Hukum kemalasan secara singkat. Hukum termal Joule-Lenz

Hukum fisika memperkirakan aksi termal arus listrik. Hukum Joule-Lenz ditemukan pada tahun 1841 oleh James Joule dan pada tahun 1842, cukup independen oleh Emil Lenz.

seperti yang sudah kita ketahui, ketika elektron bebas bergerak di sepanjang konduktor, ia harus mengatasi hambatan material. Selama pergerakan muatan ini, tumbukan konstan atom dan molekul materi terjadi. Dalam hal ini, energi gerakan dan resistensi diubah menjadi panas. Ketergantungannya saat ini pertama kali dijelaskan oleh dua ilmuwan independen, James Joule dan Emil Lenz. Karena itu, undang-undang itu mendapat nama ganda.

Definisi, jumlah panas yang dilepaskan per satuan waktu di bagian tertentu dari rangkaian listrik berbanding lurus dengan produk kuadrat kekuatan arus di bagian ini dan resistansinya.

Secara matematis, rumus tersebut dapat ditulis sebagai:

Q \u003d a × I 2 × R × t

di mana Q- jumlah panas yang dihasilkan, sebuah- koefisien panas (biasanya dianggap sama dengan 1 dan tidak diperhitungkan), Saya- kekuatan saat ini, R adalah hambatan bahan, t- waktu arus mengalir melalui konduktor. Jika faktor panas a = 1, kemudian Q diukur dalam joule. Jika a = 0,24, kemudian Q diukur dalam kalori kecil.

Setiap konduktor selalu memanas jika arus mengalir melaluinya. Tetapi penghantar yang terlalu panas sangat berbahaya, karena tidak hanya dapat merusak peralatan elektronik, tetapi juga menyebabkan kebakaran. Misalnya, jika terjadi korsleting, panas berlebih pada bahan konduktor sangat besar. Oleh karena itu, untuk melindungi dari korsleting dan panas berlebih di sirkuit elektronik komponen radio khusus ditambahkan - sekering. Untuk pembuatannya, bahan digunakan yang dengan cepat meleleh dan menghilangkan energi sirkuit suplai ketika arus mencapai nilai maksimum. Sekering harus dipilih sesuai dengan luas penampang konduktor.

Hukum Joule-Lenz relevan untuk konstanta dan arus bolak-balik. Menurutnya, banyak perangkat pemanas yang berbeda berfungsi. Lagi pula, semakin tipis konduktor, semakin banyak arus yang melewatinya selama periode waktu yang lebih lama, lebih banyak kuantitas panas menonjol sebagai akibat dari ini.

Saya harap Anda ingat untuk mengingat bahwa arus bergantung pada tegangan. Timbul pertanyaan kenapa laptop tidak panas seperti setrika? Karena pada bagian dasarnya terdapat kawat spiral yang terbuat dari baja yang memiliki hambatan yang rendah. Ditambah sol baja, sehingga setrika memanas hingga suhu tinggi, dan kita bisa menyetrikanya.

A memiliki pengatur tegangan yang menurunkan 220 volt menjadi 19 volt. Plus, resistansi semua sirkuit dan komponen cukup tinggi. Selain itu, untuk pendinginan ada pendingin dan radiator termal tembaga.

Pekerjaan hukum Joule-Lenz terlihat jelas dalam praktik. Paling contoh terkenal aplikasinya adalah lampu pijar biasa atau, di mana filamen bersinar karena aliran arus tegangan tinggi yang melewatinya.

Berdasarkan hukum Joule-Lenz, ini juga berfungsi, di mana pembuatan sambungan las dilakukan dengan memanaskan logam, karena arus yang melewatinya dan deformasi bagian yang dilas dengan kompresi.

Pengelasan busur listrik, juga berfungsi prinsip fisika hukum Joule-Lenz. Untuk melakukan pekerjaan pengelasan elektroda dipanaskan sedemikian rupa sehingga busur las muncul di antara mereka. Memengaruhi busur volta ditemukan oleh ilmuwan Rusia V.V. Petrov, menggunakan prinsip penutupan Joule-Lenz.

Selain rumus matematika, hukum ini juga memiliki bentuk diferensial. Misalkan arus mengalir melalui konduktor tetap dan semua pekerjaannya dihabiskan hanya untuk pemanasan. Kemudian, menurut hukum kekekalan energi, kita memperoleh ekspresi matematis berikut.

Energi dari gerakan terarah partikel bermuatan dihabiskan untuk memanaskan kisi kristal konduktor.

2. Berapakah jumlah kalor yang diterima oleh kisi kristal konduktor dari partikel bermuatan yang bergerak searah?

Jumlah panas yang diterima sel kristal, sama dengan kerja arus listrik.

3. Merumuskan hukum Joule-Lenz. Tuliskan ekspresi matematikanya.

Jumlah panas yang dilepaskan dalam konduktor berbanding lurus dengan kuadrat arus, resistansi konduktor dan

waktu lewatnya arus melalui konduktor.

4. Menentukan kekuatan arus listrik. Berikan rumus untuk menghitung kekuatan ini.

Daya arus listrik - kerja Medan listrik, dilakukan selama gerakan teratur partikel bermuatan di sepanjang konduktor, terkait dengan waktu selama pekerjaan ini dilakukan.

5. Bagaimana daya yang dilepaskan dalam penghantar berarus bergantung pada jenis sambungannya?

Jika penghantar dirangkai seri, maka daya berbanding lurus dengan hambatannya. Jika sejajar, maka daya berbanding terbalik dengan hambatannya.

YouTube ensiklopedis

1 / 3

Pelajaran 254 Usaha dan daya arus listrik

hukum Joule-Lenz. Bagian 1

Pelajaran 255

Subtitle

definisi

Dalam istilah verbal, kedengarannya seperti ini

Daya kalor yang dilepaskan per satuan volume medium selama aliran arus listrik searah sebanding dengan hasil kali rapat arus listrik dan kuat medan listrik

Secara matematis dapat dinyatakan dalam bentuk berikut:

w = j → E → = E 2 (\displaystyle w=(\vec (j))\cdot (\vec (E))=\sigma E^(2))

di mana w (\gaya tampilan w)- kekuatan pelepasan panas per satuan volume, j → (\displaystyle (\vec (j)))- kepadatan, listrik, arus, E → (\displaystyle (\vec (E)))- intensitas, medan listrik, σ adalah konduktivitas medium, dan titik menunjukkan produk skalar.

Hukum juga dapat dirumuskan dalam bentuk integral untuk kasus aliran arus dalam kawat tipis:

Dalam bentuk integral, hukum ini memiliki bentuk

d Q = I 2 R d t (\displaystyle dQ=I^(2)Rdt) Q = t 1 t 2 I 2 R d t (\displaystyle Q=\int \limits _(t_(1))^(t_(2))I^(2)Rdt)

di mana dQ- jumlah panas yang dilepaskan selama periode waktu dt, Saya- kekuatan saat ini, R- perlawanan, Q adalah jumlah total panas yang dilepaskan selama selang waktu dari t1 sebelum t2. Dalam kasus arus dan hambatan konstan:

Q = I 2 R t (\displaystyle Q=I^(2)Rt)

Dan menerapkan hukum Ohm, Anda bisa mendapatkan rumus setara berikut:

Q = V 2 t / R = I V t (\displaystyle Q=V^(2)t/R\ =IVt)

Nilai praktis

Pengurangan kehilangan energi

Saat mentransmisikan listrik, efek termal dari arus dalam kabel tidak diinginkan, karena menyebabkan hilangnya energi. Kabel suplai dan beban dihubungkan secara seri, yang berarti bahwa arus dalam jaringan Saya (\gaya tampilan I) pada kabel dan beban adalah sama. Daya beban dan resistansi kawat tidak boleh bergantung pada pilihan sumber tegangan. Daya yang dihamburkan pada kabel dan beban ditentukan oleh rumus berikut:

Q w = R w I 2 (\displaystyle Q_(w)=R_(w)\cdot I^(2)) Q c = V c I (\displaystyle Q_(c)=V_(c)\cdot I)

Darimana jadinya? Q w = R w Q c 2 / V c 2 (\displaystyle Q_(w)=R_(w)\cdot Q_(c)^(2)/V_(c)^(2)). Karena dalam setiap kasus, daya beban dan resistansi kawat tetap tidak berubah dan ekspresi R w Q c 2 (\displaystyle R_(w)\cdot Q_(c)^(2)) adalah konstan, maka panas yang dihasilkan pada kawat berbanding terbalik dengan kuadrat tegangan pada konsumen. Dengan meningkatkan tegangan, kami mengurangi kehilangan panas di kabel. Ini, bagaimanapun, mengurangi keamanan listrik dari saluran transmisi.

Pemilihan kabel untuk sirkuit

Panas yang dihasilkan oleh konduktor pembawa arus, sampai tingkat tertentu, dilepaskan dalam lingkungan. Jika kekuatan arus pada konduktor yang dipilih melebihi nilai maksimum tertentu yang diizinkan, pemanasan kuat seperti itu dimungkinkan sehingga konduktor dapat memicu api pada benda di dekatnya atau melelehkan dirinya sendiri. Sebagai aturan, ketika memilih kabel yang dimaksudkan untuk merakit sirkuit listrik, cukup mengikuti yang diterima dokumen peraturan, yang mengatur pilihan penampang konduktor.

Pemanas listrik

Jika kekuatan arus sama di seluruh rangkaian listrik, maka di area yang dipilih, semakin banyak panas yang dilepaskan, semakin tinggi resistansi bagian ini.

Dengan sengaja meningkatkan resistansi bagian sirkuit, pembangkitan panas lokal di bagian ini dapat dicapai. Prinsip ini bekerja pemanas listrik. Mereka menggunakan elemen pemanas- konduktor dengan resistansi tinggi. Peningkatan resistensi dicapai (bersama-sama atau secara terpisah) dengan memilih paduan dengan resistivitas tinggi (misalnya nichrome, constantan), meningkatkan panjang konduktor dan menguranginya persilangan. Kabel timah biasanya memiliki resistansi rendah dan oleh karena itu pemanasannya biasanya tidak terlihat.

sekering

Untuk melindungi sirkuit listrik dari aliran arus yang terlalu besar, sepotong konduktor dengan karakteristik khusus digunakan. Ini adalah konduktor dengan penampang yang relatif kecil dan terbuat dari paduan sedemikian rupa sehingga, pada arus yang diizinkan, pemanasan konduktor tidak terlalu panas, dan pada konduktor yang terlalu panas terlalu signifikan sehingga konduktor meleleh dan membuka sirkuit.

Isi:

Fisikawan Rusia terkenal Lenz dan fisikawan Inggris Joule, yang melakukan eksperimen pada studi efek termal arus listrik, secara independen menurunkan hukum Joule-Lenz. Hukum ini mencerminkan hubungan antara jumlah panas yang dilepaskan dalam konduktor dan arus listrik yang melewati konduktor ini untuk jangka waktu tertentu.

Sifat arus listrik

Ketika arus listrik melewati konduktor logam, elektronnya terus-menerus bertabrakan dengan berbagai partikel asing. Ini bisa berupa molekul netral biasa atau molekul yang kehilangan elektron. Sebuah elektron dalam proses pergerakan dapat memisahkan satu elektron lagi dari molekul netral. Akibatnya, energi kinetiknya hilang, dan bukannya molekul, ion positif terbentuk. Dalam kasus lain, elektron, sebaliknya, bergabung dengan ion positif dan membentuk molekul netral.

Dalam proses tumbukan elektron dan molekul, energi dikonsumsi, yang kemudian berubah menjadi panas. Pengeluaran sejumlah energi dikaitkan dengan semua gerakan di mana seseorang harus mengatasi resistensi. Pada saat ini, usaha yang dikeluarkan untuk mengatasi hambatan gesek diubah menjadi energi panas.

Rumus dan definisi hukum Joule Lenz

Menurut hukum Lenz Joule, arus listrik yang melewati suatu penghantar disertai dengan jumlah panas yang berbanding lurus dengan kuadrat arus dan hambatannya, serta waktu yang diperlukan arus ini untuk mengalir melalui penghantar tersebut. .

Dalam bentuk rumus, hukum Joule-Lenz dinyatakan sebagai berikut: Q \u003d I 2 Rt, di mana Q menampilkan jumlah panas yang dilepaskan, I - , R adalah resistansi konduktor, t adalah periode waktu. Nilai "k" adalah ekuivalen termal kerja dan digunakan dalam kasus di mana jumlah panas diukur dalam kalori, kekuatan arus - , hambatan - dalam ohm, dan waktu - dalam detik. Nilai numerik k adalah 0,24, yang sesuai dengan arus 1 ampere, yang, dengan resistansi konduktor 1 ohm, melepaskan sejumlah panas yang sama dengan 0,24 kkal selama 1 detik. Oleh karena itu, untuk menghitung jumlah kalor yang dilepaskan dalam kalori, digunakan rumus Q = 0,24I 2 Rt.

Saat menggunakan sistem satuan SI, jumlah panas diukur dalam joule, sehingga nilai "k", dalam kaitannya dengan hukum Joule-Lenz, akan sama dengan 1, dan rumusnya akan terlihat seperti: Q \u003d saya 2 Rt. Menurut I = U/R. Jika nilai arus ini disubstitusikan ke dalam rumus utama, maka akan berbentuk sebagai berikut: Q \u003d (U 2 / R) t.

Rumus Dasar Q = I 2 Rt sangat nyaman digunakan saat menghitung jumlah panas yang dilepaskan dalam kasus sambungan seri. Kekuatan arus di semua konduktor akan sama. Pada koneksi serial beberapa konduktor sekaligus, masing-masing akan melepaskan begitu banyak panas, yang akan sebanding dengan resistansi konduktor. Jika tiga kawat tembaga, besi, dan nikel identik dihubungkan secara seri, maka jumlah panas maksimum yang akan dilepaskan paling akhir. Hal ini disebabkan oleh resistensi spesifik tertinggi dari nikel dan pemanasan yang lebih kuat dari kawat ini.

Pada koneksi paralel penghantar yang sama, nilai kuat arus listrik pada masing-masing penghantar tersebut akan berbeda, dan tegangan pada ujungnya akan sama. Dalam hal ini, rumus Q \u003d (U 2 / R) t lebih cocok untuk perhitungan. Banyaknya kalor yang dilepaskan oleh suatu penghantar akan berbanding terbalik dengan konduktivitasnya. Dengan demikian, hukum Joule-Lenz banyak digunakan untuk menghitung instalasi penerangan listrik, berbagai perangkat pemanas dan pemanas, serta perangkat lain yang terkait dengan konversi energi listrik menjadi termal.

hukum Joule-Lenz. Usaha dan daya arus listrik

Jumlah panas yang dilepaskan per satuan waktu di bagian sirkuit yang dipertimbangkan sebanding dengan produk kuadrat kekuatan arus di bagian ini dan resistansi bagian

Hukum Joule Lenz dalam bentuk integral pada kawat tipis:

Jika kekuatan arus berubah seiring waktu, konduktor itu diam dan tidak ada transformasi kimia di dalamnya, maka panas dilepaskan di dalam konduktor.

- Daya kalor yang dilepaskan per satuan volume medium selama aliran arus listrik sebanding dengan hasil kali rapat arus listrik dan besar medan listrik

Konversi energi listrik menjadi energi panas banyak digunakan dalam oven listrik dan berbagai pemanas listrik. Efek yang sama pada mesin dan perangkat listrik menyebabkan biaya energi yang tidak disengaja (kehilangan energi dan pengurangan efisiensi). Panas, dengan menyebabkan perangkat ini memanas, membatasi bebannya; Jika terjadi kelebihan beban, peningkatan suhu dapat merusak insulasi atau memperpendek masa pakai instalasi.

Dalam rumus yang kami gunakan:

Kuantitas panas

Kerja saat ini

Tegangan konduktor

Arus di konduktor

Jarak waktu