Legea lenei pe scurt. Legea termică Joule-Lenz

Legea fizică care estimează acțiunea termică curent electric. Legea Joule-Lenz a fost descoperită în 1841 de James Joule și în 1842, destul de independent de Emil Lenz.

după cum știm deja, atunci când electronii liberi se mișcă de-a lungul unui conductor, acesta trebuie să învingă rezistența materialului. În timpul acestei mișcări a sarcinilor, au loc ciocniri constante ale atomilor și moleculelor de materie. În acest caz, energia mișcării și rezistenței este transformată în căldură. Dependența sa actuală a fost descrisă pentru prima dată de doi oameni de știință independenți, James Joule și Emil Lenz. Prin urmare, legea a primit un nume dublu.

Definiție, cantitatea de căldură eliberată pe unitatea de timp într-o anumită secțiune a circuitului electric este direct proporțională cu produsul dintre pătratul puterii curentului din această secțiune și rezistența acestuia.

Din punct de vedere matematic, formula poate fi scrisă astfel:

Q \u003d a × I 2 × R × t

Unde Q- cantitatea de căldură produsă, A- coeficient de căldură (de obicei este luat egal cu 1 și nu este luat în considerare), eu- puterea curentului, R este rezistența materialului, t- timpul de curgere a curentului prin conductor. Dacă factorul de căldură a = 1, apoi Q măsurată în jouli. Dacă a = 0,24, apoi Q măsurată în calorii mici.

Orice conductor se încălzește întotdeauna dacă trece curent prin el. Dar supraîncălzirea conductorilor este foarte periculoasă, deoarece poate deteriora nu numai echipamentele electronice, ci și poate provoca un incendiu. De exemplu, în cazul unui scurtcircuit, supraîncălzirea materialului conductor este enormă. Prin urmare, pentru a proteja împotriva scurtcircuitelor și supraîncălzirii mari în circuite electronice se adaugă componente radio speciale - sigurante. Pentru fabricarea lor se foloseste un material care se topeste rapid si scoate la curent circuitul de alimentare atunci cand curentul atinge valorile maxime. Siguranțele trebuie selectate în funcție de secțiunea transversală a conductorului.

Legea Joule-Lenz este relevantă atât pentru constantă, cât și pentru curent alternativ. Potrivit acestuia, funcționează multe dispozitive de încălzire diferite. La urma urmei, cu cât conductorul este mai subțire, cu atât mai mult curent trece prin el într-o perioadă mai lungă de timp mai multa cantitate căldura iese în evidență ca urmare a acesteia.

Sper să vă amintiți că curentul depinde de tensiune. Se pune întrebarea de ce laptopul nu se încălzește la fel de mult ca un fier de călcat? Pentru ca la baza se afla un fir spiralat din otel, care are o rezistenta redusa. Plus o talpă de oțel, astfel încât fierul să se încălzească până la temperaturi ridicate și îl putem călca.

A are un regulator de tensiune care scade 220 volți la 19 volți. În plus, rezistența tuturor circuitelor și componentelor este destul de mare. În plus, pentru răcire există un răcitor și radiatoare termice din cupru.

Lucrarea legii Joule-Lenz este clar vizibilă în practică. Cel mai exemplu celebru aplicarea sa este o lampă incandescentă obișnuită sau, în care filamentul strălucește datorită trecerii unui curent de înaltă tensiune prin ea.

Pe baza legii Joule-Lenz, funcționează și, unde realizarea unei îmbinări sudate se realizează prin încălzirea metalului, datorită curentului care trece prin acesta și deformării pieselor sudate prin compresiune.

Sudarea cu arc electric, funcționează și pe principii fizice Legea Joule-Lenz. A comite lucrari de sudare electrozii sunt încălziți într-o astfel de stare încât să apară un arc de sudură între ei. Efect arc voltaic descoperit de omul de știință rus V.V. Petrov, folosind principiile închiderii Joule-Lenz.

Pe lângă formula matematică, această lege are și o formă diferențială. Să presupunem că un curent trece printr-un conductor fix și toată munca lui este cheltuită numai pentru încălzire. Apoi, conform legii conservării energiei, obținem următoarea expresie matematică.

Energia mișcării direcționate a particulelor încărcate este cheltuită pentru încălzirea rețelei cristaline a conductorului.

2. Care este cantitatea de căldură primită de rețeaua cristalină a conductorului de la particulele încărcate în mișcare direcțională?

Cantitatea de căldură primită celulă cristalină, este egal cu munca curentului electric.

3. Formulați legea Joule-Lenz. Notează-i expresia matematică.

Cantitatea de căldură degajată în conductor este direct proporțională cu pătratul curentului, rezistența conductorului și

timpul de trecere a curentului prin conductor.

4. Definiți puterea curentului electric. Dați formula pentru calcularea acestei puteri.

Puterea curentului electric - lucru câmp electric, efectuată în timpul deplasării ordonate a particulelor încărcate de-a lungul unui conductor, raportat la timpul în care se efectuează această lucrare.

5. Cum depinde puterea eliberată în conductorii cu curent de tipul conexiunii acestora?

Dacă conductoarele sunt conectate în serie, atunci puterea este direct proporțională cu rezistența lor. Dacă sunt paralele, atunci puterea este invers proporțională cu rezistența lor.

YouTube enciclopedic

1 / 3

Lecția 254 Munca și puterea curentului electric

Legea Joule-Lenz. Partea 1

Lecția 255

Subtitrări

Definiții

În termeni verbali, sună așa

Puterea de căldură eliberată pe unitatea de volum a mediului în timpul curgerii unui curent electric continuu este proporțională cu produsul dintre densitatea curentului electric și puterea câmpului electric

Matematic poate fi exprimat sub următoarea formă:

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

Unde w (\displaystyle w)- puterea de degajare a căldurii pe unitatea de volum, j → (\displaystyle (\vec (j)))- densitate electric curent, E → (\displaystyle (\vec (E)))- intensitate câmp electric , σ este conductivitatea mediului, iar punctul denotă produsul scalar.

Legea poate fi formulată și în formă integrală pentru cazul curgerii curentului în fire subțiri:

În formă integrală, această lege are forma

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)

Unde dQ- cantitatea de căldură degajată într-o perioadă de timp dt, eu- puterea curentului, R- rezistenta, Q este cantitatea totală de căldură degajată în intervalul de timp de la t1 inainte de t2. În cazul curentului și rezistenței constante:

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

Și aplicând legea lui Ohm, puteți obține următoarele formule echivalente:

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

Valoare practică

Reducerea pierderilor de energie

La transmiterea energiei electrice, efectul termic al curentului din fire este nedorit, deoarece duce la pierderi de energie. Firele de alimentare și sarcina sunt conectate în serie, ceea ce înseamnă că curentul în rețea I (\displaystyle I) pe fire și sarcina este aceeași. Puterea de sarcină și rezistența firului nu ar trebui să depindă de alegerea sursei de tensiune. Puterea disipată pe fire și pe sarcină este determinată de următoarele formule

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

De unde rezultă că Q w = R w ⋅ Q c 2 / V c 2 (\displaystyle Q_(w)=R_(w)\cdot Q_(c)^(2)/V_(c)^(2)). Deoarece în fiecare caz puterea de sarcină și rezistența firului rămân neschimbate și expresia R w ⋅ Q c 2 (\displaystyle R_(w)\cdot Q_(c)^(2)) este o constantă, atunci căldura generată pe fir este invers proporțională cu pătratul tensiunii la consumator. Prin creșterea tensiunii, reducem pierderile de căldură în fire. Acest lucru, totuși, reduce siguranța electrică a liniilor de transport.

Alegerea firelor pentru circuite

Căldura generată de un conductor purtător de curent este, într-o măsură sau alta, eliberată în mediu inconjurator. În cazul în care puterea curentului în conductorul selectat depășește o anumită valoare maximă admisă, este posibilă o încălzire atât de puternică încât conductorul să provoace un incendiu în obiectele din apropiere sau să se topească. De regulă, atunci când alegeți fire destinate asamblarii circuitelor electrice, este suficient să urmați normele acceptate. documente de reglementare, care reglementează alegerea secțiunii transversale a conductorilor.

Incalzitoare electrice

Dacă puterea curentului este aceeași pe tot circuitul electric, atunci în orice zonă selectată, cu cât se va elibera mai multă căldură, cu atât rezistența acestei secțiuni este mai mare.

Prin creșterea deliberată a rezistenței unei secțiuni de circuit, se poate obține generarea de căldură localizată în această secțiune. Acest principiu funcționează încălzitoare electrice. Ei folosesc un element de încălzire- conductor cu rezistenta mare. O creștere a rezistenței se realizează (în comun sau separat) prin alegerea unui aliaj cu rezistivitate mare (de exemplu nicrom, constantan), mărirea lungimii conductorului și reducerea acestuia secțiune transversală. Firele de plumb au de obicei rezistență scăzută și, prin urmare, încălzirea lor este de obicei imperceptibilă.

Siguranțe

Pentru a proteja circuitele electrice de curgerea curenților excesiv de mari, se folosește o bucată de conductor cu caracteristici speciale. Acesta este un conductor de secțiune transversală relativ mică și realizat dintr-un aliaj care, la curenții admisibili, încălzirea conductorului nu îl supraîncălzi, iar la supraîncălzirea excesivă a conductorului este atât de semnificativă încât conductorul se topește și deschide circuitul.

Conţinut:

Celebrul fizician rus Lenz și fizicianul englez Joule, efectuând experimente privind studiul efectelor termice ale curentului electric, au derivat independent legea Joule-Lenz. Această lege reflectă relația dintre cantitatea de căldură degajată în conductor și curentul electric care trece prin acest conductor pentru o anumită perioadă de timp.

Proprietățile curentului electric

Când un curent electric trece printr-un conductor metalic, electronii acestuia se ciocnesc constant cu diferite particule străine. Acestea pot fi molecule neutre obișnuite sau molecule care au pierdut electroni. Un electron în procesul de mișcare poate separa încă un electron dintr-o moleculă neutră. Ca urmare, energia sa cinetică se pierde și, în locul unei molecule, se formează un ion pozitiv. În alte cazuri, electronul, dimpotrivă, se combină cu un ion pozitiv și formează o moleculă neutră.

În procesul de ciocnire a electronilor și moleculelor, se consumă energie, care ulterior se transformă în căldură. Cheltuirea unei anumite cantități de energie este asociată cu toate mișcările în timpul cărora cineva trebuie să învingă rezistența. În acest moment, munca cheltuită pentru depășirea rezistenței la frecare este transformată în energie termică.

Formula și definiția legii lui Joule Lenz

Conform legii Lenz Joule, un curent electric care trece printr-un conductor este însoțit de o cantitate de căldură direct proporțională cu pătratul curentului și cu rezistența, precum și cu timpul necesar acestui curent pentru a trece prin conductor. .

Sub forma unei formule, legea Joule-Lenz se exprimă după cum urmează: Q \u003d I 2 Rt, în care Q afișează cantitatea de căldură eliberată, I - , R este rezistența conductorului, t este perioada de timp. Valoarea lui „k” este echivalentul termic al muncii și este utilizată în cazurile în care cantitatea de căldură este măsurată în calorii, puterea curentului - , rezistența - în ohmi și timpul - în secunde. Valoarea numerică a lui k este 0,24, ceea ce corespunde unui curent de 1 amper, care, cu o rezistență a conductorului de 1 ohm, eliberează o cantitate de căldură egală cu 0,24 kcal timp de 1 secundă. Prin urmare, pentru a calcula cantitatea de căldură eliberată în calorii, se utilizează formula Q = 0,24I 2 Rt.

Când utilizați sistemul de unități SI, cantitatea de căldură este măsurată în jouli, astfel încât valoarea lui "k", în raport cu legea Joule-Lenz, va fi egală cu 1, iar formula va arăta astfel: Q \u003d I 2 Rt. Conform I = U/R. Dacă această valoare curentă este înlocuită în formula principală, va lua următoarea formă: Q \u003d (U 2 / R) t.

Formula de bază Q = I 2 Rt este foarte convenabil de utilizat atunci când se calculează cantitatea de căldură care este eliberată în cazul unei conexiuni în serie. Puterea curentului în toți conductorii va fi aceeași. La conexiune serială mai mulți conductori deodată, fiecare dintre ei va elibera atât de multă căldură, care va fi proporțională cu rezistența conductorului. Dacă trei fire identice de cupru, fier și nichel sunt conectate în serie, atunci cantitatea maximă de căldură va fi eliberată ultima. Acest lucru se datorează celei mai mari rezistențe specifice a nichelinei și încălzirii mai puternice a acestui fir.

La conexiune paralelă aceiași conductori, valoarea curentului electric în fiecare dintre ele va fi diferită, iar tensiunea la capete va fi aceeași. În acest caz, formula Q \u003d (U 2 / R) t este mai potrivită pentru calcule. Cantitatea de căldură degajată de un conductor va fi invers proporțională cu conductivitatea acestuia. Astfel, legea Joule-Lenz este utilizată pe scară largă pentru calcularea instalațiilor electrice de iluminat, a diverselor dispozitive de încălzire și încălzire, precum și a altor dispozitive legate de conversie. energie electricaîn termică.

Legea Joule-Lenz. Munca și puterea curentului electric

Cantitatea de căldură eliberată pe unitatea de timp în secțiunea circuitului luată în considerare este proporțională cu produsul dintre pătratul puterii curentului din această secțiune și rezistența secțiunii.

Legea lui Joule Lenz în formă integrală în fire subțiri:

Dacă puterea curentului se modifică în timp, conductorul este staționar și nu există transformări chimice în el, atunci căldura este eliberată în conductor.

- Puterea căldurii degajate pe unitatea de volum a mediului în timpul fluxului de curent electric este proporțională cu produsul dintre densitatea curentului electric și mărimea câmpului electric

Conversia energiei electrice în energie termică este utilizată pe scară largă în cuptoare electriceși diverse încălzitoare electrice. Același efect în mașinile și dispozitivele electrice duce la costuri involuntare de energie (pierderi de energie și eficiență redusă). Căldura, determinând încălzirea acestor dispozitive, limitează sarcina acestora; În cazul unei suprasarcini, o creștere a temperaturii poate deteriora izolația sau poate scurta durata de viață a instalației.

În formula am folosit:

Cantitatea de căldură

Munca curenta

Tensiunea conductorului

Curentul în conductor

Interval de timp