Opór przewodnika przez ciepło. Prawo Joule'a-Lenza

Prawo Joule'a-Lenza to prawo fizyki określające ilościową miarę oddziaływania termicznego prąd elektryczny. Prawo to zostało sformułowane w 1841 r. przez angielskiego naukowca D. Joule'a i całkowicie oddzielnie od niego w 1842 r. Przez słynnego rosyjskiego fizyka E. Lenza. Dlatego otrzymał swoje podwójne imię - prawo Joule-Lenza.

Definicja prawa i formuła

Sformułowanie słowne jest następujące: moc ciepła uwalnianego w przewodzie podczas przepływu przez niego jest proporcjonalna do iloczynu wartości gęstości pole elektryczne do wartości napięcia.

Matematycznie prawo Joule'a-Lenza wyraża się następująco:

ω = j E = ϭ E²,

gdzie ω to ilość ciepła uwalnianego w jednostkach. Tom;

E i j są odpowiednio siłą i gęstością pól elektrycznych;

σ jest przewodnością ośrodka.

Fizyczne znaczenie prawa Joule-Lenza

Prawo to można wyjaśnić w następujący sposób: prąd płynący przez przewodnik jest przemieszczeniem ładunek elektryczny pod wpływem . W ten sposób, pole elektryczne robi trochę pracy. Ta praca jest poświęcana na ogrzewanie przewodnika.

Innymi słowy, energia zamienia się w swoją inną jakość - ciepło.

Nie można jednak dopuścić do nadmiernego nagrzewania się przewodów prądem i osprzętem elektrycznym, ponieważ może to prowadzić do ich uszkodzenia. Poważne przegrzanie jest niebezpieczne w przypadku przewodów, gdy przez przewody mogą przepływać wystarczająco duże prądy.

W formie integralnej do cienkich przewodów Prawo Joule'a-Lenza brzmi tak: ilość ciepła uwalnianego w jednostce czasu w sekcji rozważanego obwodu jest określana jako iloczyn kwadratu natężenia prądu i rezystancji sekcji.

Matematycznie sformułowanie to wyraża się następująco:

Q = ∫ k I² R t,

w tym przypadku Q to ilość uwolnionego ciepła;

ja to aktualna wartość;

R jest czynną rezystancją przewodów;

t to czas ekspozycji.

Wartość parametru k nazywa się zwykle termicznym ekwiwalentem pracy. Wartość tego parametru określa się w zależności od liczby cyfr jednostek, w których dokonywane są pomiary wartości użytych we wzorze.

Prawo Joule'a-Lenza ma dość ogólny charakter, ponieważ nie zależy to od charakteru sił generujących prąd.

Z praktyki można argumentować, że dotyczy to zarówno elektrolitów, jak i przewodników i półprzewodników.

Obszar zastosowań

W życiu codziennym prawo Joule'a Lenza ma bardzo wiele obszarów zastosowania. Na przykład żarnik wolframowy w lampie żarowej, łuk w spawaniu elektrycznym, żarnik grzejny w nagrzewnicy elektrycznej i inne. itd. Jest to najszerzej akceptowane prawo fizyczne w Życie codzienne.

Jednocześnie, ale niezależnie od siebie, kto odkrył je w 1840 r.) jest prawem, które określa ilościowo efekt cieplny prądu elektrycznego.

Gdy prąd przepływa przez przewodnik, następuje przekształcenie energia elektryczna w ciepło, a ilość uwolnionego ciepła będzie równa pracy sił elektrycznych:

Q = W

Prawo Joule'a-Lenza: ilość ciepła wytworzonego w przewodniku jest wprost proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu, rezystancji przewodnika i czasu jego przejścia.

Wartość praktyczna

Redukcja strat energii

Podczas przesyłania energii elektrycznej efekt cieplny prądu jest niepożądany, ponieważ prowadzi do strat energii. Ponieważ przesyłana moc zależy liniowo zarówno od natężenia napięcia, jak i prądu, a moc grzewcza zależy kwadratowo od natężenia prądu, korzystne jest zwiększenie napięcia przed przesłaniem energii elektrycznej, co w rezultacie zmniejsza natężenie prądu. Zwiększenie napięcia zmniejsza bezpieczeństwo elektryczne linii energetycznych. W przypadku stosowania w obwodzie wysokiego napięcia, w celu utrzymania tej samej mocy odbiornika, konieczne będzie zwiększenie rezystancji odbiornika (zależność kwadratowa. 10V, 1 Ohm = 20 V, 4 Ohm). Przewody zasilające i odbiornik są połączone szeregowo. Rezystancja drutu ( r w) jest stała. Ale opór konsumenta ( r C) wzrasta, gdy w sieci zostanie wybrane wyższe napięcie. Wzrasta również stosunek rezystancji konsumenta do rezystancji przewodów. Gdy rezystancje są połączone szeregowo (przewód - odbiorca - przewód), rozkład uwalnianej mocy ( Q) jest proporcjonalna do rezystancji podłączonych rezystancji. ; ; ; prąd w sieci dla wszystkich rezystancji jest stały. Dlatego mamy relację Q C / Q w = r C / r w ; Q C I r w są stałymi (dla każdego Szczególnym zadaniem). Zdefiniujmy to. W konsekwencji moc uwalniana na przewodach jest odwrotnie proporcjonalna do rezystancji konsumenta, to znaczy maleje wraz ze wzrostem napięcia. dlatego . (Q C- stała); Łączymy dwie ostatnie formuły i wyprowadzamy to; dla każdego konkretnego zadania jest stała. Dlatego ciepło wytwarzane na przewodzie jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu napięcia na odbiorniku, a prąd płynie równomiernie.

Dobór przewodów do obwodów

Ciepło wytwarzane przez przewodnik przewodzący prąd jest w takim czy innym stopniu uwalniane w środowisko. W przypadku, gdy natężenie prądu w wybranym przewodniku przekroczy pewną maksymalną dopuszczalną wartość, możliwe jest tak silne nagrzewanie, że przewodnik może wywołać pożar w pobliskich obiektach lub sam się stopić. Z reguły przy montażu obwodów elektrycznych wystarczy postępować zgodnie z przyjętymi dokumenty regulacyjne, które regulują w szczególności dobór przekroju przewodów.

Grzejniki elektryczne

Jeśli natężenie prądu jest takie samo w całym obwodzie elektrycznym, to w dowolnym wybranym obszarze, im więcej ciepła zostanie uwolnione, tym wyższa rezystancja tej sekcji.

Poprzez celowe zwiększenie rezystancji odcinka obwodu można uzyskać zlokalizowane wytwarzanie ciepła w tym odcinku. Ta zasada działa grzejniki elektryczne. Oni używają element grzejny - przewodnik o dużej rezystancji. Wzrost rezystancji uzyskuje się (łącznie lub oddzielnie) wybierając stop o wysokiej rezystywności (np. nichrom, konstantan), zwiększając długość przewodnika i zmniejszając jego przekrój. Przewody ołowiane mają zwykle niską rezystancję, dlatego ich nagrzewanie jest zwykle niezauważalne.

Bezpieczniki

Aby chronić obwody elektryczne przed przepływem zbyt dużych prądów, stosuje się kawałek przewodnika o specjalnych właściwościach. Jest to przewodnik o stosunkowo małym przekroju i wykonany z takiego stopu, że przy dopuszczalnych prądach nagrzewanie przewodnika nie powoduje jego przegrzania, a przy zbyt dużym przegrzaniu przewodnika jest tak duże, że przewodnik topi się i otwiera obwód.

Fundacja Wikimedia. 2010 .

Zobacz, co „Prawo Joule-Lenza” znajduje się w innych słownikach:

Koppa opisuje pojemność cieplną kompleksu (tj. składającego się z kilku pierwiastki chemiczne) ciała krystaliczne. Na podstawie prawa Dulonga-Petita. Każdy atom w cząsteczce ma trzy wibracyjne stopnie swobody i posiada energię. W związku z tym ... Wikipedia

PRAWO JOUL- prawo, zgodnie z którym energia wewnętrzna pewnej masy (patrz) zależy tylko od temperatury i nie zależy od jej objętości (gęstości) ... Wielka Encyklopedia Politechniczna

prawo Joula- Prawo Joule'a *Joulesches Gesetz - energia wewnętrzna gazu doskonałego do odkładania się tylko w temperaturach... Słownik encyklopedyczny Girnichiy

Prawo Joule'a- Džaulio dėsnis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dėsnis, formulaojamas taip: layininke, kai juo teka elektros srovė, išsiskiriantis šilumos kiekis Qyra yra srrrr… Inne Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas

Prawo Joule'a- prawo termodynamiki, zgodnie z którym energia wewnętrzna gazu doskonałego jest funkcją samej temperatury i nie zależy od objętości. Ustanowiony eksperymentalnie przez J.P. Joule'a (1818 1889) w 1845 r. Prawo jest konsekwencją drugiego prawa ... ... Koncepcje nowoczesne nauki przyrodnicze. Słowniczek podstawowych pojęć

Opisuje pojemność cieplną złożonych (tj. składających się z kilku pierwiastków chemicznych) ciał krystalicznych. Na podstawie prawa Dulonga-Petita. Każdy atom w cząsteczce ma trzy wibracyjne stopnie swobody i posiada energię. Odpowiednio… … Wikipedia - PRAWO ZACHOWANIA ENERGII I MATERII, dwa prawa ściśle ze sobą powiązane i bardzo podobne w treści, leżące u podstaw wszystkich ścisłych nauk przyrodniczych. Prawa te mają charakter czysto ilościowy i są prawami doświadczalnymi. Wielka encyklopedia medyczna

Prawo Joule'a-Lenza

Prawo Joule'a-Lenza(za angielskim fizykiem Jamesem Joule i rosyjskim fizykiem Emilem Lenzem, którzy jednocześnie, ale niezależnie od siebie, odkryli to w 1840 r.) jest prawem, które określa ilościowo efekt cieplny prądu elektrycznego.

Gdy prąd przepływa przez przewodnik, energia elektryczna jest zamieniana na energię cieplną, a ilość uwolnionego ciepła będzie równa pracy sił elektrycznych:

Q = W

Prawo Joule'a-Lenza: ilość ciepła wytworzonego w przewodniku jest wprost proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu, rezystancji przewodnika i czasu jego przejścia.

Wartość praktyczna

Redukcja strat energii

Podczas przesyłania energii elektrycznej efekt cieplny prądu jest niepożądany, ponieważ prowadzi do strat energii. Ponieważ przesyłana moc zależy liniowo zarówno od napięcia, jak i prądu, a moc grzewcza zależy kwadratowo od prądu, korzystne jest zwiększenie napięcia przed przesłaniem energii elektrycznej, zmniejszając w ten sposób prąd. Zwiększenie napięcia zmniejsza bezpieczeństwo elektryczne linii energetycznych. W przypadku stosowania w obwodzie wysokiego napięcia, w celu utrzymania tej samej mocy odbiornika, konieczne będzie zwiększenie rezystancji odbiornika (zależność kwadratowa. 10V, 1 Ohm = 20 V, 4 Ohm). Przewody zasilające i odbiornik są połączone szeregowo. Rezystancja drutu ( r w) jest stała. Ale opór konsumenta ( r C) wzrasta, gdy w sieci zostanie wybrane wyższe napięcie. Wzrasta również stosunek rezystancji konsumenta do rezystancji przewodów. Gdy rezystancje są połączone szeregowo (przewód - odbiorca - przewód), rozkład uwalnianej mocy ( Q) jest proporcjonalna do rezystancji podłączonych rezystancji. ; ; ; prąd w sieci dla wszystkich rezystancji jest stały. Dlatego mamy relację Q C / Q w = r C / r w ; Q C I r w są to stałe (dla każdego konkretnego zadania). Zdefiniujmy to. W konsekwencji moc uwalniana na przewodach jest odwrotnie proporcjonalna do rezystancji konsumenta, to znaczy maleje wraz ze wzrostem napięcia. dlatego . (Q C- stała); Łączymy dwie ostatnie formuły i wyprowadzamy to; dla każdego konkretnego zadania jest stała. Dlatego ciepło wytwarzane na przewodzie jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu napięcia na odbiorniku, a prąd płynie równomiernie.

Dobór przewodów do obwodów

Ciepło wytwarzane przez przewodnik przewodzący prąd jest w takim czy innym stopniu uwalniane do otoczenia. W przypadku, gdy natężenie prądu w wybranym przewodniku przekroczy pewną maksymalną dopuszczalną wartość, możliwe jest tak silne nagrzewanie, że przewodnik może wywołać pożar w pobliskich obiektach lub sam się stopić. Z reguły przy montażu obwodów elektrycznych wystarczy przestrzegać przyjętych dokumentów regulacyjnych, które regulują w szczególności dobór przekroju przewodów.

Grzejniki elektryczne

Jeśli natężenie prądu jest takie samo w całym obwodzie elektrycznym, to w dowolnym wybranym obszarze, im więcej ciepła zostanie uwolnione, tym wyższa rezystancja tej sekcji.

Poprzez celowe zwiększenie rezystancji odcinka obwodu można uzyskać zlokalizowane wytwarzanie ciepła w tym odcinku. Ta zasada działa grzejniki elektryczne. Oni używają element grzejny- przewodnik o dużej rezystancji. Wzrost rezystancji osiąga się (łącznie lub osobno) wybierając stop o wysokiej rezystywności (na przykład nichrom, konstantan), zwiększając długość przewodnika i zmniejszając jego przekrój. Przewody ołowiane mają zwykle niską rezystancję, dlatego ich nagrzewanie jest zwykle niezauważalne.

Bezpieczniki

główny artykuł: Bezpiecznik (elektryczność)

Prawo Joule'a-Lenza

Emily Khristianovich Lenz (1804 - 1865) - słynny rosyjski fizyk. Jest jednym z założycieli elektromechaniki. Jego nazwisko wiąże się z odkryciem prawa, które wyznacza kierunek prąd indukcyjny, oraz prawo określające pole elektryczne w przewodzie przewodzącym prąd.

Ponadto Emilius Lenz i angielski fizyk Joule, badając doświadczenie termiczne skutki prądu, niezależnie odkryli prawo, zgodnie z którym ilość ciepła uwalnianego w przewodniku będzie wprost proporcjonalna do kwadratu przepływającego prądu elektrycznego przez przewodnik, jego rezystancję i czas, w którym prąd elektryczny pozostaje niezmieniony w przewodniku.

Prawo to nazywa się prawem Joule'a-Lenza, jego formuła wyraża się następująco:

gdzie Q to ilość uwolnionego ciepła, l to prąd, R to rezystancja przewodnika, t to czas; wartość k nazywamy termicznym ekwiwalentem pracy. Wartość liczbowa tej wielkości zależy od wyboru jednostek, w jakich dokonywane są pomiary pozostałych wielkości uwzględnionych we wzorze.

Jeśli ilość ciepła jest mierzona w kaloriach, prąd w amperach, rezystancja w omach i czas w sekundach, to k jest liczbowo równe 0,24. Oznacza to, że prąd o wartości 1a uwalnia w przewodniku o rezystancji 1 oma w ciągu jednej sekundy ilość ciepła równą 0,24 kcal. Na tej podstawie ilość ciepła w kaloriach uwolnionych w przewodniku można obliczyć według wzoru:

W układzie jednostek SI energia, ciepło i praca są mierzone w jednostkach - dżulach. Dlatego współczynnik proporcjonalności w prawie Joule-Lenza równy jeden. W tym systemie wzór Joule-Lenza ma postać:

Prawo Joule'a-Lenza można przetestować eksperymentalnie. Przez pewien czas prąd przepływa przez drucianą spiralę zanurzoną w cieczy wlewanej do kalorymetru. Następnie obliczana jest ilość ciepła uwolnionego w kalorymetrze. Opór spirali jest znany z góry, prąd mierzony jest amperomierzem, a czas stoperem. Zmieniając prąd w obwodzie i używając różnych spiral, możesz sprawdzić prawo Joule'a-Lenza.

Na podstawie prawa Ohma

Podstawiając aktualną wartość do wzoru (2), otrzymujemy nowe wyrażenie ze wzoru dla prawa Joule-Lenza:

Wzór Q \u003d l²Rt jest wygodny w użyciu przy obliczaniu ilości ciepła uwalnianego w połączeniu szeregowym, ponieważ w tym przypadku prąd elektryczny we wszystkich przewodach jest taki sam. Więc kiedy to się stanie połączenie szeregowe kilka przewodników, w każdym z nich zostanie uwolniona taka ilość ciepła, która jest proporcjonalna do rezystancji przewodnika. Jeśli na przykład trzy przewody tego samego rozmiaru są połączone szeregowo - miedź, żelazo i nikiel, to z niklu zostanie uwolniona największa ilość ciepła, ponieważ jego rezystywność jest największa, jest mocniejsza i nagrzewa się.

Jeśli przewody są połączone równolegle, prąd w nich będzie inny, a napięcie na końcach takich przewodów jest takie samo. Lepiej obliczyć ilość ciepła, która zostanie uwolniona podczas takiego połączenia, korzystając ze wzoru Q \u003d (U² / R) t.

Ten wzór pokazuje, że przy połączeniu równoległym każdy przewodnik uwolni taką ilość ciepła, która będzie odwrotnie proporcjonalna do jego przewodnictwa.

Jeśli połączysz trzy przewody o tej samej grubości - miedź, żelazo i nikiel - równolegle ze sobą i przepuszczasz przez nie prąd, wtedy największa ilość ciepła zostanie uwolniona w miedziany przewód, nagrzeje się bardziej niż inne.

Opierając się na prawie Joule-Lenza, obliczają różne instalacje elektryczne oświetlenia, ogrzewania i ogrzewania urządzeń elektrycznych. Powszechnie stosowana jest również konwersja energii elektrycznej na energię cieplną.

Prawo Joule'a-Lenza

Rozważ jednorodny przewodnik, do którego końców przykładane jest napięcie U . W czasie dt ładunek jest przenoszony przez odcinek przewodu dq = Idt . Ponieważ prąd jest ruchem ładunku dq pod działaniem pola elektrycznego, to zgodnie ze wzorem (84.6) praca prądu

(99.1)

Jeżeli rezystancja przewodu R , następnie, korzystając z prawa Ohma (98,1), otrzymujemy

(99.2)

Z (99.1) i (99.2) wynika, że aktualna moc

(99.3)

Jeśli prąd jest wyrażony w amperach, napięcie w woltach, rezystancja w omach, to praca prądu jest wyrażona w dżulach, a moc w watach. W praktyce wykorzystywane są również pozasystemowe jednostki bieżącej pracy: watogodzina (Wh) i kilowatogodzina (kWh). 1 W×h - działanie prądu o mocy 1 W przez 1 godzinę; 1 Wh = 3600 Ws = 3,6-103 J; 1 kWh=103 Wh=3,6-106 J.

Ilość ciepła uwalnianego w jednostce czasu na jednostkę objętości nazywana jest właściwą mocą cieplną prądu. Ona jest równa

(99.6)

Korzystając z postaci różniczkowej prawa Ohma (j = gE) i zależności r = 1/g , dostajemy

(99.7)

Wzory (99,6) i (99,7) są uogólnionym wyrażeniem prawa Joule'a-Lenza w postaci różniczkowej, odpowiednim dla każdego przewodnika.

Efekt cieplny prądu jest szeroko stosowany w technologii, która rozpoczęła się wraz z odkryciem w 1873 roku przez rosyjskiego inżyniera A. N. Lodygina (1847-1923) lampy żarowej. Działanie elektrycznych pieców muflowych opiera się na przewodach grzejnych prądem elektrycznym. łuk elektryczny(odkryty przez rosyjskiego inżyniera W.W. Pietrowa (1761-1834)), kontakt spawanie elektryczne, domowe grzejniki elektryczne itp.

Wzór Joule'a Lenza. krótko

Nina chill

Prawo Joule'a Lenza określa ilość ciepła uwalnianego w części obwodu elektrycznego o skończonej rezystancji, gdy przepływa przez niego prąd. Warunkiem jest fakt, że w tym odcinku łańcucha nie powinno być żadnych przemian chemicznych. Rozważ przewodnik z napięciem przyłożonym do jego końców. Dlatego przepływa przez nią prąd. W ten sposób pole elektrostatyczne i siły zewnętrzne wykonują pracę polegającą na przenoszeniu ładunku elektrycznego z jednego końca przewodnika na drugi.
Jeżeli w tym samym czasie przewodnik pozostaje nieruchomy i nie zachodzą w nim przemiany chemiczne. Wtedy cała praca włożona przez zewnętrzne siły pola elektrostatycznego wzrasta energia wewnętrzna konduktor. To znaczy, żeby to rozgrzać.

Zawartość:

Słynny rosyjski fizyk Lenz i angielski fizyk Joule, przeprowadzając eksperymenty dotyczące badania efektów cieplnych prądu elektrycznego, niezależnie wyprowadzili prawo Joule-Lenza. Prawo to odzwierciedla zależność między ilością ciepła uwolnionego w przewodniku a prądem elektrycznym przepływającym przez ten przewodnik przez określony czas.

Właściwości prądu elektrycznego

Kiedy prąd elektryczny przepływa przez metalowy przewodnik, jego elektrony nieustannie zderzają się z różnymi obcymi cząstkami. Mogą to być zwykłe neutralne cząsteczki lub cząsteczki, które straciły elektrony. Elektron w ruchu może oddzielić jeszcze jeden elektron od obojętnej cząsteczki. W rezultacie jego energia kinetyczna jest tracona i zamiast cząsteczki powstaje jon dodatni. W innych przypadkach elektron przeciwnie łączy się z jonem dodatnim i tworzy cząsteczkę obojętną.

W procesie zderzeń elektronów i cząsteczek zużywana jest energia, która później zamienia się w ciepło. Wydatkowanie określonej ilości energii wiąże się ze wszystkimi ruchami, podczas których trzeba pokonywać opór. W tym czasie praca włożona w pokonanie oporów tarcia jest zamieniana na energię cieplną.

Wzór i definicja prawa Joule'a Lenza

Zgodnie z prawem Lenza Joule'a, prądowi elektrycznemu przepływającemu przez przewodnik towarzyszy ilość ciepła, która jest wprost proporcjonalna do kwadratu prądu i oporności, a także czas potrzebny na przepłynięcie tego prądu przez przewodnik .

W postaci formuły prawo Joule'a-Lenza wyraża się następująco: Q \u003d I 2 Rt, w którym Q wyświetla ilość uwolnionego ciepła, I - , R to rezystancja przewodnika, t to okres czasu. Wartość „k” jest termicznym odpowiednikiem pracy i jest używana w przypadkach, gdy ilość ciepła jest mierzona w kaloriach, natężenie prądu - , rezystancja - w omach i czas - w sekundach. Wartość liczbowa k wynosi 0,24, co odpowiada prądowi o natężeniu 1 ampera, który przy rezystancji przewodnika 1 om uwalnia ilość ciepła równą 0,24 kcal przez 1 sekundę. Dlatego do obliczenia ilości uwolnionego ciepła w kaloriach stosuje się wzór Q = 0,24I 2 Rt.

Podczas korzystania z układu jednostek SI ilość ciepła jest mierzona w dżulach, więc wartość „k” w odniesieniu do prawa Joule-Lenza będzie równa 1, a wzór będzie wyglądał następująco: Q \u003d I 2 Rt. Według I = U/R. Jeśli ta aktualna wartość zostanie podstawiona do głównej formuły, przybierze ona następującą postać: Q \u003d (U 2 / R) t.

Formuła podstawowa Q = I 2 Rt jest bardzo wygodny w użyciu przy obliczaniu ilości ciepła uwalnianego w przypadku połączenia szeregowego. Obecna siła we wszystkich przewodach będzie taka sama. Gdy kilka przewodów zostanie połączonych szeregowo naraz, każdy z nich uwolni tyle ciepła, które będzie proporcjonalne do rezystancji przewodu. Jeśli trzy identyczne przewody miedziane, żelazne i niklowe zostaną połączone szeregowo, maksymalna ilość ciepła zostanie uwolniona jako ostatnia. Wynika to z najwyższej rezystancji właściwej niklu i silniejszego nagrzewania się tego drutu.

Gdy te same przewody są połączone równolegle, wartość prądu elektrycznego w każdym z nich będzie inna, a napięcie na końcach będzie takie samo. W takim przypadku wzór Q \u003d (U 2 / R) t jest bardziej odpowiedni do obliczeń. Ilość ciepła uwalnianego przez przewodnik będzie odwrotnie proporcjonalna do jego przewodnictwa. Tak więc prawo Joule-Lenza jest szeroko stosowane do obliczania elektrycznych instalacji oświetleniowych, różnych urządzeń grzewczych i grzewczych, a także innych urządzeń związanych z zamianą energii elektrycznej na ciepło.

Prawo Joule'a-Lenza. Praca i moc prądu elektrycznego

Witam. Prawo Joule-Lenza jest mało prawdopodobne, gdy jest potrzebne, ale jest zawarte w kurs podstawowy elektrotechnika, dlatego teraz opowiem Ci o tym prawie.

Prawo Joule'a-Lenza zostało odkryte przez dwóch wielkich naukowców niezależnie od siebie: w 1841 roku James Prescott Joule, angielski naukowiec, który wniósł wielki wkład w rozwój termodynamiki aw 1842 Emil Khristianovich Lenz, rosyjski naukowiec niemieckiego pochodzenia, który już wniósł wielki wkład w elektrotechnikę. Ponieważ odkrycie obu naukowców nastąpiło niemal jednocześnie i niezależnie od siebie, postanowiono nazwać prawo podwójnym imieniem, a raczej nazwiskami.

Pamiętaj, kiedy i nie tylko on powiedziałem, że prąd elektryczny ogrzewa przewodniki, przez które przepływa. Joule i Lenz opracowali wzór, za pomocą którego można obliczyć ilość wytworzonego ciepła.

Tak więc początkowo formuła wyglądała tak:

Jednostką miary według tego wzoru były kalorie, a „odpowiedzialny” za to był współczynnik k równy 0,24, czyli wzór na uzyskanie danych w kaloriach wygląda tak:

Ale ponieważ w systemie pomiarowym SI, ze względu na dużą liczbę mierzonych wielkości i aby uniknąć nieporozumień, przyjęto oznaczenie dżul, wzór nieco się zmienił. k stało się równe jeden, a zatem współczynnik nie był już zapisywany we wzorze i zaczął wyglądać tak:

Tutaj: Q to ilość uwolnionego ciepła, mierzona w dżulach (oznaczenie SI - J);

I - prąd, mierzony w amperach, A;

R - rezystancja mierzona w omach, omach;

t to czas mierzony w sekundach, s;

a U to napięcie mierzone w woltach, V.

Przyjrzyj się uważnie, czy jedna część tej formuły coś Ci przypomina? A dokładniej? Ale to jest moc, a raczej formuła mocy z prawa Ohma. I powiem szczerze, że nie widziałem jeszcze takiej reprezentacji prawa Joule-Lenza w Internecie:

Teraz przywołujemy tablicę mnemoniczną i otrzymujemy co najmniej trzy wyrażenia formułowe prawa Joule-Lenza, w zależności od znanych nam wielkości:

Wydawałoby się, że wszystko jest bardzo proste, ale wydaje nam się to dopiero wtedy, gdy już znamy to prawo, a potem obaj wielcy naukowcy odkryli je nie teoretycznie, ale eksperymentalnie, a potem byli w stanie uzasadnić je teoretycznie.

Gdzie może się przydać to prawo Joule-Lenza?

W elektrotechnice istnieje koncepcja długotrwałego dopuszczalnego prądu przepływającego przez przewody. To jest prąd, który może wytrzymać drut. długi czas(czyli w nieskończoność), bez niszczenia przewodu (i ewentualnej izolacji, bo przewód może być bez izolacji). Oczywiście możesz teraz pobrać dane z PUE (Electrical Installation Rules), ale otrzymałeś te dane wyłącznie na podstawie prawa Joule-Lenza.

W elektrotechnice stosuje się również bezpieczniki. Ich główną cechą jest niezawodność. W tym celu używany jest przewodnik o określonej sekcji. Znając temperaturę topnienia takiego przewodnika, można obliczyć ilość ciepła potrzebnego do stopienia przewodnika z przepływu przez niego dużych prądów, a obliczając prąd, można obliczyć rezystancję, jaką musi mieć taki przewodnik . Ogólnie rzecz biorąc, jak już zrozumiałeś, korzystając z prawa Joule-Lenza, możesz obliczyć przekrój lub rezystancję (wartości współzależne) przewodnika dla bezpiecznika.

Pamiętajcie też, o czym rozmawialiśmy. Tam na przykładzie żarówki opowiedziałem paradoks, że mocniejsza lampa w połączeniu szeregowym świeci słabiej. I pewnie pamiętasz dlaczego: spadek napięcia na rezystancji jest tym silniejszy, im niższy rezystancja. A skoro moc jest, a napięcie bardzo spada, to okazuje się, że wyemituje duży opór duża liczba ciepło, czyli prąd będzie musiał ciężej pracować, aby pokonać duży opór. A ilość ciepła, którą prąd uwolni w tym przypadku, można obliczyć za pomocą prawa Joule'a-Lenza. Jeśli weźmiemy szeregowe połączenie rezystancji, użyj lepsza ekspresja przez kwadrat prądu, czyli oryginalny widok formuły:

I dla połączenie równoległe rezystancja, ponieważ prąd w gałęziach równoległych zależy od rezystancji, a napięcie na każdej gałęzi równoległej jest takie samo, to wzór najlepiej oddaje napięcie:

Wszyscy używacie w życiu codziennym przykładów działania prawa Joule-Lenza - przede wszystkim są to wszelkiego rodzaju urządzenia grzewcze. Z reguły używają drutu nichromowego i grubości ( przekrój poprzeczny) i długość przewodu dobiera się, biorąc pod uwagę, że przedłużona ekspozycja termiczna nie prowadzi do szybkiego zniszczenia drutu. Dokładnie w ten sam sposób żarnik wolframowy świeci w lampie żarowej. Zgodnie z tym samym prawem określa się stopień możliwego nagrzania prawie każdego urządzenia elektrycznego i elektronicznego.

Ogólnie rzecz biorąc, mimo pozornej prostoty, prawo Joule-Lenza odgrywa bardzo ważną rolę w naszym życiu. Prawo to dało ogromny impuls do obliczeń teoretycznych: wytwarzanie ciepła przez prądy, obliczanie określonej temperatury łuku, przewodnika i dowolnego innego materiału przewodzącego prąd elektryczny, straty energia elektryczna w ekwiwalencie termicznym itp.

Możesz zapytać, jak przekonwertować dżule na waty i to jest ładne często zadawane pytanie w Internecie. Chociaż pytanie jest nieco błędne, czytając dalej, zrozumiesz dlaczego. Odpowiedź jest dość prosta: 1 j = 0,000278 wat*godzina, a 1 wat*godzina = 3600 dżuli. Przypomnę, że pobierana moc chwilowa jest mierzona w watach, czyli bezpośrednio używany obwód, gdy obwód jest włączony. A dżul określa pracę prądu elektrycznego, czyli moc prądu w czasie. Pamiętajcie, w prawie Ohma podałem alegoryczną sytuację. Prąd to pieniądze, napięcie to zapas, opór to poczucie proporcji i pieniędzy, moc to ilość produktów, które możesz nosić (zabrać) na sobie na raz, ale jak daleko, jak szybko i ile razy możesz zabranie ich to praca. Oznacza to, że nie ma możliwości porównania pracy i mocy, ale można to wyrazić w jednostkach, które są dla nas bardziej zrozumiałe: waty i godziny.

Myślę, że teraz nie będzie ci trudno zastosować w praktyce i teorii, jeśli to konieczne, prawo Joule-Lenza, a nawet przekonwertować dżule na waty i odwrotnie. A dzięki zrozumieniu, że prawo Joule'a-Lenza jest iloczynem mocy elektrycznej i czasu, łatwiej je zapamiętasz, a nawet jeśli nagle zapomnisz o podstawowym wzorze, to pamiętając tylko prawo Ohma, możesz ponownie uzyskać Joule- Prawo Lenza. I w tej sprawie żegnam się z tobą.