Із власного досвіду вам добре відомо, що під час проходження електричного струму нитка лампи розжарення нагрівається настільки, що починає випромінювати видиме світло. Завдяки дії електричного струму нагріваються праска й електрична плита. А от вентилятор і пилосос нагріваються незначно, так само не стають дуже гарячими (звичайно, якщо все гаразд) і підвідні проводи. Про те, від чого залежить теплова дія струму, ви дізнаєтеся, вивчивши матеріал цього параграфа.

Уже йшлося про те, що проходження струму завжди супроводжується виділенням теплоти. Цей факт неважко пояснити. 

Коли в провіднику йде струм, то вільні заряджені частинки, рухаючись під дією електричного поля, зіштовхуються з іншими частинками і передають їм частину своєї енергії. Електрони в металах зіштовхуються з йонами, розташованими у вузлах кристалічної ґратки, йони в електролітах — з іншими йонами, атомами або молекулами. У результаті середня швидкість хаотичного (теплового) руху частинок речовини збільшується — провідник нагрівається. Це означає, що кінетична енергія, набута вільними зарядженими частинками в результаті дії електричного поля, частково перетворилася на внутрішню енергію провідника.

Очевидно: чим частіше зіштовхуються частинки, тобто чим більший опір провідника, тим більше енергії передається провіднику і тим більше він нагрівається. Таким чином, за незмінної сили струму в провіднику кількість теплоти, яка виділяється в ньому під час проходження струму, прямо пропорційна опору провідника.

Крім того, зі збільшенням у провіднику сили струму кількість теплоти, що виділяється, теж збільшується. Адже чим більше частинок проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу, тим більше зіткнень частинок відбувається.

Теплову дію струму вивчали на дослідах англійський учений Дж. Джоуль і російський учений німецького походження Е. Х. Ленц. Незалежно один від одного вони дійшли однакового висновку, що згодом отримав назву закон Джоуля — Ленца:

Закон Джоуля — Ленца був установлений експериментально. Тепер, знаючи формулу для розрахунку роботи струму (A =UIt), цей закон можна вивести за допомогою простих математичних викладень.

Якщо на ділянці кола, в якій тече струм, не виконується механічна робота й не відбуваються хімічні реакції, результатом роботи електричного струму буде тільки нагрівання провідника. Нагрітий провідник шляхом теплопередачі віддає отриману енергію навколишнім тілам. Отже, у цьому випадку згідно із законом збереження енергії кількість виділеної теплоти Q дорівнюватиме роботі A струму: Q = A.

Оскільки A =UIt, а U = IR, маємо: Q =UIt = IRIt = I2Rt.

Задача. Визначте опір нагрівника, за допомогою якого можна за 5 хв довести до кипіння 1,5 кг води, взятої за температури 12 °С. Напруга в мережі дорівнює 220 В, ККД нагрівника — 84 %.

Аналіз фізичної проблеми. Коли в нагрівнику проходить електричний струм, виділяється кількість теплоти Qповна . Частина її Qкор витрачається на нагрівання води до кипіння, тобто до 100 °С.

Подавши Qповна і Qкор через зазначені в умові задачі величини, знайдемо шукану величину. Значення питомої теплоємності с води знайдемо у відповідній таблиці.

1. Чому нагріваються провідники, в яких тече електричний струм?

2. Сформулюйте закон Джоуля — Ленца. Чому він має таку назву?

3. Як математично записують закон Джоуля — Ленца? 

4. Які ф ормули для розрахунку кількості теплоти, що виділяється в провіднику внаслідок проходження струму, ви знаєте? Чи завжди можна нимикористуватися?

1. Скільки теплоти виділиться за 10 хв в електропечі, якщо опір нагрівального елемента печі становить 30 Ом, а сила струму в ньому дорівнює 4 А?

2. Два провідники опорами 10 і 20 Ом увімкнуті в мережу, що має напругу 100 В. Яка кількість теплоти виділиться за 5 с у кожному провіднику, якщо вони з’єднані паралельно?

3. Чому електричні проводи, якими подається напруга до електричної лампи розжарення, не нагріваються, а нитка розжарення лампи нагрівається та яскраво сві титься?

4. Електрокип’ятильник за 5 хв нагріває 0,2 кг води від 14 °С до кипіння за умови, що в його обмотці тече струм силою 2 А. Визнач те напругу, подану на електрокип’ятильник. Втратами енергії знехтуйте.

5. У кожний із двох калориметрів налили 200 г води за температури 20 °С. У перший калориметр помістили нагрівач опором 24 Ом, у другий — опором 12 Ом. Нагрівачі з’єднали послідовно і підключили до джерела струму. Якою буде температура води в кожному калориметрі, якщо нагрівання триватиме 7 хв, а сила струму в колі весь час буде незмінною і становитиме 1,5 А? Втратами енергії знехтуйте.

6. Якої довжини ніхромовий дріт треба взяти, щоб виготовити електричний камін, який працюватиме за напруги 120 В і виділятиме 1 МДж теплоти за годину? Діаметр дроту 0,5 мм.

7. Порівняйте кількості теплоти, які необхідно витратити, щоб розплавити мідний і свинцевий дроти, якщо ці дроти мають однакову масу й узяті за температури 27 °С.