Теория закона джоуля ленца

Закон Джоуля-Ленца

Теория и формулы закона Джоуля-Ленца

как мы уже знаем, при движении свободных электронов по проводнику, электрический ток должен преодолеть сопротивление материала. Во время этого движения зарядов происходят постоянные столкновения атомов и молекул вещества. При этом энергия движения и сопротивления превращается в тепловую. Ее зависимость от тока была впервые описана двумя независимыми учеными Джеймсом Джоулем и Эмилем Ленцем. Поэтому закон и получил двойное название.

Определение, количество теплоты, выделившееся за единицу времени на конкретном участке электрической цепи прямо пропорционально произведению квадрата силы тока на данном участке и его сопротивлению.

Математически, формулу можно записать так:

Любой проводник всегда нагревается, если через него течет ток. Но перегрев проводников очень опасен, т.к может повредите не только электронную аппаратуру, но и стать причиной пожара. Так например, в случае короткого замыкания перегрев материала проводника огромен. Поэтому для защиты от коротких замыканий и больших перегревов в электронные схемы добавляются специальные радиокомпоненты — плавкие предохранители. Для их изготовления используется материала, который быстро плавятся и обесточивают питающую цепь при достижении током максимальных значений. Плавкие предохранители необходимо выбирать в зависимости от площади сечения проводника.

Закон Джоуля-Ленца актуален как для постоянного, так и для переменного тока. Согласно нему работает множество различных нагревательных устройств. Ведь, чем тоньше проводник, тем больший ток по нему проходит за более большой промежуток времени, тем больше количество тепла выделиться в результате этого.

Я надеюсь вы помните помнить, что сила тока зависит от напряжения. Появляется вопрос, почему ноутбук не нагревается так сильно как утюг? Потому, что в основании утюгаимеется спиральная проволока изготовленная из стали, которая отличается низкой сопротивляемостью. Плюс стальная подошва, поэтому утюг разогревается до высоких температур, и мы можем им гладить.

А схема любого ноутбука имеет стабилизатор напряжения, который понижает 220 вольт до 19 вольт. Плюс сопротивление всех схем и компонентов достаточно высокое. Дополнительно для охлаждение имеется кулер и медные тепловые радиаторы.

Работа закона Джоуля-Ленца хорошо просматривается на практике. Самый известный пример его применения – обыкновенная лампа накаливания или галогенная лампа, в которой свечение нити осуществляется благодаря прохождению по ней тока под высоким напряжением.

На основании закона Джоуля-Ленца работает и контактная сварка, где создание сварного соединения совершается путем нагрева металла, за счет проходящего через него тока и деформации свариваемых частей путем сжатия.

Электродуговая сварка, также работает на физических принципах закон Джоуля-Ленца. Для совершения сварочных работ электроды разогревают до такого состояния, чтобы между ними возникла сварочная дуга. Эффект вольтовой дуги открыл русский ученый В.В. Петров, используя принципы закрна Джоуля-Ленца.

Кроме математической формулы, этот закон имеет и дифференциальную форму. Предположим, что по неподвижному проводнику течет ток и вся его работа тратится только на нагревание. Тогда, согласно закону сохранения энергии, получаем следующее математическое выражение:

www.texnic.ru

Журнал «Квант»

Закон Джоуля—Ленца

В электрической цепи при прохождении тока происходит ряд превращений энергии. Во внешнем участке цепи работу по перемещению заряда совершают силы стационарного электрического поля и энергия этого поля превращается в другие виды: механическую, тепловую, химическую, в энергию электромагнитного излучения. Следовательно, полная работа тока на внешнем участке цепи

Если же на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника.

В этом случае количество выделившейся теплоты равно работе, совершаемой током.

Количество теплоты Q, выделяемой током I за время t на участке цепи сопротивлением R, равно \(

Эта формула выражает закон Джоуля—Ленца, установленный опытным путем в XIX в. двумя учеными (английским — Дж. Джоулем и русским Э. X. Ленцем).

При прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяющейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

На законе Джоуля Ленца основано действие многих электронагревательных приборов. Это утюги, электроплиты, электрочайники, кипятильники, паяльники, электрокамины и т.д.

Основной частью любого электронагревательного прибора является нагревательный элемент (проводник с большим удельным сопротивлением наматывается на пластинку из жаростойкого материала: слюды, керамики).

Вышеприведенную формулу закона Джоуля—Ленца удобно применять при последовательном соединении резисторов, так как сила тока во всех участках последовательно соединенной цепи одинакова. Если последовательно соединены два резистора с сопротивлениями R1 и R2, то \(

Q_2 = I^2R_2t\) , откуда \(

\frac = \frac\) , т.е. количество теплоты, выделяемой током в участках последовательно соединенной цепи, пропорционально сопротивлениям этих участков.

Согласно закону Ома, для однородного участка цепи постоянного тока \(

I = \frac UR\). Тогда \(

Эту формулу удобно использовать при параллельном соединении резисторов, так как напряжение на каждой ветви такой цепи одинаково. Если параллельно соединены два резистора с сопротивлениями R1 и R2, то \(

Q_2 = \frac t\), откуда

т.е. количество теплоты, выделяемой током в ветвях параллельно соединенной цепи, обратно пропорционально сопротивлениям резисторов, включенных в эти ветви.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 269-270.

www.physbook.ru

47. Закон Джоуля — Ленца

В результате опытов было установлено, что количество тепла, выделяемого током при прохождении по проводнику, зависит от сопротивления самого проводника, тока и времени его прохождения.

Этот физический закон был впервые установлен в 1841 г. английским физиком Джоулем, а несколько позднее (в 1844 г.) независимо от него русским академиком Эмилем Христианови-чем Ленцем (1804—1865).

Количественные соотношения, имеющие место при нагревании проводника током, называются законом Джоуля — Ленца.

Э. X. Ленц обобщил опыты по электромагнитной индукции, изложив это обобщение в виде «правила Ленца». В своих трудах по теории электрических машин Ленц изучил явление «реакции якоря» в машинах постоянного тока, доказал принцип обратимости электрических машин. Ленц, работая с Якоби, исследовал силу притяжения электромагнитов, установил зависимость магнитного момента от намагничивающей силы.

Ленц был членом Петербургской Академии Наук и ректором Петербургского университета.

Выше было установлено:

Энергия электрического тока определяется по формуле

Так как энергия тока идет на нагрев, то количество тепла, выделяемое током в проводнике, равно:

Эта формула, выражающая закон Джоуля — Ленца, показывает, что количество тепла в калориях, выделяемое током при прохождении по проводнику, равно коэффициенту 0,24, умноженному на квадрат тока в амперах, сопротивление в омах и время в секундах.

Пример 2. Определить, сколько тепла выделит ток в 6 а, проходя по проводнику сопротивлением 2 ом. в течение 3 мин,

Q=0.24 • I 2 •r•t = 0,24 • 36 • 2 • 180=3110,4 кал. Формулу закона Джоуля — Ленца можно написать так: Q = 0.24•I•I•r•t, а так как I•r=U, то можно написать:

Пример 3. Электрическая плитка включена в сеть напряжением 120 в. Ток, протекающий по спирали плитки, 5 а. Требуется определить, сколько тепла выделит ток за 2 часа,

Q=0.24 • I•U•t=0,24• 5• 120• 7200=1036800 кал=1036,8 ккал.

rza.org.ua

Закон Джоуля-Ленца

Особенно тщательные исследования бы­ли выполнены для установления количества теплоты, которое выделяется в проводниках при прохождении тока. Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889) в 1841 г. и независимо от него русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804—1865) в 1842 г. установили, что

количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохож­дении в нем тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и вре­мени прохождения тока:

Этот вывод в науке получил название закона Джоуля-Ленца, а полученная форму­ла является его математическим выражением.

В наиболее общем виде закон Джоуля-Ленца можно получить, если установить, какая энергия выделяется в единице объема проводника за единицу времени (плотность тепловой мощности):

Джоуль Джеймс Прескотт (1818 — 1889) — английский физик, член Лондонского королевского общества с 1859 г. По­лучил домашнее образование; первые уроки по физике с ним провел Джон Дальтон. Написал выдающиеся работы по теплоте и электромагнетизму, один из первооткрывателей закона сохране­ния энергии, в 1841 г. (независимо от Э. X. Ленца) открыл закон, который называется законом Джоуля—Ленца.

Ленц Эмилий Христианович (1804 — 1865) — русский физик, член Петербург­ской АН с 1830 г. Учился в Дерптском университете, а в 1836 г. возглавил ка­федру физики и физической географии Петербургского университета, с 1840 г. — декан физико-математического факульте­та, а с 1863 г. — ректор. Преподавал также в морском корпусе, Михайловской артил­лерийской академии, педагогическом ин­ституте. В 1833 г. установил правило для определения направления индукционного тока (закон Ленца), а в 1842 г. (независимо от Джоуля) — закон теплового действия электрического тока.

Необходимо величины, характеризующие проводник и электрическое поле в нем в целом (сопротивление проводника R, силу тока в нем I), выразить через величины, характеризующие вещество проводника в каж­дой его точке (удельное сопротивление или удельная электропроводимость — ρ или σ) и электрическое поле в каждой точке про­водника (напряженность поля E).

Рассмотрим проводник (рис. 5.15) дли­ной l, площадью поперечного сечения S, удельное сопротивление которого ρ (удель­ная электропроводимость σ), в котором су­ществует ток силой I.

Сопротивление такого проводника R = ρ • l / S, объем — V = S • l, сила тока I = j • S, где j — плотность тока, определяющаяся через на­пряженность электрического поля E: Материал с сайта http://worldofschool.ru

Подставляем необходимые данные в фор­мулу для определения плотности тепловой мощности w.

В этом случае закон Джоуля-Ленца фор­мулируется так:

плотность тепловой мощнос­ти в проводнике с током равна произведению удельной электропроводимости вещества про­водника на квадрат напряженности электри­ческого поля проводника в данной точке.

worldofschool.ru

Теория закона джоуля ленца

Рассмотрим произвольный участок цепи, к концам которого приложено напряжение U. За время dt через каждое сечение проводника проходит заряд

При этом силы электрического поля, действующего на данном участке, совершают работу:

Разделив работу на время, получим выражение для мощности:

Полезно вспомнить и другие формулы для мощности и работы:

В 1841 г. манчестерский пивовар Джеймс Джоуль и в 1843 г. петербургский академик Эмилий Ленц установили закон теплового действия электрического тока.

Независимо друг от друга Джоуль и Ленц показали, что при протекании тока, в проводнике выделяется количество теплоты:

Если ток изменяется со временем, то

.

Это закон Джоуля–Ленца в интегральной форме.

Отсюда видно, что нагревание происходит за счет работы, совершаемой силами поля над зарядом.

Соотношение (7.7.4) имеет интегральный характер и относится ко всему проводнику с сопротивлением R, по которому течет ток I. Получим закон Джоуля-Ленца в локальной-дифференциальной форме, характеризуя тепловыделение в произвольной точке.

Тепловая мощность тока в элементе проводника Δl, сечением ΔS, объемом равна:

.

Удельная мощность тока

.

Согласно закону Ома в дифференциальной форме . Отсюда закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме характеризующий плотность выделенной энергии:

Так как выделенная теплота равна работе сил электрического поля

,

то мы можем записать для мощности тока:

Мощность, выделенная в единице объема проводника .

Приведенные формулы справедливы для однородного участка цепи и для неоднородного.

ens.tpu.ru

Популярное:

  • Приказ о введении режима коммерческой тайны Коммерческая тайна: как защитить коммерческую тайну компании Ибрагимова Аида, Руководитель кадровой службы КСК групп «Кто владеет информацией, тот владеет миром» В современном мире информация представляет собой особого рода […]
  • Алименты маленькие что делать Бывший муж платит маленькие алименты К сожалению, в жизни часто случаются такие ситуации, когда бывший муж отказывается участвовать в воспитании ребенка, прежде всего, в финансовом отношении. Что делать в такой сложной и […]
  • Какой налог при продажи авто Нужно ли физическим лицам платить налог с продажи автомобиля? Практически все автовладельцы сталкивались с такой ситуацией, когда приходило время продавать свою машину. Ни для кого не секрет, что все сделки, связанные с продажей […]
  • Как подать апелляционную жалобу на решение арбитражного суда Подача апелляционной жалобы на решение арбитражного суда Образцы документов Популярное Порядок расторжения договора найма жилого помещ. Государственные органы исполнительной власти РФ Расторжение договора […]
  • Учебные пособия для адвокатов Литература для будущего юриста Обратите внимание! Все книги, представленные в этом разделе, открываются в отдельном окне интернет-версии спецвыпуска "ГАРАНТ-Образование". Подробнее о "ГАРАНТ-Образовании". Садовникова Г.Д. […]
  • Таинство крещения правила для крестных Крещение ребенка - правила для крестной мамы Для православных верующих Крещение – это не просто важное событие или красивый церковный обряд, а особое Таинство, во время которого происходит духовное рождение человека. Поэтому […]
  • Правило как пишется наречие «Неплохо» или «не плохо»: слитно или раздельно? 1. «Неплохо» — это наречие с «не» на -о. Они пишутся слитно, если слово приобретает противоположное значение в сочетании с «не». В таких случаях, как правило, слово можно заменить […]
  • Правило вызова экстренных служб МЧС России Телефоны экстренных служб для вызова с мобильного телефона rss Часто спрашивают, как правильно вызвать с городского и мобильного телефона Скорую Помощь, Спасателей и Пожарных, Полицию. Главное управление МЧС […]