Důvod, proč se elektrické vodiče zahřívají – MediaPublisher 6.0
Cíle lekce: rozvíjet chápání studentů o tepelném účinku elektrického proudu a jeho příčinách, odvodit zákon tepelného účinku proudu a objasnit podmínky pro jeho aplikaci v praxi.
Cíle lekce:
1. Pomoci studentům rozvíjet pochopení tepelného účinku elektrického proudu a jeho příčin.
2. Na základě znalostí studentů formulujte Jouleův-Lenzův zákon.
3. Odvodte vzorec pro výpočet množství tepla.
4. Systematizujte základní pojmy probírané v tématu „Elektrické jevy“.
Rozvíjející se:
1. Pokračujte v rozvoji logického myšlení.
2. Pokračovat v rozvíjení ústních a písemných fyzických řečových dovedností.
3. Pokračovat v rozvíjení dovedností analyzovat a zdůrazňovat hlavní body.
4. Podporovat rozvoj intelektuálních dovedností studentů, jako je pozorování, schopnost porovnávat, aplikovat dříve získané znalosti v nové situaci, schopnost myslet, analyzovat a vyvozovat závěry.
Vzdělávací:
1. Pokračovat v rozvíjení komunikačních dovedností studentů.
2. Nadále pěstovat uvědomělý přístup k akademické práci.
3. Pokračovat v rozvíjení odpovídajícího sebevědomí.
4. Pokračujte v rozvíjení dovedností kontroly a sebeovládání.
5. Pokračovat v rozvíjení chápání praktického významu fyziky.
Kompetence rozvíjené v lekci:
Obecně kulturní, vzdělávací, informační, komunikativní.
Univerzální vzdělávací aktivity vyvinuté v lekci:
L – osobní (definování cíle a úkolů lekce, výběr akce k dosažení cíle, pochopení praktického významu studovaného tématu)
P – kognitivní (využívání vědeckých metod poznávání, schopnost vyvozovat závěry)
R – regulační (schopnost identifikovat problém, schopnost definovat a udržet si cíl, kontrola a hodnocení vlastní práce a dosaženého výsledku)
K – komunikativní (vnímání názorů jiných lidí, schopnost vyjádřit vlastní názor)
Metody použité během lekce:
Slovní: rozhovor, vysvětlování, čtení.
Vizuální: počítačová prezentace; videoklip, demonstrace zkušenosti (multimédia).
Praktický: vypracování ústních a písemných úkolů.
Formy organizace vzdělávacích aktivit: individuální práce studentů, práce ve dvojicích, frontální průzkum.
Stáhnutí:
| Příloha | velikost |
|---|---|
 tehkarta_zakon_dzh-lentsa_8_kl.docx | 40.01 KB |
 prezentace_zákona_j-lentsa_8_kl.pptx | 723.29 KB |
Náhled:
Hodina fyziky v 8. A třídě
Datum akce: 26.02.2020
Učitelka: Iljina Elena Vasiljevna
Téma lekce: “Ohřev vodičů elektrickým proudem. Jouleův-Lenzův zákon”
Typ lekce: kombinovaná lekce.
Cíle hodiny: rozvíjet u studentů chápání tepelného účinku elektrického proudu a jeho příčin, odvodit zákon tepelného účinku proudu a objasnit podmínky pro jeho aplikaci v praxi.
1. Pomoci studentům rozvíjet pochopení tepelného účinku elektrického proudu a jeho příčin.
2. Na základě znalostí studentů formulujte Jouleův-Lenzův zákon.
3. Odvodte vzorec pro výpočet množství tepla.
4. Systematizujte základní pojmy probírané v tématu „Elektrické jevy“.
1. Pokračujte v rozvoji logického myšlení.
2. Pokračovat v rozvíjení ústních a písemných fyzických řečových dovedností.
3. Pokračovat v rozvíjení dovedností analyzovat a zdůrazňovat hlavní body.
4. Podporovat rozvoj intelektuálních dovedností studentů, jako je pozorování, schopnost porovnávat, aplikovat dříve získané znalosti v nové situaci, schopnost myslet, analyzovat a vyvozovat závěry.
1. Pokračovat v rozvíjení komunikačních dovedností studentů.
2. Nadále pěstovat uvědomělý přístup k akademické práci.
3. Pokračovat v rozvíjení odpovídajícího sebevědomí.
4. Pokračujte v rozvíjení dovedností kontroly a sebeovládání.
5. Pokračovat v rozvíjení chápání praktického významu fyziky.
Kompetence rozvíjené v lekci:
Obecně kulturní, vzdělávací, informační, komunikativní.
Univerzální vzdělávací aktivity vyvinuté v lekci:
L – osobní (definování cíle a úkolů lekce, výběr akce k dosažení cíle, pochopení praktického významu studovaného tématu)
P – kognitivní (využívání vědeckých metod poznávání, schopnost vyvozovat závěry)
R – regulační (schopnost identifikovat problém, schopnost definovat a udržet si cíl, kontrola a hodnocení vlastní práce a dosaženého výsledku)
K – komunikativní (vnímání názorů jiných lidí, schopnost vyjádřit vlastní názor)
Metody použité během lekce:
Slovní: rozhovor, vysvětlování, čtení.
Vizuální pomůcky: počítačová prezentace; videoklip, demonstrace zážitku (multimédia).
Praktické: plnění ústních a písemných úkolů.
Formy organizace vzdělávacích aktivit: individuální práce studentů, práce ve dvojicích, frontální kladení otázek.
Vybavení: kartičky s úkoly, pomůcky a modely pro demonstrace, učebnice, multimédia.
Mapa technologické lekce
I. Sebeurčení k aktivitě
vytvoření klidné emocionální atmosféry, pozitivního přístupu k lekci.
Pozdrav. Zjištění důvodů nepřítomnosti studentů. Identifikace situací s neúplnou přípravou na práci v hodině (rozdání per (potřebným) a tužek všem).
Jakou náladu ve vás vyvolává počasí venku?
Začněme naši lekci tím, že si navzájem popřáme teplo.
Komunikativní: plánování vzdělávací spolupráce s učitelem a vrstevníky.
II. Vymezení vzdělávacího problému
vytvoření problémové situace, její analýza, hledání řešení.
Elektrické spotřebiče, které jsem si přinesl do třídy, není třeba představovat.
Jak nám pomáhají?
Na jaký zdroj energie tato zařízení fungují?
Co je elektrický proud?
Jaké působení elektrického proudu používáme při provozu těchto zařízení?
Pojďme si formulovat téma dnešní lekce.
Co byste se dnes měli naučit?
Co bychom se měli naučit?
1. Proč se vodiče zahřívají, když jimi prochází elektrický proud?
2. Jaké veličiny určují množství tepla uvolněného vodičem při průchodu proudu?
3. Jak vypočítat množství tepla?
Pojmenovávají činnosti elektrických spotřebičů.
Z elektrického proudu.
Řízený pohyb nabitých částic.
“Ohřev vodičů elektrickým proudem.”
Komunikativní: kladení otázek.
Kognitivní: formulace kognitivního cíle; formulace problému.
III. Aktualizace znalostí
opakování probrané látky nezbytné pro „objevování nových znalostí“.
Pro začátek si připomeňme základní otázky týkající se elektrických jevů. Tyto znalosti budeme dnes potřebovat k získání nových znalostí.
Které tři veličiny spolu souvisí podle Ohmova zákona?
Jakou práci vykoná proud?
Výborně. Zvládli jste úkoly skvěle.
Střídají se v hláskování formulací a definic a zapisují vzorce na tabuli.
Komunikativní: plánování vzdělávací spolupráce s učitelem a vrstevníky.
Kognitivní: analýza objektů za účelem identifikace jejich vlastností.
IV. Hledání řešení vzdělávacího problému
vytváření podmínek pro rozvoj myšlení studentů a pro samostatné objevování znalostí.
Takže (otázka 1) pojďme zjistit, proč se vodiče zahřívají, když jimi prochází elektrický proud?
Zobrazit prezentaci „Elektrický proud ve vodiči“
Jaké jsou důvody ohřevu vodiče?
Podívejme se na otázku 2.
Hádejte, na čem může záviset množství tepla uvolněného ve vodiči při průchodu proudu?
Pro ověření hypotéz si rozeberme experiment. Prezentační snímek.
Z jakých zařízení se obvod skládá?
K čemu se používá reostat?
Žárovka je dalším příkladem topných vodičů, které lidé používají v každodenním životě.
Tenké wolframové vlákno se uvnitř žárovky zahřívá a září.
1 experiment. Pomocí reostatu měníme proud v obvodu (podle Ohmova zákona platí, že čím menší odpor, tím větší proud).
To znamená, že množství uvolněného tepla závisí na síle proudu. (Napište vztah na tabuli.)
Myslíte si, že vodiče vyrobené z různých materiálů se zahřívají stejně?
2. experiment. Prezentační snímek. Z čeho se skládá obvod na obrazovce?
Zahřívají se vodiče rovnoměrně?
Jaký závěr lze vyvodit?
Množství tepla tedy závisí na odporu vodiče.
(Napište závislost na tabuli)
Myslíte si, že existují i jiné veličiny, na kterých závisí ohřev vodičů?
Změní se teplota vody v konvici stejně, pokud ji zapneme na 1 minutu a na 10 minut? V jakém případě se voda ohřeje více?
Jaký závěr lze vyvodit?
(Napište závislost na tabuli)
Co tedy určuje množství tepla uvolněného ve vodiči při průtoku proudu?
(Otázka 3) Pomohou nám uvažované závislosti vypočítat, kolik tepla se uvolní ve vodiči za určitý čas?
K tomu můžeme použít vzorec pro práci proudu, vyjádřit napětí z Ohmova zákona, dosadit ho do vzorce a
Získáme vzorec pro výpočet množství tepla uvolněného vodičem při průchodu elektrického proudu.
Otevřete si učebnici na straně 150. Zde najdete formulaci Jouleova-Lenzova zákona.
Tepelný účinek elektrického proudu byl nezávisle experimentálně stanoven dvěma vědci: Emilem Khristianovichem Lenzem a Jamesem Prescottem Joulem.
Historické pozadí činnosti vědců.
Když protéká elektrický proud kovovým vodičem, zahřívá se.
Volné elektrony ve vodiči, urychlené elektrickým polem, se srážejí s ionty umístěnými v uzlech krystalové mřížky a předávají jim část své energie. V důsledku toho se zvyšuje vnitřní energie vodiče a zvyšuje se jeho teplota.
Napište „Mechanismus ohřevu vodiče“
Napájecí zdroj, připojovací vodiče, reostat, žárovka, ampérmetr, voltmetr.
Změnit odpor a v důsledku toho i proud v obvodu.
Čím vyšší je proud, tím jasněji lampa svítí, což znamená, že se uvolňuje více tepla.
Napájecí zdroj, připojovací vodiče, ampérmetr, 3 vodiče vyrobené z různých materiálů.
Ne. Kovy mají odlišnou vnitřní strukturu.
Množství tepla závisí na odporu vodiče.
Množství tepla závisí na době, za kterou elektrický proud prochází vodičem.
z odporu vodiče a
od doby, během které protéká elektrický proud vodičem.
Přečtěte si nahlas a napište Jouleův-Lenzův zákon.
Studenti vypracovávají krátké zprávy o vědcích.
Regulační: plánování, prognózování.
Kognitivní: modelování, řešení problémů, budování logického řetězce uvažování, dokazování, předkládání hypotéz a jejich zdůvodňování.
Komunikativní: proaktivní spolupráce při vyhledávání a výběru informací.
V. Primární konsolidace studovaného materiálu
— upevnění získaných znalostí;
— organizace získávání nových znalostí studenty prostřednictvím komunikativní interakce.
Využime získané znalosti v praxi. Vyřešíme problém.
Práce s kartami ve dvojicích.
Č. 1: Kolik tepla uvolní elektrická konvice za 5 minut, pokud je odpor cívky 200 Ohmů a proud v obvodu je 3 A?
Pro samotestování je nabídnuto řešení prvního problému.
Č. 2: Kolik tepla uvolní elektrická konvice za 5 minut, pokud je odpor cívky 100 Ohmů a proud v obvodu je 3 A?
Č. 3: Jak se změní množství tepla uvolněného vodičem, kterým protéká proud, pokud se proud ve vodiči zdvojnásobí?
Doplňte chybějící prvky v řešení úlohy ve formulářích.
Snímek ukazuje příklad řešení problému 1.
Analyzují text druhého problému a vyvodí závěr o řešení.
Regulační: kontrola, hodnocení, korekce.
Kognitivní: schopnost strukturovat znalosti, výběr nejúčinnějších způsobů řešení problémů, reflexe metod a podmínek jednání.
Komunikativní: řízení chování partnera – kontrola, korekce, hodnocení jednání partnera.
VI. Začlenění praktických znalostí do systému.
rozšíření znalostí studentů o tématu lekce
Jaká další zařízení využívají tepelný efekt proudu?
Elektřina nám skutečně pomáhá v každodenním životě.
Jsou topné vodiče vždy prospěšné pro člověka?
Negativní dopad jevu ohřevu vodičů lze zaznamenat při ztrátě elektrické energie v důsledku ohřevu síťových vodičů.
Jak snížit ztráty energie nebo nadměrné uvolňování energie? Podívejte se na vzorec?
Má tedy ohřev vodičů pozitivní, nebo negativní vliv na lidský život?
Kulma, toustovač, elektrický sporák, rychlovarná konvice.
Dráty se spálí v důsledku přehřátí.
Vyrobte dráty z materiálů s nízkým odporem, snižte proud v elektrických vedeních.
Jak pozitivní, tak negativní.
Kognitivní: řešení problémů, budování logického řetězce uvažování, dokazování, předkládání hypotéz a jejich zdůvodňování.
Komunikativní: proaktivní spolupráce při vyhledávání a výběru informací.
uvědomění si učebních aktivit studentů, sebehodnocení výsledků vlastních aktivit a aktivit celé třídy.
- Jaké je téma lekce?
- Co jsme chtěli vědět? Dosáhli jsme svého cíle?
- Co jste očekávali, že se naučíte? Uspěli jste?
- Na čem závisí ohřev vodičů?
- Jak vypočítat množství tepla uvolněného při ohřevu vodičů?
- Jak byste ohodnotili svou práci v hodině?
Máte pocit, že se vám rozšířily znalosti?
Odpovězte na otázky
Ohodnoťte jejich práci
Komunikativní: schopnost vyjadřovat své myšlenky s dostatečnou úplností a přesností.
VIII. Domácí práce
Domácí úkol. § 53,
Zapište si domácí úkoly do deníku.
James Prescott Joule se narodil 24. prosince 1818 v Manchesteru v Anglii. Byl jedním z pěti dětí svých rodičů.
James Joule byl slabý a rané vzdělání získal doma.
Jako dítě se velmi zajímal o elektřinu a elektrické jevy.
V devatenácti letech Joule zkonstruoval elektromagnetický motor.
V roce 1840 nahradil parní stroje používané v pivovaru svého otce novými elektrickými, jako vědecký a ekonomický experiment, protože chtěl dosáhnout větší účinnosti.
V roce 1841 provedl experiment, jehož cílem bylo zjistit vztah mezi proudem, odporem a teplem, které generují ve vodiči. Tento experiment byl nazván Jouleův první zákon (později Jouleův-Lenzův zákon).
V roce 1845 Joule ukázal světu experiment s lopatkovým kolem, který mu pomohl pochopit zákon zachování energie. Řekl, že během experimentu se mechanická energie přeměňuje na teplo. Později, na základě tohoto objevu, se objevil zákon zachování energie.
James Joule byl prezidentem Britské asociace pro pokrok vědy v letech 1872 až 1887, tedy po dobu 15 let.
V roce 1880 obdržel Albertovu medaili Královské společnosti umění za stanovení vztahu mezi teplem, elektřinou a mechanickou prací.
Ve Westminsterském opatství byl vztyčen památník Jamese Joulea a v manchesterské radnici byla vztyčena socha.
Emil Khristianovič Lenz se narodil 24. února 1804 ve městě Dorpat (nyní Tartu, Estonsko) v rodině hlavního tajemníka městského magistrátu. Po dokončení studia na místním gymnáziu nastoupil mladý muž na městskou univerzitu na katedru přírodních věd a jako cílevědomý, pracovitý a velmi talentovaný student byl přijat do nové fyzikální laboratoře.
V roce 1823 byl Lenz pozván k účasti na plavbě Otta Kotzebueho kolem světa na lodi „Predprijatie“ jako vědecký výzkumník fyzikálních vlastností oceánské vody. Jeho pozorování atmosférických jevů sloužila jako začátek přesných pozorování v oblasti oceánografie.
Před plavbou vědec vytvořil několik přístrojů, které pomáhaly při studiu oceánu. Mezi nimi byl i batometr – zařízení pro odběr vzorků vody z velkých hloubek. Lenz také rozvinul teorii mořských proudů.
Výsledky Lenzovy expedice byly publikovány v „Pamětech Petrohradské akademie věd“. Úspěchy v oblasti geofyziky pomohly vědci stát se adjunktem Petrohradské akademie věd.
Svými následnými experimenty v oblasti elektrodynamiky Lenz potvrdil zákony, které dříve objevili Ampér a Ohm. Na základě osobně objeveného zákona „Lenzova pravidla“ odvodil princip reverzibility elektrických strojů.
V roce 1833 Lenz objevil souvislost mezi elektrickou vodivostí kovů a stupněm jejich ohřevu. Pro objektivnější zaznamenávání měření navrhl speciální zařízení, které umožňuje přesně určit množství uvolněného tepla. Důvod dvojitého názvu je dán skutečností, že konečnou verzi zákona představil Emil Khristianovich v roce 1843 téměř současně s anglickým vědcem Jamesem Joulem.
Vědec byl po tři desetiletí profesorem a od roku 1863 prvním zvoleným rektorem Petrohradské univerzity. Vynaložil obrovské úsilí na založení a rozvoj slavné ruské fyzikální a matematické školy.
FORMULÁŘ PRO DĚTI
t=5 min 300 s Q=I 2 Rt
R=200 Ohmů Q = ( ) 2 * Ohm * s =
Bezpečný provoz elektrických spotřebičů a zařízení závisí na mnoha faktorech, které je třeba vzít v úvahu při provádění elektroinstalačních prací. Jedním z hlavních faktorů mezi těmito faktory je zahřívání elektrických vodičů během provozu. Tato vlastnost, kterou má jakýkoli drát, do značné míry určuje pravidla pro zapojení a připojení spotřebičů elektřiny, určuje výběr kabelu a přípustnou hodnotu připojeného zatížení. Proč se drát zahřívá, když jím prochází elektřina?
Důvody ohřevu vodičů spočívají v samotné povaze elektrického proudu. Jak je známo, proud je uspořádaný pohyb nabitých částic (elektronů) podél vodiče pod vlivem elektrického pole. Krystalová mřížka kovů má extrémně vysoké vnitřní molekulární vazby, které musí elektrony v procesu pohybu překonat. V důsledku toho se uvolňuje značné množství tepla a elektrická energie se přeměňuje na tepelnou energii. Docela zhruba, ale zároveň jasně se to dá přirovnat k uvolňování tepla při tření. Elektrony procházejí vodičem a „třou“ se o atomy kovové krystalové mřížky, což vede k uvolňování tepla.
Přeměna elektrické energie na tepelnou je jak velmi cenná vlastnost, tak nežádoucí efekt. Právě tato vlastnost umožňuje využívat elektřinu k vytápění v široké škále zařízení a zařízení, od průmyslových elektrických pecí až po domácí rychlovarnou konvici. Činnost jakéhokoli elektrického osvětlovacího zařízení je založena na stejném efektu. Jinými slovy, člověk se naučil v praxi extrémně efektivně využívat vlastnosti elektrického proudu na vodiče tepla.
Na druhou stranu takové zahřívání může vést k nežádoucím a často velmi nebezpečným následkům. Zejména zahřívání vinutí transformátorů, elektromotorů a dalších zařízení snižuje efektivitu jeho použití. Překročení určité teploty může vést k poruše zařízení. O nejnebezpečnějších důsledcích můžeme hovořit v případech, kdy se elektrický kabel nebo vodič používaný k připojení spotřebitelů, například elektroinstalace v bytě nebo kabel pro připojení výrobního zařízení, zahřeje nad určitou normu. Překročení určité teploty izolovaného drátu může způsobit spálení izolace. I když nedojde k požáru, roztavení izolace vede ke zhoršení jejích vlastností, což může způsobit zkrat. V tomto případě závisí pravděpodobnost vzniku požáru především na účinnosti použitých ochranných prostředků. Zahřívání kabelů je tedy jedním z hlavních nebezpečí požáru. Stačí říci, že zkratované vedení způsobuje značný počet požárů v obytných a komerčních budovách. Navíc dlouhodobé přehřívání vede ke změně mechanických vlastností kovu. To může vést například k přetržení nadzemního elektrického vedení, což může být také spojeno nejen se ztrátami, ale i s možným ohrožením osob.
Každý kabel popř izolovaný drát má maximální přípustnou teplotu ohřevu. Tato hodnota závisí především na vlastnostech použité izolace. Takže teplota drátu s pryžovou izolací by neměla překročit 50-65 stupňů, s papírovou izolací – 80 stupňů. U drátů s izolací z moderních polymerních materiálů může maximální teplota ohřevu dosáhnout 100 stupňů. Přesnou hodnotu přípustné teploty ohřevu uvádí u každé značky drátu nebo kabelu výrobce.
Klíčovou podmínkou pro zabránění přehřátí vodiče a vyhnutí se jeho negativním důsledkům je správný výběr kabelu pro připojení určitých spotřebičů. Chcete-li vybrat správný elektrický kabel, musíte pochopit, jaké faktory určují stupeň ohřevu elektrického vodiče. Za tímto účelem se musíte obrátit na vzorce ze školního kurzu fyziky.
Hlavním vzorcem popisujícím proces přeměny elektrické energie na teplo je Joule-Lenzův zákon:
Q – množství tepla uvolněného při průchodu elektrického proudu vodičem,
- I – aktuální síla,
- R – elektrický odpor vodiče,
- t – doba průchodu elektrického proudu vodičem.
Tyto vzorce nám umožňují určit parametry, které můžeme změnit, abychom řídili množství a rychlost ohřevu drátů. Síla proudu závisí na jmenovitém výkonu všech připojených vodičů. To je hodnota, ze které lze vycházet při výpočtech. Hlavním parametrem, jehož hodnota se může měnit, je elektrický odpor. Jeho hodnota je určena vlastnostmi kovu vodiče a průřezem kabelu. Proto je nutné volit průřez kabelu podle výkonu. To umožňuje snížit elektrický odpor drátu, což zase umožňuje snížit zahřívání na přijatelné limity.
Průřez kabelu je nutné volit podle výkonu tak, aby byla zajištěna nejen bezpečnost provozu elektrické sítě, ale i účinnost. Při výběru kabelu s větším průřezem, než je nutné, vznikají při elektroinstalaci neodůvodněné náklady. Na druhou stranu, pokud se v budoucnu plánuje připojení dalších spotřebitelů, mělo by to být také zohledněno při výběru průřezu kabelu ve směru jeho zvětšení.
Chcete-li určit požadovaný průřez kabelu, měli byste nejprve vypočítat maximální proud spotřebovaný zátěží. K tomu je nutné vydělit celkový jmenovitý výkon všech instalovaných spotřebičů napětím. Na základě aktuální hodnoty se určí výkonový průřez kabelu pomocí speciálních tabulek uvedených v „Pravidlech elektrické instalace“ (PUE). Můžete také použít přibližný přípustný poměr proudu na průřez kabelu, který poskytuje dostatečnou přesnost. Takže pro měděný drát je přípustný proud 10 ampérů na čtvereční mm2, pro hliník – 8 ampérů na mm2. V případě instalace skryté kabeláže se tyto hodnoty násobí korekčním faktorem 0,8.
© Copyright 2014 Kabelové centrum “Elkab”