Номер 1.103, страница 19 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 1. Электрический ток. Работа и мощность постоянного тока - номер 1.103, страница 19.

Условие.

1. 103. Объясните использование материалов с большим удельным сопротивлением в нагревательных приборах.

Решение.

1.103. Решение

Нагревательные приборы предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую. Эффективность этого преобразования описывается законом Джоуля-Ленца. Согласно этому закону, количество теплоты $\text{Q}$, которое выделяется в проводнике при прохождении по нему электрического тока, определяется формулой:

$Q = I^2 \cdot R \cdot t$

где $\text{I}$ — сила тока, $\text{R}$ — сопротивление проводника, $\text{t}$ — время прохождения тока.

Из формулы следует, что для получения большого количества теплоты $\text{Q}$, то есть для эффективного нагрева, нагревательный элемент должен иметь большое электрическое сопротивление $\text{R}$.

Сопротивление проводника, в свою очередь, зависит от его длины $\text{l}$, площади поперечного сечения $\text{S}$ и удельного электрического сопротивления материала $\rho$:

$R = \rho \cdot \frac{l}{S}$

Чтобы нагревательный элемент был компактным, его длина $\text{l}$ не должна быть слишком большой. Чтобы он был прочным и долговечным, его поперечное сечение $\text{S}$ не должно быть слишком малым (очень тонкая проволока легко рвется и быстро перегорает). Таким образом, для получения большого сопротивления $\text{R}$ при умеренных геометрических размерах ($\text{l}$ и $\text{S}$) необходимо выбирать материал с высоким значением удельного сопротивления $\rho$.

Поэтому для изготовления нагревательных элементов (спиралей в электроплитках, утюгах, фенах) применяют специальные сплавы, например, нихром, которые обладают не только большим удельным сопротивлением, но и высокой жаростойкостью (не плавятся и не окисляются при высоких температурах).

Ответ: Материалы с большим удельным сопротивлением ($\rho$) используются в нагревательных приборах для создания элементов с большим электрическим сопротивлением ($\text{R}$) при их компактных размерах. Согласно закону Джоуля-Ленца ($Q = I^2Rt$), чем больше сопротивление нагревательного элемента, тем большее количество теплоты он выделяет за одно и то же время при той же силе тока, что и обеспечивает его эффективную работу.