Магнитное, химическое и тепловое действие электрического тока

В чем выражается своеобразие действия электрического тока на организм человека?

Действие электрического тока на организм человека сложное и многогранное. Проходя через тело человека, электрический ток оказывает тепловое, электролитическое и биологическое воздействие.

Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных частей тела, а также в нагреве других органов до высоких температур.

Электролитическое действие тока выражается в разложении органических жидкостей, что вызывает значительные нарушения их физико-химического состава.

Биологическое действие тока проявляется в раздражении и возбуждении живых тканей организма, а также в нарушении внутренних биоэлектрических процессов.

Свойства электроэнергии

Двигаясь по металлическому проводнику, электроны сталкиваются со множеством случайно расположенных посторонних частиц. Периодически в результате контакта из нейтральной молекулы высвобождаются новые электроны.

Из молекулы образуется положительный ион, а у электрона исчезает кинетическая энергия. Иногда возможен и другой вариант — образование молекулы нейтрального типа за счет соединения положительного иона и электрона.

Все эти процессы сопровождаются расходом определенного количества энергии, которая затем превращается в тепло. Преодоление сопротивления при всех этих движениях определяет расход энергии и превращение необходимой для этого работы в теплоту.

Параметры R идентичны стандартному резистору. В некоторой степени определенное количество энергии превращается в тепло при прохождении тока по проводнику. Именно это преобразование и учитывает закон Джоуля-Ленца.

На какие виды можно разделить электротравмы?

Электрические повреждения можно условно разделить на два вида: локальные электрические повреждения и поражение электрическим током.

Под местными электротравмами понимают четко выраженные локальные нарушения целостности тканей организма. Чаще всего это поверхностные травмы, т.е повреждения кожи, а иногда и других мягких тканей, а также связок и костей. Локальные электротравмы обычно излечиваются, а трудоспособность полностью или частично восстанавливается.

Иногда (при сильных ожогах) человек погибает. Непосредственной причиной смерти является не электрический ток (или дуга), а локальное повреждение тела, вызванное током (дугой). Типичными видами локальных электроповреждений являются электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, электроофтальмия и механические повреждения.

Тепловое действие тока

Благодаря такому действию тока мы можем освещать помещения с помощью ламп накаливания. А еще мы используем различные отопительные приборы – конвекторы, электроплиты, утюги (рис. 1).

На метровом отрезке никелевой проволоки (рис. 2) можно продемонстрировать нагрев проводника при прохождении по нему электрического тока. Для заметного зависания нагретой проволоки за счет теплового увеличения длины и наблюдения ее красноватого свечения будет достаточно силы тока 2-3 Ампера.

Кусок провода нагревается, когда через него проходит электрический ток. Чем больше ток в проводнике, тем больше он будет нагреваться. Длина нагреваемого проводника увеличивается.

Примечание: нихром, никелин, константан — металлические сплавы с высоким удельным сопротивлением (ссылка). Провода из таких сплавов используются в различных электронагревателях.

Закон Джоуля-Ленца

На примере многих бытовых приборов видно, что если по участку цепи проходит электрический ток и не совершается работа, то проводник нагревается. Иногда это полезно — например в лампе накаливания или в аппарате дуговой сварки.

Но в других случаях тепловое воздействие нежелательно — например, перегрев электропроводки в здании может стать причиной пожара. Поэтому в наших интересах управлять таким эффектом, а правило Джоуля-Ленца определяет, от чего зависит тепловой эффект тока.

Правило было сформулировано в результате опытов двух ученых — англичанина Джеймса Прескотта Джоуля и русского физика Эмиля Христиановича Ленца. Поскольку исследователи работали независимо друг от друга, новый закон получил двойное название.

Закон Джоуля-Ленца в двух словах: нагрев проводника или полупроводника прямо пропорционален его сопротивлению, длительности тока и квадрату тока.

Поскольку сопротивление проводника определяется такими свойствами, как его длина, площадь и проводимость, то верны следующие утверждения:

• количество тепла в проводнике уменьшается с увеличением площади поперечного сечения;
• тепловой эффект уменьшается по мере уменьшения длины проводника.

Это легко проиллюстрировать, подключив к источнику питания две лампы разного сопротивления сначала последовательно, а затем параллельно. При последовательном соединении лампа с большим сопротивлением будет светить ярче, а при параллельном, наоборот.

Природа тепла в проводниках

Выясним, как происходит нагрев проводника и как этот процесс соответствует формулировке закона Джоуля-Ленца. Как известно, электрический ток представляет собой направленный поток электронов, если речь идет о металлах, и направленный поток ионов, если речь идет о растворах электролитов. Проводник – это металл, содержащий много свободных электронов.

Когда проводник подключен к сети, электроны начинают двигаться в одном направлении под действием электрического поля. При движении они сталкиваются с атомами в проводнике и передают им свою кинетическую энергию. Чем выше скорость заряженных частиц, тем чаще происходят такие столкновения и тем больше выделяется кинетической энергии. Часть этой энергии превращается в тепло, поэтому проводник нагревается.

Большой ток означает, что через поперечное сечение проводника проходит много свободных электронов, и часто происходят столкновения. Следовательно, частицам проводника передается много энергии, и он больше нагревается. Вот почему закон Ленца-Джоуля гласит, что количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату силы тока.

А теперь представьте, что мы соединили в цепь последовательно два проводника, при этом второй имеет большее сечение, чем первый. Во втором будет меньше столкновений частиц, а значит, выделяется меньше тепла.

Напомним, что удельное сопротивление проводника обратно пропорционально его сечению. Чем меньше сечение материала, тем выше сопротивление и тем сильнее он нагревается. Итак, мы описали тепловое действие тока в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

Уравнение Джоуля-Ленца

Посмотрим, как этот закон выражается в математической форме. Предположим, что электрический ток проходит через определенный участок цепи и вызывает нагрев проводника. Если в этой области отсутствуют механические процессы или химические реакции, требующие затрат энергии, то выделяемая проводником теплота Q равна рассматриваемой работе А.

В=А

Поскольку A = IUt, где I — ток, U — напряжение, t — время, Q = IUt.

Теперь вспомните, что напряжение можно выразить через сопротивление, а ток U = IR. Подставим это в формулу:

Q = IUt = I(IR)t = I2Rt

Q=I2Rt

Мы выразили количество теплоты в проводнике через сопротивление — эта формула закона Джоуля-Ленца называется интегральной.

Но бывает, что сила электрического тока неизвестна, но есть информация о напряжении в цепной части. В этом случае нужно использовать закон Ома:

Я = У/Р

Исходя из этого, закон Джоуля-Ленца можно записать в виде дифференциальной формулы.

Помните, что такое уравнение, как и предыдущее, справедливо только в том случае, если вся работа электрического тока идет на производство тепла и нет других потребителей энергии.

Итак, у нас есть две формулы для определения количества теплоты, выделяемой проводником при прохождении через него электричества:

В расчетах используются следующие единицы измерения:

• количество теплоты Q в джоулях (Дж);
• сила тока I — в амперах (А);
• сопротивление R — в омах (Ом);
• время t в секундах (с).

Формула расчета и ее элементы

Суть явления ясна из приведенного выше общего определения. Движущиеся электроны взаимодействуют с ионами материала проводника с преобразованием механической энергии в тепловую. Увеличение тока увеличивает интенсивность процесса.

Хорошим примером является электролиз. Когда пластины, соединенные с батареей, опускаются в раствор, положительно заряженные ионы и электроны движутся в противоположных направлениях. Достаточно большой ток провоцирует перемещение примесей с последующим их отложением на поверхности электродов. При этом жидкость нагревается.

При подключении к источнику медного проводника не происходит химических реакций. Если исключить механические воздействия (электромагнитная индукция, движение ионов в растворе), то вся работа тока в соответствующей цепи будет направлена ​​только на увеличение внутренней энергии вещества.

Действие электрического тока при соединении с жидким и металлическим проводником

Поэтому во втором примере работу (А) можно принять равной приросту энергетического потенциала, который выражается соответствующим количеством теплоты (Q). Основная формула:

А=Q=U*I*t,

куда:

• U — напряжение;
• Я — текущая;
• пора.

Для удобства можно использовать другие эквиваленты, основанные на формулах закона Ома:

• У=И*Р;
• R — электрическое сопротивление проводника;
• тогда Q = I2 * R * t.

Химическое действие тока

Электрический ток, проходящий через растворы некоторых кислот, щелочей или солей, вызывает выделение из них вещества. Это вещество наносится на электроды — пластины, погруженные в раствор и подключенные к источнику питания.

Такое воздействие электричества используется при гальванизации – покрытии металлом определенных поверхностей. Применяется никелирование, меднение, хромирование, а также серебрение и золочение поверхностей.

С помощью раствора медного купороса можно продемонстрировать выделение вещества под действием тока. Водный раствор этой соли имеет голубоватый оттенок. При пропускании через раствор электрического тока (звена) на одном из электродов можно обнаружить осаждение меди (рис. 3).

На каком электроде будет выделяться медь

Медь в растворе купороса присутствует в виде положительных ионов. Тела с противоположными зарядами притягиваются друг к другу. Поэтому ионы меди будут притягиваться к пластине, имеющей отрицательный заряд. То есть пластина, подключенная к минусовой клемме источника питания. Такая пластина называется отрицательным электродом или катодом.

Другая пластина, соединенная с положительным полюсом батареи, называется анодом.

Примечание. Сульфат меди можно найти в хозяйственных магазинах. Его химическая формула (large CuSO_{4}). Применяется в сельском хозяйстве для опрыскивания листвы плодовых деревьев, кустарников и овощных культур — например томатов, картофеля. Входит в состав различных растворов, применяемых в борьбе с болезнями растений и вредными насекомыми.

Применение химического действия тока в медицине

Химическое действие тока используется не только в гальванопластике.

прохождение электрического тока через растворы вызывает движение в них заряженных частиц вещества — положительных и отрицательных ионов. В организме человека есть жидкости, в которых растворены определенные вещества. Это означает, что в таких жидкостях присутствуют ионы.

Прикладывая к определенным частям тела специальные электроды, смоченные растворами лекарств, и пропуская через них слабые токи, можно вводить в организм определенные лекарства (рис. 4).

Такое введение препаратов называется электрофорезом и применяется в физиотерапевтических кабинетах поликлиник и санаториев.

Читайте также: Какой электрический теплый пол под плитку лучше выбрать и почему

Магнитное действие тока

Медь сама по себе не притягивается к магниту. Это можно проверить с помощью небольшого магнита и куска медной проволоки (рис. 5а).

Но при протекании электрического тока медный проводник начинает взаимодействовать с магнитом — притягиваться или отталкиваться от него (рис. 5б).

С магнитом взаимодействует не сам медный проводник, а ток, проходящий по этому проводнику.

Почему проводок с током взаимодействует с магнитом

Электрический ток — это большое количество электронов, проходящих по проводу от одного конца к другому. Электроны имеют заряд.

Вокруг движущихся зарядов существует магнитное поле. Благодаря этому проводник с током становится небольшим магнитом. И он начинает взаимодействовать с магнитом, притягиваясь к нему или отталкиваясь от него.

При этом спред, как более легкий объект, будет двигаться. И магнит останется на месте. Из-за того, что масса намного больше массы куска проволоки.

Направление движения проводов зависит от полярности подключения к аккумулятору и от того, как расположены магнитные полюса.

Действие электромагнита основано на магнитном действии тока.

Самодельный электромагнит

Его легко сделать из куска гибкого изолированного медного провода и железного гвоздя.

Гвоздь необходимо обернуть бумажкой — втулкой (рис. 6). Затем на гильзу нужно намотать 200 — 300 витков тонкой медной проволоки в изоляции. К выводам получившейся катушки нужно подключить аккумулятор от фонарика.

Во время тока к ногтю притягиваются различные мелкие железные предметы — скрепки, пуговицы, гвоздики, железная стружка, опилки и др.

После отключения аккумулятора мы увидим, что как только ток прекратится, гвоздь перестанет притягивать к себе железные предметы.

Рамка с током и подковообразный магнит

Проволоку с достаточной жесткостью можно согнуть в плоскую форму — прямоугольник, квадрат, круг. Эластичные проволоки наматываются на жесткий каркас из подходящего материала — фанеры, картона, пластмассы и т д. Такая изогнутая проволока образует каркас. Каркас часто называют наброском.

Проволочный каркас, по которому течет электрический ток, может ориентироваться в магнитном поле.

Чтобы убедиться в этом, проведем эксперимент. Для этого используем подковообразный магнит и проводник, изогнутый в виде прямоугольной рамки. Подвесьте рамку к основанию подставки с помощью нити. Размер рамки нужно подобрать такой, чтобы она помещалась между полюсами магнита.

Во-первых, мы используем только подвесную раму (рис. 7а), без магнита. Подключим к кадру источник тока. Вы можете убедиться, что рама продолжает висеть неподвижно после подключения к сети. Выключите источник питания.

Теперь поместим магнит так, чтобы рамка оказалась между полюсами (рис. 7б) и пропустим по цепи электрический ток. Легко видеть, что под действием тока рамка вращается и ориентируется вдоль магнитного поля. А когда цепь размыкается, рамка возвращается в исходное положение.

Примечание. Если вы измените полярность подключения источника к раме, она будет обратной.

Замечательное свойство рамки с током вращаться в магнитном поле используется в различных измерительных приборах. Одним из таких приборов является гальванометр.

Устройство гальванометра

Гальванометр был назван в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани. Это устройство способно измерять малые электрические токи (DC).

На схемах устройство обозначено кружком, внутри которого стоит заглавная латинская буква G. На некоторых схемах внутри круга есть стрелка, указывающая вертикально вверх.

Гальванометр содержит:

• подковообразный магнит и
• каркас внутри него, содержащий витки тонкой медной проволоки (рис. 8).

Рис. 8. Как гальванометр утраивается

Подвижная рама находится на оси и может вращаться вокруг нее.

К раме прикреплена стрела. Он указывает, на какой угол повернулась рамка при протекании в ней электрического тока.

Угол поворота отмечен на делениях шкалы.

Кто такой Луиджи Гальвани

Гальвани был одним из основоположников учения об электричестве.

Он обнаружил, что электрическое напряжение возникает в точках контакта различных типов металлов.

Проводил эксперименты с железным ключом и серебряной монетой.

Он изучал сокращения мышц под действием электричества и пришел к выводу, что мышцы управляются электрическими импульсами, поступающими по нервным волокнам от головного мозга.

В итальянском городе Болонья, недалеко от здания Болонского университета, стоит памятник Гальвани. Он расположен на площади Луиджи Гальвани, названной в честь ученого.

В его честь также был назван один из кратеров на обратной стороне Луны.

А Болонский лицей носит имя Гальвани с 1860 года.

О приборах магнитоэлектрической системы

Такие устройства, содержащие токопроводящую петлю и небольшой магнит, называются устройствами магнитоэлектрической системы. Они получили широкое распространение из-за относительно простого устройства.

Вес прибора может быть градуирован в разных единицах измерения, в зависимости от измеряемых физических величин. На основе таких приборов изготавливают вольтметры, амперметры, омметры и др.

Лампочка накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и расширили возможности использования электричества. Как используются результаты исследований, можно увидеть на примере обычной лампочки.

Он устроен таким образом, что в него втягивается нить из вольфрамовой проволоки. Этот металл тугоплавкий с высоким удельным сопротивлением. При его прохождении через лампочку тепловое воздействие осуществляется электрическим током.

Энергия проводника преобразуется в тепло, спираль нагревается и начинает светиться. Недостаток лампочки заключается в больших потерях энергии, так как она начинает светиться только за счет малой части энергии. Основная часть только нагревается.

Чтобы лучше это понять, вводится коэффициент полезного действия, который демонстрирует эффективность работы и преобразования в электроэнергию. КПД и тепловое действие тока используются в разных областях, так как существует множество устройств, выполненных на основе этого принципа. В большей степени это обогреватели, электроплиты, бойлеры и другие подобные устройства.

Устройство обогревательных приборов

Обычно в конструкции всех отопительных приборов присутствует металлическая спираль, функция которой – нагрев. Если вода нагревается, спираль устанавливается изолированно, и такие устройства обеспечивают баланс между энергией из сети и теплообменом.

Перед учеными постоянно стоят задачи снижения потерь энергии и поиска оптимальных способов и наиболее эффективных схем их реализации для снижения теплового эффекта потока. Например, используется метод повышения напряжения при передаче электроэнергии, что позволяет уменьшить силу тока. Но этот способ также снижает безопасность при эксплуатации ЛЭП.

Еще одна область исследований — выбор проволоки. Ведь от их свойств зависят теплопотери и другие показатели. Кроме того, при работе отопительных агрегатов выделяется большое количество энергии. Поэтому спирали изготавливаются из специально предназначенных для этого материалов, способных выдерживать высокие нагрузки.

Квартирные предохранители

Для улучшения защиты и обеспечения безопасности электрических цепей используются специальные предохранители. Основная часть – проволока из легкоплавкого металла. Выпускается в фарфоровой пробке, имеет резьбу и контакт посередине. Пробка вставлена ​​в патрон, помещенный в фарфоровую коробочку.

Подводящий провод является частью общей цепи. Если тепловое воздействие электрического тока резко возрастет, сечение проводника не выдержит и он начнет плавиться. В результате сеть откроется и не будет текущих перегрузок.