Номер 57.15, страница 205 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 57. Тепловое действие тока. Глава 7. Электрические явления - номер 57.15, страница 205.

57.15 [1448] Почему провода, подводящие ток к электрической плитке, не разогреваются так сильно, как спираль в плитке?

Решение

Количество теплоты $Q$, которое выделяется в проводнике при прохождении по нему электрического тока, описывается законом Джоуля-Ленца:

$Q = I^2 R t$

где $I$ — это сила тока в цепи, $R$ — сопротивление проводника, а $t$ — время, в течение которого течет ток.

Подводящие провода и нагревательная спираль электрической плитки соединены последовательно. Ключевой особенностью последовательного соединения является то, что сила тока $I$ одинакова на всех участках цепи. Это означает, что через подводящие провода и через спираль протекает ток одинаковой силы.

Из формулы закона Джоуля-Ленца следует, что при одинаковой силе тока ($I = \text{const}$) и времени ($t = \text{const}$), количество выделяемой теплоты $Q$ прямо пропорционально сопротивлению $R$ участка цепи: $Q \propto R$.

Причина сильного различия в нагреве заключается в огромной разнице их электрических сопротивлений:

1. Спираль электрической плитки целенаправленно создается с очень большим сопротивлением. Для этого ее изготавливают из специального сплава с высоким удельным сопротивлением (например, из нихрома), а сам проводник делают очень длинным и тонким. Высокое сопротивление необходимо для того, чтобы в спирали выделялось максимальное количество тепла, которое используется для приготовления пищи.

2. Подводящие провода, напротив, должны обладать минимально возможным сопротивлением. Их задача — доставить электрическую энергию к плитке с наименьшими потерями. Для этого их изготавливают из материалов с низким удельным сопротивлением (обычно из меди или алюминия) и делают их достаточно толстыми (с большой площадью поперечного сечения), что дополнительно снижает их сопротивление.

Таким образом, так как сопротивление спирали $R_{спирали}$ во много раз больше сопротивления подводящих проводов $R_{проводов}$ ($R_{спирали} \gg R_{проводов}$), основная часть тепловой энергии выделяется именно на спирали, что приводит к ее сильному разогреву (раскаливанию). В то же время на проводах с их малым сопротивлением выделяется незначительное количество тепла, и они практически не нагреваются.

Ответ: Провода, подводящие ток, и спираль плитки соединены последовательно, поэтому сила тока в них одинакова. Согласно закону Джоуля-Ленца ($Q = I^2 R t$), количество выделяемой теплоты прямо пропорционально сопротивлению. Спираль плитки специально изготавливают из материала с высоким сопротивлением для максимального выделения тепла. Подводящие провода, наоборот, делают из материала с низким сопротивлением (например, из толстой меди), чтобы минимизировать потери энергии на нагрев. Из-за этой большой разницы в сопротивлении почти вся тепловая энергия выделяется в спирали, заставляя ее раскаляться, в то время как провода нагреваются очень слабо.