Berezka7km.ru

Березка 7км
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Закон Джоуля-Ленца: история возникновения

Закон Джоуля-Ленца: история возникновения

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.

закон джоуля ленца

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.

Читайте так же:
Работа тепловоза под контактным проводом

электрическое поле в проводнике с током

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:

  • 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 джоуля ленца формула

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.

закон ома

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.

электрическая лампочка

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.

Читайте так же:
Установка автоматического выключателя с тепловым расцепителем

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.

ленц

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: определение, практическое значение

Закон Джоуля-Ленца был открыт в 1841 и 1842 году двумя учеными Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем. Ленц опубликовал результаты своей работы в 1842 году, на год позже Джоуля, но его эксперименты были более точными и вывод из опытов он вывел раньше.

Содержание статьи

Закон Джоуля-Ленца: определение, практическое значение

  • Закон Джоуля-Ленца: определение, практическое значение
  • Что такое электрический ток
  • Что такое переменный ток

Закон Джоуля-Ленца

Закон Джоуля-Ленца определяет количество теплоты, выделяющейся в проводнике, обладающим сопротивлением за время t, при прохождении через него электрического тока.

Q = a*I*2R*t, где
Q — колическтво выделяемой теплоты (в Джоулях)
a — коэффициент пропорциональности
I — сила тока ( в Амперах)
R — Сопротивление проводника (в Омах)
t — Время прохождения (в секундах)

Закон Джоуля-Ленца объясняет, что электрический ток — это заряд, который перемещается под действием электрического поля. При этом поле совершает работу, а ток обладает мощностью и выделяется энергия. Когда эта энергия проходит по неподвижному металлическому проводнику, то она становится тепловой, так как направлена на нагревание проводника.

В дифференциальной форме закон Джоуля-Ленца выражается как объемная плотность тепловой мощности тока в проводнике будет равна произведению удельной электрической проводимости на квадрат напряженности электрического поля.

Читайте так же:
Тепловое действие тока это определение кратко

Применение закона Джоуля-Ленца

Лампы накаливания были придуманы в 1873 году русским инженером Лодыгиным. В лампах накаливания, как и в электронагревательных приборах, применяется закон Джоуля-Ленца. В них используют нагревательный элемент, который является проводником с высоким сопротивлением. За счет этого элемента можно добиться локализованного выделения тепла на участке. Выделение тепла будет появляться при повышении сопротивления, увеличении длины проводника, выбором определенного сплава.

Одной из областей применения закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии.
Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии. При передаче электроэнергии, передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а сила нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если повышать напряжение, при этом понижая силу тока перед подачей электроэнергии, то это будет более выгодно. Но повышение напряжения ведет к снижению электробезопасности. Для повышения уровня электробезопасности повышают сопротивление нагрузки соответственно повышению напряжения в сети.

Также закон Джоуля-Ленца влияет на выбор проводов для цепей. При неправильном подборе проводов возможен сильный нагрев проводника, а так же его возгорание. Это происходит когда сила тока превышает предельно допустимые значения и выделяется слишком много энергии. При правильном подборе проводов для электрических цепей стоит следовать нормативным документам.

Закон Джоуля — Ленца

Закон Джо́уля — Ле́нца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем [1] .

Содержание

Определения

В словесной формулировке звучит следующим образом [2]

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании постоянного электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля

Математически может быть выражен в следующей форме:

<math>w = vec j cdot vec E = sigma E^2</math>

где <math>w</math> — мощность выделения тепла в единице объёма, <math>vec j</math> — плотность электрического тока, <math>vec E</math> — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды, а точкой обозначено скалярное произведение.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах [3] :

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

В интегральной форме этот закон имеет вид

<math>dQ = I^2 R dt</math> <math>Q = intlimits_^ I^2 R dt </math>

где dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t1 до t2. В случае постоянных силы тока и сопротивления:

А применяя закон Ома можно получить следующие эквивалентные формулы:

<math>Q = V^2 t / R = I V t</math>

Практическое значение

Снижение потерь энергии

При передаче электроэнергии тепловое действие тока в проводах является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно, значит ток в сети <math>I</math> на проводах и нагрузке одинаков. Мощность нагрузки и сопротивление проводов не должны зависеть от выбора напряжения источника. Выделяемая на проводах и на нагрузке мощность определяется следующими формулами

Читайте так же:
Выключатель для пленочного теплого пола

<math>Q_w = R_w cdot I^2</math> <math>Q_c = V_c cdot I</math>

Откуда следует, что <math>Q_w = R_w cdot Q_c^2 / V_c^2</math>. Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение <math>R_w cdot Q_c^2</math> является константой, то тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе. Повышая напряжение мы снижаем тепловые потери в проводах. Это, однако, снижает электробезопасность линий электропередачи.

Выбор проводов для цепей

Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников.

Электронагревательные приборы

Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.

За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.

Плавкие предохранители

Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.

Работа электрического тока. Закон Джоуля — Ленца.

Нажмите, чтобы узнать подробности

Урок разработан по учебнику Физика 11 класс, общественно – гуманитарного направления Р.Башарулы, Г.Байжасарова, У. Токбергенова. Данный урок физики направлен на изучение нового материала, а также на закрепление изученного материала. В ходе урока обучающиеся обобщают свои знания по электростатике, изучая новый материал, решают проблемные вопросы по ходу урока, знакомятся с характеристиками электрического тока.

Просмотр содержимого документа
«Работа электрического тока. Закон Джоуля — Ленца. »

Тема урока: Работа электрического тока. Закон Джоуля – Ленца.

Читайте так же:
Тепловой режим переменного тока

Тип урока: изучение и первичное закрепление новых знаний.

Цель урока: организовать деятельность по восприятию, осмысление и первичному запоминанию новых знаний и способов деятельности по теме: «Работа электрического тока. Закон Джоуля — Ленца».

1. Организационный этап

Приветствие, проверка подготовленности обучающихся к учебному занятию, раскрытие целей урока и плана его проведения.

2. Актуализация знаний

1. Что такое электрический ток?

2. Назовите формулу силы тока и ее единицу измерения.

3. Назовите формула напряжения.

4. Назовите формулу закона Ома для участка цепи.

5. Назовите формулу закона Ома для полной цепи.

6. Какие условия необходимы для существования электрического тока в проводнике?

3. Изучение новой темы.

О существовании электрического тока можно судить по его тепловым, химическим, магнитным действиям. Производя эти действия , электрический ток совершает работу.

Определим эту работу.

При прохождении тока, т.е. при переносе заряда за счет энергии источника тока, совершается работа:

q – перенесенный заряд,

φ – разность потенциалов точек, между которыми перемещается заряд.

Для простоты рассмотрим участок электрической цепи, который не содержит источника тока, когда Тогда разность потенциалов ∆φ совпадает с напряжением на концах участка:

перенесенный заряд можно определить через силу тока I:

q = It

работа тока на участке цепи равна

A = IUt

Если учесть закон Ома для участка цепи U = IR, A = IR 2 t.

Работу тока измеряют в джоулях (Дж)

Если работа тока идет на нагревание проводника, то количество выделяющегося тепла равно

=A = I 2 Rt

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения электрического тока. Сформулированный выше вывод называется законом Джоуля — Ленца.

Этот закон открыт английским физиком Дж. Джоулем в 1841г. и академиком Э.Х. Ленцем в 1843г.

Используя закон Ома для участка цепи, можно записать

= IUt или

Тепловое действие электрического тока применяется в бытовых и промышленных нагревательных установках. Они используются в электронных лампах, приборах измерительной техники, и во многих других областях современной техники.

4. Закрепление изученного материала.

По каким формулам определяют работу тока?

Кем и когда был открыт закон Джоуля – Ленца?

Как формулируется и записывается закон Джоуля – Ленца?

В каких единицах измеряется работа тока?

Где используется тепловое действие электрического тока?

Решение задач

Упражнение 6 (1,2) стр 38

Какую работу за 5 мин совершает электрический ток в лампочке карманного фонаря, если напряжение на лампочке 3,5 В, а сила тока в ней 0,28 А?

Какое количество теплоты выделится за 10 мин в резисторе сопротивлением 1 кОм, если сила тока в нем 10 мА?

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector