Номер 4, страница 244 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 7. Электрический ток. Параграф 59. Работа электрического тока. Закон Джоуля—Ленца. Вопросы для самопроверки - номер 4, страница 244.

Условие.

4. Как можно объяснить нагревание проводников электрическим током? Почему количество теплоты, выделяющееся в проводнике, тем больше, чем больше сила тока и сопротивление проводника?

Решение.

Как можно объяснить нагревание проводников электрическим током?

Нагревание проводников при прохождении через них электрического тока объясняется взаимодействием движущихся заряженных частиц с веществом проводника. В металлических проводниках носителями тока являются свободные электроны. Под действием электрического поля они начинают упорядоченно двигаться, создавая ток. Однако на своем пути они постоянно сталкиваются с ионами, которые образуют кристаллическую решетку металла и совершают тепловые колебания вблизи своих положений равновесия.

При каждом столкновении электроны передают часть своей кинетической энергии, полученной от электрического поля, ионам кристаллической решетки. В результате этого энергия тепловых колебаний ионов увеличивается, что приводит к росту внутренней энергии проводника. Макроскопически увеличение внутренней энергии проявляется как повышение его температуры, то есть нагревание. Таким образом, работа электрического тока по перемещению зарядов преобразуется во внутреннюю (тепловую) энергию проводника.

Ответ: Нагревание проводника происходит из-за того, что движущиеся под действием электрического поля электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, передавая им свою энергию. Это увеличивает внутреннюю энергию проводника, что и воспринимается как его нагрев.

Почему количество теплоты, выделяющееся в проводнике, тем больше, чем больше сила тока и сопротивление проводника?

Эта зависимость описывается законом Джоуля-Ленца, который устанавливает, что количество теплоты $\text{Q}$, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока $\text{I}$, сопротивлению проводника $\text{R}$ и времени $\text{t}$, в течение которого ток протекает через проводник.

Математически это выражается формулой: $Q = I^2 R t$.

Из этой формулы и физической сути явлений следует:

1. Зависимость от силы тока ($\text{I}$). Сила тока — это количество заряда, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Чем больше сила тока, тем большее количество электронов проходит через проводник за одно и то же время. Соответственно, происходит большее число столкновений электронов с ионами решетки, и решетке передается больше энергии. Поскольку работа тока (и, следовательно, выделяемая теплота) пропорциональна квадрату силы тока ($Q \propto I^2$), даже небольшое увеличение тока приводит к значительному росту выделяемого тепла.

2. Зависимость от сопротивления ($\text{R}$). Электрическое сопротивление — это физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока. Чем больше сопротивление, тем сильнее ионы кристаллической решетки "мешают" упорядоченному движению электронов. Это означает, что при прохождении одного и того же тока через проводник с большим сопротивлением электроны испытывают больше столкновений и теряют больше энергии. Электрическому полю приходится совершать большую работу для поддержания тока, и эта работа преобразуется в тепло. Поэтому при неизменной силе тока в проводнике с большим сопротивлением выделяется большее количество теплоты.

Ответ: Количество теплоты увеличивается с ростом силы тока, так как большее число электронов сталкивается с ионами решетки, передавая им больше энергии. Оно увеличивается с ростом сопротивления, потому что при большем сопротивлении электроны испытывают большее противодействие своему движению, и для его преодоления совершается большая работа, которая переходит в тепло. Эта зависимость описывается законом Джоуля-Ленца: $Q = I^2 R t$.