§ 59. Контактная сварка.
Тепловое действие тока играет большую роль в современной технике. Рассмотрим некоторые важные примеры его применения.
Если сопротивление какого-либо участка цепи значительно больше сопротивления всех остальных участков, то здесь выделяется практически все джоулево тепло. Такой случай осуществляется в лампочках накаливания и в нагревательных приборах, сопротивление которых значительно больше, чем сопротивление подводящих проводов. Таким же распределением сопротивлений пользуются при так называемой контактной электросварке, применяемой для металлов со значительным удельным сопротивлением (никель, тантал, молибден и др.). Схема такой сварки изображена на рис. 93. В этом случае все сопротивление участка практически сосредоточено в месте контакта свариваемых деталей: во-первых, материал этих деталей имеет большое удельное сопротивление, и, во-вторых, место соприкосновения (контакт) представляет большое сопротивление, ибо касание всегда происходит в относительно небольших участках (отдельных точках) поверхности. При больших токах (сотни и тысячи ампер) детали раскаляются добела и свариваются, в то время как медные электроды почти не нагреваются.
Рис. 93. Контактная сварка: 1 – толстая медная пластина, 2 – медный заостренный стержень большого поперечного сечения, 3 и 4 – свариваемые детали (например, две никелевые пластины, слегка зажатые между медными электродами)
59.1. Можно ли при помощи контактной сварки сварить медные или серебряные детали?
Решу ЕГЭ и Незнайка объединились,
чтобы запустить свои курсы ЕГЭ в Тик-Ток формате. Никаких скучных вебинаров, только залипательный контент!
Готовься к ЕГЭ в Тик-Ток формате
«Незнайка» и «Решу ЕГЭ» запускают свои курсы подготовки. Короткие видео, много практики и нереальная польза!
Задание № 20231
Почему при больших токах медные электроды нагреваются плохо?

Контактная сварка — процесс образования неразъёмного сварного соединения. Принцип работы основан на нагревании в местах соприкосновения свариваемых деталей с основой, когда через них проходит электрический ток и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия. Впервые она была применена в 1856 году физиком Уильямом Томсоном.
Контактная сварка преимущественно используется в промышленном массовом или серийном производстве однотипных изделий. Применяется на предприятиях машиностроения, в авиационной промышленности. Контактная сварка — процесс образования неразъёмного сварного соединения путём нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия. При больших токах (сотни и тысячи ампер) детали раскаляются добела и свариваются, в то время как медные электроды, обладающие малым сопротивлением, почти не нагреваются. Основные дефекты сварных соединений при точечной и шовной сварке — это непровар, заниженный размер литого ядра, трещины.
При больших токах когда детали раскаляются добела
Задание 20. При больших токах, когда детали раскаляются добела и свариваются, медные электроды почти не нагреваются. С чем это связано? Ответ поясните.
1. Медь имеет малое удельное электрическое сопротивление. Сопротивление медных проводов мало по сравнению с электрическим сопротивлением места контакта свариваемых деталей.
2. Согласно закону Джоуля — Ленца, количество теплоты, выделяемое в проводнике с током, прямо пропорционально электрическому сопротивлению проводника.
§ 53. Вольтметр. При помощи гальванометра можно , измерить не только силу тока, но и напряжение, ибо», согласно
закону Она, эти величины пропорциональны друг другу. Если две величины пропорциональны друг другу, то обе они могут быть измерены при помощи одного и того же прибора, шкалу которого надо только проградуировать соответствующим образом. Так, например, счетчик в такси отмеряет пройденное расстояние, и его можно проградуировать в километрах. Но так как плата за проезд исчисляется пропорционально расстоянию, то шкалу счетчика следует проградуировать непосредственно в рублях и копейках так, чтобы она сразу показывала стоимость проезда. Точно так же и шкалу гальванометра можно проградуировать так, чтобы отсчитывать по ней непосредственно либо силу тока (в амперах), протекающего по гальванометру, либо напряжение (в вольтах) между зажимами гальванометра. Гальванометр, градуированный на силу тока, называют, как уже говорилось, амперметром, а градуированный на напряжение — вольтметром.
Действительно, если через гальванометр течет ток I, то между входом и выходом из гальванометра, т. е. между его зажимами, должно существовать некоторое напряжение U. Пусть так называемое «внутреннее» сопротивление гальванометра, т. е. сопротивление тех частей его, по которым идет ток,, равняется R. (Для магнитных гальванометров это — сопротивление рамки и подводящих проводов, для теплового — сопротивление нагревающейся нити и подводящих проводов, и т. д.) Согласно закону Ома, имеем U= = IR. Таким образом, каждому значению силы тока / для данного гальванометра (т. е. имеющего определенное сопротивление R) соответствует определенное значение напряжения U между его зажимами. Поэтому против соответствующего положения стрелки можно написать или силу
Рис. 89. Чтобы измерить напряжение на лампочке, нужно присоединить вольтметр параллельно лампочке: U — напряжение источника тока, тип — зажимы
Присоединим вводы лампочки к зажимам тип вольтметра, как показано на рис. 89, т. е. подключим вольтметр параллельно лампочке. Ток от источника будет теперь разветвляться, и часть его пойдет, как и прежде, через лампочку, а часть — через вольтметр. По показаниям вольтметра можно судить о разности потенциалов между точками т и п, а следовательно, и между вводами, ведущими к нити лампочки, которые мы присоединили к точкам тип.
Подчеркнем еще раз, что для измерения силы тока в цепи, т. е. для использования гальванометра в качестве амперметра, его нужно включать в цепь последовательно, чтобы гальванометр служил одним из участков простой неразветвлен- ной цепи (§ 44), т. е. чтобы через гальванометр протекал ток такой же силы, как и через любую другую часть этой цепи. Для измерения же напряжения (разности потенциалов) между точками тип цепи, т. е. для использования гальванометра в качестве вольтметра, его нужно подключать параллельно к точкам т и п, т. е. так, чтобы между зажимами его’ было такое же напряжение, как и между точками т и п.
?• 53.1. Можно ли вместо вольтметра пользоваться электрометром для измерения напряжения? Если можно, то как нужно его включать и как градуировать?
§ 54. Каким должно быть сопротивление вольтметра и амперметра? Всякий вольтметр включается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором мы хотим измерить (рис. 89), и поэтому на него ответвляется некоторый ток от основной цепи. При его включении и ток и напряжение в основной цепи несколько изменяются, так как теперь мы имеем уже другую цепь проводников, состоящую из прежних проводников и вольтметра. Присоединив, например, вольтметр с сопротивлением параллельно лампочке, сопротивление которой равно Ra, мы найдем по формуле (50.5) их общее сопротивление R:
^Кв+Ял = 1 +Ял/Кв’ ; (54Л)
Чем больше сопротивление вольтметра RB по сравнению с сопротивлением лампочки /?л, тем меньше отличается общее их сопротивление R от и тем меньше искажение, вносимое вольтметром. Мы видим, что вольтметр должен иметь большое сопротивление. Для этого последовательно с его измерительной частью (рамкой, нагревающейся нитью
и т. д.) нередко включают дополнительный резистор, имеющий сопротивление несколько тысяч ом (рис. 90).
В противоположность вольтметру, амперметр всегда включают в цепь последовательно (§ 44). Если сопротивление амперметра равно Ra, а сопротивление цепи равно Rn, то при включении амперметра сопротивление цепи становится равным
метру присоедини- ц
ется последователь- для того чтобы амперметр не изменял но дополнительное — г г
сопротивление г заметно, общего сопротивления цепи, собственное его сопротивление, как следует из формулы (54.2), должно быть малым по сравнению с сопротивлением. цепи. Поэтому амперметры делают с очень малым сопротивлением (несколько десятых или сотых долей ома).
в% S4.1. Сопротивление амперметра равно 0,1 Ом. Чему равно на-
пряжеиие на амперметре, если он показывает силу тока 10 А?
Сопротивление вольтметра равно 12 кОм. Какой ток проходит через вольтметр, если он показывает напряжение 120 В?
Вольтметр со шкалой 0—120 В имеет сопротивление 12 кОм. Какое сопротивление и каким способом нужно подключить к этому вольтметру, чтобы им можно было измерять напряжение до 240 В? Начертите схему включения. Изменится ли чувствительность вольтметра в предыдущей задаче, если указанное сопротивление включить параллельно вольтметру?
Вольтметр, присоединенный к горящей лампочке накаливания, показывает 220 В, а амперметр, измеряющий силу тока в лампочке,— 0,5 А. Чему равно сопротивление лампочки? Начертите схему включения вольтметра и амперметра.

Рис. 91. Схема шунтирования амперметра добавочным малым сопротивлением г
§ 55. Шунтирование измерительных приборов. Важным примером применения последовательного и параллельного соединения проводов являются различные схемы включения электроизмерительных приборов. Допустим, что имеется некоторый амперметр, рассчитанный на максимальный ток /тах, а требуется измерить большую силу тока. В этом случае параллельно к амперметру присоединяют малое сопротивление г, по которому направится большая часть тока (рис. 91). Его называют обычно шун- . том (от английского слова shunt — добавочный путь). Обозначим сопротивление амперметра чер|з R, и пусть R в п раз больше г, т. е. R/r**n. Пусть, далее, силы тока в цепи, амперметре и в
шунте равны соответственно I, /а и /ш. Тогда, согласно формуле (50.4),
T L = z l r = W ‘ ИЛИ «•
Полный ток / в цепи равен
^ = 1 — Л 4″ х 1а ( п + О*
Таким образом, сила тока в амперметре /а в я+1 раз меньше силы тока / в главной цепи. Следовательно, благодаря шунту мы можем измерить с помощью нашего прибора токи, в ft+1 раз большие, чем те, на которые он рассчитан. При этом, однако, прибор регистрирует только l/(n-fl) часть измеряемого тока, т. е. чувствительность его уменьшена в л4-1 раз. Цена каждого деления амперметра при этом увеличивается в «4-1 раз. Если, например, без шунта определенное отклонение стрелки амперметра соответствовало силе тока 1 А и сопротивление шунта в четыре раза меньше сопротивления амперметра, то при наличии шунта то же отклонение соответствует силе тока в цепи, равной уже 5 А. Обычно подбирают шунты так, чтобы цена деления увеличивалась в 10, J00, 1000 раз. Для этого сопротивление шунта должно составлять 1/9, 1/99,. 1/999 от сопротивления амперметра. Вообще, если мы хотим уменьшить чувствительность прибора в л раз, то мы должны взять шунт с сопротивлением
Г—in— (55-2)
Параллельное присоединение шунта к измерительному прибору с целью изменения его-чувствительности называют шунтированием.
?55.1. При помощи амперметра, рассчитанного на измерение максимальной силы тока 10 А и имеющего сопротивление 0,1 Ом, желают измерять токи до 100 А. Какое сопротивление должен иметь шунт?
Элементарный учебник физики, г. II
Г л а в а IV. ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Рис. 92. Калориметр для проверки закона Джоуля — Ленца
§ 56. Нагревание током. Закон Джоуля — Ленца. Исследуя на опыте нагревание проводников током, русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804—1865) и английский физик Джеймс Джоуль (1818—1889) установили, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении через него электрического тот, прямо пропорционально сопротивлению R проводнит, квадрату силы тот I и времени t, в течение которого поддерживается ток в проводнике. Этот закон, носящий название закона Джоуля — Ленца, можно выразить следующей формулой!
Q — RPt, . (56.1)
где Q — выделившееся количество теплоты в джоулях, R — сопротивление в омах, / — сила тока в амперах, t — время в секундах.
Измерения, приводящие к закону Джоуля — Ленца, можно выполнить, поместив в калориметр (рис. 92) проводник с известным сопротивлением R и пропуская через него ток определенной силы / в течение известного времени t. Кодичество выделяющейся при этом теплоты Q определим, составив уравнение теплового баланса, как это принято при калориметрических измерениях (см. том I). Производя опыты при различных значениях R, I и t, получим зависимость, выраженную законом Джоуля — Ленца. Пользуясь законом Ома, мы мо^кем выразить силу тока / через напряжение U на концах проводника й его сопротивление R. Подставляя выражение I—UIR в формулу (56.1), найдем
Формулы (56.1) и (56.2) позволяют рассчитать количество теплоты, выделяющееся в отдельных проводниках, соединенных йоследовательно и параллельно. При последовательном соединении во всех проводниках течет ток одной и той же силы (§ 50).. Поэтому для сравнения количеств теплоты, выделяющихся в отдельных проводниках, удобнее формула (56.1). Она показывает, что при последовательном соединении нескольких проводников в каждом выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника. При параллельном соединении ток в проводниках различен, но напряжение на их концах (в точках разветвления) имеет одно и то же значение (§ 50). Поэтому в этом случае удобнее пользоваться формулой (56.2). Она показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника.
§ 57. Работа, совершаемая электрическим током. При прохождении электрического тока через цепь могут, как мы видели в § 40, производиться различные действия. Кроме нагревания проводников, могут иметь место химические изменения в них (в проводниках второго рода), а также перемещения магнитной стрелки 1 ); при таком перемещении магнита электрический ток совершает механическую работу.
В опытах Джоуля и Ленца ток проходил через неподвижные металлические проводники. Поэтому единственным результатом работы тока было нагревание этих проводников, и, следовательно, по закону сохранения энергии вся работа, совершенная током, превращалась в теплоту.
Нетрудно вычислить работу, совершаемую электрическими силами при прохождении тока через участок цепи. Если напряжение (разность потенциалов) на концах участка равно U [В], то при переносе заряда 1 Кл совершается работа, численно равная U [Дж] (§ 21), а при переносе заряда q — работа, в q раз большая, т. е. равная qU [Дж]. Если заряд q будет перенесен при прохождении тока / в течение времени t, т. е. q=It, то совершится работа A=UIt. Итак, работа, совершенная током,
В рассматриваемом случае вся эта работа переходит в теплоту, т. е. A—Q. Следовательно, Q=UIt, и в силу закона
Ома (U—RI) имеем
Таким образом, мы получили закон Джоуля — Ленца теоретическим путем, вычислив работу электрического тока.
Еще раз обращаем внимание на то, что работа тока полностью переходит в теплоту только в случае неподвижных проводников первого рода. Если проходящий ток, кроме нагревания, совершает механическую работу (мотор), то работа, совершенная током (A = UIt), лишь частично переходит в теплоту Q, частично же расходуется на совершение внешней работы (мотор). В этих случаях А больше Q, и связь между U, R и / выражается более сложно, чем в случае неподвижных металлических проводов (надо, например, учитывать влияние электромагнитной индукции в движущихся проводах, гл. XV), причем величина RI составляет лишь часть всей величины U. Таким образом, формула Q= = RIH, выражающая закон Джоуля — Ленца, пригодна для вычисления количества теплоты, выделенного током, во всех случаях. Применение же выражения A = UIt, дающего работу тока, для оценки выделяющейся в проводах теплоты возможно только в тех случаях, когда вся, эта работа переходит в теплоту, т. е. когда на рассматриваемом участке цепи лроисходит нагревание, но не работают моторы и не идут иные процессы, сопровождающиеся совершением работы.
§ 58. Мощность электрического тока. Зная работу, совершаемую током за некоторый промежуток времени, можно рассчитать и мощность тока, под которой, так же как и в механике, понимают работу, совершаемую за единицу времени. Из формулы A —UIt, определяющей работу постоянного тока, следует, что мощность его
Таким образом, мощность постоянного тока на любом участке цепи тражается произведением силы тока на напряжение между концами участка.
Нередко говорят о мощности электрического тока, потребляемой из сети, желая этим выразить мысль, что при помощи электрического тока («за счет тока») сойершается работа моторов, нагреваются плитки и т. д. В соответствии с этим на приборах нередко обозначается их мощность, т. е. мощность тока, необходимая для нормального действия этих
приборов. Так, например, 220-вольтовая электроплитка мощности 500 Вт есть плитка, для нормальной работы которой требуется ток около 2,3 А при напряжении 220 В (так как 2,3 А *220 В «500 Вт).
Если в формуле (58.1) ток выражен в амперах, а напряжение в вольтах, то мощность получится в джоулях в секунду (Дж/с), т. е. в ваттах (Вт) (см. том I). На практике употребляют также более крупную единицу мощности киловатт: 1 кВт=1000 Вт. Таким образом, один ватт есть мощность, выделяемая током один ампер в проводнике, между концами которого поддерживается напряжение один вольт. В электротехнике применяется единица работы, называемая киловатт-часом (кВт-ч): один киловатт-час равен работе, совершаемой током мощности один киловатт в течение одного часа. Нетрудно сосчитать, что 1 кВт-4= =3 600 000 Дж. В киловатт-часах обычно выражают энергию, на которую электростанции подают счета потребителям электроэнергии. Конечно, такой единицей работы можно пользоваться не только в электротехнике, но и для оценки работы любой машины, например пароходного или автомобильного двигателя.
л 58.1. Какое количество теплоты выделяет 25-ваттная электриче-
ская лампочка за секунду?
Цена одного киловатт-часа электрической энергии равна 4 коп. Во что обходится» один час горения электрической лампочки, потребляющей ток 0,2 А при напряжении 520 В?
Определите сопротивление электрической лампочки, рассчи- танной на напряжение 220 В и потребляющей мощность 25 Вт.
Две электрические 220-вольтовые лампочки расходуют соответственно мощность 15 и 100 Вт. Какая из лампочек потребляет больший ток? У какой из лампочек больше сопротивление? Оп- ределите для каждой лампочки силу тока и сопротивление (когда нить лампочки накалена).
Для освещения квартиры требуется ток 5 А при напряже- нии 220 В. Какая мощность при этом расходуется?
Объясните, почему провода, подводящие ток к электрической лампочке, практически не нагреваются, в то время как нить лампочки раскаляется добела?
Чередующиеся куски медной, железной и никелиновой проволоки одинакового диаметра спаяны между собой на стык и включены в цепь тока. Какие проволоки будут нагреваться сильнее? Какие из этих проволок будут нагреваться сильнее, если они включены параллельно?
Можно ли включить в сеть с напряжением 220 В последовательно две лампы одинаковой мощности, рассчитанные на 110 В? Можно ли так же включить две 1 Ш-вольтоврч лампы разной мощности, например 25 и 100 Вт? Каково будет при этом напряжение на каждой из ламп и что произойдет?
Для освещения новогодней елки от сети 220 В хотят использовать гирлянды маленьки хлампочек, рассчитанные на напряже
ние 110 В, включив их последовательно. Можно ли сделать это, если: а) гирлянды одинаковы; б) одна гирлянда составлена из 6-вольтовых, а другая из 8-вольтовых лампочек одинаковой мощности; в) гирлянды составлены из 6- и 8-вольтовых лампочек различной мощности, подобранных так, чтобы общая мощность, поглощаемая каждой из гирлянд, была одной н той же?
Молния — это электрический ток, проходящий в течение примерно 0,001 с между двумя облаками или облаком и Землей. Разность потенциалов на концах этих тел достигает миллиарда вольт, а сила тока в среднем равна 20 кА. Подсчитайте, во что обошлась бы одна молния по цене 4 коп. за 1 кВт-ч. Учитывая, что в среднем на поверхность Земли падает 100 молний в секунду, подсчитайте общий запас энергии, идущий на возникновение молний за год.
Во сколько раз повышение температуры при прохождении электрического тока по железным проводам больше, чем по медным того же сечения, если через них проходит ток одинаковой силы? Рассмотрите случай, когда провода хорошо изолированы, так что теплоотдачей их можно пренебречь, а ток сравнительно невелик и проходит в течение короткого времени, так что оба провода нагреваются слабо и их температурными коэффициентами сопротивления и теплоемкостями также можно пренебречь. Удельные теплоемкости меди и железа равны 0,40 и 0,46 кДж/(кг-К), их плотности равны 8,9 • 10 3 и 7,9-10 3 кг/м 3 . Воспользуйтесь также табл. 2 (§ 47).

Рис. 93. Контактная сварка: 1 — толстая медная пластина, 2 — медный заостренный стержень большого поперечного сечения, 3 и 4 — свариваемые детали (например, две л никелевые пластины, слегка за- ^ жатые между медными электродами)
Если-сопротивление какого-либо участка цепи значительно больше сопротивления всех остальных участков, то здесь выделяется практически все джоулево тепло. Такой случай осуществляется в лампочках накаливания и в нагревательных приборах, сопротивление которых значительно больше, чем сопротивление подводящих проводов. Таким же распределением сопротивлений пользуются при так называемой контактной электросварке, применяемой для металлов со значительным удельным сопротивлением (ни-
§ 59. Контактная сварка. Тепловое действие тока играет большую роль в современной технике. Рассмотрим некоторые важные примеры его применения.
кель, тантал, молибден и др.). Схема такой сварки изображена на рис. 93. В этом случае все сопротивление участка практически сосредоточено в месте контакта свариваемых деталей: во-первых, материал этих деталей имеет большое удельное сопротивление, и, во-вторых, место соприкосновения (контакт) представляет большое сопротивление, ибо касание всегда происходит в относительно небольших участках (отдельных точках) поверхности. При больших токах (сотни и тысячи ампер) детали раскаляются добела и свариваются, в то время как медные электроды почти не нагреваются.
л 59.1. Можно ли при помощи контактной сварки сварить медные
или серебряные детали?

Рис. 94. Электрическая плитка
§ 60. Электрические нагревательные приборы. Электрические печи. На рис. 94 изображена электрическая плитка, широко употребляющаяся в домашнем обиходе. Плитка состоит из огнеупорной керамической пластины с каналом, в который помещена нагревающая спираль. Последняя делается

платиновая печь для получения температуры до 1300 °С (в разрезе)
из материала с большим удельным сопротивлением и высокой температурой плавления, обычно из нихрома или фех- раля 1 ). Концы спирали подведены к штепсельным контактам, которые при помощи шнура включают в осветительную цепь.
Для создания высоких температур служат электрические печи. На рис. 95 показано устройство лабораторной трубчатой платиновой печи. Фарфоровая трубка 1 обмотана пла-
тиновой проволокой или лентой 2; проволока покрыта слоем: огнеупорной массы 3 (каолин с каким-либо связующим веществом) и укреплена внутри широкого металлического кожуха 4. Все пространство между кожухом и фарфоровой трубой заполнено для лучшей тепловой изоляции каким-
0 ‘нибудь материалом 5 с малой
‘ f ‘ fipQ теплопроводностью, благодаря
£^ддд^дддду^ллддддл^ чему поток тепла от леяты на- I [ правляется главным образом к
I _ трубке 1, внутри которой при
О заКрЫТЫХ крышках 6 полу- Рис. 96. К упражнению 60.4 чается температура до 1300 °С,
Применяя вместо платины более тугоплавкие металлы (например, молибден), в печах такого типа удается повысить температуру до 2500° С.
л 60.1. Сопротивление обмотки электрического чайника, рассчи-
тайного на 220 В, равно 90 Ом. Сколько времени потребуется для нагревания в нем 500 г воды от 10 до 100° С, если половина всей теплоты уходит вследствие теплопередачи в окружающее пространство?
Электрический утюг, рассчитанный на напряжение 220 В, потребляет ток 2 А. Во сколько обходится час работы утюга по цене 4 коп. за 1 кВт-ч?
Сопротивление электрического утюга, работающего от осветительной сети с напряжением 220 В, равно 120 Ом. Какое количество теплоты выделяется в утюге за 1 с?
Плитку мощности 800 Вт, рассчитанную на напряжение 220 В, включают в сеть с напряжением 110 В. Какую мощность плитка будет поглощать при этом из сети? Будет ли она поглощать нормальную мощность (800 Вт), если разделить ее спираль йа две равные части и включить их в сеть параллельно, как пока- вано на рис. 96? Какую мощность будет потреблять эта плитка, если разделить спираль на такие части, чтобы сопротивление одной из них, скажем ab, составляло треть общего сопротивления
.всей спирали ad?
Вычислите мощность, расходуемую в вашей квартире, когда включены все электрические лампочки и электрические приборы, и израсходованную электрическую энергию, если эти приборы оставались включенными в течение трех часов.
