Когда не работает закон джоуля ленца

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.

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:

• 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.

Источник

Закон Джоуля-Ленца: определение, формулы

Мы ежедневно пользуемся электронагревательными приборами, не задумываясь, откуда берётся тепло. Разумеется, вы знаете, что тепловую энергию вырабатывает электричество. Но как это происходит, а тем более, как оценить количество выделяемого тепла, знают не все. На данный вопрос отвечает закон Джоуля-Ленца, обнародованный в позапрошлом столетии.

В 1841 году усилия английского физика Джоуля, а в 1842 г. исследования русского учёного Ленца увенчались открытием закона, применение которого позволяет количественно оценить результаты теплового действия электрического тока [ 1 ]. С тех пор изобретено множество приборов, в основе которых лежит тепловое действие тока. Некоторые из них, изображены на рис. 1.

Рис. 1. Тепловые приборы

Определение и формула

Тепловой закон можно сформулировать и записать в следующей редакции: «Количество тепла, выработанного током, прямо пропорционально квадрату приложенного к данному участку цепи тока, сопротивления проводника и промежутка времени, в течение которого электричество действовало на проводник».

Обозначим символом Q количество выделяемого тепла, а символами I, R и Δt – силу тока, сопротивление и промежуток времени, соответственно. Тогда формула закона Джоуля-Ленца будет иметь вид: Q = I 2 *R*Δt

Согласно законам Ома I=U/R, откуда R = U/I. Подставляя выражения в формулу Джоуля-Ленца получим: Q = U 2 /R * Δt ⇒ Q = U*I*Δt.

Выведенные нами формулы – различные формы записи закона Джоуля-Ленца. Зная такие параметры как напряжение или силу тока, можно легко рассчитать количество тепла, выделяемого на участке цепи, обладающем сопротивлением R.

Дифференциальная форма

Чтобы перейти к дифференциальной форме закона, проанализируем утверждение Джоуля-Ленца применительно к электронной теории. Приращение энергии электрона ΔW за счёт работы электрических сил поля равно разности энергий электрона в конце пробега (m/2)*(u=υ_max) 2 и в начале пробега (mu 2 )/2 , то есть

Здесь u – скорость хаотического движение (векторная величина), а υ_max – максимальная скорость электрического заряда в данный момент времени.

Поскольку установлено, что скорость хаотического движения с одинаковой вероятностью совпадает с максимальной (по направлению и в противоположном направлении), то выражение 2*u*υ_max в среднем равно нулю. Тогда полная энергия, выделяющаяся при столкновениях электронов с атомами, образующими узлы кристаллической решётки, составляет:

Это и есть закон Джоуля-Ленца, записанный в дифференциальной форме. Здесь γ – согласующий коэффициент, E – напряжённость поля.

Интегральная форма

Предположим, что проводник имеет цилиндрическую форму с сечением S. Пусть длина этого проводника составляет l. Тогда мощность P, выделяемая в объёме V= lS составляет:

гдеR – полное сопротивление проводника.

Учитывая, чтоU = I×R, из последней формулы имеем:

Если величина тока со временем меняется, то количество теплоты вычисляется по формуле:

Данное выражение, а также вышеперечисленные формулы, которые можно переписать в таком же виде, принято называть интегральной формой закона Джоуля-Ленца.

Формулы очень удобны при вычислении мощности тока в нагревательных элементах. Если известно сопротивление такого элемента, то зная напряжение бытовой сети легко определить мощность прибора, например, электрочайника или паяльника.

Физический смысл

Вспомним, как электрический ток протекает по металлическому проводнику. Как только электрическая цепь замкнётся, то под действием ЭДС движение свободных электронов упорядочивается, и они устремляются к положительному полюсу источника питания. Однако на их пути встречаются стройные ряды кристаллических решёток, атомы которых создают препятствия упорядоченному движению, то есть оказывают сопротивление.

На преодоление сопротивления уходит часть энергии движущихся электронов. В соответствии с фундаментальным законом сохранения энергии, она не может бесследно исчезнуть. Она-то и превращается в тепло, вызывающее нагревание проводника. Накапливаемая тепловая энергия излучается в окружающее пространство или нагревает другие предметы, соприкасающиеся с проводником.

На рисунке 2 изображёна схема опыта, демонстрирующего закон теплового действия тока, разогревающего участок провода в электрической цепи.

Рис. 2. Тепловое действие тока

Явление нагревания проводников было известно практически с момента получения электротока, но исследователи не могли тогда объяснить его природу, и тем более, предложить способ оценки количества выделяемого тепла. Эту проблему решает закон Джоуля-Ленца, которым мы пользуемся по сегодняшний день.

Практическая польза закона Джоуля-Ленца

При сильном нагревании можно наблюдать излучение видимого спектра света, что происходит, например, в лампочке накаливания. Слабо нагретые тела тоже излучают тепловую энергию, но в диапазоне инфракрасного излучения, которого мы не видим, но можем ощутить своими тепловыми рецепторами.

Допускать сильное нагревание проводников нельзя, так как чрезмерная температура разрушает структуру металла, проще говоря – плавит его. Это может привести к выводу из строя электрооборудования, а также стать причиной пожара. Для того, чтобы не допустить критических параметров нагревания необходимо делать расчёты тепловых элементов, пользуясь формулами, описывающими закон Джоуля-Ленца.

Проанализировав выражение U 2 /R убеждаемся, что когда сопротивление стремится к нулю, то количество выделенного тепла стремится к бесконечности. Такая ситуация возникает при коротких замыканиях. В это основная опасность КЗ.

В борьбе с короткими замыканиями используют:

• автоматические выключатели:
• электронные защитные блоки;
• плавкие предохранители;
• другие защитные устройства.

Применение и практический смысл

Непосредственное превращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономически выгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современного человечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборы продолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

• электрочайники;
• утюги;
• фены;
• варочные плиты;
• паяльники;
• сварочные аппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

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

Источник