Количество выделения тепла в проводнике зависит от. Закон джоуля ленца формула и определение

Довольно трудно представить жизнь современного человека без электричества. Оно стало одним из главных и самых ценных атрибутов современного существования. Фактически любой человек, который когда-либо работал с электричеством, знает, что при прохождении по проводам тока у них есть свойство нагреваться. Отчего же это зависит?

Что такое ток

Ток - это упорядоченное движение заряженных частиц, которые называются электронами. И если ток протекает по проводнику, то в нём начинают происходить разные физические процессы, а именно сталкиваются электроны с молекулами.

Молекулы бывают нейтральные или те, которые потеряли свою отрицательно заряженную частицу. В результате столкновений или электроны могут становиться нейтральными молекулами, или при этом выбивается из другой такой же молекулы электрон, образовавший положительно заряженный ион. Во время этих столкновений расходуется кинетическая энергия заряженных частиц. Именно эта энергия и становится теплом.

На тепловой нагрев проводника может влиять и сопротивление. Например, можно взять определённое тело и тащить его по земле. Земля в этом случае - сопротивление. Что же с ним будет? Правильно, между телом и поверхностью будет происходить сила трения, которая, в свою очередь, нагревает тело. Ток в этом случае ведёт себя точно так же.

Зависимость

И, внимая все вышеупомянутое, учёным удалось определить эту зависимость между силой тока, сопротивлением и количеством тепла. Эта зависимость носит название закон Джоуля-Ленца, формула которого известна всем физикам. В 1832—1833 годах русским физиком Эмилием Ленцем было обнаружено, что при тепловом воздействии на металлические проводники их проводимость капитально изменялась. Это фактически усложняло работу учёного и мешало рассчитывать электрические цепи.

Тогда же молодому учёному пришла в голову мысль о том, что, возможно, существует какая-то зависимость между силой тока и температурой проводника. Но как быть? В то время отсутствовали точные электрические приборы, позволяющие измерить силу тока, сопротивление, не было даже источника стабильного ЭДС. Ленца это не остановило, он решил провести опыт.

Опыты русского физика

Суть этого опыта была настолько проста, как и все гениальное, что его может повторить даже школьник. Учёный сконструировал специальный прибор, который служил для измерения количества тепла, выделяемого проводником. Этим прибором оказался обычный сосуд, вовнутрь которого Ленц заливал раствор разбавленного спирта и ставил проводник - платиновую проволоку, на которую подавался электрический ток.

После того как прибор был создан, учёный начал проводить опыты. Он измерял точное количество времени, необходимое для того, чтобы спирт в сосуде был нагрет до 10 о С. На это было потрачено много не только месяцев, но и лет. И в 1843 году, спустя 10 лет, был опубликован закон, суть которого заключалась в том, что нагревание проводника током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока.

Джоуль и Ленц

Но не тут-то было! Оказывается, несколько лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль проводил аналогичные опыты, и уже опубликовал свои наблюдения. Как быть? Ленц не сдался и внимательно изучил работу Джоуля и пришёл к выводу, что, пусть они и проводили одинаковые эксперименты, опыты Ленца были гораздо точнее. В связи с чем научное сообщество добавило к работе Джоуля поправки Ленца и этот закон стал называться как закон Джоуля-Ленца. Математическая формулировка закона выглядит таким образом:

Q = I *U*t, где:

• I - сила тока, А;
• U - напряжение, В;
• t - время, которое ток затрачивает на прохождение проводника, с.

Сам же закон звучит так: количество тепловой энергии, выделяемой в проводнике, через который течёт электрический ток, равно произведению силы тока, напряжения и времени прохождения тока через проводник.

Закон Ома

Однако будет ли всегда верным это утверждение? Можно попробовать вывести его, используя закон Ома. Судя по нему U = I*R, где R - сопротивление, Ом.

Учитывая закон Ома, можно подставить значение в формулу Q = I*U*t = I 2 *R*t. Из этого можно сделать вывод, что количество теплоты напрямую зависит и от сопротивления проводника. Также для закона Джоуля-Ленца будет справедливо и это утверждение: I = Q = I*U*t.

Все три формулы будут верны, однако Q = I 2 *R*t будет верной для любых ситуаций. Две другие тоже являются правильными, однако при определённых обстоятельствах.

Проводники

Теперь о проводниках. Изначально в своих опытах Джоуль и Ленц использовали платиновые проволоки, как и было упомянуто выше. Во всех похожих экспериментах учёные того времени использовали в основном металлические проводники, так как они были довольно недорогими и стабильными. Не удивительно, ведь до сих пор металлические проводники - основной тип проводников, в связи с чем изначально считалось, что закон Джоуля-Ленца был применим только к ним. Однако чуть позже было обнаружено, что этот закон применим не только к металлическим проводникам. Он верен для любых из них. Сами проводники по классификации можно разделить на:

• Металлические (медь, железо, серебро и т.д.). Главную роль в них играют отрицательно заряженные частицы (электроны), которые протекают по проводнику.
• Жидкие. В них же за движение зарядов отвечают ионы - это атомы, в которых или слишком много, или слишком мало электронов.
• Газообразные. В отличие от своих коллег, в таких проводниках ток определяется движением как ионов, так и электронов.

И несмотря на различия, в любом случае при увеличении силы тока или сопротивления увеличится и количество тепла.

Применение закона другими физиками

Открытие закона Джоуля-Ленца сулило огромные перспективы. Ведь, по сути, этот закон позволил создавать своего рода разные электронагревательные приборы и элементы. Например, чуть позже после открытия закона учёные заметили, что при нагревании определённых элементов они начинают светиться. Они захотели поэкспериментировать с ними, используя разные проводники, и в 1874 году русский инженер Александр Николаевич Лодыгин изобрёл современную лампу накаливания, нить которой была сделана из вольфрама.

Применяется закон Джоуля-Ленца и в электротехнике - например, при создании плавких предохранителей. Плавкий предохранитель - это некий элемент электрический цепи, конструкция которого сделана так, что при протекании по нему тока выше допустимого значения (например, при коротком замыкании) он перегревается, плавится и размыкает силовую цепь. Даже обычный электрический чайник или микроволновая печь, которая есть фактически у каждого, работает согласно этому закону.

Заключение

Довольно трудно определить вклад этих учёных в современную электронику и электротехнику, но одно можно сказать точно - появление закона Джоуля-Ленца перевернуло представление людей об электричестве и дало более конкретные знания о том, что такое электрическое поле в проводнике с током.

Без сомнения, открытый этими великими учеными-физиками закон стал определяющей ступенью во всей науке, именно благодаря этому открытию впоследствии были совершены другие более или менее грандиозные достижения других ученых. Вся наука представляет собой тесное переплетение открытий, каких-то разрешенных и неразрешенных задач. Рассмотренный в этой статье закон определенным образом повлиял на многие исследования и оставил неизгладимый и вполне отчетливый след в науке.

Закон Джоуля – Ленца – закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Сформулирован этот закон был в 1841 году английским учёным Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 году известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он получил своё двойное название — закон Джоуля – Ленца.

Определение закона и формула

Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность тепла, выделяемого в проводнике при протекании сквозь него , пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:

ω = j E = ϭ E²,

где ω — количество тепла, выделяемого в ед. объема;

E и j – напряжённость и плотность, соответственно, электрического полей;

σ — проводимость среды.

Физический смысл закона Джоуля – Ленца

Закон можно объяснить следующим образом: ток, протекая по проводнику, представляет собой перемещение электрического заряда под воздействием . Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа расходуется на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

Но чрезмерный нагрев проводников с током и электрооборудования допускать нельзя, поскольку это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при проводов, когда по проводниках могут протекать достаточно большие токи.

В интегральной форме для тонких проводников закон Джоуля – Ленца звучит следующим образом: количество теплоты, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока на сопротивление участка.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

Q = ∫ k I² R t,

при этом Q – количество выделившейся теплоты;

I – величина тока;

R — активное сопротивление проводников;

t – время воздействия.

Значение параметра k принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.

Закон Джоуля-Ленца имеет достаточно общий характер, поскольку не имеет зависимости от природы сил, генерирующих ток.

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Область применения

Областей применения в быту закона Джоуля Ленца – огромное количество. К примеру, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электрообогревателе и мн. др. Это наиболее широко распространенный физический закон в повседневной жизни.

Электричество — неотъемлемый признак нашей эпохи. Абсолютно всё вокруг завязано на нём. Любой современный человек, даже без технического образования, знает, что электрический ток, текущий по проводам, способен в некоторых случаях нагревать их, зачастую до очень высоких температур. Казалось бы, это заведомо всем известно и не стоит упоминания. Однако, как объяснить это явление? Почему и как происходит нагрев проводника?

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц «застрял» с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи «источник энергии — проводник — потребитель энергии» сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало — невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший «нагреватель» — стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся — тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Формула Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока, равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q=I 2 Rt

где

Q - количество выделяемого тепла (Джоули)

I - сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R - сопротивление проводника (Омы)

t - время прохождения тока через проводник (Секунды)

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы «трётся», соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а, как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

Из формулы также следует — чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев. Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом — будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге — подгорание с последующим пропаданием контакта.

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины — первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна, данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.

Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку

Заключение

Таки образом, можно сказать что на законе Джоуля-Ленца держится чуть ли не вся электрика и электротехника. Открыв этот закон, появилась возможность уже заранее предсказать некоторые будущие проблемы в освоении электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери нужно занизить передаваемый ток, компенсируя это высоким напряжением. А уже на оконечном потребителе, понижать напряжение и получать более высокий ток.

Закон Джоуля-Ленца неотступно следует из одной эпохи технологического развития в другую. Даже сегодня мы постоянно наблюдаем его в быту – закон проявляется всюду, и не всегда люди ему рады. Сильно греющийся процессор персонального компьютера, пропадание света из-за обгоревшей скрутки «медь-алюминий»,выбитая вставка-предохранитель, выгоревшая из-за высокой нагрузки электропроводка – всё это тот самый закон Джоуля-Ленца.

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка

Закон Джоуля Ленца в интегральной форме в тонких проводах:

Если сила тока изменяется со временем, проводник неподвижен и химических превращений в нем нет, то в проводнике выделяется тепло.

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах. Тот же эффект в электрических машинах и аппаратах приводит к непроизвольным затратам энергии (потере энергии и снижении КПД). Тепло, вызывая нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку; при перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокращение срока службы установки.

В формуле мы использовали:

Количество теплоты

Работа тока

Напряжение в проводнике

Сила тока в проводнике

Промежуток времени

В 1841 и 1842 года независимо друг от друга английский и русский физики установили зависимость количества тепла от протекания тока в проводнике. Эту зависимость назвали «Закон Джоуля-Ленца». Англичанин установил зависимость на год раньше, чем русский, но название закон получил от фамилий обоих ученных, потому как их исследования были независимы. Закон не носит теоретический характер, но имеет большое практическое значение. И так давайте кратко и понятно узнаем определение закона Джоуля-Ленца и где он применяется.

Формулировка

В реальном проводнике при протекании через него тока выполняется работа против сил трения. Электроны движутся через провод и сталкиваются с другими электронами, атомами и прочими частицами. В результате этого выделяется тепло. Закон Джоуля-Ленца описывает количество тепла, выделяемое при протекании тока через проводник. Оно прямо пропорционально зависит от силы тока, сопротивления и времени протекания.

В интегральной форме Закон Джоуля-Ленца выглядит так:

Сила тока обозначается буквой I и выражается в Амперах, Сопротивление - R в Омах, а время t - в секундах. Единица измерения теплоты Q — Джоуль, чтобы перевести в калории нужно умножить результат на 0,24. При этом 1 калория равна количеству теплоты, которое нужно подвести к чистой воде, чтобы увеличить её температуру на 1 градус.

Такая запись формулы справедлива для участка цепи при последовательном соединении проводников, когда в них протекает одна величина тока, но падает на концах различное напряжение. Произведение силы тока в квадрате на сопротивление равняется мощности. В то же время мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению. Тогда для электрической цепи при параллельном соединении можно Закон Джоуля-Ленца можно записать в виде:

В дифференциальной форме он выглядит следующим образом:

Где j - плотность тока А/см 2 , E - напряженность электрического поля, сигма - удельное сопротивление проводника.

Стоит отметить что для однородного участка цепи сопротивление элементов будет одинаковым. Если в цепи присутствуют проводники с разным сопротивлением возникает ситуация, когда максимальное количество тепла выделяется на том, который имеет самое большое сопротивление, о чем можно сделать вывод, проанализировав формулу Закона Джоуля-Ленца.

Частые вопросы

Как найти время? Здесь имеется в виду период протекания тока через проводник, то есть когда цепь замкнута.

Как найти сопротивление проводника? Для определения сопротивления используют формулу, которую часто называют “рельс”, то есть:

Здесь буквой «Ро» обозначается удельное сопротивление, оно измеряется в Ом*м/см2, l и S это длина и площадь поперечного сечения. При вычислениях метры и сантиметры квадратные сокращаются и остаются Омы.

Удельное сопротивление - это табличная величина и для каждого металла она своя. У меди на порядки меньше, чем у высокоомных сплавов типа вольфрама или нихрома. Для чего это применяется мы рассмотрим ниже.

Перейдем к практике

Закон Джоуля-Ленца имеет большое значение для электротехнических расчетов. В первую очередь вы можете его применить при расчете нагревательных приборов. В качестве нагревательного элемента чаще всего применяется проводник, но не простой (типа меди), а с высоким сопротивлением. Чаще всего это нихром или кантал, фехраль.

Они имеют большое удельное сопротивление. Вы можете использовать и медь, но тогда вы потратите очень много кабеля (сарказм, медь не используют в этих целях). Чтобы рассчитать мощность тепла для нагревательного прибора вам нужно определится, какое тело и в каких объемах вам нужно нагреть, учесть количество требуемой теплоты и за какое время её нужно передать телу. После расчетов и преобразований вы получите сопротивление и силу тока в этой цепи. На основании полученных данных по удельному сопротивлению подбираете материал проводника, его сечение и длину.

Закон Джоуля-Ленца при передаче электричества на расстояние

При возникает существенная проблема - потери на линиях передачи (ЛЭП). Закон Джоуля-Ленца описывает количество тепла, выделенного проводником при протекании тока. ЛЭП питают целые предприятия и города, а для этого нужна большая мощность, как следствие большой ток. Так как количество теплоты зависит от сопротивления проводника и тока, чтобы кабеля не грелись нужно уменьшить количество тепла. Увеличить сечение проводов не всегда можно, т.к. это затратно в плане стоимости самой меди и веса кабеля, что влечет за собой удорожание несущей конструкции. Высоковольтные линии электропередач изображены ниже. Это массивные металлоконструкции, созданные чтобы поднять кабеля на безопасную высоту над землей, с целью избежания поражения электрическим током.

Поэтому нужно снизить ток, чтобы это сделать повышают напряжение. Между городами линии электропередач обычно имеют напряжение 220 или 110 кВ, а у потребителя понижается до нужной величины с помощью трансформаторных подстанций (КТП) или целым рядом КТП постепенно понижая до более безопасных для передачи величин, например 6 кВ.

Таким образом при той же потребляемой мощности при напряжении в 380/220 В ток снизится в сотни и тысячи раз ниже. А по закону Джоуля-Ленца количество тепла в этом случае определяется мощностью, которая теряется на кабеле.

Плавкие вставки и предохранители

Закон Джоуля-Ленца применяется при расчете плавких предохранителей. Это такие элементы, которые защищают электрическое или электронное устройство от чрезмерных для него токов, которые могут возникнуть в следствии скачка питающего напряжения,