Тепловое воздействие электрического тока: Нагревание проводников электрическим током кратко

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

Двигаясь в любом проводнике, электрический ток передает ему какую-то энергию, из-за чего проводник нагревается. Энергетическая передача осуществляется на уровне молекул: в результате взаимодействия электронов тока с ионами или атомами проводника часть энергии остается у последнего.

Тепловое действие тока приводит к более быстрому движению частиц проводника. Тогда его внутренняя энергия возрастает и трансформируется в тепловую.

Формула расчета и ее элементы

Тепловое действие тока может быть подтверждено разными опытами, где работа тока переходит во внутреннюю проводниковую энергию. При этом последняя возрастает. Затем проводник отдает ее окружающим телам, то есть осуществляется теплопередача с нагреванием проводника.

Формула для расчета в этом случае следующая: A=U*I*t.

Количество теплоты можно обозначить через Q. Тогда Q=A или Q=U*I*t. Зная, что U=IR, получается Q=I²*R*t, что и было сформулировано в законе Джоуля-Ленца.

Закон теплового действия тока — закон Джоуля-Ленца

Проводник, где протекает электрический ток, изучали многие ученые. Однако, самых заметных результатов удалось добиться Джеймсу Джоулю из Англии и Эмилию Христиановичу Ленцу из России. Оба ученых работали отдельно и выводы по результатам экспериментов делали независимо один от другого.

Они вывели закон, позволяющий оценить тепло, получаемое в результате действия тока на проводник. Его назвали законом Джоуля-Ленца.

Рассмотрим на практике тепловое действие тока. Примеры возьмем следующие:

1. Обычную лампочку.
2. Нагревательные приборы.
3. Предохранитель в квартире.
4. Электрическую дугу.

Лампочка накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и увеличению возможностей для использования электричества. То, как применяются результаты исследований, можно рассмотреть на примере обычной лампочки накаливания.

Она устроена таким образом, что внутри протягивается нить, изготовленная из вольфрамовой проволоки. Этот металл является тугоплавким с высоким удельным сопротивлением. При проходе через лампочку осуществляется тепловое действие электрического тока.

Энергия проводника трансформируется в тепловую, спираль нагревается и начинает светиться. Недостаток лампочки заключается в больших энергетических потерях, так как лишь за счет незначительной части энергии она начинает светиться. Основная же часть просто нагревается.

Чтобы лучше это понять, вводится коэффициент полезного действия, который демонстрирует эффективность работы и преобразования в электроэнергию. КПД и тепловое действие тока используются в разных областях, так как имеется множество устройств, изготовленных на основании этого принципа. В большей степени это нагревательные приборы, электрические плиты, кипятильники и другие подобные аппараты.

Устройство обогревательных приборов

Обычно в конструкции всех приборов для нагревания есть металлическая спираль, в функцию которой и входит нагрев. Если нагревается вода, то спираль устанавливается изолированно, и в таких приборах предусматривается соблюдение баланса между энергией из сети и тепловым обменом.

Перед учеными постоянно с

Презентация по физике «Действия электрического тока»

Инфоурок
›

Физика
›Презентации›Презентация по физике «Действия электрического тока»

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Электрический ток, проходя по проводнику, оказывает на него различные действия. Действия электрического тока

2 слайд

Описание слайда:

Тепловое действие Электрический ток, протекая по проводнику, нагревает его (вплоть до свечения) Электронагревательные приборы

3 слайд

Описание слайда:

Тепловое действие

4 слайд

Описание слайда:

Проводник с током приобретает магнитные свойства — наблюдается при наличии тока в любом проводнике( твёрдом, жидком, газообразном) Магнитное действие

5 слайд

Описание слайда:

Магнитное действие

6 слайд

Описание слайда:

Механическое действие Проводник с током в магнитном поле может двигаться

7 слайд

Описание слайда:

Механическое действие

8 слайд

Описание слайда:

Химическое действие В основном наблюдается в электролитах, применяется для получения чистых металлов, рельефных копий, защиты от коррозии

9 слайд

Описание слайда:

Химическое действие

10 слайд

Описание слайда:

Световое действие Электрический ток, протекая по проводнику, может нагреть его до температуры, при которой проводник начинает светиться. Применяется в приборах освещения

11 слайд

Описание слайда:

Световое действие

12 слайд

Описание слайда:

Физиологическое действие ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА. Физиологическое действие тока на ранней стадии развития науки об электричестве было единственным,  о котором было известно ученым, и было основано на собственных ощущениях экспериментаторов. Одним из первых, кто ощутил на себе действие тока, был голландский физик П.Мушенбрук, живший в 18 веке. Получив удар током он заявил, что «не согласился бы подвергнуться  ещё раз такому испытанию даже за королевский трон Франции.»

13 слайд

Описание слайда:

Физиологическое действие отрицательное действие : Электрический ток вызывает изменения в нервной системе, выражающиеся в ее раздражении или параличе.   При воздействии электрического тока возникают судорожные спазмы мышц При поражении достаточно сильным  электрическим током происходит  судорожный спазм диафрагмы — главной дыхательной мышцы в организме — и сердца. Это вызывает моментальную остановку дыхания и сердечной деятельности. Действие электрического тока на мозг вызывает потерю сознания. Соприкасаясь с телом человека, электрический ток  оказывает также тепловое действие, причем в месте контакта возникают ожоги III степени.  ___

14 слайд

Описание слайда:

Физиологическое действие отрицательное действие : Действие электрического тока на человека усиливается при наличии промокшей обуви, мокрых рук, которым свойственна повышенная электропроводность.  Действие электрического излучения сотового телефона в 200 раз превышает допустимые нормы расчитанные для безопасности человека.

15 слайд

Описание слайда:

Физиологическое действие положительное действие : Электрошок — электрическое раздражение мозга , с помощью которого лечат некоторые психические заболевания. Дефибрилляторы — электрические медицинские приборы, используемые при восстановлении  нарушений ритма сердечной деятельности посредством воздействия на организм кратковременными высоковольтными электрическими разрядами. Гальванизация — пропускание через организм слабого постоянного тока, оказывающего болеутоляющий эффект и улучшающий кровообращение. 

16 слайд

Описание слайда:

При работе с током придерживайтесь главного правила: не знаешь, что делать, не суй руки куда не следует!!!

17 слайд

Описание слайда:

Действия электрического тока тепловое магнитное механическое химическое физиологическое световое

18 слайд

Описание слайда:

Применение тока в быту, технике, на производстве, в медицине

19 слайд

Описание слайда:

Применение тока в быту, технике, на производстве, в медицине

20 слайд

Описание слайда:

Применение тока в быту, технике, на производстве, в медицине

21 слайд

Описание слайда:

Применение тока в быту, технике, на производстве, в медицине

22 слайд

Описание слайда:

Применение тока в быту, технике, на производстве, в медицине

23 слайд

Описание слайда:

Применение тока в быту, технике, на производстве, в медицине

24 слайд

Описание слайда:

Применение тока в быту, технике, на производстве, в медицине

25 слайд

Описание слайда:

Применение тока в быту, технике, на производстве, в медицине

26 слайд

Описание слайда:

Применение тока в быту, технике, на производстве, в медицине

27 слайд

Описание слайда:

Применение тока в быту, технике, на производстве, в медицине

Тепловое воздействие тока | Энциклопедия безопасности жизнедеятельности

Тепловое воздействие тока поражает организм при плотности мощности 10 мВт/см2. Возникают электрические ожоги, вызываемые протеканием тока через тело человека, особенно при непосредственном контакте тела с электрическим проводом, а также под воздействием на тело электрической дуги (дуговой ожог), температура которого достигает нескольких тысяч градусов. На коже, где проходил ток, появляются электрические знаки, представляющие собой пятна серого или бледно-желтого цвета. Эти пятна, как правило, излечиваются, и с течением времени пораженная кожа приобретает нормальный вид.

Под воздействием электрической дуги в верхние слои кожи могут проникать мелкие расплавленные частицы металла. Такая электротравма носит название металлизации кожи и встречается нечасто. Довольно редко могут возникать металлические повреждения органов и тканей тела (разрывы кожи и различных тканей, вывихи, переломы и др.) в результате судорожных сокращений мышц, вызываемых действием тока.

Еще одним видом местной электротравмы является электроофтальмия— возникающее под действием ультрафиолетового излучения электрической дуги воспаление наружных оболочек глаз. При гораздо меньшей тяжести поражения (от долей мкВт/см2) могут наступать нарушения деятельности ЦНС (информационное воздействие).

Двухполюсное включение человека в сеть (прикосновение к двум проводам) более опасно. Особенно опасно прикасаться одновременно к электроприбору и к влажной раковине, радиаторам, трубам центрального отопления. Они заземлены, а земля является как бы вторым проводом: если прибор неисправен, ток пойдет через тело человека. Отсутствие в жилых домах третьего (нулевого) электропровода ежегодно приводит к гибели многих сотен людей от поражения током.

Компания «DINOpromo» уже довольно долгое время занимается профессиональной раскруткой сайтов и продвижений рекламы. Основной деятельностью компании является раскрутка сайтов в всемирно известных поисковых системах. Более детально о ценах и услугах компании вы сможете ознакомиться на www.dino.od.ua.

Закон Джоуля-Ленца и его применение

Закон Джоуля-Ленца и его применение

Раздел ОГЭ по физике: 3. 9.Закон Джоуля-Ленца
Раздел ЕГЭ по физике: 3.2.8. Работа электрического тока. Закон Джоуля–Ленца

Рассмотрим Закон Джоуля-Ленца и его применение.

При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию. Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: Q = А или Q = IUt. Учитывая, что U = IR, в результате получаем формулу:

Q = I²Rt , где

Q — количество выделяемой теплоты (в Джоулях)
I — сила тока (в Амперах)
R — сопротивление проводника (в Омах)
t — время прохождения (в секундах)

♦ Закон Джоуля–Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

В XIX в. независимо друг от друга англичанин Д. Джоуль и россиянин Э. Ленц изучали нагревание проводников при прохождении электрического тока и опытным путём обнаружили закономерность: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени: Q = I²Rt  (в случае постоянных силы тока и сопротивления). Эту закономерность называют законом Джоуля-Ленца. Данный закон дает количественную оценку теплового действия электрического тока.

Применяя закон Ома, можно получить эквивалентные формулы: Q = IUt,  Q= U²t/R

Где применяется закон Джоуля-Ленца ?

1. Например, в лампах накаливания и в электронагревательных приборах применяется закон Джоуля-Ленца. В них используют нагревательный элемент, который является проводником с высоким сопротивлением. За счет этого элемента можно добиться локализованного выделения тепла на определенном участке. Выделение тепла будет появляться при повышении сопротивления, увеличении длины проводника, выбором определенного сплава.

2. Одной из областей применения закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии. Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии. При передаче электроэнергии, передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а сила нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если повышать напряжение, при этом понижая силу тока перед подачей электроэнергии, то это будет более выгодно. Но повышение напряжения ведет к снижению электробезопасности. Для повышения уровня электробезопасности повышают сопротивление нагрузки соответственно повышению напряжения в сети.

3. Также закон Джоуля-Ленца влияет на выбор проводов для цепей. Потому что при неправильном подборе проводов возможен сильный нагрев проводника, а также его возгорание. Это происходит когда сила тока превышает предельно допустимые значения и выделяется слишком много энергии.

Нагревание проводов является вредным, поскольку приводит к потерям электроэнергии при передаче ее от источника к потребителю. Для уменьшения этих потерь силу тока уменьшают, повышая напряжение источника с тем, чтобы передаваемая мощность осталась прежней. Чтобы избежать электрического пробоя изоляции проводов, их поднимают на большую высоту на мачтах высоковольтных линий электропередач, связывающих крупные электростанции с городами и поселками, отстоящими от них на десятки и сотни километров.

Вы смотрели конспект урока физики в 8 классе «Закон Джоуля-Ленца и его применение».
Выберите дальнейшие действия:

Тепловое действие тока | Физика

Когда электрический ток проходит по проводнику, проводник нагревается. Это явление было открыто в 1800 г. французским ученым Антуаном Фуркруа. Пропустив ток через железную спираль, он сумел раскалить ее до очень высокой температуры. Через 41 год тепловым действием тока заинтересовался английский физик Дж. Джоуль, а еще через год российский ученый Э. X. Ленц. Ими было установлено, что

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

Теперь этот закон называют законом Джоуля-Ленца. Математически он выражается в виде следующей формулы:

Q=I²Rt.      (19.1)

Нагревание током проводника обусловлено взаимодействием носителей тока со встречными атомами или ионами вещества. В результате этого взаимодействия внутренняя энергия проводника возрастает и он нагревается. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающей среде. Эта энергия и представляет собой то количество теплоты, которое определяется по закону Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца был открыт экспериментально. Но ему можно дать и теоретическое обоснование.

Когда электрический ток проходит по проводнику, совершается работа, определяемая выражением (18.2): A = IUt. Но U = IR. Поэтому

A = I²Rt.

Если проводник, по которому идет ток, остается неподвижным и в нем не происходит никаких химических реакций, то вся эта работа идет на увеличение его внутренней энергии. При этом количество теплоты, выделяемое проводником с током, совпадает с работой тока и поэтому определяется тем же выражением.

При очень большом токе металлический проводник может раскалиться и перегореть (расплавиться). На этом основано действие плавких предохранителей. Их назначение — автоматическое отключение электрической цепи, когда в ней начинает идти ток больше допустимого. Условное обозначение предохранителя приведено в таблице 2 (см. § 9).

На рисунке 46 изображен предохранитель, используемый в радиоэлектронной аппаратуре. Его главной частью является проволочка из легкоплавкого металла (например, свинца), толщина которой рассчитана на определенный ток (0,5 А, 1 А, 2 А и т. д.). Если сила тока по той или иной причине (например, при коротком замыкании) превысит допустимое значение, проволочка расплавится и цепь окажется разомкнутой.

Электрическая проводка в жилых зданиях рассчитана, как правило, на 6 А или 10 А. Используемые для ее защиты квартирные предохранители (пробки) показаны на рисунке 47, а, б. В первом случае (см. рис. 47, а) после перегорания нити заменяют всю пробку, во втором случае (см. рис. 47, б) лишь ее плавкую вставку.

??? 1. Почему проводник, по которому идет ток, нагревается? 2. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца. 3. Каково назначение предохранителей? 4. Расскажите об устройстве и принципе действия плавких предохранителей. Как они обозначаются на схемах? 5. Перечислите известные вам устройства, в которых используется тепловое действие тока.

Электрический ток, тепловое действие — Справочник химика 21

    Действие электрического тока на организм человека зависит от внешних условий (среды), состояния и особенностей организма. Наибольшую опасность представляет общее поражение электрическим током, так называемый электрический удар. В этом случае поражаются центральная нервная система и сердце человек теряет сознание, у него частично или полностью прекращается дыхание, нарушается сердечная деятельность. Местные поражения электрическим током вызывают ожоги, являющиеся результатом теплового действия электрической дуги. [c.29]








    Электротравма — внешние местные поражения ожоги, металлизация кожи, электрический знак. Ожоги вызываются тепловым действием электрического тока или электрической дуги. Ожоги могут быть поверхностные или глубокие, сопровождающиеся поражением не только кожи, но и подкожной ткани, жира, глубоко лежащих мышц, нервов и костей. [c.19]

    Остановимся на тепловом действии электрического тока. Количество электричества, переносимое от одного конца проводника к другому за время г, равное и, производит работу, пропорциональную разности потенциалов [c.185]

    НЫХ элементов (штифт Нернста) или карборунда, накаленный добела (или докрасна) электрическим током. Пучок света направляется и фокусируется в точке размещения образца зеркалами. Схема (рис. 32.3) ИК-спектрометра во многом сходна со схемой спектрофотометра видимой и ультрафиолетовой области. Здесь также с помощью системы зеркал (М1 и Мг) световой поток разделяется на два строго одинаковых луча, один из них пропускается через кювету с исследуемым веществом, другой — через кювету сравнения. Прошедшее через кюветы излучение поступает в монохроматор, состоящий из вращающейся призмы, зеркала и щели и позволяющий выделять излучение со строго определенной частотой, а также плавно изменять эту частоту. Оба луча встречаются на зеркальном секторе М3. При вращении зеркала в монохроматор попеременно попадают либо отраженный опорный луч, либо прошедший через прорезь луч от образца. Кюветы и окна для защиты детектора, как и призма монохроматора, выполняются из отполированных кристаллов минеральных солей (табл. 32.1), пропускающих инфракрасный свет. В

Эффект нагрева электрическим током

Вопрос 1 Что подразумевается под тепловым действием тока?

Вопрос 2 Назовите несколько приборов, которые работают на тепловом эффекте тока?

Вопрос 3 Объясните, почему электрическая лампа накаливания не является энергоэффективной?

Вопрос 4 Что будет, если в бытовую электропроводку не вставить предохранитель?

Вопрос 5 Почему нельзя использовать металлическую проволоку или металлическую ленту вместо плавкой проволоки?

Вопрос 6 Когда возникает короткое замыкание?

Вопрос 7 Приведите несколько применений нагревающего эффекта тока?

Вопрос 8 Когда происходит перегрузка бытовой электросети?

Вопрос 9 Почему нихромовые провода используются в электроприборах?

Вопрос 10 Объясните принцип работы электрического обогревателя?

Вопрос 11 Объясните, как работает электрическая лампочка?

Вопрос 12 дает несколько преимуществ КЛЛ перед лампами накаливания?

Действие электрического тока

Электрический ток может вызывать три эффекта:

(1) Эффект нагрева,

(2) Магнитный эффект и

(3) Химическое воздействие.

Степень, в которой материал препятствует прохождению тока через себя, называется его сопротивлением .

Медь и алюминий имеют очень низкое электрическое сопротивление, тогда как сплавы, такие как нихром, имеют очень высокое электрическое сопротивление (нихром — это сплав никеля, хрома, железа и марганца).

Проволока, изготовленная из материала с высоким электрическим сопротивлением, называется проводом сопротивления . Таким образом, нихромовая проволока — это проволока сопротивления.

Нагревательное воздействие электрическим током

Когда электрический ток проходит через провод с высоким сопротивлением (например, нихромовую проволоку), резистивный провод нагревается и выделяет тепло. Это называется эффектом нагрева нынешнего .

Когда электрический ток проходит через провод с высоким сопротивлением, электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Эта тепловая энергия нагревает провод сопротивления.

Деятельность

(1) Возьмите два железных гвоздя и закрепите их на некотором расстоянии друг от друга на листе термобаллона (или деревянном бруске).

(2) Возьмите кусок нихромовой проволоки длиной около 10 см и привяжите его между двумя гвоздями.

(3) Создайте электрическую цепь, соединив два гвоздя с двумя выводами ячейки через переключатель с помощью медных проводов.

(4) Теперь пропустите электрический ток в цепи, переместив переключатель в положение «включено» (закрывая зазор). Через несколько секунд прикоснитесь к нихромовой проволоке хоть на мгновение.

(5) Мы почувствуем, что нихромовая проволока нагрелась.Нихромовая проволока стала горячей, потому что электрический ток, проходящий через нее, произвел в ней тепло. Это нагревательный эффект тока.

(6) Не следует держать переключатель в положении «включено» долгое время, иначе электрический элемент будет поврежден и очень быстро ослабнет.

Количество тепла, выделяемого в проводе за счет нагревающего воздействия тока, зависит от двух факторов:

(1) Сопротивление проволоки (зависит от материала проволоки, длины и толщины проволоки).

(2) Величина тока, проходящего через провод.

Чем больше сопротивление провода, тем больше тепла, выделяемого в нем данным током.

Например: Медь имеет очень низкое сопротивление, поэтому, если электрический ток пропускается через медный провод, то выделяемое в нем тепло будет очень небольшим (из-за чего медный провод станет незначительно горячим). Медные провода, используемые для создания электрических цепей в научной деятельности, обычно не нагреваются при прохождении электрического тока, потому что они имеют очень низкое сопротивление (из-за чего выделяемое в них тепло незначительно).

Нихром имеет очень высокое сопротивление, поэтому, если через нихромовую проволоку пропустить такой же электрический ток, то выделяемое в нем тепло будет слишком большим (из-за чего он станет очень горячим). такие как комнатный обогреватель, электрический утюг и т. д.) становятся очень горячими или раскаленными при прохождении электрического тока, потому что они имеют очень высокое сопротивление (из-за чего выделяемое в них тепло очень велико).

Короткий провод имеет меньшее сопротивление, тогда как длинный провод имеет большее сопротивление.Кроме того, толстая проволока имеет меньшее сопротивление, тогда как тонкая проволока имеет большее сопротивление.

Чем больше сила тока, проходящего через данный провод, тем больше тепла в нем выделяется. Небольшой ток, протекающий по проволоке, производит меньше тепла, но большой ток, проходящий по тому же проводу, производит гораздо больше тепла.

Применения теплового эффекта тока

Некоторые из важных применений теплового эффекта тока приведены ниже:

(1) Нагревательный эффект электрического тока используется в работе электрических нагревательных приборов, таких как электрический комнатный обогреватель, электрический утюг, электрический чайник, электрический тостер, электрическая духовка, водонагреватель (гейзер), погружной стержень и паяльник, и т.п.

(2) Нагревательный эффект электрического тока используется в электрических лампочках (или электрических лампах) для получения света.

(3) Эффект нагрева электрическим током используется в предохранительном устройстве под названием «электрический предохранитель»

Электронагревательные приборы

Электронагревательные приборы (например, комнатный обогреватель, электрический утюг и т. Д.) Работают на нагревательном эффекте тока. Все электрические нагревательные приборы содержат катушки из высокопрочной легированной проволоки.Катушка из проволоки с высоким сопротивлением (или катушка из нихромовой проволоки), присутствующая в электрическом нагревательном приборе, называется нагревательным элементом , прибора.

Часть электрического нагревательного прибора, которая «нагревается» при прохождении тока, называется нагревательным элементом прибора.

Когда электрический ток пропускается через электрический нагревательный прибор путем подключения его к розетке через изолированные медные провода (называемые шнуром или соединительным кабелем), в нагревательном элементе (или катушке) выделяется большое количество тепла из-за в результате чего нагревательный элемент стал раскаленным.

Нагревательный элемент вырабатывает много тепла, потому что он изготовлен из нихромовой проволоки с высоким сопротивлением. В соединительных проводах из меди выделяется незначительное количество тепла, поскольку медь имеет очень низкое сопротивление.

Комнатный электрический обогреватель (называемый конвектором) имеет элемент, сделанный из катушки из нихромовой проволоки. При включении тока в комнатном электрическом обогревателе после подключения к розетке питающей сети элемент (или катушка) обогревателя становится докрасна и излучает тепло.Элемент нагревается докрасна, потому что при прохождении тока в нем выделяется много тепла (из-за высокого сопротивления нихромовой катушки). Медный шнур нагревателя не раскаливается или не перегорает, потому что при прохождении тока в нем выделяется незначительное количество тепла (из-за его чрезвычайно низкого сопротивления)

Точно так же, когда электрический ток пропускается в электрический утюг , элемент электрического утюга (сделанный из нихромовой катушки) становится докрасна и выделяет тепло. Это тепло нагревает кнопку электрического утюга.Затем горячий электрический утюг используется для глажки одежды.

Нагревательные элементы большинства электрических нагревательных приборов (таких как утюг, электрический чайник, газовая колонка, электрическая духовка, конфорки, фены и т. Д.) Мы не видим, потому что они скрыты внутри корпуса этих приборов.

Электрическая лампочка

Электрическая лампочка (или электрическая лампа), которую мы используем для получения света, работает на нагревательном эффекте электрического тока. Электрическая лампочка имеет очень тонкую нить из металлического вольфрама.Нить накаливания электрической лампочки имеет высокое сопротивление. Когда электрический ток проходит через очень тонкую нить накаливания с высоким сопротивлением, в ней выделяется тепло. За счет этого нить накаливания электрической лампочки нагревается до очень высокой температуры и начинает светиться. Большое количество электричества, потребляемого нитью электрической лампочки, проявляется в виде тепла, из-за которого светящаяся электрическая лампочка сильно нагревается. Никогда не прикасайтесь к светящейся лампочке, подключенной к электросети. Может быть очень жарко, и наша рука может сильно обгореть.

Тот же самый ток, протекающий через вольфрамовую нить накала электрической лампы, выделяет огромное количество тепла, но в соединительных проводах из меди выделяется почти ничтожное количество тепла. Это потому, что тонкая вольфрамовая нить имеет очень высокое сопротивление, тогда как медные соединительные провода имеют очень низкое сопротивление.

Производство тепла электрической лампочкой нежелательно, так как это приводит к потерям электроэнергии. Таким образом, электрические лампочки накаливания не являются энергоэффективными (потому что они расходуют много электроэнергии в качестве тепла).Потери электроэнергии можно уменьшить, используя люминесцентные лампы и Compact Люминесцентные лампы (CFL) для производства света (вместо электрических ламп накаливания.

Преимущества компактных люминесцентных ламп (КЛЛ)

(1) Люминесцентные лампы и компактные люминесцентные лампы не имеют нити накала. Таким образом, они не тратят электроэнергию на производство тепла и, следовательно, очень энергоэффективны.

(2) Их можно закрепить в обычных патронах (которые используются для традиционных электрических ламп накаливания).

Люминесцентная лампа (или лампа) содержит пары ртути. Внутренняя часть стеклянной трубки покрыта непрозрачным белым материалом, называемым люминофором . Когда лампа люминесцентной лампы включается и через нее проходит ток, пары ртути испускают невидимое ультрафиолетовое излучение и светятся (или флуоресцируют), испуская белый свет. Хотя люминесцентные ламповые лампы и КЛЛ изначально дороже (чем нити накала). -типа), но их эксплуатационные расходы намного меньше (потому что они потребляют гораздо меньше электроэнергии), и они также служат намного дольше.

Перед покупкой любого электрического прибора мы должны обратить внимание на знак ISI Бюро индийских стандартов на приборе (ISI означает Индийский институт стандартов). Знак ISI гарантирует безопасность и энергоэффективность устройства (минимальные потери энергии).

Электрический предохранитель (или предохранитель)

Предохранитель

A — это предохранительное устройство, которое предотвращает возгорание и повреждение электроприборов из-за чрезмерного протекания тока. Предохранитель работает на нагревательном эффекте тока.

рабочая

Предохранитель состоит из короткого отрезка тонкой луженой медной проволоки с низкой температурой плавления. Тонкий провод предохранителя имеет гораздо большее сопротивление, чем остальная электропроводка в доме. Так, когда ток в бытовой цепи внезапно увеличивается слишком сильно, то тонкий плавкий провод слишком сильно нагревается, плавится и разрывает цепь (из-за чего ток в цепи перестает течь). Это предотвращает возгорание в доме (которое может быть вызвано перегревом проводов), а также предотвращает повреждение различных электроприборов (например, телевизора и холодильника) из-за протекающего через них большого тока.

Электрические предохранители вставляются в проводку (или цепи) всех домов и других построек. Предохранитель состоит из фарфорового держателя предохранителя и съемной фарфоровой рукоятки предохранителя . Патрон предохранителя подключается в бытовую цепь. На рукоятке предохранителя закреплен провод предохранителя. Когда рукоятка предохранителя, несущая провод предохранителя, вставлена ​​в патрон предохранителя, цепь бытовой электропроводки завершена.

Существует максимальный предел тока, который может безопасно протекать через предохранительный провод, вставленный в бытовую цепь.Если по какой-либо причине ток в бытовой электропроводке внезапно станет слишком большим (и превысит безопасный предел), то предохранитель перегорит (его провод слишком сильно нагреется, расплавится и разомкнет цепь). При обрыве провода предохранителя подача электричества в домашнюю проводку автоматически отключается до того, как можно будет нанести какой-либо ущерб остальной проводке или используемым электроприборам.

Если, однако, в бытовой электропроводке не было предохранителя, то большой ток, протекающий через кольцо, мог бы нагреть провода до очень высоких температур и вызвать электрический пожар.Сильный ток, протекающий через электрические приборы, такие как телевизор и холодильник, также может повредить их.

При перегорании (или выходе из строя) предохранителя на его место необходимо установить новый предохранитель, чтобы восстановить подачу электричества в бытовой цепи.

Мы, , используем тонкий провод в предохранителе , потому что он имеет гораздо большее сопротивление, чем остальные соединительные провода. Из-за его высокого сопротивления нагревательный эффект в проводе предохранителя будет намного сильнее, чем где-либо еще в цепи.Толщина плавкого провода должна быть такой, чтобы он мог выдерживать лишь немного больший ток, чем потребляемый в бытовой цепи.

Мы, , не должны использовать толстую проволоку в качестве предохранителя , потому что она будет иметь низкое сопротивление и, следовательно, не будет легко нагреваться до точки плавления.

Плавкий провод обычно изготавливается из луженой медной проволоки с низкой температурой плавления, поэтому она может легко плавиться. Медную металлическую проволоку (или любую другую металлическую проволоку или металлическую полосу) не следует использовать в качестве плавкой проволоки, потому что она имеет высокую температуру плавления, из-за чего она не будет легко плавиться при прохождении через нее большого тока.

Причина большого тока

(1) Короткое замыкание

В бытовой электропроводке электрический ток подается по двум изолированным проводам, которые проходят вместе и достигают каждого электроприбора. Один изолированный провод называется живым проводом , а другой изолированный провод называется нулевым проводом . Оба эти провода необходимы для работы электрического прибора. Непосредственное прикосновение провода под напряжением к нейтрали известно как короткое замыкание .

Когда провод под напряжением и нейтральный провод касаются друг друга напрямую, через домашнюю проводку протекает большой ток. Этот большой ток может нагреть провода до опасно высокой температуры и вызвать возгорание. Никогда не следует использовать такой электроприбор с соединительным кабелем с порванной изоляцией. Такие соединительные кабели необходимо немедленно заменить

(2) Перегрузка

Когда к одной розетке подключено слишком много электроприборов, они потребляют очень большой ток из бытовой цепи.Это называется перегрузкой. Протекание большого тока из-за перегрузки может нагреть медные провода бытовой электропроводки до высокой температуры и вызвать пожар.

Когда в доме или другом здании проводится проводка, проводка защищена предохранителями. При коротком замыкании или перегрузке перегорает предохранительный провод, прерывая подачу электроэнергии. Это предотвратит электрический пожар.

Предохранители, используемые в электроприборах

Предохранители также используются для защиты отдельных бытовых электроприборов от повреждений, которые могут быть вызваны чрезмерным током, протекающим через них.Он представляет собой стеклянную трубку с запаянным внутри тонкой плавкой проволокой. Стеклянная трубка с двух концов имеет две металлические заглушки. К этим металлическим крышкам подсоединяются два конца провода предохранителя. Металлические колпачки предназначены для подключения предохранителя в цепи в специально изготовленном кронштейне. Если по какой-либо причине через электрический прибор будет протекать большой ток, его предохранитель взорвется (расплавится и сломается) и отключит подачу электричества к прибору. Это защитит прибор от повреждений, которые могли быть вызваны пропусканием через него сильного тока.

Предохранители, используемые в индивидуальных электроприборах, называются патроном предохранителями . Мы всегда должны использовать подходящие предохранители (с маркировкой ISI), которые предназначены для конкретных приложений.

Использование MCB

MCB — это миниатюрный автоматический выключатель. В наши дни автоматические выключатели (миниатюрные автоматические выключатели) все чаще используются в бытовых электрических выключателях вместо традиционных предохранителей. MCB не работает на нагревательном эффекте тока.

MCB работает на магнитном действии тока. MCB — это особый вид электрического выключателя, который автоматически отключается, когда ток в цепи становится слишком большим, и отключает подачу электроэнергии. MCB можно повторно установить во включенное положение, когда неисправность в проводке (которая вызвала протекание большого тока в цепи) была исправлена.

Таким образом, в отличие от предохранителя, который можно использовать только один раз и который необходимо заменять (когда его провод плавится и ломается), тот же автоматический выключатель можно повторно настроить вручную для восстановления подачи электроэнергии.Когда MCB переустанавливается, цепь замыкается, и электрический ток снова начинает течь по домашней проводке. В наши дни все больше и больше домов и других зданий используют заменяемые миниатюрные автоматические выключатели (MCB), чтобы защитить электропроводку от чрезмерного протекания тока. Чтобы убедиться, что мы покупаем автоматические выключатели хорошего качества, мы должны искать на них знак ISI.

Электроотопление Влияние электрического тока 10 класс наука NCERT

Эффект нагрева электрическим током

Когда электрический ток подается на чисто резистивный проводник, энергия электрического тока полностью рассеивается в виде тепла, и в результате резистор нагревается.Нагрев резистора из-за рассеивания электрической энергии обычно известен как эффект нагрева электрическим током. Вот некоторые примеры:

Когда электрическая энергия подается на электрическую лампочку, нить накаливания нагревается, из-за чего она дает свет. Нагрев электрической лампочки происходит из-за нагревающего воздействия электрического тока.

Когда электрический утюг подключен к электрической цепи, элемент электрического утюга нагревается из-за рассеивания электрической энергии, которая нагревает электрический утюг.Элемент электрического утюга представляет собой чисто резистивный проводник. Это происходит из-за нагревающего воздействия электрического тока.

Причина нагревающего эффекта электрического тока: Электрический ток выделяет тепло для преодоления сопротивления проводника, через который он проходит. Чем выше сопротивление, тем больше тепла выделяется электрический ток. Таким образом, выделение тепла электрическим током при прохождении через проводник является неизбежным следствием.Этот эффект нагрева используется во многих устройствах, таких как электрический утюг, электрический обогреватель, электрический гейзер и т. Д.

Закон нагрева Джоуля:

Let; электрический ток I протекает через резистор с сопротивлением, равным R.

Разность потенциалов через резистор равна В.

Заряд Q течет по цепи за время t.

Таким образом, проделанная работа по перемещению заряда Q разности потенциалов `V = VQ`

Так как этот заряд Q течет по цепи за время t

Для этого; потребляемая мощность (P) в цепи может быть задана следующим уравнением:

`P = VxxQ / t` ——— (1)

Мы знаем, электрический ток `I = Q / t`

Подставляя Q / t = I в уравнение (i), получаем;

`P = VI`. 2Rt`…….. (v)

Выражение (v) известно как закон нагрева Джоуля, который гласит, что тепло, выделяемое в резисторе, прямо пропорционально квадрату тока, подаваемого на резистор, прямо пропорционально сопротивлению для данного тока и прямо пропорционально времени для которого ток течет через резистор.

Пример 1: Если электрический нагреватель потребляет электроэнергию со скоростью 500 Вт, а разность потенциалов между двумя выводами электрической цепи составляет 250 В, рассчитайте электрический ток и сопротивление в цепи.

Решение: Дано, потребляемая мощность (P) = 500 Вт
Разность потенциалов (В) = 250 В
Электрический ток (I) =?
Сопротивление (R) в цепи =?

Мы знаем, что мощность `(P) = VI`

Или, `500 Вт = 250 В xx I`

Или, I = 500 Вт ÷ 250 В = 2 А

Мы знаем, сопротивление `R = V / I`

Или, R = 250 В ÷ 2 A = 125 Ом

Пример 2: Электрическая газовая колонка потребляет 1000Вт электроэнергии.Если разность потенциалов в электрической цепи составляет 250 В, найдите сопротивление гейзера и электрический ток в цепи.

Решение: Учитывая, потребляемая мощность (P) = 1000 Вт

Разность потенциалов (В) = 250 В

Электрический ток (I) =?

Сопротивление (R) в цепи =?

Мы знаем, что мощность `(P) = VI`

Или, `1000 Вт = 250 В xx I`

Или, I = 1000 В ÷ 250 В = 4 А

Мы знаем, сопротивление `R = V / I`

Или, R = 250 В ÷ 4 A = 62.5 Ом

Пример 3: Электрический нагреватель с сопротивлением 5 Ом подключен к источнику электроэнергии. Если он выделяет 180 Дж тепла за одну секунду, найдите разность потенциалов на электронагревателе.

Решение: Учитывая, сопротивление (R) = 5 Ом, тепло (H), производимое нагревателем в секунду, = 1800 Дж, время «t» = 1 с

Разница потенциалов (В) =?

Чтобы вычислить разность потенциалов, нам нужно сначала вычислить электрический ток (I). 2 = 180 ÷ 5 = 36`

Или, I = 6 A

Теперь, разность потенциалов `V = IR`

Или, `V = 6 A xx 5 Ω = 30 V`

Влияние кратковременного электрического тока на квазистатическое поведение при растяжении магниевого сплава AZ31

Экспериментально исследовано влияние одиночного импульса электрического тока короткой длительности на квазистатическое растяжение магниевого сплава AZ31.К образцу прикладывают одиночный импульс электрического тока длительностью менее 1 секунды, при этом образец деформируется в пластической области под действием квазистатических растягивающих нагрузок. После почти мгновенного уменьшения напряжения течения при импульсе электрического тока напряжение течения демонстрирует деформационное упрочнение до разрушения образца. Экспериментальный результат показывает, что параметры деформационного упрочнения (коэффициент прочности и показатель упрочнения) кривой упрочнения после электрического тока сильно зависят от приложенной плотности электрической энергии (электрической энергии на единицу объема).Предлагаются эмпирические выражения для описания поведения упрочнения после импульса в зависимости от плотности электрической энергии и сравниваются с эмпирическими выражениями, предложенными для современных высокопрочных сталей.

1. Введение

Недавние усилия в автомобильной промышленности по повышению топливной экономичности находят отражение во все более широком использовании легких материалов. Магниевые сплавы, которые являются обычными легкими сплавами цветных металлов, обеспечивают очень высокое отношение прочности к массе среди обычно используемых конструкционных металлических сплавов.Однако ограниченная формуемость магниевых сплавов при комнатной температуре препятствует широкому использованию этих легких сплавов в автомобильной промышленности.

Формование магниевых сплавов может быть улучшено формованием материала при повышенной температуре. Однако формовка при повышенной температуре может вызвать несколько заметных недостатков, включая повышенную адгезию между образцом и штампом, снижение эффективности смазки и снижение прочности штампа [1]. Кроме того, формование при повышенной температуре может занять много времени и часто требует значительных первоначальных капитальных вложений.Следовательно, все еще желательны способы формования, которые могут улучшить формуемость магниевых сплавов без чрезмерного повышения температуры или больших капиталовложений.

Утверждалось, что свойства материала металла можно изменить, просто приложив электричество к металлу во время деформации (так называемая электропластичность) без значительного повышения температуры [2, 3]. Наличие постоянного электрического тока во время пластической деформации металла может значительно снизить напряжение течения металла, как сообщают Росс и др.[4] и Perkins et al. [5]. При сжатии формуемость металла может быть значительно улучшена постоянным электрическим током [5]. Однако, как показали Росс и др. [4], непрерывно приложенный электрический ток может уменьшить максимально достижимое удлинение металла при растяжении, вероятно, из-за непрерывного уменьшения площади поперечного сечения образца во время растяжения, что вызывает непрерывное увеличение электрического сопротивления образца и как следствие, чрезмерный нагрев измерительной секции.

Были предложены различные теории электропластичности для объяснения механического поведения во время деформации с помощью электрического тока [6–8]. Теории электропластичности обычно разделяют аргумент о том, что приложенная электрическая энергия оказывает влияние на дислокацию в металлах, отличное от джоулева нагрева. Однако следует также отметить, что при определенных механических, электрических и тепловых условиях механическое поведение, связанное с электрически поддерживаемой деформацией, может быть смоделировано удовлетворительно с использованием термомеханических связанных моделей без необходимости теории электропластичности [9, 10].Кроме того, в некоторых случаях наблюдалось незначительное влияние электрического тока на механическое поведение металлических сплавов [9, 11].

В то время как полностью удовлетворительная теория, объясняющая механическое поведение при электрически поддерживаемой деформации, все еще исследуется, исследования показали, что недостаток уменьшенного максимального удлинения металлов при растяжении постоянным электрическим током можно преодолеть путем периодической подачи электрического тока ( импульсный электрический ток) вместо непрерывного [12–15].По данным Roth et al. [12], удлинение, близкое к 400% от длины образца, было достигнуто путем подачи импульсного электрического тока к 5754 образцам из алюминиевого сплава при растяжении. Salandro et al. [1] также исследовали влияние длительности импульса и плотности тока на поведение при растяжении образцов Mg-AZ31BO и показали, что удлинение выбранного магниевого сплава может быть значительно увеличено в зависимости от параметров процесса. Совсем недавно Kim et al. [13] и Roh et al. [14] также показали, что формуемость образцов из алюминиевого сплава 5052 может быть значительно улучшена путем приложения импульсного электрического тока к образцам во время растяжения.Кроме того, Liu et al. [16] исследовали влияние импульсного электрического тока с высокой частотой на механизм деформации магниевого сплава AZ31B во время испытания на растяжение. Их результат показал, что электрический ток снижает скорость деформационного упрочнения и напряжение течения, а эффект электропластичности зависит от параметра Зинера-Холломона.

Как правило, при импульсном электрическом токе напряжение течения при растяжении металлического сплава значительно и почти мгновенно уменьшается при приложении электрического тока к образцу [1, 12–15].Это почти мгновенное уменьшение напряжения течения можно определить как падение напряжения [14]. Как только электрический ток снят с образца, напряжение быстро увеличивается и демонстрирует деформационное упрочнение до следующего импульса электрического тока (это можно определить как локальную кривую напряжения-деформации [14]). Чередование падения напряжения и локальной кривой напряжения-деформации приводит к кривой растяжения-деформации под действием импульсного электрического тока с уникальной формой храповика. Следует отметить, что в исследовании Kim et al.[13], микроструктурные наблюдения подтвердили, что механическое поведение под воздействием импульсного электрического тока не может быть просто объяснено эффектом резистивного нагрева, а сам электрический ток может играть особую роль — отжиг, вызванный электрическим током.

К сожалению, экспериментальные данные и количественные описания механического поведения металлов, особенно сплавов магния, под воздействием импульсного электрического тока все еще очень ограничены. Кроме того, естественно предположить, что механическое поведение металлического сплава под действием одиночного импульса электрического тока должно быть полностью исследовано в качестве первого шага.В настоящей работе экспериментально исследуется механическое поведение магниевого сплава AZ31 под действием одиночного импульса электрического тока.

2. Материалы и методы

В настоящем исследовании использовались листы из магниевого (Mg) сплава AZ31 толщиной 1 мм. Для нормальных квазистатических испытаний на растяжение без электрического тока (базовые испытания) и квазистатических испытаний на растяжение с одиночным импульсом электрического тока были изготовлены типовые образцы на растяжение с шириной 10 мм и длиной 50 мм вдоль направления прокатки катушки. лист согласно ASTM-E08.

Испытания на квазистатическое растяжение проводились на универсальной испытательной машине с постоянной скоростью перемещения 2 мм / мин (соответствующая скорость деформации 0,05 / мин) при комнатной температуре. История силы во время эксперимента измерялась тензодатчиком CSDH (Bongshin, Южная Корея) с максимальной нагрузкой 300 кН в зависимости от смещения с использованием системы сбора данных на базе ПК. Историю смещения измеряли с помощью лазерного экстензометра LX500 (MTS, США) путем прикрепления к образцу ленточных маркеров для фиксации длины датчика на уровне 50 мм.Смещение измерительной длины затем просто преобразовывалось в соответствующее инженерное напряжение. Система корреляции цифровых изображений (DIC), названная ICASOFT, дополнительно использовалась в нескольких экспериментах путем нанесения спекл-рисунка с черной краской на одну сторону измерительной секции для подтверждения истории деформации с помощью лазерного экстензометра.

Для квазистатического испытания на растяжение с одиночным импульсом электрического тока электрический ток генерировался сварочным аппаратом Vadal SP-1000U (Hyosung, Южная Корея) и подавался на образец во время деформации растяжением, как схематически показано на рисунке 1. (а).Обратите внимание, что электрический ток был приложен к образцу в течение заданного времени при выбранной инженерной деформации без остановки смещения при растяжении, как схематично показано на рисунке 1 (b). Между образцом и каждым зажимом был вставлен набор бакелитовых изоляторов, чтобы изолировать электричество от испытательного оборудования. Тепловой эффект, обусловленный приложенной электрической энергией, то есть резистивный нагрев образца, оценивался путем измерения температурного профиля образца во время испытания.Инфракрасная тепловизионная камера FLIRT-T621 (FLIR, Швеция) использовалась для непрерывного наблюдения за температурным профилем образца. На сторону, обращенную к тепловизору, была нанесена высокотемпературная черная краска для стабилизации излучательной способности образца.

Параметры электрического импульса были выбраны для эксперимента, как указано в таблице 1. Были использованы четыре различных набора параметров электрического импульса путем объединения четырех различных плотностей электрического тока на основе исходной площади поперечного сечения образца (номинальной плотности электрического тока) с фиксированная длительность электрического тока (длительность импульса) 0.5 секунд и фиксированное смещение 1,5 мм (соответствующая инженерная деформация 3%) в момент электрического тока.

Согласно Roh et al. [14], электропластическое поведение металла под воздействием импульсного электрического тока может быть описано с использованием приложенной электрической энергии на единицу объема (плотности электрической энергии), которая является функцией плотности электрического тока и длительности импульса. Плотность электрической энергии может быть определена на основе исходного объема измерительной части образца (номинальная плотность электрической энергии) или объема измерительной части в момент электрического тока (истинная плотность электрической энергии [14]).Номинальная плотность электрической энергии, основанная на исходном объеме образца, может быть просто записана как где и представляет электрический ток (А) и электрическое сопротивление недеформированного образца (Ом) соответственно.

Истинная плотность электрической энергии также может быть рассчитана таким же образом, используя объем и электрическое сопротивление в момент электрического тока. Тогда истинная плотность электрической энергии может быть просто связана с номинальной плотностью электрической энергии [14]. Расчет довольно прост и здесь не приводится.Обратите внимание, что поскольку инженерное напряжение в момент электрического тока фиксируется во всех экспериментах, одна и та же номинальная плотность электрической энергии означает одинаковую истинную плотность электрической энергии. В настоящем исследовании номинальная плотность электрической энергии используется для обсуждения механического поведения выбранного сплава под действием одиночного импульса электрического тока. Для расчета электрической энергии электрическое сопротивление образца измерялось четырехточечной измерительной системой, которая прикладывает к образцу постоянный электрический ток и измеряет результирующее падение напряжения с помощью отдельного набора проводов [17].

В дополнение к испытанию на растяжение с одиночным импульсом электрического тока были также проведены испытания на растяжение с повторной нагрузкой после одиночного импульса электрического тока с использованием наборов параметров, приведенных в таблице 1. В испытании на перегрузку подавался одиночный импульс электрического тока. к образцу при инженерной деформации 3%, и испытание было остановлено вручную сразу после продолжительности электрического тока. Образец был извлечен из универсальной испытательной машины, а затем повторно установлен и повторно загружен до разрушения.Таким же образом было проведено базовое испытание на перегрузку без подачи электрического тока. По каждому набору параметров были протестированы не менее трех образцов, чтобы проверить повторяемость результата.

Наконец, влияние электрического тока во время пластической деформации на микроструктуру выбранного магниевого сплава было кратко оценено с помощью анализа дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) с использованием сканирующего электронного микроскопа с полевой эмиссионной пушкой (Hitachi, Япония), оснащенного EDAX. -TSL EBSD система и OIM 5.2 программное обеспечение. Для микроструктурного анализа были выбраны испытания на растяжение с набором параметров электрического импульса = 75 А / мм ² и = 0,5 с, что приводит к самой высокой плотности электрической энергии среди наборов параметров. Деформация была остановлена ​​вручную сразу после продолжительности электрического тока при инженерной деформации 3%, и образец был снят с испытания. Базовое испытание на растяжение также было остановлено вручную при инженерной деформации 3%, и образец был удален из испытания для сравнения.Образцы для анализа EBSD были подготовлены перпендикулярно направлению растяжения образцов. После стандартной металлографической шлифовки образцы подвергали электролитической полировке в растворе хлорной кислоты 100 мл + 900 мл метанола на электролитическом полировальном аппарате Lectropol-5 (Struers, Дания). В анализе EBSD ускоряющее напряжение и рабочее расстояние составляли 15 кВ и 15 мм соответственно.

3. Результаты и обсуждение

Повторяемость экспериментального результата была довольно хорошей для всех выбранных наборов параметров, как показывают результаты с = 60 A / мм ² и = 0.5 с на рисунке 2. Технические кривые напряжения-деформации выбранного магниевого сплава в результате квазистатических испытаний на растяжение с одним импульсом электрического тока показали почти мгновенное и значительное уменьшение напряжения течения, падения напряжения [14, 18 ], когда на образец подавался электрический ток. После того, как электрический ток был снят с образца, напряжение течения выбранного магниевого сплава снова быстро увеличилось и показало деформационное упрочнение до разрушения. Эта тенденция почти мгновенного падения напряжения и последующего деформационного упрочнения под действием одиночного импульса электрического тока хорошо согласуется с экспериментальными результатами для усовершенствованной высокопрочной стали в аналогичных условиях [18].

Максимальная температура образца при продолжительности электрического тока составила всего 158 ° C даже при параметрах электрического импульса, = 75 А / мм ² и = 0,5 с, что вызвало максимальную плотность электрической энергии среди наборы параметров электрических импульсов, выбранные в настоящем исследовании, как показано на температурном профиле вдоль центральной линии датчика образца (рис. 3 (а)). Обратите внимание, что температура 158 ° C все еще ниже диапазона температур горячей обработки магниевого сплава [19].Кроме того, следует отметить, что после того, как электрический ток был снят с образца, температура образца быстро снизилась, и большая часть деформации произошла при температуре около комнатной, как показано на рисунке 3 (b). Следовательно, как сообщалось ранее [5, 12–15, 18, 20], тепловой эффект приложенного электрического тока не может быть основной причиной механического поведения выбранного магниевого сплава под действием одиночного импульса электрического тока, по крайней мере, с наборы параметров электрического импульса, используемые в настоящем исследовании.

Для данного диапазона плотности электрической энергии величина падения напряжения увеличивалась по мере увеличения плотности электрической энергии, как показано на Рисунке 4. Увеличение падения напряжения как функция плотности электрической энергии может быть линейно аппроксимировано. , как показано на рисунке 5. Процентное значение падения напряжения на рисунке 5 было просто рассчитано путем деления величины падения напряжения в момент электрического импульса на напряжение непосредственно перед подачей электрического тока. Что касается механизма падения напряжения, мы подозреваем, что могут быть задействованы отжиг, вызванный электрическим током [13], и тепловой эффект за счет джоулева нагрева, в то время как некоторый эффект теплового расширения также может быть рассмотрен [18].Требуются дальнейшие исследования, чтобы четко объяснить механизм снижения напряжения.

Также для выбранного магниевого сплава наблюдалось небольшое увеличение относительного удлинения при разрыве, особенно с плотностями электрической энергии выше 0,084 Дж / мм. ³ , в то время как предел прочности при растяжении (UTS) после электрического ток немного уменьшился, как показано на рисунках 6 (a) и 6 (b). Этот результат может свидетельствовать о том, что в выбранном магниевом сплаве произошел отжиг под действием электрического тока [13].Отметим, что пластичность усовершенствованной высокопрочной стали резко снизилась под действием одиночного импульса электрического тока во время деформации [18]. Различные механические характеристики магниевого сплава в настоящем исследовании и усовершенствованной высокопрочной стали в Kim et al. [18] к одиночному импульсу электрического тока убедительно свидетельствуют о том, что влияние электрического тока во время деформации на механическое поведение металлического сплава зависит от выбранного металлического сплава, а также от параметров электрического импульса.

Один интересный аспект, касающийся влияния одиночного импульса электрического тока на механическое поведение выбранного сплава, заключается в том, что диффузное образование шейки усиливается одиночным импульсом электрического тока в пластической области. Как показано на Рисунке 7, даже с

Экспериментальное исследование по терморегулированию модуля аккумуляторной батареи электромобиля с использованием композитного материала с фазовым переходом из парафина / расширенного графита

Температура должна контролироваться надлежащим образом для поддержания электромобилей (электромобилей) в безопасном диапазоне. .Разработано использование парафина в качестве источника рассеивания тепла для контроля повышения температуры. И расширенный графит (EG) применяется для улучшения теплопроводности. В этом исследовании был подготовлен и охарактеризован композитный материал с фазовым переходом (ПКМ) на основе парафина и ЭГ. Затем композитный PCM был применен в аккумуляторном модуле 42110 LiFePO ₄ (48 В / 10 Ач) для экспериментальных исследований. Эксперименты с разной скоростью разряда и импульсами проводились в различных рабочих условиях, включая комнатную температуру (25 ° C), высокую температуру (35 ° C) и низкую температуру (-20 ° C).Кроме того, для получения практических данных нагрузочных испытаний в электромобили был установлен аккумуляторный блок с аналогичными спецификациями от 2S2P с модулями на основе PCM для различных практических дорожных экспериментов, включая ровную поверхность, 5 °, 10 ° и 20 °. наклон. Результаты тестирования показали, что система охлаждения PCM может контролировать пиковую температуру ниже 42 ° C и уравновешивать максимальную разницу температур в пределах 5 ° C. Даже в процессе очень сильного разрядного импульсного тока пиковую температуру можно контролировать в пределах 50 ° C.Вышеупомянутые результаты показывают, что охлаждение PCM в управлении температурным режимом батареи имеет многообещающие преимущества по сравнению с традиционным воздушным охлаждением.

1. Введение

ЭМ получили всеобщее признание благодаря своим уникальным преимуществам перед традиционными автомобилями в области энергоэффективности и сокращения выбросов [1–3]. Температура и ее распределение существенно влияют на свойства батареи [4–6]. Такой перегрев и неоднородное распределение температуры нередко приводят к преждевременному выходу модуля из строя и сокращению срока службы в процессе практической эксплуатации [7–9].Особенно в тяжелых условиях работы могут произойти катастрофические разрушения, такие как пожар и взрыв, даже тепловая взлетно-посадочная полоса [10–12]. Хорошо известно, что максимальная температура ячеек должна строго контролироваться в пределах 55 ° C. Кроме того, Δ T необходимо поддерживать ниже 5 ° C с помощью эффективных систем управления температурой [13, 14]. Следовательно, выбор соответствующей системы отвода тепла имеет решающее значение для силовых аккумуляторных модулей [15, 16]. В настоящее время традиционное воздушное охлаждение [17–19] не может быстро передавать тепло, вырабатываемое батареями, с увеличением емкости и технических характеристик модуля.Хотя метод жидкостного охлаждения [20, 21] имеет лучший эффект рассеивания тепла, некоторые недостатки включают сложную систему, сложное обслуживание и высокую стоимость. В последние годы было предложено новое терморегулирование с системой охлаждения PCM в качестве идеальной замены вышеупомянутым традиционным схемам [22–24].

Технология охлаждения PCM способна поддерживать рабочую температуру ячеек в относительно постоянном диапазоне температур, поглощая / выделяя большое количество тепла во время смены фазы.Решение может поддерживать температуру в оптимальном диапазоне, обеспечивая равномерное распределение температуры, особенно в экстремальных условиях. Zhao et al. [25] обобщили различные методы управления температурой и пришли к выводу, что технология рассеивания тепла PCM очень перспективна для систем управления батареями. Карими и др. [26] провели экспериментальное исследование терморегулирования цилиндрической литий-ионной батареи с использованием композитов PCM и обнаружили, что композит металлическая матрица-PCM уменьшает максимальное значение Δ T между поверхностью батареи и композитом PCM на 70%.Терморегулирование с аккумуляторным блоком LiFePO ₄ при высокой температуре с использованием композита ПКМ и пластин из алюминиевой проволочной сетки было исследовано Азизи и Садрамели [27], которые показали, что максимальная температура поверхности аккумулятора была снижена на 19%, 21%. , и 26% при скорости разряда 1С, 2С и 3С соответственно. Wilke et al. [27] провели эксперимент по предотвращению распространения теплового разгона в литий-ионных аккумуляторных батареях с использованием композитного материала с фазовым переходом и выяснили, что использование PCC (композитного материала с фазовым переходом) снижает максимальную температуру, испытываемую соседними элементами, на 60 ° C или более.В качестве широко используемого материала с органическим фазовым переходом парафин имеет множество преимуществ, включая скрытую теплоту с высоким фазовым превращением, широкий диапазон температур плавления, стабильные термические характеристики, легкое формование в твердом состоянии, обычно не исчезающее явление разделения фаз, а также низкую коррозию и стоимость. Тем не менее, тепловые характеристики низкой проводимости ограничивают использование систем охлаждения на основе PCM в последующих приложениях. В этой статье в качестве пористого материала с высокой теплопроводностью используется расширенный графит для улучшения теплопроводности материалов.В настоящее время большинство исследований различных систем управления температурным режимом аккумуляторных батарей ограничивается лабораторными экспериментами в различных рабочих условиях, некоторые практические испытания под нагрузкой проводятся в соответствии с реальной дорожной эксплуатацией.

В этой статье была представлена ​​и разработана совершенно новая система охлаждения на основе PCM для 42110 цилиндрической аккумуляторной батареи LiFePO ₄ (96 В / 20 Ач). Аккумуляторная батарея, состоящая из четырех аккумуляторных модулей (48 В / 10 Ач), соединенных 2 сериями 2 параллельно с одинаковыми техническими параметрами, была проведена для практических экспериментов по загрузке электромобилей (EV).Электромобиль со свинцово-кислотными аккумуляторами 96 В / 150 Ач был собран в литий-ионный аккумуляторный блок (96 В / 20 Ач). Для оценки рассеивания тепла и равномерного распределения температуры были проведены различные дорожные условия, включая ровную поверхность, 5-градусный, 10-ти градусный и 20-градусный уклон. Был подготовлен композитный ПКМ и проверены его теплофизические характеристики, включая коэффициент теплопроводности, скрытую теплоту и термогравиметрические характеристики (ТГ). Соответствующие экспериментальные результаты показали, что охлаждающий эффект технологии рассеивания тепла PCM имел больше преимуществ по сравнению с традиционным воздушным естественным охлаждением, что показало, что система охлаждения PCM имеет большое будущее для управления температурой в модуле силовой батареи.

2. Экспериментальная установка

2.1. Подготовка и определение характеристик композитного материала

Композитный ПКМ был получен методом физического перемешивания. Во-первых, использовался промышленный парафин (температура плавления от 35 до 40 ° С). Расширяющийся графит со средним размером частиц (150 мкм, мкм) и степенью расширения (220 мл г ^-1 ) был получен от Qingdao Bai Xing Graphite Co., Ltd. Во-вторых, EG был получен нагреванием расширяемого графита при 800 ° C в течение 60 с в муфельной печи.ПА нагревали до 80 ° С. ЭГ добавляли к полностью плавящемуся ПА в массовом соотношении 4: 1 при непрерывном механическом перемешивании. Наконец, посредством процесса горячего прессования в пресс-форме был изготовлен композитный модуль PCM с общими размерами 228,25 мм (длина) × 142,34 мм (ширина) × 110 мм (высота). Цилиндрические ячейки 42110 были вставлены в 15 отверстий, равномерно распределенных на модуле PCM, каждое диаметром 42,5 мм и высотой 110 мм. Конструкция и изготовление модуля PCM представлены на рисунке 1.Подробный процесс приготовления композитного материала был описан в предыдущем исследовании нашей группы [28].

Микроструктура композитных ПКМ была исследована с помощью растрового электронного микроскопа (SEM, Hitachi S-3400 N, Япония). Теплопроводность наблюдалась системой LFA447 NanoFlash ™ (диапазон 0,1–2000 Вт · м ^-1 · k ^-1 , точность ± 5%, повторяемость ± 3%). Скрытое тепло измеряли с помощью дифференциального сканирующего калориметра (HS-DSC-101B, HESON Instrument Inc., Шанхай).

2.2. Конструкция аккумуляторного модуля

На рисунке 2 показан процесс сборки аккумуляторного модуля. На композитном модуле ПКМ имелось 15 отверстий диаметром 42,3 мм, в которые помещались 15 коммерческих литий-ионных аккумуляторов 42110 (3,2 В / 10 Ач) с симметричным распределением термопар Т-типа (расположение термопар показано на рисунке 3). Все ячейки были электрически соединены в электрическое соединение конфигурации 15С1П (15 ячеек последовательно и 1 цепочка параллельно) никелевыми деталями.Наконец, технические параметры модуля были показаны в таблице 1.

Технические характеристики силовой аккумуляторный модуль представлен в таблице 1.

2.3. Конструкция экспериментальной системы

Экспериментальная установка представлена ​​на рисунке 3. Источники постоянного тока (YK-AD12015, 120 В / 15 А, 1800 Вт) использовались для зарядки модуля. Электрическая нагрузка постоянного тока (M9718, 240 В / 150 А, 6000 Вт) была предусмотрена для разрядки постоянного тока и сбора данных о токе и напряжении во время процесса разрядки. Прибор для контроля температуры использовался для сбора данных о температуре в режиме реального времени.

2.4. Лабораторные испытания модуля

Батарейный модуль PCM был протестирован при постоянной комнатной температуре 29 ° C.Термопары Т-типа (OMEGA типа SMPW-T-M) были помещены внутри модуля для измерения температуры поверхности батареи. Во время эксперимента аккумуляторный модуль подвергался следующему протоколу зарядки: гальваностатический режим со скоростью 0,5 ° C с пределом отсечки напряжения 59,0 В, а затем потенциостатический режим до тех пор, пока ток не упадет до 0A. После процесса зарядки оставалось время, необходимое для уравновешивания, для охлаждения модуля до температуры окружающей среды. Впоследствии аккумуляторный модуль был разряжен с заданной скоростью, включая 2.0C и 4.5C соответственно. Тем временем был проведен импульсный эксперимент с большим разрядным током.

2,5. Тестирование под нагрузкой

Батарейный блок (96 В / 20 Ач) включал в себя один модуль PCM в собранном виде и три модуля воздушного охлаждения, соединенные 2 серии2 параллельно с одинаковыми характеристиками. Четыре модуля были размещены симметрично; поэтому для сбора данных о температуре в реальном времени была выбрана четверть модуля PCM и модуля с воздушным охлаждением. Блок был подключен к контроллеру электромобиля через промышленные розетки 175 А, 600 В.Источник бесперебойного питания (ИБП) использовался для обеспечения электроэнергией прибора контроля температуры и компьютера. ИБП с двумя последовательно включенными свинцово-кислотными аккумуляторными модулями (12 В / 38 Ач) был резервным, что означает, что хост и его питание подключаются отдельно с помощью сигнальных проводов связи. Схема установки нагрузочного тестового эксперимента показана на рисунке 4. (Батарейные модули номер 1, номер 3 и номер 4, спроектированные по схеме с воздушным охлаждением, модуль номер 2, спроектированный с охлаждением на основе PCM, все с одинаковыми техническими параметрами.T4 обозначает температуру ячейки, расположенной в середине модуля, а T1 представляет температуру ячейки, расположенной на краю модуля.)

3. Результаты и обсуждение

3.1. Характеристика композитных PCM

Результаты ДСК чистого парафина (PA) и композита парафин / EG показаны на рисунке 5. После добавления EG скрытая теплота композита парафин / EG снизилась с 200,64 Дж / г до 147,61 Дж / г. Кроме того, температура плавления композита ПА и ПА / ЭГ составила 41.5 и 40,4 ° C, соответственно, что согласуется с тенденцией изменения температуры плавления композита ПА / ЭГ, предложенной Радхакришнаном и Габбинсом [29, 30].

Коэффициент теплопроводности композита в диапазоне от 35 ° C до 50 ° C с внутренним 5 ° C показан на рисунке 6. Данные испытаний показали, что теплопроводность достигает максимума при 40 ° C (почти близко к температуре плавления). 41,5 ° C), что составило 3,084 Вт · м ⁻¹ · k ⁻¹ , что почти в 12 раз больше, чем у чистого парафина (0.26 Вт · м ⁻¹ · к ⁻¹ ). Вышеуказанные результаты могут быть связаны с высокой теплопроводностью ЭГ. На рис. 7 сравнивается тенденция изменения массы с температурой чистого ПА и композита ПА / ЭГ, названного кривыми ТГ. Линейный наклон ПА был значительно выше, чем у композита ПА / ЭГ. Температура улетучивания PA составляла 100 ° C (PA испарился почти на 100%), а температура композита составляла 250 ° C (PA испарился почти на 100%). Добавление EG может эффективно замедлить температуру улетучивания парафина и сделать кривую TG более гладкой.Следовательно, расширенный графит не только явно улучшает термическую стабильность, но также эффективно снижает скорость улетучивания.

3.2. Сравнение теплоотдачи

3.2.1. Результаты испытания на постоянный ток разряда охлаждающего модуля PCM

Батарейный модуль разряжен при 2,0 ° C и 4,5 ° C, соответственно, при комнатной температуре (29 ° C). Сравнение экспериментальных данных показано на рисунке 8. Между тем, модуль был испытан при различных скоростях разряда в условиях низкой температуры (-20 ° C) и относительно высокой температуры (35 ° C) соответственно.

На рисунке 8 показано, что температура ячейки 4 при 2,0 ° C и 4,5 ° C скорость разряда составила 35,8 и 40,58 ° C, соответственно, что указывает на то, что внутренняя температура достигла максимума. Кроме того, указанное выше максимальное значение температуры почти близко к температуре плавления ПКМ, а максимальное значение Δ T для 2,0 ° C и 4,5 ° C составляет 0,41 ° C и 3,05 ° C соответственно (что значительно меньше 5 ° C), что показал более отличное равномерное распределение температуры. При скорости разряда 3C комнатная температура, высокая температура и низкая температура достигли 37.61 ° C, 38,23 ° C и 32,38 ° C соответственно, что показало, что высокая температура была выше на 1,64% и 18,06% по сравнению с комнатной и низкотемпературными условиями. Данные испытаний показали, что система охлаждения PCM может контролировать максимальную температуру значительно ниже 42 ° C и сопровождаться отличным распределением, что означает, что пик Δ T можно контролировать в пределах 5 ° C. Следовательно, охлаждающий эффект PCM может удовлетворить требования к рассеиванию тепла, поддерживая при этом максимальную температуру и сохраняя разницу температур в безопасном диапазоне.

3.2.2. Импульсный тест с высоким током разряда

Импульсные эксперименты были проведены для тестирования модуля охлаждающей батареи PCM, сопровождаемого мгновенным изменением температуры и характеристиками разряда. Подробный этап испытаний был следующим: (а) состояние заряда: гальваностатический режим со скоростью 0,5 ° C с пределом отсечки напряжения 59,0 В, а затем потенциостатический режим до тех пор, пока ток не снизится до 0A. (б) этап выдержки: 1,5 ч. (c) Стадия импульсного разряда: модуль разряжался постоянным током 10.0C в течение 10 с, затем удерживать в течение 10 с, затем разрядить при 4.5C в течение 5 с, затем остальное время 10 с. Весь тестовый период составил 475 с. (d) этап выдержки: 1.0 ч. Данные испытаний представлены на рисунке 9.

Рисунок 9 Показывает, что максимальная температура (ячейка номер 4) в месте расположения ядра модуля достигает 45,65 ° C, что поддерживается в пределах 50 ° C в условиях экстремально мгновенной высокой скорости разряда из-за охлаждения PCM технологическое участие. Минимальные данные (ячейка номер 1) расположения края модуля достигли 39.44 ° С. Даже разряженный в условиях сильноточного импульса 10,0C, th

Тепловое и химическое воздействие токов

Эффект нагрева током

Когда изменение dq проходит через разность потенциалов В, проделанная работа dW определяется как

dW = Vdq

Эта работа представляет собой потерю потенциальной энергии зарядов. Поток заряда dq за время dt эквивалентен току i:

то есть

Следовательно, проделанная работа dW = V I dt

Если постоянный ток I проходит за время t под разностью потенциалов V, то

Выполненная чистая работа W = vit ……………………… Уравнение 1

По закону Ома V = Ri

Следовательно,

Сделано =

Эта работа преобразуется в энергию случайного теплового движения молекул проводника.То есть электрический ток через проводник производит тепловую энергию в проводнике, и проводник нагревается. Это явление называется джоулевым тепловым эффектом тока, а выделяемое тепло — джоулей тепла т.

Если V выражено в вольтах, I в амперах, R в омах, то тепловыделение в джоулях эквивалентно:

Или произведенное тепло,

Где Джоуль / Килокалория называется механическим эквивалентом тепла.

Электроэнергия

Скорость проделанной работы называется мощность и рассеивается в виде тепла.

Рассеиваемая мощность,

Единица мощности ватт .

Электроэнергия

Обычной единицей измерения энергии является джоуль, но для удобства используется большая единица киловатт-часа (кВтч).

В домах электроприборы включаются параллельно, а потребляемая электрическая энергия измеряется в киловатт-часах.

Количество квартир =

Характеристики лампочки или других электроприборов

Если для лампы указаны напряжение V и мощность P, то можно определить сопротивление R и максимально допустимый ток.

Мощность (P) = Напряжение (В) X Ток (i)

Следовательно, максимально допустимый ток равен лампочке,

Следовательно, сопротивление его нити,

Лампочки и прочие электроприборы изготавливаются для параллельной комбинации. Если они соединены последовательно, эффект сохраняется. Например, если даны две лампочки по 25 Вт, 100 Вт, то параллельно лампочка мощностью 100 Вт будет светиться ярче, но последовательно лампа мощностью 25 Вт будет гореть ярче.

Характеристики предохранителя

Предохранитель используется для защиты электроприборов.Он должен иметь высокое сопротивление и низкую температуру плавления. Итак, он изготовлен из сплава олово-свинец.

Пусть R будет сопротивлением, удельным сопротивлением, длиной l, площадью поперечного сечения и его допустимой нагрузкой по току в силе тока.

Если предохранитель безопасен, то для его установившейся температуры тепло, выделяемое за секунду, должно быть равно теплу, излучаемому им за секунду.

Тепло, выделяемое плавким предохранителем в секунду

Если e — коэффициент излучения материала плавкого предохранителя радиуса r, а T — температура, согласно закону охлаждения Ньютона, то излучаемая энергия в секунду =

Уравнение 1 и 2,

и.е.

Очевидно, что установившаяся температура предохранителя не зависит от длины. Следовательно, длина предохранителя не имеет значения.

Очевидно, для данного материала плавкой проволоки:

Химический эффект тока:

Электролиз: Процесс, при котором жидкость разлагается на ионы, называется электролизом. Жидкость, которая проводит электричество и подвергается разложению, называется электролитом.Две пластины, погруженные в жидкость и подключенные к батарее, называются электродами. Электрод, подключенный к положительной клемме батареи, называется анодом, а электрод, подключенный к отрицательной клемме, называется катодом. Сосуд, содержащий электролит и электрод, называется вольтамперометром .

Когда электроды подключены к батарее, положительные и отрицательные ионы движутся к катоду и аноду соответственно. Поэтому положительные ионы называются катионами, а отрицательные — анионами , .

Закон электролиза Фарадея:

(i) Масса ионов, высвобождаемых / осаждаемых на каждом электроде, пропорциональна общему заряду, прошедшему через электролит:

то есть

Так как заряд равен произведению тока I и времени t (т.е. q = it)

Где Z — коэффициент пропорциональности, который называется электрохимическим эквивалентом.

Масса ионов, осажденных на каждом электроде, пропорциональна химическому эквиваленту ионов.

то есть

Таким образом, если и — массы веществ химически эквивалентных масс и соответственно, то:

Химический эквивалент вещества,

Электрохимический эквивалент

Из закона Фарадея m = Zq, где Z — электрохимический эквивалент.

то есть

Если q = 1 кул, Z = м

Таким образом, электрохимический эквивалент вещества численно равен массе его ионов, высвобождаемых при прохождении 1 кулона во время электролиза.Единицы измерения — г / кул или кг / куб.

Константа Фарадея

Из уравнения 1 и уравнения 2:

то есть

Это показывает, что это отношение одинаково для всего вещества и называется постоянной Фарадея.

то есть

Значение постоянной Фарадея составляет 96500 кул / грамм-эквивалент или 96500000 кул / кг эквивалента.

Термоэлектричество

Эффект Зеебека : В 1882 году Зеебек заявил, что «Когда стыки двух разнородных металлов двух разных металлов поддерживаются при разных температурах, возникает ЭДС.Этот эффект называется эффектом Зеебека », а создаваемая ЭДС называется термо-ЭДС или ЭДС Зеебека.

Термопара : Устройство, образованное путем соединения концов двух разных металлов вместе для образования замкнутой цепи, называется термопарой.

Термопара

Величина ЭДС, наводимая в тепловой паре, зависит от природы используемых металлов. Зеебек расположил металлы в виде ряда, названного серией Зеебека.Некоторые металлы этой серии: Bi, Ni, Co, Pt, Cu, Mn, Hg, Pb, Sn, Au, Ag, Zn, Cd, Fe, As, Sb и т. Д.

Чем дальше металлы в ряду, тем больше наведенная ЭДС. Эта серия показывает, что при одинаковой разнице температур между переходами термопары наведенная ЭДС в паре Bi-Sb является максимальной. Направление тока в термопаре — от более раннего элемента к последнему через горячий спай. Например, в паре Bi-Sb направление тока для образования Bi к Sb через горячий спай, а в паре Cu-Fe — от Cu к Fe через горячий спай.

Зависимость ЭДС Зеебека от температуры

Если мы возьмем тепловую пару, сохраним ее холодный спай при 0 градусах Цельсия и горячий спай при переменной температуре и построим график зависимости ЭДС от температуры горячего спая; получим кривую как показано на рисунке. Кривая имеет параболический характер.

Очевидно, что с повышением температуры ЭДС сначала увеличивается, становится максимальной, а затем начинает уменьшаться, становится равной нулю, а затем меняет направление.Аналитически индуцированная ЭДС определяется выражением:

Нейтральная температура

Температура, при которой ЭДС становится максимальной, называется нейтральной температурой. Обозначается bt.

При нейтральной температуре,

Следовательно,

Нейтральная температура,

Температура инверсии

Температура, при которой ЭДС становится равной нулю и меняет направление, называется температурой инверсии.Обозначается он. При температуре инверсии E = 0

то есть

Очевидно, когда температура спая составляет 0 градусов Цельсия, когда температура холодного спая, тогда

Эффект Пельтье

Эффект Пельтье — обратный эффект Зеебека. В нем говорится, что когда в термопаре протекает ток, один спай нагревается, а другой охлаждается, то есть тепло поглощается одним спаем и выделяется на другом.

Примечания:

(i) Эффект Пельтье имеет место только на стыке, в то время как джоулев нагрев происходит по всей длине проводников.

(ii) Эффект Пельтье обратим, а нагрев Джоуля необратим.

(iii) Тепло, выделяемое на стыке, прямо пропорционально току.

Коэффициент Пельтье: Он определяется как количество тепловой энергии, поглощаемой или выделяемой при протекании тока силой 1 ампер в течение одной секунды.

Коэффициент Пельтье

Эффект Томсона: Когда разница температур поддерживается между разными частями одного и того же металла и через него пропускается ток, а затем тепло поглощается или выделяется.Этот эффект называется эффектом Томсона. Эффект Томсона равен нулю для свинца, положительный для металлов ниже свинца и отрицательный для металлов выше свинца в серии Зеебека.

Коэффициент Томсона: Он определяется как количество тепловой энергии, поглощаемой или выделяющейся между двумя точками проводника, температура которых различается на время протекания тока силой 1 ампер в течение 1 секунды. Он обозначается и также известен как удельная теплоемкость электричества.

Термоэлектрическая мощность: определяется как скорость изменения термо-ЭДС с температурой:

и.е.

Термобатарея : это большое количество последовательно соединенных термопар, которые используются для обнаружения слабого теплового излучения.

Похожие сообщения:

1. Магнитное влияние на токи Наблюдение Эрстеда: Эрстед в I820 заметил, что магнитное поле …
2. Влияние температуры на скорость реакции Скорость реакции увеличивается с повышением температуры. Это …
3. Рабочий лист химического равновесия Химическое равновесие возникает только при обратимой реакции.Обнаружив, что …
4. Эффект разбавления Эффект разбавления следующие: (i) …
5. Common Ion Effect Подавляется степень ионизации слабого электролита …

Многомасштабное моделирование литий-ионных батарей: тепловые аспекты

Чтобы установить связь с теориями атомистических масштабов, необходимо сформулировать теории континуума в терминах величин, которые имеют четко определенный физический смысл и могут быть получены либо путем моделирования на атомистических масштабах, либо из независимых экспериментов.Даже если информация об энергетических барьерах и скоростях реакций может быть получена из теории функционала плотности для исследуемой системы, необходимы дополнительные шаги моделирования для получения соответствующих параметров для кинетических моделей, используемых в мезоскопических теориях реакции-переноса [53,54]. В частности, формализм ab initio атомистической термодинамики, сочетающий моделирование методом DFT со стратегиями статистической механики [3,6,7], позволяет в принципе определять свободные энергии Гиббса, скорости реакций и соответствующие коэффициенты переноса для материалов, используемых в электрохимических приложениях.Уравнения переноса в масштабе континуума должны основываться на тех же величинах. Только после этого информация, полученная из квантовой шкалы, может быть перенесена в континуальную шкалу. Очень часто уравнения непрерывного масштаба не выводятся, а формулируются на феноменологической основе. Этот подход приводит к теориям, основанным на эффектах, которые пытаются включить известные явления (например, диффузию, электроосмос, эффект Пельтье, свойства двойного слоя [53]) без учета возможного существования лежащей в основе когерентной теоретической структуры.Такая структура может потребовать соотношения между коэффициентами переноса, чтобы гарантировать производство положительной энтропии, и может раскрыть информацию о природе рассматриваемых континуальных полей, которые необходимы для установления контакта с моделированием атомистического масштаба и для экспериментов или влияния на форму распределения заряда. в двойном слое [27]. Только строгий вывод в рамках систематической теоретической основы может выявить такую ​​структуру. Чтобы продемонстрировать влияние выбранных полей континуума на структуру теории континуума, мы заново выводим уравнения для совместного переноса ионов, заряда и тепла в литий-ионной батарее, используя структуру рациональной термодинамики [39,40] .Этот вывод восстанавливает уравнение из [41,55] и показывает в изотермическом случае эквивалентность, казалось бы, другой теории из [27]. Теория применима для транспортировки на структурах батареи с размером пор и размером пор. Уравнения на уровне ячеек, которые согласуются с производной теорией микроструктуры, затем выводятся с использованием систематического усреднения объема. Показано, что в усредненной макропористой теории некоторые из обратимых источников тепла в объеме и на границах раздела компенсируют друг друга. Компенсация также демонстрируется посредством явного моделирования связанного переноса на микромасштабе и анализа всех источников тепла в объеме и на границах раздела.Поскольку источники тепла приводят к тепловому стрессу, существуют возможные источники разложения на микромасштабе, которые невозможно обнаружить на макропористом уровне. Отмена также демонстрирует важность согласованной формулировки условий границы раздела и уравнений переноса. Обычная процедура, «управляемая эффектами», в которой объемные уравнения и условия интерфейса формулируются полностью независимо друг от друга, может легко упустить такие эффекты компенсации. Общая отправная точка для вывода уравнений переноса — смесь положительно заряженных и отрицательно заряженных частиц и нейтрального компонента.Эта смесь может представлять собой электролит, состоящий из соли, растворенной в растворителе, а также переносить ионы Li и электроны в активных частицах, состоящих из нейтральной решетки-хозяина. Различные производные необходимы для ионных жидкостей (смесь только положительных и отрицательных зарядов) и твердых электролитов (ионные проводники). В жидком электролите это положительные катионы, отрицательные анионы и нейтральный растворитель. В обычных ионно-литиевых батареях при нормальных условиях эксплуатации массовая конвекция может быть исключена как механизм переноса, но всегда будет возможной в систематической теории.В особенности, если есть побочные реакции, приводящие к росту пленки или конвективному переносу газа после разложения электролита, как следствие, может инициироваться конвективный перенос. В общем, достаточно рассмотреть транспорт, вызываемый электрическими полями и градиентами концентрации, температуры и напряжения. При выводе мы строго следуем обозначениям, используемым в [40], и пренебрегаем градиентами напряжений для простоты.

Теория транспорта

Сначала будет выведена общая теория переноса для объемной системы, состоящей из трех взаимодействующих частиц (отрицательных, положительных и нейтральных) в электрическом поле, прежде чем мы обсудим граничные условия на границах раздела между различными химическими средами (электролит и активные частицы. ).Отправной точкой вывода являются уравнения сохранения для трех плотностей масс ρ _α , импульса g и плотности энергии ε системы в электрическом поле. Хотя мы установим барицентрическую скорость v равной нулю в конце вывода, необходимо включить, по крайней мере, стационарное поле скорости, чтобы получить связь с электромеханическими напряжениями. Массовое сохранение вида можно записать в виде

.

(1)

N _α — молекулярный поток, а M _α — молярная плотность (кг / моль) частиц α.Конвективная или полная производная по времени для некоторой переменной A имеет обычную форму, задаваемую

(2)

где A _t — частная производная ∂A / ∂ t Поскольку общая плотность сохраняется, т. Е. Требование

(3)

должно быть выполнено.Уравнение для плотности импульса имеет очень общий вид

(4)

Здесь b — плотность внешней силы, σ — тензор напряжений и (используется правило суммирования Эйнштейна для повторяющегося индекса). Уравнение для плотности энергии ε задается

(5)

— локальное производство тепла, q — тепловой поток, и — инвариантные электрические и магнитные поля Галилея,

(6)
(7)

, которые связывают электрическое поле и магнитное поле с диэлектрическим смещением D и магнитной индукцией B .Мы можем исключить силу b из уравнения 5, используя уравнение 4, и получить

(8)

где κ _ij = ∂ v _i / ∂ x _j — тензор скорости деформации (несимметризованный) и.Уравнения Максвелла в приближении инварианта Галилея можно записать как

(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)

Мы ввели инвариантный ток Галилея, намагниченность и производную потока. Плотность свободного заряда ρ _F связана с молярной плотностью n _α посредством, при этом z _α является числом заряда (т.е.е., кратные положительным или отрицательным элементарным зарядам) и F число Фарадея. P — поляризация из-за связанных зарядов.

Для вывода определяющих уравнений используем неравенство для полного изменения плотности энтропии

(15)

Здесь R — пока неизвестное производство энтропии, а μ _α — химический потенциал частицы α.Выражение для μ _α будет получено в ближайшее время. Исключив производство тепла из уравнения 15 и некоторых переформулировок, мы получим

(16)

Здесь φ _H — удельная плотность свободной энергии (по отношению к полной массе), а тензор электромеханических напряжений определяется выражением (без учета всех вкладов магнитных полей)

(17)

Электромагнитная удельная (Гельмгольца) свободная энергия, φ _H , определяется как

(18)

Материальные уравнения следуют из уравнения 16 и формы материального закона для свободной энергии φ _H .Обычно влиянием магнитных полей на аккумуляторы пренебрегают. Для целей данной статьи нас также не интересует расчет механической деформации активных частиц. Следовательно, плотность свободной энергии можно записать как

(19)

Если описаны материалы с фазовым переходом, эта свободная энергия также может интерпретироваться как функционал свободной энергии.Например, в случае, когда свободная энергия также зависит от пространственных производных плотностей, как в теориях фазового поля для батарей [30,56]. Полная производная свободной энергии (Уравнение 19) равна

(20).