Закон Джоуля-Ленца: теория и практика

Подписаться

Во время своего движения по проводнику, ток преодолевает сопротивление материала. Во время этого процесса происходит столкновения атомов и молекул. Механическая энергия движения и сопротивления преобразовывается в тепловую. Ее зависимость от силы тока была впервые выведена двумя учеными Джеймсом Джоулем в 1841 году и Эмилем Ленцем в 1842. Оба действовали отдельно друг от друга, и каждый из них самостоятельно сформулировал этот закон, который теперь носит двойное название.

Он гласит, что количество теплоты, которое выделяется за единицу времени на данном конкретном участке цепи прямо пропорционально произведению квадрата силы на данном участке и его сопротивлению.

Математически это выглядит так:

Q = аI2Rt

где Q – количество вырабатываемой теплоты,

а – коэффициент тепла (чаще всего он берется равным 1 и не учитывается),

I – сила тока,

R – сопротивление материала,

t – время протекания тока по проводнику

Стоит обратить внимание на следующий факт. Если коэффициент теплоты а = 1, то количество теплоты будет измеряться в джоулях. Если же а = 0,24, то количество теплоты будет изменяться в малых калориях.

Материал всегда нагревается, когда через него проходит ток. Но перегрев проводников опасен не только для аппаратуры, но и людей. Особенно этот момент вызывает опасение в случае короткого замыкания. Ведь в такой ситуации перегрев материала настолько велик, что может привести к аварии и вызвать пожар. Поэтому для предотвращения коротких замыканий и больших перегревов в цепь монтируются плавкие предохранители. Для их изготовления используется материала, который плавиться и выводить сеть из строя при достижении током максимальных величин. Плавкие предохранители выбираются в зависимости от площади сечения проводника.

Закон Джоуля-Ленца подходит и для постоянного, и для переменного тока.

Согласно этому закону работает множество нагревательных приборов. Ведь, чем тоньше мы возьмем проводник, и чем больший ток по нему пройдет за более длительный промежуток времени, тем больше тепла выделиться в окружающую атмосферу

При этом необходимо помнить, что сила тока зависит от напряжения. Встает закономерный вопрос, почему ноутбук не нагревается до такой же степени, что и утюг? Дело в том, что в основании утюга находиться стальная спиральная проволока, которая отличается малой сопротивляемостью. Плюс стальная подошва, которая имеет такую же сопротивляемость, что и проволока. Поэтому электроприбор разогревается до высоких температур, и мы можем гладить им белье.

А ноутбук имеет на проводе стабилизатор напряжения, который снижает 220 Вт до 12-19 Вт. Плюс в самой конструкции сопротивление всех схем и деталей достаточно высокое. Дополнительно на охлаждение работает кулер.

Действия закона Джоуля-Ленца активно применяется на практике. Самый известный пример его использования – обыкновенная лампа накаливания, в которой свечение нити достигается путем прохождения по ней тока под высоким напряжением. Она была открыта русским инженером Лодыгиным А.Н. в 1873 году и активно используется в хозяйстве до нынешнего времени.

На принципе закона Джоуля-Ленца работают муфельные печи.

Активно он используется и в сварке. На принципе закона Джоуля-Ленца основана контактная сварка, где создание неразъемного сварного соединения достигается путем нагрева металла, за счет проходящего через него электрического тока и пластической деформации свариваемых деталей путем сжатия.

Последнее время популярностью пользуется и электродуговая сварка, которая также использует закон Джоуля-Ленца. Для совершения сварочных работ электроды разогревают до такой степени, чтобы между ними образовалась дуга. Эффект вольтовой дуги открыл В.В. Петров, используя знание о том, что проходящий по проводнику ток нагревает материал или же закон Джоуля-Ленца.

Кроме математического вывода, этот закон имеет и дифференциальную формулу.

Представим, что по неподвижному металлическому проводнику проходит ток и вся его работа уходит только на нагревание. Тогда, согласно закону сохранения энергии, получаем следующее выражение:

dQ = dA

где dQ – тепловая энергия,

dA – затраченная работа.

Сделав преобразования, получим:

dQ = IUdt = I2RdT = (U2/R)*dt (1)

Кроме того, известно, что удельная тепловая мощность тока – это количество теплоты, которое выделяется за единицу времени в единицу объема. Записывается она так:

w = pj2

Воспользовавшись дифференциальной формулой закона Ома j = γE и соотношением р = 1/γ, получим:

w = jE = γE2 (2)

Формула 1 и 2 являются обобщенным выражением дифференциальной формы закона Джоуля-Ленца. Они подходят для любых полупроводников. Кроме того, его действие распространяется и на электролиты.

Как работает закон Джоуля-Ленца:

ВложениеРазмер
Joule-Lenz_01.jpg44.57 КБ
Joule-Lenz_02.jpg51.63 КБ
+
1
-
2 Июня 2014, 15:06