При помощи контактного термометра Т, включённого в цепь с нагревательной спиралью С, можно поддерживать постоянную температуру в аквариуме (рис. 187). Изучите схему и объясните её действие.

рис. 187

Чтобы объяснить действие данной схемы, важно понимать принципы работы контактного термометра, нагревательной спирали и электрической цепи в сочетании с физическими законами. Рассмотрим теоретическую часть подробно.

Контактный термометр (Т)

Контактный термометр — это устройство, которое не только измеряет температуру окружающей среды (в данном случае воды в аквариуме), но и может управлять электрической цепью в зависимости от температуры. Такой термометр обычно включает электрический контакт, который замыкается или размыкается при достижении определённой температуры.

В данном случае контактный термометр подключен к электрической цепи, которая включает нагревательную спираль. Термометр регулирует состояние цепи — включение или выключение — на основе текущей температуры воды.

Нагревательная спираль (С)

Нагревательная спираль — это электрическое устройство, преобразующее электрическую энергию в тепловую. Когда через спираль проходит электрический ток, она нагревается. Это происходит из−за сопротивления материала спирали, которое вызывает выделение тепла согласно закону Джоуля−Ленца:

$$ Q = I^2 R t, $$
где:
− $ Q $ — количество тепла, выделяемого спиралью,
− $ I $ — сила тока в цепи,
− $ R $ — сопротивление спирали,
− $ t $ — время, в течение которого спираль нагревается.

Спираль погружена в аквариум, и её тепло передаётся воде, нагревая её и поддерживая необходимую температуру.

Замыкание и размыкание цепи

Контактный термометр играет роль автоматического переключателя в электрической цепи. При падении температуры воды ниже установленного значения контакт в термометре замыкается, что приводит к включению электрической цепи. Через спираль начинает проходить ток, и она нагревается, повышая температуру воды. Как только температура достигает заданного значения, контакт термометра размыкается, цепь разрывается, ток перестаёт проходить через спираль, и она перестаёт нагреваться.

Этот процесс — пример работы автоматической системы управления, которая поддерживает постоянную температуру воды в аквариуме.

Основные физические принципы

1. Теплопередача: Нагревательная спираль передаёт тепло воде, повышая её температуру до заданного уровня.
2. Электрическая цепь: Термометр управляет замыканием или размыканием электрической цепи, обеспечивая включение или выключение спирали.
3. Закон Джоуля−Ленца: Нагрев спирали определяется количеством тепла, выделяемого в сопротивлении при прохождении электрического тока.
4. Тепловое равновесие: Как только вода достигает заданной температуры, система временно прекращает нагрев, поддерживая тепловое равновесие.

Система контроля температуры

Такой механизм является примером простого терморегулятора. Он автоматически поддерживает температуру аквариума на заданном уровне. Если температура воды падает ниже установленного значения, термометр включает нагревательную спираль. Когда вода нагревается до нужного уровня, термометр отключает спираль, предотвращая перегрев.

Преимущество механизма

Этот метод терморегуляции обеспечивает стабильные условия для жизни рыб и других организмов в аквариуме, что важно для их здоровья и нормального функционирования экосистемы.

Таким образом, схема работает как автоматическая система поддержания температуры с использованием физических законов электричества и теплопередачи.