ежегодно в США от сильной жары умирают сотни людей. В жаркие дни Национальная метеорологическая служба рекомендует людям пить жидкости, оставаться в более прохладных помещениях, держаться подальше от солнца и проверять родственников и соседей, особенно пожилых людей и тех, кто живет один.

Насколько жарко будет в вашем районе?

Ознакомьтесь с прогнозом на ближайшую неделю для мест по всей стране и посмотрите прогноз индекса жары в вашем городе или его окрестностях или рядом с ним.

Прогноз теплового индекса для…

На следующей неделе в {city_name} самый высокий прогнозируемый индекс жары составит {weekly_max_temp} градусов {temp_unit} {weekly_max_day}. Прогнозы показывают, что по сравнению с сегодняшним индексом жары будет {week_outlook}.

Прогнозы жары в крупных городах

Вот прогноз индекса жары для крупных городов по всей стране.

Нью-Йорк, штат Нью-Йорк

Лос-Анджелес, штат Калифорния

Чикаго, штат Иллинойс

Хьюстон, штат Техас

Phoenix, Ariz.

Филадельфия, Пенсильвания.

Сан -Антонио, Техас

Сан -Диего, Калифорния.

Даллас, Техас

Сан -Джосе, Калифорния. Форт -Уэрт, Техас

Колумбус, штат Огайо

Индианаполис, штат Индиана,

Шарлотта, Северная Каролина

Сан -Франциско, Калифорния.

Сиэтл, Вашингтон. Теннеси

El Paso, Texas

Вашингтон, округ Колумбия,

Бостон, штат Массачусетс

Лас -Вегас, Nev.

Portland, Ore.

Детройт, Mich.

Louisville, Ky.

Memphis, Tenn. Балтимор, штат Мэриленд,

Источник: NOAA. Показанные значения представляют собой самый высокий прогнозируемый уровень индекса жары на каждый день. Прогнозные данные на 9:04 23 сентября 2022 года.

Предстоящая неделя по всей стране

В то время как прогнозы на следующий день могут быть довольно точными, прогнозы становятся менее надежными, чем дальше в будущее они предсказывают. В течение следующей недели опасные уровни жары ожидаются на юге и западе.

Прогноз теплового индекса на следующие шесть дней

Карты показывают прогноз самого высокого уровня каждый день.

Осторожно По ощущениям 80°-90°

Предельная осторожность 90°-103°

Опасность 103°-125°

Суббота, 24 сентября

Воскресенье, 25 сентября

Понедельник, 26 сентября

Вторник, 27 сентября

Среда, 28 сентября

7

Четверг, сентября : НОАА

Летние температуры стали более жаркими и экстремальными в последние десятилетия, и последствия экстремальной жары для здоровья могут быть серьезными.

Methodology

Карты на этой странице составлены по состоянию на 9:04 23 сентября 2022 г.