Закон Джоуля — Ленца — Вікіпедія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Закон Джо́уля — Ле́нца — фізичний закон, що дає кількісну оцінку теплової дії електричного струму. Закон був експериментально встановлений у 1840 році англійським фізиком Джеймсом Прескоттом Джоулем і незалежно від нього російським вченим Еміліем Ленцом в 1842 році^[1].

Фізичною природою виділення тепла при проходженні струму через провідник є те, що потенціальна енергія носіїв заряду, які подолали ділянку кола зменшується, а кінетична енергія залишається в середньому однаковою на початку й у кінці шляху. Втрачена носіями заряду енергія дисипує, тобто передається коливанням атомів провідника і переходить у тепло.

Формулювання закону звучить наступним чином:

Кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом, пропорційна силі струму, напрузі і часу проходження струму через провідник.

Математичний запис закону:

Q=IUt{\displaystyle Q=IUt},

де I{\displaystyle I} — сила струму, U{\displaystyle U} — cпад напруги на ділянці кола, t{\displaystyle t} — час проходження струму.

Застосувавши закон Ома для ділянки кола, закон Джоуля-Ленца можна записати як

Q=I2Rt{\displaystyle Q=I^{2}Rt},

де R{\displaystyle R} — опір провідника.

Закон Джоуля-Ленца в диференційній формі[ред. | ред. код]

Закон Джоуля-Ленца можна записати також для елементарного об’єму провідника dV=ds⋅dl{\displaystyle \!dV=ds\cdot dl}, в якому за час dt{\displaystyle dt} виділятиметься теплота:

dQ=(dI)2RdVdt{\displaystyle \!dQ=(dI)^{2}R_{dV}{dt}}

де RdV{\displaystyle \!R_{dV}} — опір елементарного об’єму, а dI{\displaystyle dI} — елементарна сила струму, що протікає через елемент поверхні площею ds{\displaystyle ds}

RdV=ρdlds{\displaystyle \!R_{dV}=\rho {\frac {dl}{ds}}},

де ρ{\displaystyle \rho } — питомий опір.

З закону Ома j=σE{\displaystyle \!j=\sigma E}. З другого боку,

dI=jds=σEds{\displaystyle \!dI=jds=\sigma Eds},

де σ{\displaystyle \sigma } — електропровідність, а E{\displaystyle \!E} — напруженість електричного поля.

ρ=1σ{\displaystyle \!\rho ={\frac {1}{\sigma }}}

dQ=σ2E2ds2ρdldsdt{\displaystyle \!dQ=\sigma ^{2}E^{2}{ds}^{2}\rho {\frac {dl}{ds}}dt}

dQ=σE2dVdt{\displaystyle \!dQ=\sigma E^{2}dVdt}

Ввівши поняття елементарної питомої потужності струму — кількості теплоти, що виділяється в одиниці об’єму за одиницю часу, можна записати:

ω=dQdVdt{\displaystyle \!\omega ={\frac {dQ}{dVdt}}}.

Тоді

ω=σE2{\displaystyle \!\omega =\sigma E^{2}}.

Питома теплова потужність струму дорівнює добутку провідності на квадрат напруженості.

Зниження втрат енергії[ред. | ред. код]

При передаванні електроенергії теплова дія струму є небажаною, оскільки це призводить до втрат енергії. Оскільки потужність, що передається, лінійно залежить як від напруги, так і від сили струму, а потужність нагріву залежить від сили струму квадратично, то вигідно підвищувати напругу перед передачею електроенергії, знижуючи при цьому силу струму. Однак, підвищення напруги знижує електробезпеку ліній електропередачі.

Електронагрівальні прилади[ред. | ред. код]

В основі роботи багатьох електронагрівальних приладів лежить закон Джоуля — Ленца. Такі прилади використовують нагрівальний елемент, що є провідником з високим опором. Підвищення опору досягається вибором сплаву з високим питомим опором (наприклад, ніхрому, константану), збільшенням довжини провідника і зменшенням його поперечного перерізу.

Плавкі запобіжники[ред. | ред. код]

Для захисту електричних кіл від протікання надмірно великих струмів використовується відрізок провідника зі спеціальними характеристиками. Це провідник малого перерізу і виготовлений з такого сплаву, що при допустимому струмі нагрів провідника не перегріває його, а при надмірно великих струмах перегрів провідника стає настільки значним, що провідник розплавлюється і розмикає коло.

1. ↑ Закон Джоуля — Ленца // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1972. — Т. 8 : Дебитор — Евкалипт. — 592 с. (рос.)

Закон Джоуля-Ленца | Практическая электроника

Электричество – неотъемлемый признак нашей эпохи. Абсолютно всё вокруг завязано на нём. Любой современный человек, даже без технического образования, знает, что электрический ток, текущий по проводам, способен в некоторых случаях нагревать их, зачастую до очень высоких температур. Казалось бы, это заведомо всем известно и не стоит упоминания. Однако, как объяснить это явление? Почему и как происходит нагрев проводника?

Опыты Ленца

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать  электрические цепи. В 1832 году  Эмилий Ленц “застрял” с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи “источник энергии – проводник – потребитель энергии” сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что  существует некая  зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением  и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало – невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший “нагреватель” – стеклянная ёмкость, в которой находился  спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена  были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося  раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся – тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Формула Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на  всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что

Q=I²Rt

где

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

Из формулы также следует –  чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление  0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге –  подгорание с последующим пропаданием контакта.

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины – первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна , данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.

Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную  колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали  незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку

Заключение

Таки образом, можно сказать что на законе Джоуля-Ленца держится чуть ли не вся электрика и электротехника. Открыв этот закон, появилась возможность уже заранее предсказать  некоторые будущие проблемы в освоении электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери  нужно занизить передаваемый ток, компенсируя это высоким напряжением. А уже на оконечном потребителе, понижать напряжение и получать более высокий ток.

Закон Джоуля-Ленца неотступно следует из одной эпохи технологического развития  в другую. Даже сегодня мы постоянно наблюдаем его в быту – закон проявляется всюду, и не всегда люди ему рады. Сильно греющийся процессор персонального компьютера, пропадание света из-за обгоревшей скрутки  «медь-алюминий»,выбитая вставка-предохранитель, выгоревшая из-за высокой нагрузки электропроводка – всё это тот самый закон Джоуля-Ленца.

Формула закона Джоуля-Ленца

☰

При прохождении электрического тока по проводнику происходит нагревание проводника. Можно сказать, что работа электрического тока тратится исключительно на увеличение внутренней энергии проводника, т. е. на тепло. Тогда, исходя из закона сохранения энергии, следует, что A = Q.

Причина нагревания проводника связана с взаимодействием движущихся электронов с ионами кристаллической решетки. В результате ионы в узлах кристаллической решетки начинают быстрее колебаться, т. е. их кинетическая энергия возрастает. В растворах электролитов перемещаются сами ионы.

Ученые Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц независимо друг от друга открыли опытным путем, что количество теплоты, выделяемой проводником при прохождении через него электрического тока, равно силе тока в квадрате, умноженной на сопротивление проводника и на время прохождения тока:

Q = I²Rt

Именно эта закономерность называется законом Джоуля-Ленца. Хотя эти ученые вывели закон с помощью опытов, его формулу можно вывести из современных знаний об электричестве.

Работа по перемещению заряда q находится как произведение q на напряжение на участке цепи:

A = qU

В свою очередь перемещение заряда равно произведению силы тока в проводнике на время действия этого тока:

q = It

Если подставить в формулу работы вместо q его выражение через силу тока и время, то получим

A = ItU

Напряжение также можно выразить через силу тока (по закону Ома: I = U/R). Оно равно произведению силы тока на сопротивление проводника:

U = IR

Подставим в формулу работы вместо напряжения его выражение через силу тока и сопротивление:

A = ItIR или A = I²Rt

Поскольку A = Q, то и

Q = I²Rt

Единицей измерения теплоты является джоуль (Дж). В формуле закона Джоуля-Ленца IR — это напряжение (U), которое измеряется в вольтах (В), I — сила тока, измеряемая в амперах (A), t — время в секундах. Тогда получается, что

1 Дж = 1 В * 1 A * 1 c

Закон Джоуля – Ленца в физике

При течении электрического тока по проводнику выделяется энергия. Она зависит от рода физических факторов, которые вызывают падение потенциала. Если потенциал изменяется на сопротивлении проводника, то прохождение тока вызывает выделение тепла. Закон был открыт в 1841 г. Джоулем, Ленц провел его исследования.

Формулировка закона Джоуля – Ленца в интегральной форме

Если проводники в цепи не движутся, сила тока является постоянной величиной, то количество тепла (Q), которое выделяется на проводнике за счет тока пропорционально величине силы этого тока (I), времени его течения (t) и падению напряжения (U). В интегральной форме Закон Джоуля — Ленца записывают как:

где — напряжение на концах проводника.

Этот же закон, применяя закон Ома для участка цепи можно записать в виде:

В том случае, если сила тока в проводнике является переменной, то закон Джоуля — Ленца применяют, разбивая отрезок времени наблюдения на малые части (), когда силу тока можно считать постоянной величиной:

Формулировка закона Джоуля – Ленца в дифференциальной форме

Плотность тепловой мощности тока () (или удельное количество тепла или удельная мощность тепловыделения) равна произведению квадрата плотности тока () на удельное сопротивление проводника (). В математическом виде закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме запишем как:

где — тепло, которое выделяется в единице объема проводника в единицу времени.

В дифференциальной форме (4) закон Джоуля — Ленца не зависит от рода сил, которые вызывают ток, следовательно, это наиболее общий закон. Если сила, действующая на заряженные частицы, имеет только электрическую природу, то выражение (4) можно представить как:

где — удельная проводимость вещества, — вектор напряженности в данной точке поля.

Примеры решения задач