Закон Джоуля-Ленца: формула, застосування на практиці, висновок

У 1841 і 1842 роки незалежно один від одного англійський і російський фізики встановили залежність кількості тепла від протікання струму в провіднику. Цю залежність назвали «Закон Джоуля-Ленца». Англієць встановив залежність на рік раніше, ніж російський, але назва закон отримав від прізвищ обох учених, тому як їх дослідження були незалежні. Закон не має теоретичний характер, але має велике практичне значення. І так давайте коротко і зрозуміло дізнаємося визначення закону Джоуля-Ленца і де він застосовується.

формулювання

У реальному провіднику при протіканні через нього струму виконується робота проти сил тертя. Електрони рухаються через провід і стикаються з іншими електронами, атомами і іншими частинками. В результаті цього виділяється тепло. Закон Джоуля-Ленца описує кількість тепла, що виділяється при протіканні струму через провідник. Воно прямо пропорційно залежить від сили струму, опору та часу протікання.

У інтегральної формі Закон Джоуля-Ленца виглядає так:

Сила струму позначається буквою I і виражається в Амперах, Опір – R в Омах, а час t – в секундах. Одиниця виміру теплоти Q – Джоуль, щоб перевести в калорії потрібно помножити результат на 0,24. При цьому 1 калорія дорівнює кількості теплоти, яку потрібно підвести до чистої води, щоб збільшити її температуру на 1 градус.

Такий запис формули справедлива для ділянки ланцюга при послідовному з’єднанні провідників, коли в них протікає одна величина струму, але падає на кінцях різну напругу. Твір сили струму в квадраті на опір дорівнює потужності. У той же час потужність прямо пропорційна квадрату напруги і обернено пропорційна опору. Тоді для електричного кола при паралельному з’єднанні можна Закон Джоуля-Ленца можна записати у вигляді:

У диференціальної формі він виглядає наступним чином:

Де j – щільність струму А / см2, E – напруженість електричного поля, сигма – питомий опір провідника.

Варто зазначити що для однорідної ділянки кола опір елементів буде однаковим. Якщо в ланцюзі присутні провідники з різних опором виникає ситуація, коли максимальна кількість тепла виділяється на те, який має найбільший опір, про що можна зробити висновок, проаналізувавши формулу Закону Джоуля-Ленца.

часті питання

Як знайти час? Тут мається на увазі період протікання струму через провідник, тобто коли коло замкнуте.

Як знайти опір провідника? Для визначення опору використовують формулу, яку часто називають “рейок”, тобто:

Тут літерою «Ро» позначається питомий опір, воно вимірюється в Ом * м / см2, l і S це довжина і площа поперечного перерізу. При обчисленнях метри й сантиметри квадратні скорочуються і залишаються Оми.

Питомий опір – це таблична величина і для кожного металу вона своя. У міді на порядки менше, ніж у високоомних сплавів типу вольфраму або ніхрому. Для чого це застосовується ми розглянемо нижче.

Перейдемо до практики

Закон Джоуля-Ленца має велике значення для електротехнічних розрахунків. В першу чергу ви можете його застосувати при розрахунку нагрівальних приладів. Як нагрівальний елемент найчастіше застосовується провідник, але не простий (типу міді), а з високим опором. Найчастіше це ніхром або Кантана, фехраль.

Вони мають велике питомий опір. Ви можете використовувати і мідь, але тоді ви витратите дуже багато кабелю (сарказм, мідь не використовують в цих цілях). Щоб розрахувати потужність тепла для нагрівального приладу вам потрібно визначиться, яке тіло і в яких обсягах вам потрібно нагріти, врахувати кількість необхідної теплоти і за який час її потрібно передати тілу. Після розрахунків і перетворень ви отримаєте опір і силу струму в цьому ланцюзі. На підставі отриманих даних по питомому опору підбираєте матеріал провідника, його перетин і довжину.

Закон Джоуля-Ленца при передачі електрики на відстань

При передачі електроенергії на відстані виникає суттєва проблема – втрати на лініях передачі (ЛЕП). Закон Джоуля-Ленца описує кількість тепла, виділеного провідником при протіканні струму. ЛЕП живлять цілі підприємства і міста, а для цього потрібна велика потужність, як наслідок великий струм. Так як кількість теплоти залежить від опору провідника і струму, щоб кабелю не грілися потрібно зменшити кількість тепла. Збільшити перетин проводів не завжди можна, тому що це затратно в плані вартості самої міді і ваги кабелю, що тягне за собою подорожчання несучої конструкції. Високовольтні лінії електропередач зображені нижче. Це масивні металоконструкції, створені щоб підняти кабелю на безпечну висоту над землею, з метою уникнення ураження електричним струмом.

Тому потрібно знизити струм, щоб це зробити підвищують напругу. Між містами лінії електропередач зазвичай мають напругу 220 або 110 кВ, а у споживача знижується до потрібної величини за допомогою трансформаторних підстанцій (КТП) або цілою низкою КТП поступово знижуючи до більш безпечних для передачі величин, наприклад 6 кВ.

Таким чином при тій же споживаної потужності при напрузі в 380/220 В ток знизиться в сотні і тисячі разів нижче. А згідно із законом Джоуля-Ленца кількість тепла в цьому випадку визначається потужністю, яка втрачається на кабелі.

Плавкі вставки і запобіжники

Закон Джоуля-Ленца застосовується при розрахунку плавких запобіжників. Це такі елементи, які захищають електричне або електронний пристрій від надмірних для нього струмів, які можуть виникнути в результаті стрибка напруги живлення, короткого замикання на платі або обмотках (в разі двигунів) для захисту від подальших руйнувань електричної системи в цілому і пожежі. Вони складаються з корпусу, ізолятора і тонкого дроту. Дріт підбирається таким перетином, щоб номінальний струм через неї протікав, а при його перевищенні кількість тепла, що виділяється при цьому перепалювати її.

В результаті вище описаного можна дійти висновку, що Закон Джоуля-Ленца знайшов широке застосування і дуже важливий для електротехніки. Завдяки інформації про кількості теплоти, яку дає виконання розрахунків за формулами зазначеним вище, ми можемо дізнатися про режими роботи пристроїв, підібрати необхідні матеріали і перетин для підвищення безпеки, надійності і довговічності приладу або ланцюга в цілому.

На цьому ми і закінчуємо нашу статтю. Сподіваємося, надана інформація була для вас корисною і цікавою. Наостанок рекомендуємо переглянути відео, на якому більш докладно розглядається дане питання:

Напевно ви не знаєте:

Ссылка на основную публикацию