Номер 698, страница 108 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электрические явления. Закон Джоуля—Ленца - номер 698, страница 108.

Условие.

698. Алёша крепко скрутил оборванные концы спирали электроплитки, затем обмотал это место медной проволокой, а Артём ограничился только простым соединением концов обрыва спирали. У кого спираль в месте соединения может перегореть быстрее?

Решение.

Решение

Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть, как изменяется сопротивление в месте соединения спирали в обоих случаях, и как это влияет на выделение тепла.

Количество теплоты, выделяемое на участке цепи при прохождении электрического тока, описывается законом Джоуля-Ленца. Мощность тепловыделения равна $P = I^2 R$, где $\text{I}$ – сила тока, а $\text{R}$ – сопротивление участка. Поскольку вся спираль представляет собой последовательное соединение, сила тока $\text{I}$ на всех её участках одинакова. Следовательно, наибольшее количество тепла будет выделяться на том участке, где сопротивление $\text{R}$ максимально.

В случае Артёма, который просто соединил оборванные концы, место контакта будет иметь высокое переходное (контактное) сопротивление. Это связано с малой площадью фактического соприкосновения проводников и возможным наличием оксидной плёнки. Так как сопротивление в месте соединения $R_{Артёма}$ оказывается значительно выше, чем сопротивление на других участках спирали той же длины, именно в этом месте будет выделяться наибольшее количество теплоты. Это приведёт к сильному локальному перегреву и быстрому перегоранию (расплавлению или окислению) спирали.

В случае Алёши, он не только скрутил концы, но и плотно обмотал это место медной проволокой. Медь имеет очень низкое удельное сопротивление, гораздо меньшее, чем у материала спирали (как правило, нихрома). Медная обмотка, по сути, создаёт параллельное соединение (шунт) для места скрутки. Электрический ток, дойдя до этого участка, пойдёт по пути наименьшего сопротивления, то есть преимущественно через медную проволоку. Общее сопротивление этого участка $R_{Алёши}$ станет очень низким, даже ниже, чем сопротивление целого участка спирали такой же длины. В результате, согласно закону Джоуля-Ленца, на этом участке будет выделяться очень мало тепла. Место соединения будет нагреваться значительно слабее, чем остальная часть спирали, и поэтому не перегорит.

Таким образом, из-за высокого сопротивления в месте соединения спираль у Артёма будет сильно перегреваться и перегорит быстрее.

Ответ: Спираль в месте соединения может перегореть быстрее у Артёма.