Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца (Гребенюк Ю.В.)

Этот урок посвящён изучению теплового действия электрического тока. Мы проведём ряд опытов, демонстрирующих зависимость количества теплоты от силы тока и сопротивления, а также  рассмотрим закон Джоуля – Ленца

Мы уже знаем, что при прохождении тока через электрическую лампочку её спираль нагревается и излучает видимый свет. Таким образом, мы наблюдаем тепловое действие электрического тока. Благодаря этому действию, нагреваются, например, утюг или чайник. Но при работе вентилятора или пылесоса практически не наблюдается тепловое действие, также в нормальном состоянии слабо греются провода. На этом уроке, тема которого: «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля – Ленца», мы определим, от чего зависит тепловое действие электрического тока.

Факт нагрева проводника при протекании по нему тока объясняется тем, что во время движения заряженных частиц под действием электрического поля они сталкиваются с частицами проводника, в результате часть энергии передаётся этим частицам проводника, то есть средняя скорость хаотического (теплового) движения частиц проводника увеличивается, и проводник нагревается. По закону сохранения энергии кинетическая энергия свободных заряженных частиц, приобретённая под действием электрического поля, превратится во внутреннюю энергию проводника. Следовательно, можно предположить:

1. чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла выделяется при прохождении электрического тока по проводнику, то есть количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника;

2. количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, зависит от силы тока (чем больше сила тока, тем большее количество свободных частиц проходит через сечение проводника в единицу времени, происходит больше столкновений, следовательно, больше энергии передаётся частицам проводника).

Можно подтвердить данные предположения с помощью опытов.

Соберём электрическую цепь, в которой последовательно с источником тока подключены два нагревателя с разными сопротивлениями, которые опущены в калориметры (прибор для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды при одинаковой температуре. При прохождении электрического тока через нагреватели будет наблюдаться повышение температуры воды, причём вода будет нагреваться быстрее в том калориметре, в который помещён нагреватель с бльшим сопротивлением (см. Рис. 1). То есть подтверждается предположение 1.

Для подтверждения предположения 2 соберём электрическую цепь, в которой последовательно к источнику тока подключен амперметр, лампочка накаливания и реостат. Регулируя сопротивление реостата, меняем силу тока в цепи при постоянном напряжении. При увеличении силы тока увеличивается яркость лампочки (см. Рис. 2), то есть увеличивается количество теплоты, которое выделяет нить накаливания.

Рис. 1. Нагреватель с б

льшим сопротивлением нагревает воду быстрее

Рис. 2. Увеличение яркости лампочки при увеличении силы тока    

Тепловое действие тока опытным путём независимо друг от друга изучали английский учёный Джоуль и русский учёный Ленц. Они пришли к выводу, который впоследствии назвали закон Джоуля – Ленца: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:

,

где  – количество теплоты, I – сила тока, R – сопротивление проводника, t – время прохождения тока.

Закон Джоуля – Ленца был получен экспериментально, но так как мы знаем формулу для работы электрического тока (

), то сможем вывести его с помощью несложных математических вычислений. Если на участке цепи, в котором течёт электрический ток, не выполняется механическая работа и не происходят химические реакции, то результатом работы электрического тока будет нагревание проводника. В результате этого нагревания проводник будет отдавать тепло окружающим телам. Следовательно, в данном случае, согласно закону сохранения энергии, количество выделенной теплоты (

) будет равно работе тока (A). Зная формулу для работы тока и напряжения, получим следующие преобразования:

 

Если сила тока неизвестна, а известно напряжение на концах участка цепи, то, воспользовавшись законом Ома, получаем:

 

Формулы  и   можно использовать только тогда, когда вся работа электрического тока расходуется только на нагревание. Если на участке цепи есть потребители энергии, в которых выполняется механическая работа или происходят химические реакции, эти формулы использовать нельзя (в таких случаях применяются сложные математические расчёты).

На этом уроке мы узнали о том, что прохождение тока в проводнике сопровождается выделением тепла, при этом количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Таким образом, мы сформулировали закон Джоуля – Ленца.

По проводнику сопротивлением R течёт ток I. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в проводнике в единицу времени, если его сопротивление увеличить в два раза, а силу тока уменьшить в два раза? Варианты ответа: а) увеличится в два раза; б) уменьшится в два раза; в) не изменится; г) уменьшится в восемь раз.

Решение

Воспользуемся законом Джоуля – Ленца:

 

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике в единицу времени, равно:

 

Так как сопротивление увеличивается в два раза, а сила тока уменьшается в два раза:

 

 

Следовательно, новое значение количества теплоты будет равно:

 

  

Ответ: б) уменьшится в два раза

Ещё в 1832-1833-х годах Эмилий Христианович Ленц обратил внимание на то, что проводимость проводника сильно зависит от его нагревания, это осложняло расчёты электрических цепей, так как не представлялось возможным вычислить зависимость тока от теплоты, которую он выделяет.

Рис. 3. Опыт Ленца

Ленц сконструировал специальный прибор-сосуд, служивший для измерения количества тепла, выделявшегося в проволоке. В сосуд учёный заливал разбавленный спирт (спирт обладает меньшей электропроводностью, чем вода, которую использовал в своих опытах Джеймс Джоуль). В раствор спирта помещалась платиновая проволока, через которую пропускался электрический ток (см. Рис. 3). Была произведена большая серия опытов, в которых Ленц замерял время, затраченное на нагревание раствора на . Получив достаточное количество убедительных данных, в 1843 году учёный опубликовал закон: «нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока». Однако аналогичный закон уже был опубликован Джоулем в 1841 году, но Ленц вполне обоснованно обратил внимание на то, что англичанин провёл свои эксперименты с большим количеством погрешностей. Именно поэтому закон о тепловом действии тока был назван в честь двух выдающихся учёных.

Задача 1

Определите длину нихромового провода, с площадью сечения 0,25 , из которого изготовлен нагреватель электрического чайника. Чайник питается от сети напряжением 220 В и нагревает 1,5 литра воды от  до  за 10 минут. КПД чайника составляет .

Дано: ; ; ; ; ; ;  – теплоёмкость воды;  – плотность воды;  – удельное сопротивление нихрома;  

Найти:l

Решение

Так как вся электрическая энергия идёт на нагревание воды, то воспользуемся законом Джоуля – Ленца:

 

Отсюда сопротивление проводника (нихромового провода) Rравно:

 

Также сопротивление проводника можно вычислить по формуле:

 

Приравняем сопротивление в обеих формулах и выразим длину проводника (l):

  

  

В этой формуле неизвестно количество теплоты, то есть мощность чайника. Найдём её, зная, что чайник нагревает 1,5 л воды от от  до  за 10 минут.

 

 

Так как не вся теплота идёт на нагревание, то необходимо учитывать КПД чайника, равный:

 

Отсюда общее количество теплоты () будет равно:

 

Подставим значение   в формулу для длины проводника:

 

Проверив единицы измерения, подставляем известные значения:

 

Ответ:  

Задача 2

С какой целью провода в местах соединения не просто скручивают, но ещё и спаивают? Ответ обоснуйте.

Решение

Рис. 4. Иллюстрация к задаче

Сила тока в обоих проводах одинакова, так как проводники соединены последовательно (см. Рис. 4):

 

 

Если место контакта двух проводников не будет спаяно, то его сопротивление будет достаточно большое, по сравнению с сопротивлением самих проводников. Следовательно, в месте контакта будет выделяться наибольшее количество теплоты, что приведёт к расплавлению места контакта и размыканию электрической цепи. Поэтому провода в местах соединения не просто скручивают, но ещё и спаивают с целью уменьшения сопротивления.

Задача 3

Какой длины нихромовый провод нужно взять, чтобы изготовить электрический камин, работающий при напряжении 120 В и выделяющий 1 МДж теплоты в час? Диаметр провода 0,5 мм.

Дано: ; ; ;  ;

Найти:l

Решение

Так как вся электрическая энергия расходуется на нагревание, то согласно закону Джоуля-Ленца:

 

Отсюда сопротивление провода равно:

 

Также сопротивление проводника можно вычислить по формуле:

 

Приравняем сопротивление в обеих формулах и выразим длину проводника (l):

 

 

В этой формуле неизвестна площадь сечения проволоки. Зная диаметр проволоки, вычислим площадь сечения проволоки по формуле площади круга:

  

Подставим значение в формулу для длины проводника:

 

Проверив единицы измерения, подставляем известные значения:

 

Ответ:

 

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Домашнее задание

1. В чем проявляется тепловое действие тока?
2. Как можно объяснить нагревание проводника с током?
3. Известно, что безопасным для человека является постоянный ток 100 мкА. Какое количество теплоты выделится за 1 мин в теле человека при прохождении тока от конца одной руки до конца другой руки (при сухой коже), если сопротивление этого участка равно 15000 Ом?
4. Участок цепи состоит из двух резисторов сопротивлением 8 Ом каждый, соединенных параллельно. Сила тока в цепи – 0,3 А. Какое количество теплоты выделится в участке за 1 мин?
5. Сколько электроэнергии потребляет электрический утюг за 4 ч работы, если он включен в сеть напряжением 220 В при силе тока 4,55 А?

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Clck.ru (Источник).
2. Интернет-портал Clck.ru (Источник).
3. Интернет-портал Clck.ru (Источник).

5. Закон Джоуля — Ленца

Проводник нагревается, если по нему протекает электрический ток. Джоуль и Ленц установили, что количество выделившегося тепла Q = IRt, (28)

где I — ток, R — сопротивление, t — время протекания тока. Легко доказать, что

Q = IRt = UIt = U ² t/R = qU, (29)

где q = It — электрический заряд.

Если ток изменяется со временем (т. е. в случае непостоянного тока), то

Q == , (30)

где i — мгновенное значение тока.

Нагревание проводника происходит за счет работы, совершаемой силами электричес­кого поля над носителями заряда. Эта работа

A = qU = UIt =IRt = Ut / R . (31)

Работа А, энергия W , количество тепла Q в СИ измеряются в Дж.

Так как мощность характеризует работу, совершаемую в единицу времени, т.е. Р = , то

P = UI = IR = U/ R . (32)

Мощность в СИ измеряется в ваттах: 1 Вт = 1 Дж / 1 с; откуда 1 Дж = 1 Втс;

3600 Дж = 1Вт час, 3,6 •10Дж = 1 кВт час.

Формулы (31) и (32) позволяют рассчитать полезную работу и полезную мощность. Затраченная работа и мощность определяется по формулам

A = q = It = I (R + r)t = t. (33)

P= =I = I (R + r) = .(34)

Отношение полезной работы (мощности) к затраченной характеризует КПД источника

= = = . (35)

Из (35) следует.что при R0,0; R,1.Но при R ток I 0 и поэтому

А О и Р 0.

Определим величину R , при котором выделится максимальная мощность. Легко по­казать, что это наступает при R = r, тогда P_MAКС=IR == , (36)

КПД в этом случае будет 50%.

6. Закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме

Согласно закону Джоуля — Ленца (28) в элементарном цилиндрическом объеме dV с площадью поперечного сечения dS и длиной dl за время dt выделится тепло

dQ =IRdt=(jdS)= jdldSdt =jdVdt.

Разделив на dV и dt, найдем количество тепла, выделяющееся в единицу времени в единице объема Q= = j . (37)

здесь Q-называется удельной тепловой мощностью тока, которая в СИ измеряется в Вт/м³.

С учетом (16) из (37) следует, что Q=j= . (38)

Формулы (37) и (38) выражают закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме.

7. Правила Кирхгофа

Току, текущему к узлу, приписывается один знак («+» или «-«), а току, текущему от узла, — другой знак; таким образом, для направлений токов в узле электрической схемы, пред- ставленном на рис. 6, имеем .

2) В ЛЮБОМ ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ АЛГЕБРАИЧЕСКАЯ СУММА НАПРЯЖЕНИЙ НА ВСЕХ УЧАСТКАХ ЭТОГО КОНТУРА РАВНА АЛГЕБРАИЧЕСКОЙ СУММЕ ЭДС, ВСТРЕЧАЮЩИХСЯ В ЭТОМ КОНТУРЕ (40)

При этом также следует придерживаться правила знаков: токи, текущие вдоль выбран­ного направления обхода контура считаются положительными, а идущие против направле­ния обхода — отрицательными. Соответственно положительными считаются ЭДС тех источ­ников, которые вызывают ток, совпадающий по направлению с обходом контура (см. рис.7), где обозначает направление обхода контура .

Ленц, Эмилий Христианович — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 20 декабря 2018; проверки требуют 7 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 20 декабря 2018; проверки требуют 7 правок. В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Ленц.

Эмилий Христианович Ленц (при рождении Генрих Фридрих Эмиль Ленц, нем. Heinrich Friedrich Emil Lenz; 12 (24) февраля 1804, Дерпт — 29 января (10 февраля) 1865^[5], Рим) — российский физик немецкого происхождения. Выходец из балтийских немцев. Э. Х. Ленц является одним из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока, профессор и ректор Императорского Санкт-Петербургского университета (1863—1865), академик. Действительный член Русского географического общества с 19 сентября (1 октября) 1845 года^[6].

С 1823 до 1826 год принимал участие как физик в кругосветном путешествии Коцебу. Результаты научных исследований этой экспедиции были напечатаны им в «Мемуарах Санкт-Петербургской академии наук» (1831). В 1829 году принимал участие в первой экспедиции на Эльбрус под руководством генерала Эммануэля. В 1828 году выбран адъюнктом академии, а в 1834 году академиком. Вместе с тем он состоял профессором, а в последние годы и ректором Санкт-Петербургского университета. Преподавал также в знаменитой Немецкой школе Святого Петра (1830—1831), в Главном педагогическом институте и в Михайловском артиллерийском училище. Лекции его по физике и физической географии отличались замечательной ясностью и строгой систематичностью. Такими же качествами обладали и его известные руководства физики (для гимназии) и физической географии; оба учебника выдержали несколько изданий, но первый из них был особенно распространён. Настолько же блестяща и плодотворна была и научная деятельность академика Ленца.

В истории физики научным трудам его всегда будет отводиться почётное место. Многие его научные исследования относятся к физической географии (о температуре и солености моря, об изменчивости уровня Каспийского моря, о барометрическом измерении высот, об измерении магнитного наклонения и напряженности земного магнетизма и др.). Но главным образом он работал в области электромагнетизма. Выяснению важного значения этих работ посвящены, между прочим, сочинения А. Савельева: «О трудах академика Ленца в магнитоэлектричестве» (СПб., 1854) и В. Лебединского: «Ленц как один из основателей науки об электромагнетизме» (журн. «Электричество» 1895). Главнейшие результаты его исследований излагаются и во всех учебниках физики. Именно:

• Закон индукции («Правило Ленца»), по которому направление индукционного тока всегда таково, что он препятствует тому действию (напр. движению), которым он вызывается (1834 г.).
• «Закон Джоуля — Ленца»: количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника (1842 г.).
• Опыты, подтверждающие «явление Пельтье»; если пропускать гальванический ток через висмутовый и сурьмяной стержни, спаянные концами и охлажденные до 0 °C, то можно заморозить воду, налитую в ямку около спая (1838).
• Опыты над поляризацией электродов (1847) и т. д.

Некоторые свои исследования Ленц производил вместе с Парротом (о сжатии тел), Савельевым (о гальванической поляризации) и академиком Борисом Якоби (об электромагнитах). Список его мемуаров, которые печатались в «Записках Императорской Академии Наук» и в журнале «Poggendorfs Annalen», помещён в «Biographisch-literarisches Handwörterbuch von Poggendorf» (I, 1424). Сын Ленц, Роберт Эмильевич

В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Эмилия Христиановича Ленца кратеру на обратной стороне Луны.

Место на г. Эльбрус называется Скалы Ленца (Ленц участвовал в первой экспедиции на Эльбрус в 1829 г. под командованием генерала Эмануэля)

• Ленц, Эмилий Христианович // Русский биографический словарь : в 25 томах. — СПб.—М., 1896—1918.
• Ленц, Эмилий Христианович // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Ленц, Эмилий Христианович // Азбучный указатель имен русских деятелей для «Русского биографического словаря» Ч. 1: А—Л / А. А. Половцова. — Сборник императорского Русского исторического общества. — СПб.: Тип. Имп. Акад. наук, 1887. — Т. 60. — С. 483. — 512 с.
• Ленц Эмилий Христианович // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Ржонсницкий Б. Н. Эмилий Христианович Ленц. — М.: Мысль, 1987. (Замечательные географы и путешественники).
• Храмов Ю. А. Ленц Эмилий Христианович // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, 1983. — С. 161. — 400 с. — 200 000 экз. (в пер.)

• Ржонсницкий Б. Н. Эмилий Христианович Ленц. (1804—1865). — М.-Л.: 1952. (соавтор: Лежнева О. П.)
• Ржонсницкий Б. Н. Академик Э. Х. Ленц и физическая география // Известия АН СССР. — № 2. — 1954. — С. 61
• Ржонсницкий Б. Н. Выдающийся русский учёный. (150 лет со дня рождения физика Э. Х. Ленца) // Вечерний Ленинград. — 24 февраля 1954 года
• Ржонсницкий Б. Н. Выдающийся русский океанограф (к 150-летию Э. Х. Ленца) // Водный транспорт. — 25 февраля 1954 года

Обсуждение:Закон Джоуля — Ленца — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Проект:Физика     (Уровень II, Важность «средняя»)
	Эта статья тематически связана с Проектом:Физика, целью которого является создание качественных и информативных статей на темы, связанные с с физикой. Если вы хотите помочь проекту, то можете отредактировать статью, к которой относится это обсуждение, или посетить страницу проекта, где сможете, помимо прочего, присоединиться к проекту и принять участие в его обсуждении.
II (развитая)	Эта статья по шкале оценок статей Проекта:Физика имеет II уровень.
Средняя	Важность этой статьи для проекта Физика: средняя

Неплохо бы дописать сюда интегральную и дифференциальную формы этого закона:

интегральная: Q=∫t1t2I2Rdt{\displaystyle Q=\int \limits _{t1}^{t2}I^{2}R\,dt}

дифференциальная: W=(j→;E→){\displaystyle W=({\vec {j}};{\vec {E}})}
— Эта реплика добавлена участником Djkoma (о • в) 2009-06-13T15:42:12Z (UTC)

P.S.: Я не уверен, что написал их правильно, поэтому прежде чем добавлять, неплохо бы ещё проверить их правильность!! — Эта реплика добавлена участником Djkoma (о • в) 2009-06-13T15:43:10Z (UTC)

Снижение потерь энергии[править код]

Так как в формулах отсутствует время — t{\displaystyle t\!}, то это мощности. Для обозначения мощности лучше применить букву P{\displaystyle P\!} (en:Electric power), а не Q{\displaystyle Q\!}, которая применяется для обозначения количества тепла.92.243.182.100 09:54, 22 июня 2009 (UTC)

Неплохо было бы добавить размерности. 85.143.106.77 09:49, 23 июня 2012 (UTC)Дмитрий

Джеймс Джоуль: биография, научные открытия

Наверно, не существует человека, который не знает имени Джеймс Джоуль. Открытия этого физика применяются во всем мире. Какой путь прошел ученый? Какие открытия он совершил?

Жизнь выдающегося физика

24 декабря 1818 года родился Джеймс Джоуль. Биография будущего физика начинается в английском городке Солфорде, в семье успешного владельца пивоварни. Обучение мальчика происходило в домашних условиях, некоторое время физику и химию ему преподавал Джон Дальтон. Благодаря ему английский физик и полюбил науку.

Джоуль не обладал крепким здоровьем, много времени он просиживал дома, проводя физические опыты и эксперименты. Уже в 15 лет, из-за болезни отца, ему пришлось управлять пивоварней вместе с братом. Работа на отцовском заводе не давала возможности поступить в университет, поэтому Джеймс Джоуль всецело отдавался домашней лаборатории.

С 1838 по 1847 год физик активно изучает электричество и делает свои первые научные успехи. В журнале Annals of Electricity он публикует статью об электричестве, а в 1841 открывает новый физический закон, который сейчас носит его имя.

В 1847 году Джоуль заключает первый и единственный брак с Амелией Граймс. Вскоре у них рождаются Элис Амелия и Бенджамин Артур. В 1854 году жена и сын погибают. Сам Джоуль умирает в 1889 году в Англии, в городе Сейле.

За всю свою жизнь он публикует около 97 работ по физике, некоторые из них написаны совместно с другими учеными: Лайоном, Томсоном и т. д. За выдающиеся научные достижения и открытые законы физики он награжден несколькими медалями и получал пожизненную пенсию от правительства Великобритании в размере около 200 фунтов.

Первые работы и эксперименты

Наблюдая за паровыми двигателями на пивоварне отца, Джеймс Джоуль решил заменить их электрическими для эффективности работы. В 1838 году он публикует в научном журнале статью, в которой расписывает устройство придуманного им электромагнитного двигателя. В 1840 году на пивоварне появляются новые электрические двигатели, а физик продолжает изучение электрического тока и выделения теплоты. Позже оказалось, что паровые двигатели были гораздо эффективнее.

В ходе экспериментов Джоуль создает термометры, которые способны измерять температуру с точностью до 1/200 градуса. Это позволяет ему углубиться в изучение теплового эффекта тока. В 1840 году, благодаря дальнейшим наблюдениям, физик обнаруживает эффект магнитного насыщения. В этом же году он посылает в Королевское научное общество работу «Об образовании теплоты при помощи электрического тока». Статью не оценили. Опубликовать её согласился лишь манчестерский литературно-философский журнал.

Закон Джоуля-Ленца

Непризнанная Лондонским научным обществом статья впоследствии оказалась одним из главных достижений ученого. В статье Джеймс Джоуль говорил о зависимости между силой тока и количеством выделенной теплоты. Он утверждал, что количество теплоты, которое выделяется в проводнике, прямо пропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы и времени прохождения тока.

В это время подобную теорию разрабатывал Эмилий Ленц. То, что проводимость металлического проводника зависит от температуры, русский физик обнаружил ещё в 1832 году. Для точного определения температуры в проводнике ученый изобрел специальный сосуд, в который заливался спирт. Проволока, через которую пропускался ток, опускалась в сосуд. Далее отслеживалось, за какое время спирт нагреется. Джоуль Джеймс Прескотт использовал похожий метод, только в качестве жидкости использовал воду.

Результаты многолетних исследований Ленц опубликовал только в 1843 году, но в его трудах было больше точных научных обоснований, чем у Джоуля, работу которого вначале даже не захотели печатать. Учитывая первенство Джоуля и точные расчеты Эмилия Ленца, было решено назвать закон в честь обоих. Со временем закон Джоуля-Ленца положил начало термодинамике.

Магнитострикция

Параллельно со свойствами электрического тока Джеймс Джоуль изучает магнитные явления. В 1842 году он замечает, что железо изменяется в размерах под воздействием магнитных волн. Если металлические стержни поместить в магнитное поле, их длина станет чуть больше.

Научное сообщество сомневалось в существовании здесь какого-либо открытия. Изменение размеров стержней было настолько ничтожным, что человеческий глаз не улавливал его. Но физик разработал специальную технику, при помощи которой получил наглядные доказательства.

Позже выяснилось, что таким эффектом обладают и другие металлы, а само явление назвали магнитострикцией. Сейчас для открытия Джоуля нашли много способов применения. Например, материалом волновода для измерения уровня воды в резервуарах служат магнитострикционные металлы. Это явление используют и для изготовления меток в антикражевых системах.

Эксперименты с газом

В 40-х годах Джеймс Джоуль активно изучает свойства газа, а именно явления, связанные с его расширением и сжатием. Он проводил опыт с расширением разряженного газа, доказывая при этом, что его внутренняя энергия не зависит от объема. Важна только температура газа.

В 1848 году Джоуль впервые в истории физики измерил скорость молекул газа. Данный опыт стал ранней работой о кинетической теории газов, дав толчок для дальнейших исследований в этой области. Работу Джоуля позже продолжил шотландец Джеймс Максвелл.

За значительный научный вклад в честь английского физика была названа единица измерения работы, количества теплоты и энергии – Джоуль.

Джоуль и Томсон

Огромное влияние на деятельность Джоуля и его признание в научном мире оказал Уильям Томсон. Ученые познакомились в 1847 году, когда Джоуль представлял Британской ассоциации ученых доклад об измерениях механического эквивалента теплоты.

До Томсона Джоуля не воспринимали серьезно в научных кругах. Кто знает, может быть, мы и не узнали бы открытые им законы физики, если бы Уильям Томас не объяснил их важность «снобам» британского сообщества.

Вместе физики изучали свойства газов, открыв, что при адиабатическом дросселировании газ охлаждается. То есть температура газа (или жидкости) уменьшается во время прохождения через дроссель (изолированный клапан). Явление получило название эффекта Джоуля-Томсона. Сейчас это явление применяется для получения низких температур.

Ученые также занимались термодинамической шкалой, названной в честь титула лорда Кельвина, который принадлежал Уильяму Томсону.

Признание Джеймса Джоуля

Слава и признание все же настигли английского физика. В 50-х годах XIX века он становится членом Лондонского королевского общества и награждается Королевской медалью. В 1866 году он получает медаль Копли, а затем и медаль Альберта.

Несколько раз Джоуль становился президентом Британской научной ассоциации. Ему были присуждены научные степени доктора права в дублинском колледже, Эдинбургском и Оксфордском университетах.

В его честь установлена статуя в здании муниципалитета в Манчестере и мемориал в Вестминстерском аббатстве. На обратной стороне Луны существует кратер Джеймса Джоуля.

Заключение

Знаменитый ученый, именем которого названы законы физики и единицы измерения, мог бы и не добиться признания. Благодаря своему упорству и труду он не останавливался перед многочисленными отказами. В конце концов он доказал право на свое место под солнцем или хотя бы на лунном кратере.

Джеймс Прескотт Джоуль — Вікіпедія

Джеймс Пре́скотт Джо́уль (англ. James Prescott Joule, МФА: [ˈdʒuːl], 24 грудня 1818 — †11 жовтня 1889) — англійський фізик, що зробив значний внесок у становлення термодинаміки, і пивовар^[1].

Джоуль вивчав природу тепла і визначив кількість теплоти, що виділяється при механічній роботі. Це привело його до відкриття закону збереження енергії і, врешті, до формулювання першого закону термодинаміки. Йому також належить пріоритет (1840) у визначенні кількості теплоти, що виділяється при проходженні струму через провідник (закон Джоуля-Ленца). Джоуль відкрив явище магнітного насичення феромагнетиків (1840) і магнетострикцію (1842). Він першим обчислив швидкість руху молекул газу і встановив її залежність від температури, тиск газу вважав результатом ударів часток цього газу у стінки посудини (1848). Це поклало початок становленню кінетичної теорії газів. Разом із лордом Кельвіном він працював над розробкою абсолютної шкали температури та досліджував (1853-1854) явище охолодження газу при його повільному стаціонарному адіабатичному протіканні через пористу перегородку (ефект Джоуля-Томсона).

На його честь названа одиниця вимірювання енергії — джоуль, що застосовується у міжнародній системі СІ.

Народився Джеймс Прескотт Джоуль 24 грудня 1818 у місті Солфорд. Його батько був багатим пивоваром, тому до 15-ти років Джоуль виховувався в сім’ї і здобув домашню освіту. Протягом декількох років його вчив математиці, фізиці, основам хімії відомий фізик і хімік Джон Дальтон, під впливом якого Джоуль вже у віці 19-ти років почав експериментальні дослідження. Саме Дальтон прищепив Джоулю любов до науки і пристрасть до збору та осмислення чисельних даних, на яких засновані наукові теорії і закони. Але математична підготовка Джоуля була слабкою, що надалі дуже заважало йому в дослідженнях і, можливо, не дало йому зробити ще значніші відкриття.

У 1838 в журналі «Аннали електрики» («Annals of Electricity») з’явилася його стаття з описом електромагнітного двигуна, в 1840 він виявив ефект магнітного насичення, в 1842 — явище магнітострикції.

У Джоуля не було жодної професії і жодної іншої роботи, окрім допомоги в управлінні батьковим заводом. Аж до 1854, коли завод нарешті був проданий, Джоуль працював на ньому і уривками, ночами, займався своїми дослідами. Після 1854 року у Джоуля з’явилися і час, і кошти, щоб побудувати у власному будинку фізичну лабораторію і повністю присвятити себе експериментальній фізиці. Згодом Джоуль мав матеріальні труднощі і для продовження досліджень звернувся по фінансову допомогу до королеви Вікторії.

Дослідний прилад Джоуля для вивчення тепла, 1845

Протягом 1837–1847 років Джоуль увесь вільний час присвятив різноманітним експериментам з перетворення різних форм енергії — механічної, електричної, хімічної, — в теплову енергію. Він розробив термометри, що вимірювали температуру з точністю до однієї двохсотої градуса, що дозволило йому проводити вимірювання з найкращою для того часу точністю. Під впливом робіт Фарадея Джоуль приступив до вивчення теплових ефектів струму, результатом чого стало відкриття закону, що називається тепер законом Джоуля-Ленца. Згідно з цим законом, кількість теплоти, що виділяється у провіднику зі струмом, є пропорційною до електричного опору провідника і сили струму у квадраті.

У 1843 Джоуль зайнявся новою проблемою: доказом існування кількісного співвідношення між «силами» (як тоді називали енергію) різної природи, що приводять до виділення тепла. Перші його досліди полягали у вимірюванні кількості тепла, що виділяється в посудині з водою, в якій під дією вантажу, що опускається, обертався електромагніт, а сама посудина була поміщена в магнітне поле. У цих дослідах він уперше визначив механічний еквівалент теплоти (4,5 Дж/кал в сучасних одиницях), а в подальші роки досліджував теплові ефекти при продавлюванні рідини через вузькі отвори (1844), стисненні газу (1845) тощо. Всі ці досліди привели Джоуля до відкриття закону збереження енергії. Згодом його ім’ям була названа одиниця вимірювання всіх видів енергії (Джоуль) — механічної, теплової, електричної, випромінення тощо.

У червні 1847 року Джоуль зробив доповідь на зборах Британської асоціації учених, в якій він повідомив про найточніші вимірювання механічного еквівалента теплоти. Доповідь стала поворотним пунктом в його кар’єрі. У 1850 Джоуль був обраний членом Лондонського королівського товариства. Він став одним з найавторитетніших учених свого часу, володарем багатьох титулів та нагород.

У 1847 Джоуль познайомився з Вільямом Томсоном, відомим як лорд Кельвін, і досліджував разом з ним поведінку газів в різних умовах. Результатом цієї співпраці стало відкриття ефекту охолоджування газу при повільному адіабатичному протіканні його через пористу перегородку (ефект Джоуля — Томсона). Цей ефект використовується для зрідження газів. Крім того, Джоуль разом із лордом Кельвіном побудував термодинамічну температурну шкалу, розрахував теплоємність деяких газів, обчислив швидкість руху молекул газу і встановив її залежність від температури.

У 1854 році Джоуль продав завод, що залишився йому від батька, і цілком присвятив себе науці. Невтомно працюючи все в тій же області, Джоуль до смерті обнародував 97 наукових робіт, з яких близько 20 зроблені у співавторстві з Вільямом Томсоном і Л. Плефером; більшість з них стосується застосування механічної теорії тепла до теорії газів, молекулярної фізики і акустики і належать до класичних робіт з фізики.

Помер Джоуль в Сейлі 11 жовтня 1889 року. Він похований там же, на кладовищі району Бруклендс, на його могильній плиті вигравіюване число 772.55, що відповідає значенню механічного еквівалента теплоти у фунтах-футах на британську теплову одиницю. У Вестмінстерському абатстві є меморіал Джоуля, а в Манчестерській ратуші стоїть статуя Джоулю роботи Альфреда Гилберта.

Механічний еквівалент теплоти[ред. | ред. код]

Дослідницка установка Джоуля для визначення механічного еквівалента теплоти (1847). Вантаж, що справа, заставляв лопатв, занурені у воду, обертатись, в результаті чого вода нагрівалась

Експериментальне визначення механічного еквівалента теплоти відіграло вирішальну роль у встановленні і підтвердженні закону збереження і перетворення енергії.

Починаючи з 1843 року Джоуль шукає підтвердження принципу збереження енергії й намагається якнайточніше обчислити механічний еквівалент теплоти. У перших дослідах вимірює нагрівання рідини, у яку занурений соленоїд із залізним осердям, що обертався у магнітному полі електромагніта з проведенням вимірювань для випадків замкнутої та розімкнутої обмотки електромагніта. Згодом удосконалює експеримент, виключивши обертання уручну через урухомлення електромагніта тягарцем, що опускався. За результатами вимірювань формулює залежність^[2][3]:

Кількість теплоти, яка у стані нагріти 1 фунт води на 1 градус Фаренгейта, дорівнює і може бути перетворена у механічну силу, яка у стані підняти 838 фунтів на висоту по вертикалі в 1 фут The quantity of heat capable of raising the temperature of a pound of water by one degree of Farhenheit’s scale is equal to, and may be converted into, a mechanical force capable of raising 838 lb. to the perpendicular height of one foot.

Результати експериментів публікує у 1843 році у статті «Про тепловий ефект магнітоелектрики та механічному значенні тепла»^[4]. У 1844 році формулює перший варіант закону теплоємності складних кристалічних тіл, відомий як закон Джоуля — Коппа, який у 1864 отримав остаточне формулювання й експериментальне підтвердження у публікаціях Г. Коппа (нім. Hermann Kopp).

Згодом (1844), дослідним шляхом визначає тепловиділення при протисканні рідини через вузькі трубки, у 1845 році — визначає теплоту при стисненні газу, а у досліді 1847 року порівнює затрати енергії на обертання мішалки у рідині з теплотою, яка утворилась в результаті цього.

У працях 1847-1850 років дає точніші значення механічного еквівалента теплоти. Він скористався металевим калориметром з крильчаткою. На вал крильчатки намотувалась нитка з двома кінцями, що звисають і до яких кріпились тягарці. В експерименті визначалась кількість теплоти, що виділялась від тертя при обертанні крильчатки у рідкому середовищі. Ця кількість теплоти порівнювалась з роботою, виконаною тягарцями при опусканні.

Еволюція значень механічного еквівалента теплоти, отримана Джоулем експериментально (в футо-фунтах або футо-фунт-силі на британську теплову одиницю):

• 838 (4,51 Дж/кал), 1843;
• 770 (4,14 Дж/кал), 1844;
• 823 (4,43 Дж/кал), 1845;
• 819 (4,41 Дж/кал), 1847;
• 772,692 (4,159 Дж/кал), 1850.

Останнє значення близьке до результатів точних вимірювань, проведених у XX столітті.

Статуя Джоуля в будинку міської ради Манчестера Могила Дж. Джоуля на кладовищі району Бруклендс у Сейлі

Джоуль був членом Лондонського королівського товариства, отримав почесні звання доктора honoris causa Триніті коледжу в Дубліні (1857), Оксфордського університету (1861), Единбурзького (1871) і Лейденського (1875) університетів; у 1878 році йому призначена урядом довічна пенсія в 200 фунтів стерлінгів.

Твори Джоуля зібрані в двотомнику під назвою «Scientific papers by J. P. Joule» (2 т., Лондон, 1884-87).

Серед нагород і почестей, яких був удостоєний учений, — золота медаль Лондонського королівського товариства (1852), медаль Коплі (1866), медаль Альберта^[en] (1880). У 1872 і 1877 Джоуль був обраний президентом Британської асоціації з розповсюдження наукових знань.

На честь фізика названо астероїд 12759 Джоуль^[6]

З 97-ми опублікованих наукових праць значна частина робіт присвячена удосконаленню дослідницької та вимірювальної апаратури. Опубліковані статті зібрані у двотомнику, що виданий Фізичним товариством у Лондоні (1884—1887)^[7][8] й перекладені у 1872 році Германом Шпренгелем німецькою. Основні праці:

• Joule, J. P. On Electro-Magnetic Forces // Annals of Electricity. — 1838. — Т. V. — С. 187. — «Про електромагнітні сили».
• Joule, J. P. On the Producing of Heat by Voltaic Electricity // Proceedings of the Royal Society. — 1840 (December, 17). — «Про виділення тепла електрикою».
• Joule, J. P. On New Class of Magnetic Forces // Annals of Electricity. — 1841. — Т. VIII. — С. 219. — «Про новий клас магнітних сил».
• Joule, J. P. On the Electric Origin of the Heat of Combustion // Philosophical Magazine Series 3. — 1841. — Т. XX. — С. 98. — «Про електричну природу тепла згоряння».
• Joule, J. P. On the Electrical Origin of Chemical Heat // Philosophical Magazine Series 3. — 1843. — Т. XXII. — С. 204. — «Про електричну природу хімічного тепла».
• Joule, J. P. On the Heat evolved during the Electrolysis of Water // Memoirs of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1843. — Т. VII. — С. 87. — «Про тепло, зо виділяється при електролізі води».
• Joule, J. P. On the Calorific Effects of Magneto-Electricity, and on the Mechanical Value of Heat // Philosophical Magazine Series 3. — 1843. — Т. XXIII. — С. 263, 347, 435. — «Про тепловий ефект магнітоелектрики й про механічний еквівалент тепла».
• Joule, J. P. On the Changes of Temperature Produced by the Rarefaction and Condensation of Air // Philosophical Magazine Series 3. — 1845. — Т. XXVI. — С. 369. — «Про змінени температури при розрідженні та конденсації повітря».
• Joule, J. P. On the Existence of an Equivalent Relation between Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power // Philosophical Magazine Series 3. — 1845. — Т. XXVII. — С. 205. — «Про існування еквівалентного співвідношення між теплом і звичайними формами механічної енергії».
• Joule, J. P. On the Mechanical Equivalent of Heat, as determined from the Beat evolved by the Agitation of Liquids. // Reports of British Association. — 1847. — С. 55. — «Про механічний еквівалент тепла, визначений за тертям, що виникає при перемішуванні рідин».
• Joule, J. P. On Matter, Living Force, and Heat // Manchester Courier. — 1848 (May, 5). — «Про матерію, живу силу й теплоту».
• Joule, J. P. On the Mechanical Equivalent of Heat, and on the Constitution of the Elastic Fluids. // Reports of British Association. — 1848. — С. 21. — «Про механічний еквівалент тепла й про будову пружних рідин».
• Joule, J. P. On Mechanical Appearnce of Lighting // Philosophical Magazine Series 3. — 1850. — Т. XXXVII. — С. 127. — «Про механічне явище світіння».
• Joule, J. P. On the Heat disengaged in Chemical Combinations // Philosophical Magazine Series 4. — 1852. — Т. III. — С. 481. — «Про тепло, яке вивільняється при хімічних реакціях».
• Joule, J. P. On the Fusion of Metals by Voltage Electricity // Manchester Memoirs. — 1856. — Т. XIV. — С. 173. — «Про плавлення металів електрикою».
• Joule, J. P.,. On an Improved Galvanometer // Philosophical Magazine Series 4. — 1857. — Т. XV. — С. 432. — «Про удосконалений гальванометр».
• Joule, J. P.,. On some Thermo-Dynamic Properties of Solids // Philosophical Transactions. — 1859. — Т. CXLIX. — С. 91. — «Про деякі термодинамічні властивості твердих тіл».
• Joule, J. P.,. On Thermal Effects of Compressing Fluids // Philosophical Transactions. — 1859. — Т. CXLIX. — С. 133. — «Про температурні ефекти при стисканні рідин».
• Joule, J. P. On a Sensitive Barometer // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1863. — Т. III. — С. 47. — «Про чутливий барометр».
• Joule, J. P. On an Apparcctus for determining the Horizontal Magnetic Intensity in Absolute Measure // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1867. — Т. VI. — С. 129. — «Про прилад для визначення горизонтальної напруженості магнітного поля в абсолютних величинах».
• Joule, J. P. On the Alleged Action of Cold in rendering Iron and Steel brittle // Proceedings of the Manchester Literary and Philosophical Society. — 1871. — Т. X. — С. 91. — «Про передбачуваний вплив холоду на підвищення крихкості чавуну і сталі».

• Joule J. P. The Scientific Papers of James Prescott Joule. — London: Dawsons of Pall Mall, 1963.
• Classic papers of 1845 and 1847 at ChemTeam website On the Mechanical Equivalent of Heat and On the Existence of an Equivalent Relation between Heat and the ordinary Forms of Mechanical Power
• Joule’s paddle-wheel apparatus at London Science Museum
• Some Remarks on Heat and the Constitution of Elastic Fluids, Joule’s 1851 estimate of the speed of a gas molecule.
• University of Manchester material on Joule — includes photographs of Joule’s house and gravesite
• Dictionary of National Biography (1892) — entry for Joule
• Dr. Joule. Electrical Engineer (London) (October 18): 311 – 312. 1889. Процитовано 2008-05-16. — obituary with brief comment on Joule’s family
• Джоуль Дж. Об определении механического эквивалента тепла. — В сб.: Классики физической науки. М., 1983.
• Храмов Ю. А. История физики. — К. : Фенікс, 2006. — 1176 с. — ISBN 966-651-320-X.
• Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. — К. : Наукова думка, 1977. — 512 с.
• Голин Г. М., Филонович С. Р. Джоуль. Об определении механического эквивалента тепла (предисловие) // Классики физической науки. — М. : Высшая школа, 1989. — С. 382—385. — 50 000 прим. — ISBN 5-06-000058-3.