Количество теплоты на резисторе формула

В элек­три­че­ской схеме, по­ка­зан­ной на ри­сун­ке, ключ К за­мкнут.

Заряд кон­ден­са­то­ра ЭДС ба­та­рей­ки её внут­рен­нее со­про­тив­ле­ние со­про­тив­ле­ние ре­зи­сто­ра Най­ди­те ко­ли­че­ство теп­ло­ты, ко­то­рое вы­де­ля­ет­ся на ре­зи­сто­ре после раз­мы­ка­ния ключа К в ре­зуль­та­те раз­ря­да кон­ден­са­то­ра. По­те­ря­ми на из­лу­че­ние пре­не­бречь.

Ко­ли­че­ство теп­ло­ты, вы­де­ля­ю­ще­е­ся на ре­зи­сто­ре после раз­мы­ка­ния ключа:

На­пря­же­ние на кон­ден­са­то­ре равно па­де­нию на­пря­же­ния на ре­зи­сто­ре. С уче­том за­ко­на Ома для пол­ной цепи:

Ком­би­ни­руя эти фор­му­лы, на­хо­дим:

Ответ:

полностью одобряю ваш метод, но нельзя ли решить более "простым" способом? Не сочтите меня за глупца.

Смеяться не буду 🙂 Все в порядке.

А теперь о Вашем решении. Что тут могу сказать. Так решать, конечно, нельзя, и получившийся у Вас ответ, отличный от приведенного в решении, — одно из тому подтверждений. Не буду комментировать все, скажу только, что формулу здесь использовать "в лоб" нельзя, так как через конденсатор будет течь не постоянный ток, а уменьшающийся по величине: чем больше заряд на конденсаторе, тем быстрее он стремится разрядиться. Так что закон сохранения энергии — наиболее простой и верный способ решения.

Ежели Вы настаиваете на на применении своей формулы, то тут потребуется большие знания из математического анализа: производные, интегралы, дифференциальные уравнения. Если интересно, приведу такое решение (но особого смысла в нем разбираться — нет, так как такие знания за рамками того, что проверяется на ЕГЭ). Кроме того, все равно получится, что нужно просто посчитать начальную энергию конденсатора.

Сложное решение этой задачи 🙂

Определим зависимость тока, текущего через резистор от времени. Так как конденсатор подключен к резистору параллельно, напряжения на них совпадают в любой момент времени: . По закону Ома, напряжение на резисторе пропорционально величине текущего через него тока: . Напряжение на конденсаторе связано с зарядом на нем соотношением: . Пусть за небольшой интервал времени заряд на конденсаторе изменился на (так как конденсатор разряжается ). Тогда через резистор за это время протек заряд . Следовательно сила тока равна . Скомбинировав все равенства и переходя к бесконечно малому интервалу времени, получаем дифференциальное уравнение на величину заряда конденсатора:

.

Решая это уравнение и используя, что в начальный момент времени заряд на конденсаторе равен , имеем: . То есть, математически конденсатор разряжается бесконечно долго.

Значит ток через конденсатор равен

.

Определим теперь тепловую мощность, выделяющуюся на резисторе:

.

Мощность уменьшается со временем. Для того, чтобы найти полное тепло необходимо просуммировать по всему времени разрядки, то есть взять интеграл:

.

Вот и она, начальная энергия конденсатора 🙂

• Главная
• Обучение
• Предварительный просмотр

• Мероприятия / ВИШР
• Обучение
• Тренажер ЕГЭ
• Учебные пособия
• Игры
• 120 лет ТПУ. Викторина онлайн
• Университетские субботы
• Высшая инженерная школа России

Физика

3.2.9.1. Тепловая мощность, выделяемая на резисторе

Тепловая мощность, выделяемая на резисторе

Электрический ток, проходящий по проводнику, нагревает его. Это объясняется тем, что свободные электроны, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия вещества увеличивается, повышается его температура. Нагретый проводник передает свою энергию окружающим телам. Если проводник не движется, то вся энергия электрического тока переходит во внутреннею энергию проводника. Работа тока определяется

Количество теплоты, выделяемое на резисторе, обозначим через Q Так как Q = A, то

или используя закон Ома (U = I*R) , получим

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени.

Эта формулировка называется законом Джоуля — Ленца

Закон Джо́уля — Ле́нца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем [1] .

Содержание

Определения [ править | править код ]

В словесной формулировке звучит следующим образом [2] :

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании постоянного электрического тока, равна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля.

Математически может быть выражен в следующей форме:

w = j → ⋅ E → = σ E 2 , <displaystyle w=<vec >cdot <vec >=sigma E^<2>,>

где w <displaystyle w> — мощность выделения тепла в единице объёма, j → <displaystyle <vec >> — плотность электрического тока, E → <displaystyle <vec >> — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды, а точкой обозначено скалярное произведение.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах [3] :

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка.

В интегральной форме этот закон имеет вид

d Q = I 2 R d t , <displaystyle dQ=I^<2>Rdt,> Q = ∫ t 1 t 2 I 2 R d t , <displaystyle Q=int limits _<1>>^<2>>I^<2>Rdt,>

где d Q <displaystyle dQ> — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени d t <displaystyle dt> , I <displaystyle I> — сила тока, R <displaystyle R> — сопротивление, Q <displaystyle Q> — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t 1 <displaystyle t_<1>> до t 2 <displaystyle t_<2>> . В случае постоянных силы тока и сопротивления:

Q = I 2 R t . <displaystyle Q=I^<2>Rt.>

Применяя закон Ома, можно получить следующие эквивалентные формулы:

Q = U 2 t / R = I U t . <displaystyle Q=U^<2>t/R =IUt.>

Практическое значение [ править | править код ]

Снижение потерь энергии [ править | править код ]

При передаче электроэнергии тепловое действие тока в проводах является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно, значит ток в сети I <displaystyle I> на проводах и нагрузке одинаков. Мощность нагрузки и сопротивление проводов не должны зависеть от выбора напряжения источника. Выделяемая на проводах и на нагрузке мощность определяется следующими формулами

Q w = R w ⋅ I 2 , <displaystyle Q_=R_cdot I^<2>,> Q c = U c ⋅ I . <displaystyle Q_=U_cdot I.>

Откуда следует, что Q w = R w ⋅ Q c 2 / U c 2 <displaystyle Q_=R_cdot Q_^<2>/U_^<2>> . Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение R w ⋅ Q c 2 <displaystyle R_cdot Q_^<2>> является константой, то тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе. Повышая напряжение мы снижаем тепловые потери в проводах. Это, однако, снижает электробезопасность линий электропередачи.

Выбор проводов для цепей [ править | править код ]

Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников.

Электронагревательные приборы [ править | править код ]

Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.

За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.

Плавкие предохранители [ править | править код ]

Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.