Тепловое действие тока. При прохождении тока через неподвижные металлические проводники единственным результатом работы тока является нагревание этих проводников, и, следовательно, по закону сохранения энергии вся работа, совершенная током, превращается в тепло.

Работа (в джоулях), совершаемая током при прохождении через участок цепи, вычисляется по формуле:

где U - напряжение, В; I - сила тока, А; t - время, с.

Количество теплоты (Дж), выделенное в проводнике при прохождении электрического тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока и вычисляется по закону Джоуля-Ленца:

где R - сопротивление проводника, Ом.

В качестве примера произведем расчет количества теплоты, требуемой для того, чтобы вскипятить воду в двухлитровом чайнике. Напряжение сети U = 220 В. Ток, потребляемый электрочайником, I = 4 А. Необходимо определить время закипания воды, если КПД чайника 80%, начальная температура воды 20 °С, удельная теплоемкость воды С = 4200.

Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды до температуры кипения:

Затем определим общее количество теплоты, которое должен выделить нагревательный элемент электрочайника, с учетом потерь на нагрев керамики, корпуса чайника и внешней среды:

Вычислим время закипания воды в чайнике, используя закон Джоуля-Ленца:

Отсюда находим время t:

Мощность электрического тока. Зная работу, совершаемую током за некоторый промежуток времени, можно рассчитать и мощность тока, под которой, как и в механике, понимают работу, совершаемую за единицу времени. Из формулы, определяющей работу постоянного тока, A = Ut, следует, что мощность его равна

Нередко говорят о мощности тока, потребляемого от сети, имея в виду, что при помощи электрического тока (за счет тока) нагреваются утюги, электроплитки и т. д.

В соответствии с этим на приборах нередко обозначается их мощность, то есть мощность тока, необходимая для их нормального функционирования. Так, например, для нормальной работы электроплитки на 220 В мощностью 500 Вт требуется ток около 2,3 А при напряжении 220 Вт (2,3×220≈500). На практике применяют более крупные единицы мощности:

• 1 гВт (гектоватт) = 100 Вт;
• 1 кВт (киловатт) = 1000 Вт.

Таким образом, 1 Вт есть мощность, выделяемая током 1 А в проводнике, между концами которого поддерживается напряжение 1 В.

Единица работы, совершаемая электрическим током в течение 1 с при помощи 1 Вт, называется ватт/секундой, или джоулем. Применяют более крупные единицы работы: 1 Вт/ч (ватт/час) или 1 кВт/ч (киловатт/час), который равен работе, совершаемой электрическим током в течение 1 ч при мощности 1 кВт.

Длину и диаметр провода нагревательного элемента рассчитывают исходя из величины напряжения сети и его заданной мощности.

Основные данные для расчета нагревательных элементов приведены в табл. 1.

Сила тока при данном напряжении и мощности определяется по формуле

Омическое сопротивление проводника всегда вычисляется по формуле

Зная величину тока, можно найти диаметр и сечение провода (табл. 1).
Подставляя полученные данные в формулу

где l - длина провода, м; S - сечение провода, мм²; R - сопротивление провода, Ом; ρ - удельное сопротивление провода (для нихрома ρ = 1,1, для фехраля ρ = 1,3), Ом×мм²/м, получим необходимую длину провода для нагревательного элемента.

Пример расчета. Необходимо определить длину провода из нихрома для нагревательного элемента плитки мощностью Р = 600 Вт при напряжении сети U = 220 В.

По этим данным находим диаметр и сечение провода: d = 0,45 мм, S = 0,159 мм². Тогда длина провода будет равна

Таким же образом можно рассчитать нагревательные элементы и для других электроприборов.