Закон Джоуля-Ленца: определение, формула, применение

Закон

Закон джоуля Ленца: определение

Закон Джоуля-Ленца — один из законов физики, определяющий количественную меру действия тепла от электрического тока.

Формулировка классического закона Джоуля-Ленца гласит: мощность тепла, выделяющегося в проводнике в процессе протекания по проводнику электрического тока, равна произведению плотности электрического поля на напряженность.

Посмотрите на форму алгебраической формулы Джоуля-Ленца:

ω=j×E=σE2

В этой формуле ω означает количество тепла, E и j — плотность и напряженность электрических полей, σ — проводимость среды.

Простое и понятное объяснение физического смысла теории Джоуля-Ленца: электрический ток при протекании по проводнику есть движение электрического заряда под действием электрического поля. Следовательно, электрическое поле при этом процессе совершает некоторую работу.

Эта работа используется для разогрева лидера. Таким образом, можно сказать, что энергия превращается в качественно дифференцированное явление — теплоту.

Однако следует понимать, что чрезмерный нагрев проводника электричеством, а также электроприборов не рекомендуется, т к перегрев может повредить электроприборы. Опасен перегрев оборудования в случае короткого замыкания проводки. В этот момент по проводникам может протекать большой ток.

Количество теплоты, выделяющееся за определенное время на определенном участке цепи, определяется как произведение квадрата тока на сопротивление участка цепи.

Теорему Джоуля-Ленца характеризуют как общую, поскольку она не имеет отношения к происхождению сил, порождающих ток. Этот закон распространяется на электролиты, полупроводники и проводники.

Определение и формула

Тепловой закон можно сформулировать и записать в следующем варианте: «Количество теплоты, выделяемой током, прямо пропорционально квадрату тока, подводимого к данному участку цепи, сопротивлению проводника и времени в течение какое электричество действовало на проводник».

Обозначим символом Q количество выделяющегося тепла, а символами I, R и Δt — ток, сопротивление и интервал времени соответственно. Тогда формула закона Джоуля-Ленца будет выглядеть так: Q = I2*R*Δt

По закону Ома I=U/R, из которого R=U/I. Подставляя выражения в формулу Джоуля-Ленца, получаем: Q = U2/R * Δt ⇒ Q = U*I*Δt.

Выведенные нами формулы представляют собой различные формы записи закона Джоуля-Ленца. Зная такие параметры, как напряжение или ток, можно легко рассчитать количество тепла, выделяющегося на участке цепи с сопротивлением R.

Дифференциальная форма

Чтобы перейти к дифференциальной форме закона, проанализируем утверждение Джоуля-Ленца применительно к электронной теории. Прирост энергии электрона ΔW за счет работы электрических сил в поле равен разности энергий электрона в конце пробега (m/2)*(u = υmax)2 и в начале пробега (мю2)/2, т.е

формула выигрыша энергии электронов

Здесь u — скорость хаотического движения (векторная величина), υmax — максимальная скорость электрического заряда в данный момент времени.

Поскольку установлено, что скорость хаотического движения равновероятно совпадает с максимальной (в том и в другом направлении), то выражение 2*u*υmax в среднем равно нулю. Тогда полная энергия, выделяющаяся при столкновениях электронов с атомами, образующими узлы кристаллической решетки, равна:

Формула общей энергии

Это закон Джоуля-Ленца, записанный в дифференциальной форме. Здесь γ — коэффициент согласования, E — напряженность поля.

Интегральная форма

Предположим, что проводник имеет цилиндрическую форму с поперечным сечением S. Пусть длина этого проводника равна l. Тогда мощность P выделяется в объеме V= lS:

Формула мощности P, заданной в объеме

где R — полное сопротивление проводника.

Учитывая, что U = I × R, из последней формулы имеем:

  • Р = U×I;
  • Р=I2R;
  • Р = U2/R.

Если текущее значение изменяется во времени, количество теплоты рассчитывается по формуле:

Формула количества тепла

Это выражение, а также приведенные выше формулы, которые можно переписать в том же виде, обычно называют интегральной формой закона Джоуля-Ленца.

Формулы очень удобны при расчете выходной мощности нагревательных элементов. Если известно сопротивление такого элемента, то легко узнать напряжение бытовой сети, например, чайника или паяльника.

Физический смысл

Рассмотрим, как протекает электрический ток по металлическому проводнику. Как только электрическая цепь замыкается, под действием ЭДС движение свободных электронов упорядочивается, и они устремляются к положительному полюсу источника тока.

Однако на пути встречаются упорядоченные ряды кристаллических решеток, атомы которых создают препятствия упорядоченному движению, то есть сопротивляются.

Часть энергии движущихся электронов расходуется на преодоление сопротивления. В соответствии с фундаментальным законом сохранения энергии она не может исчезнуть бесследно. Именно она превращается в тепло, и вызывает нагрев вождя. Накопленная тепловая энергия излучается в окружающее пространство или нагревает другие предметы, соприкасающиеся с проводником.

На рис. 2 представлена ​​схема опыта, демонстрирующая закон теплового действия тока, нагревающего участок провода в электрической цепи.

Тепловой эффект электричества

Явление проводников тепла было известно почти с момента получения электрического тока, но ученые не могли объяснить его природу, а тем более предложить метод оценки количества выделяемого тепла. Эта проблема решается законом Джоуля-Ленца, которым мы пользуемся и по сей день.

Практическая польза закона Джоуля-Ленца

При сильном нагреве можно наблюдать излучение видимого спектра света, которое имеет место, например, в лампе накаливания. Слабо нагретые тела тоже излучают тепловую энергию, но в диапазоне инфракрасного излучения, которое мы не можем видеть, но можем ощущать нашими тепловыми рецепторами.

Нельзя допускать сильного нагрева проводников, так как чрезмерная температура разрушает структуру металла, иначе говоря, он плавится. Это может привести к выходу из строя электрооборудования, а также стать причиной пожара. Для предотвращения критических параметров нагрева необходимо производить расчеты тепловых элементов по формулам, описывающим закон Джоуля-Ленца.

Проанализировав выражение U2/R, убеждаемся, что при стремлении сопротивления к нулю количество выделяемого тепла стремится к бесконечности. Такая ситуация возникает при коротких замыканиях. Это основная опасность короткого замыкания.

В борьбе с короткими замыканиями используют:

  • предохранители:
  • блоки электронной защиты;
  • предохранители;
  • другие защитные устройства.

Снижение потерь энергии

Формула, соответствующая закону Джоуля Ленца, объясняет реальный КПД линий электропередачи. При использовании подходящих систем теплопроводники не выполняют полезной функции. Этот процесс связан с затратами дополнительной энергии.

Для расчета можно рассмотреть формулу:

Рпр = Рпр * (Рн2/Ун2),

где это находится:

  • Рпр (Рн) — потребляемая мощность ядра (нагрузка);
  • Rпр — электрическое сопротивление;
  • Un — напряжение в питающей сети подключенного потребителя.

Электропроводность является постоянной величиной, зависящей от материала и количества примесей. Зависимостью от температуры в большинстве случаев можно пренебречь. По формуле потери можно уменьшить, увеличив напряжение в нагрузке. Однако этот способ связан с ухудшением общего уровня безопасности.

Увеличение изоляционного слоя в сочетании с другими мерами увеличивает стоимость соответствующих продуктов. С другой стороны, использование качественных материалов с высокой проводимостью сопровождается дополнительными затратами при создании ЛЭП.

Выбор проводов для цепей

Согласно действующим стандартам кабельная продукция для передачи электроэнергии подбирается с учетом допустимого тепловыделения. Расчеты производятся по формулам, приведенным в публикации. Помимо длительного воздействия рассматривается возможность сохранения целостности проводников в аварийном режиме короткого замыкания.

Допустимые параметры кабеля при скрытой прокладке кабеля.

Для упрощения выбора рекомендуемые номиналы для распространенных алюминиевых (медных) жил утверждены специальными стандартами ПУЭ. На картинке показан пример скрытой проводки. Аналогичные допуски установлены для воздушных линий. Кабельную продукцию рекомендуется покупать с запасом, чтобы избежать опасных ситуаций при подключении мощных дополнительных нагрузок.

Читайте также: Звезда и треугольник принцип подключения особенности и работа

Электронагревательные приборы

Если в цепь включить параллельно две лампы накаливания разной мощности, можно визуально определить разницу в свечении. Выделенное тепло распределяется аналогичным образом. По такому же принципу изготавливаются отопительные агрегаты.

Функциональный блок «ТЭН» изготавливается из нихромовой проволоки или другого материала с высоким удельным сопротивлением. Для этой местности характерны высокие температуры.

Индукция используется для централизованного теплоснабжения. Электромагнитный генератор сверху, соединенный с катушкой, создает поле, генерирующее токи на дне горшка. Это дает прямое повышение температуры в нижней области.

К вашему сведению. В проводящей цепи при определенных условиях возникает самоиндукция. Это явление наблюдается при пропускании переменного тока, который изменяет магнитный поток и вызывает образование электродвижущей силы.

Плавкие предохранители

Во всех представленных ситуациях прохождение тока увеличивает температуру проводника. При увеличении силы теплового воздействия до определенного уровня происходит разрушение материала. Этот механизм используется для создания предохранителей. Продукты рассчитываются на основе оцененных формул. В этом случае время горения вставки имеет решающее значение.

Продукция данной категории выпускается в широком ассортименте. Отдельные классы сгруппированы по текущему и стандартному размеру. Применяется деление по типу конструкции (вилка, нож). Критерии времени срабатывания устанавливаются в зависимости от напряжения.

Применение и практический смысл

Прямое преобразование электроэнергии в тепловую энергию нельзя назвать экономически выгодным. Однако, учитывая удобство современного человечества и доступность источников электроэнергии, различные отопительные приборы продолжают широко использоваться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

  • чайник;
  • утюг;
  • фены;
  • плиты;
  • паяльники;
  • сварочные аппараты и многое другое.

На рис. 3 показаны бытовые обогреватели, которыми мы часто пользуемся.

Бытовые обогреватели
Рис. 3. Бытовые обогреватели

Использование тепловой энергии в химической, металлургической и других отраслях промышленности тесно связано с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасное отопительное устройство. Для этого требуются расчеты, которые невозможно провести без использования рассмотренных нами формул. На основании расчетов выбираются материалы с необходимым удельным сопротивлением, что влияет на теплоемкость агрегата.

Закон Джоуля-Ленца можно без преувеличения назвать гениальным. Это один из законов, повлиявших на развитие электротехники.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector