Нагревание проводников электрическим током

Как известно, при прохождении электрического тока через металл или электролит они нагреваются. Нагрев происходит вследствие того, что движущиеся в металле электроны или движущиеся в электролите ионы сталкиваются с атомами или молекулами вещества и передают им свою энергию. Если проводник неподвижен, то вся энергия электрического тока превращается во внутреннюю энергию проводника, то есть переходит в тепло. Согласно закону Джоуля-Ленца количество тепла, которое выделяется в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, протекающего через проводник, сопротивлению проводника и времени прохождения тока через проводник.

Мы исследуем на опыте влияние величины тока и сопротивления проводника на количество выделяющегося в нем тепла. С этой целью собрана установка, состоящая из источника тока, к которому подключена цепочка спиралей. Здесь три спирали, соединенных последовательно. В центре находится нихромовая спираль, а по бокам к концам нихромовой спирали подключены спирали, навитые из меди. Проволоки, из которых навиты эти спирали, имеют одинаковый диаметр. Одинаковый диаметр витков, одинаково число витков каждой спиральки, то есть одинакова длина этих спиралей. И поэтому сопротивление этих спиралек различается только вследствие того, что удельное сопротивление нихрома больше, чем удельное сопротивление меди, примерно в 50 раз. Именно вследствие этого сопротивление центральной нихромовой спирали больше, чем сопротивление медных спиралек, находящихся справа и слева от нихромовой спирали, примерно в 50 раз. Последовательно в цепь включен амперметр, с помощью которого мы будем измерять силу тока в цепи. Вся шкала амперметра рассчитана на 10 А, цена одного маленького деления составляет 0,5 А. К концам спирали подключен также вольтметр. Шкала вольтметра составляет 15 В, цена одного деления шкалы вольтметра равна 1 В.

Замкнем цепь и будем постепенно увеличивать напряжение на концах спирали, а следовательно, и ток в цепи. Установим ток в цепи порядка 2 А. Сейчас происходит выделения тепла в спиралях, однако при таком незначительном токе, относительно малом токе, это выделение тепла также невелико, количество выделяющейся теплоты невелико, и поэтому мы не видим свечения спиралей. Увеличим ток до 4 А, в два раза. Теперь в 4 раза по сравнению со значением тока 2 А возросло количество теплоты, выделяющееся в спиралях. Но и этот ток недостаточен для того, чтобы разогреть спирали до той температуры, при которой они начинают светиться. Лишь при токе порядка 5,5 А в цепи мы наблюдаем свечение спирали. Но наблюдаем свечение только центральной, нихромовой, спирали. Ведь ее сопротивление в 50 раз больше, чем сопротивление медных спиралей, и поэтому количество тепла, пропорциональное сопротивлению, количество теплоты, выделяющейся в нихромовой спирали, также в 50 раз превосходит количество теплоты, выделяющееся в медных спиралях.

Если добавить напряжение на концах спиралей, увеличить ток до 6 А, то мы видим, что нихромовая спираль начинает светиться довольно ярко, в то время как медные спирали по прежнему остаются темными.