Устройство для демонстрации теплового действия тока Советский патент 1982 года по МПК G09B23/08 

I

Изобретение относится к устройствам для лекционной демонстрации. Оно может быть использовано в учебных заведениях для демонстрации опытов по тепловому действию тока в процессе чтения курса физики.

Известна установка для определения количества теплоты, выделяемой при пропускании через проводник тока, в которой нагревают жидкость (керосин,- спирт, воду), пропуская через помещенную в эту жидкость спираль ток, измеряемый амперметром. Время нагрева определяют с помощью секундомера, температуру жидкости с помощью термометра. Считая известными массу и теплоемкость жидкости, а также сопротивление спирали, аналитически определяют зависимость количества выделяющегося в спирали тепла от силы тока, сопротивления и времени П Т

Недостатком известной установки при применении ее для лекционных демонстраций являются: малая наглядность, так как результат опыта становится ясным только после проведения расчетов; большое время и сложность приведения установки в исходное состояние для повторной демонстрации.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для демонстрации распределения мощностей .

to при последовательном и параллельном соединении резисторов. Устройство содержит два полых стеклянных шара, внутри которых помещены никелиновые спирали (сопротивление однойиз спи15ралей в несколько раз больше, чем сопротивление другой). Каждый шар соединен с отдельным водяным манометром. При нагревании спирали током, разность уровней жидкости в ма20нометрах пропорциональна мощности, выделяющейся в соответствующей спирали. При соединении спиралей последовательно, разность уровней жид391кости будет больше у манометра, связанного с шаром со спиралью с большим сопротивлением. При параллельном соединении спиралей большая разность уровней жидкостей будет у манометра, связанного с шаром со спиралью с меньшим сопротивлением 2 . Недостатком этого устройства является большая инерционность. Время достижения стационарного режима составляет две - четыре минуты, так как в теплообмене участвуют массы воздуха в шарах, массы самих шаров и спирали. Повторная демонстрация возможна лишь после выравнивания.температур указанных масс и окружающей среды, что занимает еще большее время - порядка 6-8 мин. Это приводит к увеличению времени демонстрации и замедляет повторяемость опыта, что вызывает непроизводительные потери лекционного времени. Цель изобретения - увеличение быст родействия и сокращение времени между повторными демонстрациями за смет уменьшения тепловой инерции системы С обеспечением наглядности, точности и повторяемости результатов демонстра ции. Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем механиз индикации с воспринимающим элементом и измерительный блок, включающий регулируемый источник тока,одним из по люсов подключенный к одному из зажимов демонстрационного измерителя тока, соединенного с регулируемым шунтом, и термочувствительный элемент. измерительный блок содержит свободно установленный ролик, а термочувствительный элемент выполнен в виде проволоки, перекинутой через ролик, при этом один конец ее закреплен неподвижно и подключен ко второму полюсу регулируемого источника тока, а другой конец подпружинен с возможностью удлинения, механически связан с воспринимающим элементом механизма инди кации и подключен гибким проводником к другому зажиму демонстрационного нзмерителя тока. Механизм индикации содержит лазер ный источник света, демонстрационную шкалу и разноплечий рычаг, меньшее плечо которого является воспринимающим элементом, а на конце большего закреплено отражающее зеркало. На чертеже изображено предлагаемое устройство.I . Устройство содержит измерительный блок, в котором регулируемый источник 1 тока подключен к одному из зажимов демонстрационного измерителя 2 тока, снабженного регулируемым шунтом 3. Второй зажим демонстрационного измерителя тока подключен через гибкий проводник к подпружиненному пружиной 5 концу термочувствительного элемента 6, выполненного из нихромовой проволоки, переброшенной через свободновращающийся ролик 7. Второй конец проволоки закреплен неподвижно и подсоединен к другому зажиму (полюсу) источника тока. Необходимый натяг пружины 5 устанавливают с помощью регулировочного винта 8. Механизм индикации малых линейных перемещений содержит разноплечий рычаг 9, меньшее плечо которого меха нически соединено с подпружиненным концом проволоки, а на конце большего плеча закреплено с возможностью юстировки зеркало 10, отражающее луч света от лазерного источника 11 в виде светового пятна 12 на демонстрационную шкалу 13. Устройство работает следующим образом. С помощью винта 8 натяжения пружины 5 устанавливают световое пятно 12 от лазерного источника 11 света на нулевую отметку демонстрационной шкалы 13 Включив регулируемый источник 1 тока, устанавливают такой ток, чтобы световое пятно 12 установилось на первом делении шкалы - регулируемым шунтом 3 устанавливают стрелку демонстрационного измерителя тока на первом делении его шкалы. При установке тока, равного двум единицам шкалы измерителя 2 тока, световое пятно 12 устанавливается на четвертом делении демонстрационной шкалы 13. При установке тока, равного трем единицам измерителя тока, световое пятно устанавливается на девятом делении демонстрационной шкалы, т.е. демонстрируется зависимость количества выделяющегося в проводнике тепла от квадрата силы тока. Связь пропорциональных зависимостей между количеством выделяющегося в тонкой проволоке тепла при пропускании через нее тока и линейным пер мещением светового пятна на демонст рационной шкале выглядит следующим образом e -l/ivL т л. Q-J где 2 - линейное перемещение светового пятна; f угоп поворота зеркала; L - абсолютная длина проволоки; Т - температура проволоки; Q - количество выделяющегося в проволоке тепла в единицу времени; J - ток. Так как при нагреве тонких прово лок в воздухе йбмен теплом между пр волокой и окружающей средой происхо дит в особом пленочном режиме, при котором теплообмен осуществляется только путем теплопроводности, при небольших (десятки градусов) нагретых тонких проволок (0,2-2 мм), пограничный слой неподвижен и конвекция отсутствует, а излучение пренебрежимо мало из-за небольших температур. Очень быстро (1-2 с) устанавливается стационарный режим, при котором температура проволоки будет оставать |ся постоянной при Данном токе и про- 30

порциональнои количеству выделяющегося в проволоке тепла в единицу времени.

С помощью предлагаемого устройства можно также продемонстрировать за висимость выделяющегося в проводнике тепла от сопротивления.

Для этого используют два аналогичных термочувствительных элемента, каждый из которых содержит саностоятельный механизм индикации малых линейных перемещений. Проволоки выполнены из материалов с разным удельным сопротивлением, но, с равными длинами и диаметрами и близкими по значению коэффициентами удлинения и удельной теплоемкости, и соединены последовательно.

Демонстрация производится следующим образом. После установки обоих световых пятен на нулевую отметку демонстрационной шкалы с помощью регулируемого источника тока устанавливается световое пятно проволоки с меньшим удельным сопротивлением на первое деление демонстрационной шкалы.

установленный ролик, а термочувствительный элемент выполнен в виде охватывающей проволоки, один конец которой закреплен неподвижно и подключен к второму полюсу источника тока, а другой конец подпружинен, механически связан с воспринимающим элементом механизма индикации и подключен к второму зажиму демонстрационного измерителя тока посред твои гибкой проволоки.

2, Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что механизм индикации включает лазерный источник света, демонстрационную шкалу, раз нрплечий рычаг и отражающее зеркало, закрепленное на конце большего плеча рычага.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Перышкин Л,В., Родина Н.А. физика. М., Просвещение, 1978, оЛЗ.

2.Телеснин Р,В. Лекционные демонстрации по физике, М.-Л., Государственное изд-во технико-теоретической литературы, 1952, с. 71. тогда световое пятно от второй проволоки установится на отметке, пропорциональной отношению удельных сопротивлений проболок. Затем, увеличивая ток, первое пятно устанавливается на второе деление демонстрационной шкалы и т.д. Народно-хозяйственное значение предлагаемого устройства заключается в экономии лекционного времени, затрачиваемого на демонстрацию, и повышении наглядности лекционной демонстрации. Формула изобретения 1. Устройство для демонстрации теплового действия тока, содержащее механизм индикации с воспринимающим элементом и измерительный блок, включающий регулируемый источник тока, одним из полюсов .подключенный,к одному из зажимов демонстрационного измерителя тока, соединенного с регулируемым шунтом, и термочувствительный элемент, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и быстродействия демонстрации, измерительный блок содержит свободно