Сформулируйте закон джоуля ленца: Закон Джоуля-Ленца — формулы, применение и примеры

Сформулируйте закон джоуля ленца каково тепловое действие тока



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=υmax) 2 и в начале пробега (mu 2 )/2 , то есть

Здесь u скорость хаотического движение (векторная величина), а υmax – 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*υmax 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:

  • P = U×I;
  • P = I 2 R;
  • P = U 2 /R.

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

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

1. Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу, и электрическая энергия превращается в другие виды энергии: во внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля и пр.

Как было показано, напряжение ​ \( (U) \) ​ на участке цепи равно отношению работы ​ \( (F) \) ​, совершаемой при перемещении электрического заряда ​ \( (q) \) ​ на этом участке, к заряду: ​ \( U=A/q \) ​. Отсюда ​ \( A=qU \) ​. Поскольку заряд равен произведению силы тока ​ \( (I) \) ​ и времени ​ \( (t) \) ​ ​ \( q=It \) ​, то ​ \( A=IUt \) ​, т.е. работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.2Rt \) ​.

Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока но проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Этот закон называют законом Джоуля-Ленца.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Силу тока в проводнике увеличили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в нём за единицу времени, при неизменном сопротивлении проводника?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

2. Длину спирали электроплитки уменьшили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в спирали за единицу времени, при неизменном напряжении сети?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

3. Сопротивления резистор ​ \( R_1 \) ​ в четыре раза меньше сопротивления резистора ​ \( R_2 \) ​. Работа тока в резисторе 2

1) в 4 раза больше, чем в резисторе 1
2) в 16 раз больше, чем в резисторе 1
3) в 4 раза меньше, чем в резисторе 1
4) в 16 раз меньше, чем в резисторе 1

4. Сопротивление резистора ​ \( R_1 \) ​ в 3 раза больше сопротивления резистора ​ \( R_2 \) ​. Количество теплоты, которое выделится в резисторе 1

1) в 3 раза больше, чем в резисторе 2
2) в 9 раз больше, чем в резисторе 2
3) в 3 раза меньше, чем в резисторе 2
4) в 9 раз меньше, чем в резисторе 2

5. Цепь собрана из источника тока, лампочки и тонкой железной проволоки, соединенных последовательно. Лампочка станет гореть ярче, если

1) проволоку заменить на более тонкую железную
2) уменьшить длину проволоки
3) поменять местами проволоку и лампочку
4) железную проволоку заменить на нихромовую

6. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения напряжения на концах двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока ​ \( A_1 \) ​ и ​ \( A_2 \) ​ в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​ \( A_1=A_2 \) ​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

7. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения силы тока в двух проводниках (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока \( A_1 \) ​ и ​ \( A_2 \) в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​ \( A_1=A_2 \) ​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

8. Если в люстре для освещения помещения использовать лампы мощностью 60 и 100 Вт, то

А. Большая сила тока будет в лампе мощностью 100 Вт.
Б. Большее сопротивление имеет лампа мощностью 60 Вт.

Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я)

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

9. Электрическая плитка, подключённая к источнику постоянного тока, за 120 с потребляет 108 кДж энергии. Чему равна сила тока в спирали плитки, если её сопротивление 25 Ом?

1) 36 А
2) 6 А
3) 2,16 А
4) 1,5 А

10. Электрическая плитка при силе тока 5 А потребляет 1000 кДж энергии. Чему равно время прохождения тока по спирали плитки, если её сопротивление 20 Ом?

1) 10000 с
2) 2000 с
3) 10 с
4) 2 с

11. Никелиновую спираль электроплитки заменили на нихромовую такой же длины и площади поперечного сечения. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при включении плитки в электрическую сеть. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) электрическое сопротивление спирали
Б) сила электрического тока в спирали
B) мощность электрического тока, потребляемая плиткой

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

12. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
A) работа тока
Б) сила тока
B) мощность тока

Часть 2

13. Нагреватель включён последовательно с реостатом сопротивлением 7,5 Ом в сеть с напряжением 220 В. Каково сопротивление нагревателя, если мощность электрического тока в реостате составляет 480 Вт?

Источник

Сформулируйте закон джоуля ленца каково тепловое действие тока

Раздел ОГЭ по физике: 3.9.Закон Джоуля-Ленца
Раздел ЕГЭ по физике: 3.2.8. Работа электрического тока. Закон Джоуля–Ленца

Рассмотрим Закон Джоуля-Ленца и его применение.

При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию. Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: Q = А или Q = IUt . Учитывая, что U = IR, в результате получаем формулу:

Q = I 2 Rt , где

Q — количество выделяемой теплоты (в Джоулях)
I — сила тока (в Амперах)
R — сопротивление проводника (в Омах)
t — время прохождения (в секундах)

♦ Закон Джоуля–Ленца : количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

В XIX в. независимо друг от друга англичанин Д. Джоуль и россиянин Э. Ленц изучали нагревание проводников при прохождении электрического тока и опытным путём обнаружили закономерность: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени: Q = I 2 Rt (в случае постоянных силы тока и сопротивления). Эту закономерность называют законом Джоуля-Ленца. Данный закон дает количественную оценку теплового действия электрического тока.

Применяя закон Ома, можно получить эквивалентные формулы: Q = IUt , Q= U 2 t/R

Где применяется закон Джоуля-Ленца ?

1. Например, в лампах накаливания 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 определенном участке. Выделение тепла будет появляться при повышении сопротивления, увеличении длины проводника, выбором определенного сплава.

2. 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.

3. Также закон Джоуля-Ленца влияет на выбор проводов для цепей. Потому что при неправильном подборе проводов возможен сильный нагрев проводника, а также его возгорание. Это происходит когда сила тока превышает предельно допустимые значения и выделяется слишком много энергии.

Нагревание проводов является вредным, поскольку приводит к потерям электроэнергии при передаче ее от источника к потребителю. Для уменьшения этих потерь силу тока уменьшают, повышая напряжение источника с тем, чтобы передаваемая мощность осталась прежней. Чтобы избежать электрического пробоя изоляции проводов, их поднимают на большую высоту на мачтах высоковольтных линий электропередач, связывающих крупные электростанции с городами и поселками, отстоящими от них на десятки и сотни километров.

Вы смотрели конспект урока физики в 8 классе «Закон Джоуля-Ленца и его применение».
Выберите дальнейшие действия:

Источник

Закон Джоуля – Ленца. Определение, формула, физический смысл

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 электрического тока, пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:

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 электрического поля. 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 коротких замыканиях 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:

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.

Источник

Закон Джоуля-Ленца | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Особенно тщательные исследования бы­ли выполнены для установления количества теплоты, которое выделяется в проводниках при прохождении тока. Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889) в 1841 г. и независимо от него русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804—1865) в 1842 г. установили, что

количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохож­дении в нем тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и вре­мени прохождения тока:

Q = I2RΔt.

Этот вывод в науке получил название закона Джоуля-Ленца, а полученная форму­ла является его математическим выражением.

В наиболее общем виде закон Джоуля-Ленца можно получить, если установить, какая энергия выделяется в единице объема проводника за единицу времени (плотность тепловой мощности

):

w = Q / VΔt.

Джоуль Джеймс Прескотт
Ленц Эмилий Христианович

Джоуль Джеймс Прескотт (1818 — 1889) — английский физик, член Лондонского королевского общества с 1859 г. По­лучил домашнее образование; первые уроки по физике с ним провел Джон Дальтон. Написал выдающиеся работы по теплоте и электромагнетизму, один из первооткрывателей закона сохране­ния энергии, в 1841 г. (независимо от Э. X. Ленца) открыл закон, который называется законом Джоуля—Ленца.

Ленц Эмилий Христианович (1804 — 1865) — русский физик, член Петербург­ской АН с 1830 г. Учился в Дерптском университете, а в 1836 г. возглавил ка­федру физики и физической географии Петербургского университета, с 1840 г. — декан физико-математического факульте­та, а с 1863 г. — ректор. Преподавал также в морском корпусе, Михайловской артил­лерийской академии, педагогическом ин­ституте. В 1833 г. установил правило для определения направления индукционного тока (закон Ленца), а в 1842 г. (независимо от Джоуля) — закон теплового действия электрического тока.

Необходимо величины, характеризующие проводник и электрическое поле в нем в целом (сопротивление проводника R, силу тока в нем I), выразить через величины, характеризующие вещество проводника в каж­дой его точке (удельное сопротивление или удельная электропроводимость — ρ или σ) и электрическое поле в каждой точке про­водника (напряженность поля E).

Рис. 5.15. Проводник с током

Рассмотрим проводник (рис. 5.15) дли­ной

l, площадью поперечного сечения S, удельное сопротивление которого ρ (удель­ная электропроводимость σ), в котором су­ществует ток силой I.

Сопротивление такого проводника R = ρ • l / S, объем — V = S • l, сила тока I = j • S, где j — плотность тока, определяющаяся через на­пряженность электрического поля E: Материал с сайта http://worldofschool.ru

j = σE или j = (1 / ρ) • E.

Подставляем необходимые данные в фор­мулу для определения плотности тепловой мощности w.

w = Q / VΔt = σ2E2S2lΔt / SlSΔtσ = σE2.

w = σE2 или w = (1 / ρ) • E2.

В этом случае закон Джоуля-Ленца фор­мулируется так:

плотность тепловой мощнос­ти в проводнике с током равна произведению удельной электропроводимости вещества про­водника на квадрат напряженности электри­ческого поля проводника в данной точке.

На этой странице материал по темам:
  • Правило ленца формула в общем виде

  • Доклад про джоуля ленца физика

  • Краткий конспект закон джоуля ленца

  • Доклад джоуль прескотт ленц эмилий

  • Доклад на теме закон джоуля-ленца по физике

Вопросы по этому материалу:
  • Сформулируйте закон Джоуля-Ленца?

  • Что такое плотность тепловой мощности в проводнике?

  • Как формулируется закон Джоуля-Ленца через удельную элект­ропроводимость (или удельное сопротивление) проводника и напряженность электрического поля в каждой точке провод­ника с током?

Закон Джоуля – Ленца в физике

При течении электрического тока по проводнику выделяется энергия. Она зависит от рода физических факторов, которые вызывают падение потенциала. Если потенциал изменяется на сопротивлении проводника, то прохождение тока вызывает выделение тепла. Закон был открыт в 1841 г. Джоулем, Ленц провел его исследования.

Формулировка закона Джоуля – Ленца в интегральной форме

Если проводники в цепи не движутся, сила тока является постоянной величиной, то количество тепла (Q), которое выделяется на проводнике за счет тока пропорционально величине силы этого тока (I), времени его течения (t) и падению напряжения (U). В интегральной форме Закон Джоуля — Ленца записывают как:

   

где — напряжение на концах проводника.

Этот же закон, применяя закон Ома для участка цепи можно записать в виде:

   

В том случае, если сила тока в проводнике является переменной, то закон Джоуля — Ленца применяют, разбивая отрезок времени наблюдения на малые части (), когда силу тока можно считать постоянной величиной:

   

Формулировка закона Джоуля – Ленца в дифференциальной форме

Плотность тепловой мощности тока () (или удельное количество тепла или удельная мощность тепловыделения) равна произведению квадрата плотности тока () на удельное сопротивление проводника (). В математическом виде закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме запишем как:

   

где — тепло, которое выделяется в единице объема проводника в единицу времени.

В дифференциальной форме (4) закон Джоуля — Ленца не зависит от рода сил, которые вызывают ток, следовательно, это наиболее общий закон. Если сила, действующая на заряженные частицы, имеет только электрическую природу, то выражение (4) можно представить как:

   

где — удельная проводимость вещества, — вектор напряженности в данной точке поля.

Примеры решения задач

Закон ленца кратко. Тепловой закон джоуля-ленца

Физический закон, оценивающий тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца открыт в 1841 году Джеймсом Джоулем и в 1842 году, совершенно независимо Эмилием Ленцем.


как мы уже знаем, при движении свободных электронов по проводнику, должен преодолеть сопротивление материала. Во время этого движения зарядов происходят постоянные столкновения атомов и молекул вещества. При этом энергия движения и сопротивления превращается в тепловую. Ее зависимость от тока была впервые описана двумя независимыми учеными Джеймсом Джоулем и Эмилем Ленцем. Поэтому закон и получил двойное название.

Определение , количество теплоты, выделившееся за единицу времени на конкретном участке электрической цепи прямо пропорционально произведению квадрата силы тока на данном участке и его сопротивлению.

Математически, формулу можно записать так:

Q = а×I 2 ×R×t

где Q – количество вырабатываемой теплоты, а – коэффициент тепла (обычно он берется равным 1 и не учитывается), I – сила тока, R – сопротивление материала, t – время протекания тока по проводнику. Если коэффициент теплоты а = 1 , то Q измеряться в джоулях. Если же а = 0,24 , то Q измеряется в малых калориях.

Любой проводник всегда нагревается, если через него течет ток. Но перегрев проводников очень опасен, т.к может повредите не только электронную аппаратуру, но и стать причиной пожара. Так например, в случае короткого замыкания перегрев материала проводника огромен. Поэтому для защиты от коротких замыканий и больших перегревов в электронные схемы добавляются специальные радиокомпоненты —

плавкие предохранители . Для их изготовления используется материала, который быстро плавятся и обесточивают питающую цепь при достижении током максимальных значений. Плавкие предохранители необходимо выбирать в зависимости от площади сечения проводника.

Закон Джоуля-Ленца актуален как для постоянного, так и для переменного тока. Согласно нему работает множество различных нагревательных устройств. Ведь, чем тоньше проводник, тем больший ток по нему проходит за более большой промежуток времени, тем больше количество тепла выделиться в результате этого.

Я надеюсь вы помните помнить, что сила тока зависит от напряжения. Появляется вопрос, почему ноутбук не нагревается так сильно как утюг? Потому, что в основании имеется спиральная проволока изготовленная из стали, которая отличается низкой сопротивляемостью. Плюс стальная подошва, поэтому утюг разогревается до высоких температур, и мы можем им гладить.

А имеет стабилизатор напряжения, который понижает 220 вольт до 19 вольт. Плюс сопротивление всех схем и компонентов достаточно высокое. Дополнительно для охлаждение имеется кулер и медные тепловые радиаторы.

Работа закона Джоуля-Ленца хорошо просматривается на практике. Самый известный пример его применения – обыкновенная лампа накаливания или , в которой свечение нити осуществляется благодаря прохождению по ней тока под высоким напряжением.

На основании закона Джоуля-Ленца работает и , где создание сварного соединения совершается путем нагрева металла, за счет проходящего через него тока и деформации свариваемых частей путем сжатия.

Электродуговая сварка, также работает на физических принципах закон Джоуля-Ленца. Для совершения сварочных работ электроды разогревают до такого состояния, чтобы между ними возникла сварочная дуга. Эффект вольтовой дуги открыл русский ученый В.В. Петров, используя принципы закрна Джоуля-Ленца.

Кроме математической формулы, этот закон имеет и дифференциальную форму. Предположим, что по неподвижному проводнику течет ток и вся его работа тратится только на нагревание. Тогда, согласно закону сохранения энергии, получаем следующее математическое выражение.

Энергия направленного движения заряженных частиц расходуется на нагрев кристаллической решетки проводника.

2. Чему равно количество теплоты, получаемое кристаллической решеткой проводника от направленно движущихся заряженных частиц?

Количество теплоты, которое получила кристаллическая решетка, равно работе электрического тока.

3. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца. Запишите его математическое выражение.

Количество теплоты, которое выделилось в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и

времени прохождения тока по проводнику.

4. Дайте определение мощности электрического тока. Приведите формулу для расчета этой мощности.

Мощность электрического тока — работа электрического поля, совершаемая при упорядоченном движении заряженных частиц по проводнику, отнесенная ко времени, за которое эта работа совершается.

5. Как зависит мощность, выделяемая в проводниках с током, от типа их соединения?

Если проводники соединены последовательно, то мощность прямо пропорциональна их сопротивлению. Если параллельно — то мощность обратно пропорциональны их сопротивлению.

Энциклопедичный YouTube

    1 / 3

    Урок 254. Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

    Закон Джоуля-Ленца. Часть 1

    Урок 255. Задачи на работу и мощность электрического тока

    Субтитры

Определения

В словесной формулировке звучит следующим образом

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:

w = j → ⋅ E → = σ E 2 {\displaystyle w={\vec {j}}\cdot {\vec {E}}=\sigma E^{2}}

где w {\displaystyle w} — мощность выделения тепла в единице объёма, j → {\displaystyle {\vec {j}}} — плотность электрического тока , E → {\displaystyle {\vec {E}}} — напряжённость электрического поля , σ — проводимость среды, а точкой обозначено скалярное произведение.{2}} 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.

Содержание:

Знаменитый русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя опыты по изучению тепловых действий электрического тока, независимо друг от друга вывели закон Джоуля-Ленца. Данный закон отражает взаимосвязь количества теплоты, выделяемого в проводнике, и электрического тока, проходящего по этому проводнику в течение определенного периода времени.

Свойства электрического тока

Когда электрический ток проходит через металлический проводник, его электроны постоянно сталкиваются с различными посторонними частицами. Это могут быть обычные нейтральные молекулы или молекулы, потерявшие электроны. Электрон в процессе движения может отщепить от нейтральной молекулы еще один электрон. В результате, его кинетическая энергия теряется, а вместо молекулы происходит образование положительного иона. В других случаях электрон, наоборот, соединиться с положительным ионом и образовать нейтральную молекулу.

В процессе столкновений электронов и молекул происходит расход энергии, в дальнейшем превращающейся в тепло. Затраты определенного количества энергии связаны со всеми движениями, во время которых приходится преодолевать сопротивление. В это время происходит превращение работы, затраченной на преодоление сопротивления трения, в тепловую энергию.

Закон джоуля Ленца формула и определение

Согласно закону джоуля Ленца, электрический ток, проходящий по проводнику, сопровождается количеством теплоты, прямо пропорциональным квадрату тока и сопротивлению, а также времени течения этого тока по проводнику.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = I 2 Rt, в которой Q отображает количество выделенной теплоты, I — , R — сопротивление проводника, t — период времени. Величина «к» представляет собой тепловой эквивалент работы и применяется в тех случаях, когда количество теплоты измеряется в калориях, сила тока — , сопротивление — в Омах, а время — в секундах. Численное значение величины к составляет 0,24, что соответствует току в 1 ампер, который при сопротивлении проводника в 1 Ом, выделяет в течение 1 секунды количество теплоты, равное 0,24 ккал. Поэтому для расчетов количества выделенной теплоты в калориях применяется формула Q = 0,24I 2 Rt.

При использовании системы единиц СИ измерение количества теплоты производится в джоулях, поэтому величина «к», применительно к закону Джоуля-Ленца, будет равна 1, а формула будет выглядеть: Q = I 2 Rt. В соответствии с I = U/R. Если это значение силы тока подставить в основную формулу, она приобретет следующий вид: Q = (U 2 /R)t.

Основная формула Q = I 2 Rt очень удобна для использования при расчетах количества теплоты, которое выделяется в случае последовательного соединения. Сила тока во всех проводниках будет одинаковая. При последовательном соединении сразу нескольких проводников, каждый из них выделит столько теплоты, которое будет пропорционально сопротивлению проводника. Если последовательно соединить три одинаковые проволочки из меди, железа и никелина, то максимальное количество теплоты будет выделено последней. Это связано с наибольшим удельным сопротивлением никелина и более сильным нагревом этой проволочки.

При параллельном соединении этих же проводников, значение электрического тока в каждом из них будет различным, а напряжение на концах — одинаковым. В этом случае для расчетов больше подойдет формула Q = (U 2 /R)t. Количество теплоты, выделяемое проводником, будет обратно пропорционально его проводимости. Таким образом, закон Джоуля — Ленца широко используется для расчетов установок электрического освещения, различных отопительных и нагревательных приборов, а также других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

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.

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

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

Рекомендуем также

открытие и основные физические величины, математическая запись и формулировка

При протекании по проводнику электрический ток оказывает на него тепловое действие, во время которого выделяется определенное значение количества теплоты. Для его расчета применяется закон Джоуля-Ленца, который получил широкое применение при проектировании и изготовлении всех устройств, работающих от электричества.

Общие сведения

В 1941 году английским физиком Джеймсом Джоулем и, независимо от него, в 1942 году русским ученым Эмилием Ленцем было открыто уравнение Джоуля-Ленца. Оно позволяет рассчитать по формуле количество теплоты в электрической цепи, выделяемое при прохождении электротока через проводник. Значение количества теплоты, выделяемое проводником при протекании тока через него, зависит от напряжения, времени, силы тока и сопротивления проводника. Открытие позволило точно рассчитывать схемы различных устройств при их проектировании.

Прежде чем сформулировать закон Джоуля-Ленца, следует рассмотреть и понять физический смысл основных и производных величин, от которых зависит, какое количество теплоты выделяет проводник при прохождении через него электротока.

Разность потенциалов

Научно доказано, что каждое вещество состоит из атомов, которые также состоят из элементарных или субатомных частиц. К ним относятся следующие: электроны, протоны и нейтроны. Атом в исходном состоянии имеет нейтральный заряд, поскольку количество протонов и электронов равны и, следовательно, справедливо равенство положительного и отрицательного зарядов, и они компенсируют друг друга.

Однако возникают случаи «захвата» атомом электрона другого атома. Если атом захватывает электрон, то он называется отрицательным ионом, а при потере преобразовывается в положительный. В результате потери или притяжения субатомной отрицательно заряженной частицы образуется электромагнитное поле, составляющая которого зависит от заряда иона.

Разность между положительной и отрицательной составляющими является напряжением, единицей измерения которого является вольт (обозначение: В или V). Чем больше разница, тем больше напряжение.(-3) A, 1 кА = 1000 А и т. д. Электрический ток бывает следующих видов:

  1. Переменным.
  2. Постоянным.

Переменный ток подчиняется определенному закону, который характеризует изменение амплитуды и направления протекания. Основной характеристикой является частота, согласно которой происходит разделение на синусоидальный и несинусоидальный токи. Графиком синусоидального типа тока является синусоида, формула которой зависит от максимальной амплитуды Imax и угловой частоты w. Она имеет следующий вид: i = Imax * sin (w * t).

Для расчета значения угловой частоты необходимо значение частоты тока в сети (f), которое подставляется в формулу: w = 6,2832 * f. Постоянный ток не изменяет направление своего движения по проводнику, однако его значение может меняться.

Электрическое сопротивление

Вещества по проводимости электричества можно классифицировать на проводники, полупроводники и диэлектрики. К первому типу относятся все вещества, которые хорошо проводят ток. Эта особенность обуславливается наличием свободных носителей заряда, информацию о которых можно получить из электронной конфигурации элементов периодической системы Д. И. Менделеева.

К проводникам относят следующие вещества: металлы, электролиты и ионизированный газ. В металлах электроны являются носителями заряда. В жидкостях (электролитах) носителями заряда являются анионы и катионы: первые обладают положительным зарядом, а вторые — отрицательным. При электролизе анионы притягиваются электродом, который является отрицательно заряженным (катодом), а на катионы действует положительный заряд анода. Функцию носителей заряда в газах выполняют отрицательно заряженные электроны и ионы.

При повышении температуры проводника происходит взаимодействие атомов между собой, в результате которого разрушается кристаллическая решетка и появляются свободные носители заряда. При протекании тока происходит взаимодействие с узлами решетки и с электронами проводника, при котором движение упорядоченных заряженных частиц замедляется и выделяется тепловая энергия, а затем снова скорость их движения возвращается в исходное состояние, благодаря воздействию электромагнитного поля. Это физическое свойство называется электрическим сопротивлением проводника, при нагревании которого его величина возрастает.

Полупроводники — вещества, проводящие ток только при определенных условиях. Функцию носителей заряда выполняют электроны и дырки. При каком-либо воздействии внешней энергии (например, тепловой) происходит уменьшение силы притяжения между ядром и электронами, при котором некоторые из них «вырываются» и становятся свободным, а на их месте образуются дырки.

Происходит образование электромагнитного поля положительной составляющей и к ней притягивается соседняя субатомная частица с отрицательным зарядом. Этот процесс повторяется и приводит к движению дырок. Сопротивление вещества (проводника или полупроводника) зависит от следующих факторов:

  1. Температурных показателей.
  2. Типа вещества.
  3. Длины.
  4. Площади сечения.
  5. Значения силы тока и напряжения.
  6. Вида тока.

Диэлектрики — группа веществ, которые не могут проводить ток, поскольку в них отсутствуют какие-либо носители электрического заряда. Сопротивление или электропроводимость обозначается буквой R и является взаимодействием заряженных частиц, движущихся упорядочено, с узлами кристаллической решетки. Единицей его измерения является Ом.

Характеристика мощности

Мощностью электротока (P) называют количество работы, которое им совершается за единицу времени. Для постоянного и переменного токов мощность вычисляется по разным соотношениям. В цепи постоянного тока значения его силы (I) и напряжения (U) равны мгновенным значениям. Формула мощности записывается в следующем виде: P = U * I. Для цепи, в которой соблюдается закон Ома, формула принимает следующий вид: P = sqr (I) * R = sqr (U) / R.

Для полной цепи формула включает значение электродвижущей силы (e): P = I * e. Если нужно учитывать значение внутреннего сопротивления источника питания (Rвн), то формулу нужно править при условии поглощения (использование в цепи электродвигателя или при зарядке аккумулятора) следующим образом: P = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).

При наличии в цепи генератора или гальванического элемента (условие отдачи электроэнергии), формула принимает следующий вид: P = I * (e + (I * Rвн)). Однако эту формулу нельзя применять для расчета мощности переменного тока, поскольку он изменяется с течением времени. В цепях переменного тока существует понятие активной, реактивной и полной мощностей:

  1. Активная определяется с учетом среднеквадратичных значений U и I, а также углом сдвига фаз (a): Pа = I * U * cos (a).
  2. Реактивная (Qр): Qp = U * I * sin (a).
  3. Полная (S): S = sqrt (sqr (Pа) + sqr (Qp)).

Значение Qp>0 при наличии в цепи индуктивной нагрузки, а при емкостной — Qp<0. Единицей измерения является ватт (Вт). Сила тока в 1 А при напряжении, равном 1 В, обладает мощностью 1 Вт.

Запись закона Джоуля-Ленца

Формулировка уравнения Джоуля-Ленца следующая: количество теплоты Q, которое выделилось за единицу времени t на участке цепи, прямо пропорционально произведению сопротивления R на квадрат силы тока I, протекающей через этот участок. Формула закона Джоуля-Ленца имеет вид: Q = a * sqr (I) * R * t. Литера «а» является температурным коэффициентом, который равен 1 при условии, что количество теплоты получается в джоулях. Если принять его равным 0,24, то результат будет измеряться в калориях. Поскольку а = 1, то формула Ленца будет выражаться кратко в таком виде: Q = sqr (I) * R * t.

При перегреве проводника может возникнуть короткое замыкание, которое приводит к выходу аппаратуры из строя. Оно может также быть причиной пожара. Для избежания таких ситуаций в электротехнике применяются плавкие предохранители, которые позволяют прекратить подачу электричества на устройство.

Закон позволяет найти необходимые параметры электрического тока, чтобы избежать перегрева и пожара. Основные соотношения для расчета составляющих величин закона в цепях постоянного тока следующие:

  1. Закон Ома для участка и полной цепи: I = U / R и i = e / (R + Rвн).
  2. Q = U * I * t.
  3. Q = e * i * t.
  4. Q = (t * sqr (U)) / R.
  5. Q = (t * sqr (e)) / (R + Rвн).
  6. Q = P * t.

Различие математической записи закона в цепях с переменным и постоянным токами обусловлено их свойствами и параметрами, а также появлением нагрузок активной и реактивной составляющей. Кроме того, ток переменной составляющей постоянно изменяется во времени. Основные соотношения:

  1. Закон Ома: i = U / Z, где Z — полное сопротивление цепи. Оно включает в себя активную, индуктивную и емкостную нагрузки.
  2. Q = S * t = t * [sqrt (sqr (Pа) + sqr (Qp))].
  3. Q = U * i * t, где U и i — действующие значения напряжения и тока, которые измеряются при помощи вольтметра и амперметра соответственно. Формулу в таком виде можно применять для примерного расчета Q, причем в цепях, состоящих только из активной нагрузки.
  4. Запись закона с учетом в электрической цепи активной и реактивной нагрузок: Q = sqr (i) * Z * t.

Примеров применения уравнения Джоуля-Ленца достаточно много, одним из которых является обыкновенная лампа накаливания с вольфрамовой нитью. Свечение происходит из-за высокого напряжения и материала, из которого изготовлена нить накаливания. Электродуговая сварка работает тоже по этому закону, поскольку ток проходит через электрод и оказывает на него тепловое действие, при котором образуется сварочная дуга. Благодаря закону, можно правильно рассчитать и сделать вывод о применении радиокомпонента в какой-либо схеме.

Таким образом, уравнение Джоуля-Ленца играет важную роль в электротехнике, поскольку позволяет произвести точные расчеты радиокомпонентов схемы, исключая перегрев деталей и пожар.

Закон Джоуля-Ленца и его дифференциальная форма

Закон Джоуля Ленца в интегральной форме

Форма энергии, которая выделяется при прохождении по проводнику электрического тока, зависит от природы физических факторов, которые вызывают падение потенциала. Так, например, изменение потенциала на сопротивлении проводов сопровождается выделением тепла, падение напряжения на клеммах двигателя постоянного тока связано с производством механической работы.

Допустим, что участок цепи — неподвижный проводник. Вся работа тока превращается в тепло, которое на проводнике выделяется. Если проводник однороден, подчиняется закону Ома:

где $R$ — сопротивление проводника, то можно записать, что работа (А) электрического тока равна:

где $t$ — время прохождения током рассматриваемого проводника, то вся выделенная на проводнике энергия в виде тепла равна:

Формула (3) есть закон Джоуля — Ленца в интегральной форме. Этот закон открыт в 1841 г. Джоулем и позднее Ленц подробно исследовал его.

В том случае, если сила тока не постоянна во времени, то количество тепла, которое выделяется на проводнике можно рассчитать в соответствии с формулой:

Необходимо отметить, что эффект нагревания проводника током находит применение на практике. Наиболее известное из них — лампы накаливания.

Закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме

Над электроном, который движется в проводнике со скоростью $\overrightarrow{v’}=\left(\overrightarrow{v}+\overrightarrow{u}\right),$ где $\overrightarrow{v}$ — скорость теплового движения молекул, $\overrightarrow{u}$ — скорость упорядоченного движения носителей тока при наличии поля за единицу времени (t=1с), совершается работа равная ($A_q$):

Примем, что $\overrightarrow{F}$=const, усредним выражение (4), получим:

где $\left\langle \overrightarrow{v}\right\rangle $=0. Если через n- обозначим концентрацию электронов, то работа над электронами в единице объема металла ($A’$) за единицу времена равна:

где $\overrightarrow{j}$ — плотность тока, $\sigma $ — удельная проводимость проводника.

Готовые работы на аналогичную тему

В металлах эта работа идет на приращение внутренней энергии, так как прохождение электрического тока по проводнику не сопровождается изменением структуры металла. Значит, можно записать, что удельное количество тепла (удельная мощность тепловыделения) $Q_{ud}$, которое выделяется на проводнике в единице объема за единицу времени равно:

Формула (8) закон Джоуля — Ленца в локальной (дифференциальной) форме. В форме (8) данный закон не зависит от природы сил, которые порождают ток, значит, в такой формулировке носит общий характер. В том случае, если сила, которая действует на электроны исключительно электрической природы, то есть:

выражение (8) можно представить как:

Закон Джоуля — Ленца справедлив и для электролитов.2\left(2.5\right).\]

Мы получили, что удельное количество тепла обратно пропорционально площади сечения проводника.

Ответ: $Q_{ud1}>Q_{ud2}$.

формулировка закона, расчет теплоты по формуле i2rt

Одной из основополагающих, теоретически и практически значимых закономерностей физики можно смело назвать закон Джоуля Ленца, который англичанин Дж. Джоуль и россиянин Э.Х. Ленц вывели примерно в одно время (в 1840-1841 годах), однако при этом, не работая совместно.

Авторы закона: Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц

Как был открыт закон

Оба физика проводили множество экспериментов, в которых главным действующим прибором был калориметр. Агрегат представлял собой устройство, изолированное от теплопотерь, у которого была измерена и зафиксирована теплоемкость. Калориметр был оснащен термометром, в него также вставлялся проводник с определенным электросопротивлением.

В результате опытов физики заметили, что при подключении проводника к электропитанию начинает выделяться тепло.

Воспроизведение опытов, с помощью которых была сформулирована закономерность Джоуля-Ленца

Джоуль проводил эти исследования в рамках изучения закона сохранения энергии. Он хотел оценить, какова величина механической энергии, давшей полученное количество теплоты. Для этого к динамо-машине, вращавшей ротор для выработки электричества, он привязывал некий груз и делал вывод, что разница между механической энергией груза в поле и вне поля тяготения и есть искомая величина. Англичанин доказал, что сделанные им выводы о преобразовании энергии применимы и для электролитических растворов.

Опыты Ленца более точные. Он определил, что открытая им закономерность не действует, если проводники двигаются, когда через них течет электроток (они называются проводники второго типа), такие как индуктивная катушка, находящаяся внутри электромотора.

Суть теплового закона

В проводнике, являющимся активным сопротивлением, по которому пропускается постоянное электричество, имеется электрическое поле, в котором упорядоченно протекают заряженные частицы. Электрофизические силы, присущие ему, оказывают воздействие на электроны, что имеет определение «работа тока» (Aэл.). Та работа, которая замеряется в единицу времени (как правило, час), считается мощностью тока (Nэл.). Обозначенные электромеханические показатели измеряются при помощи приборов: амперметра, вольтметра и ваттметра. Эти 2 понятия: работа и мощность тока, формируют закон Джоуля Ленца.

Работа тока на подключенном участке преобразовывает электроэнергию во внутреннюю. Это происходит за счет того, что свободные электроны натыкаются на нейтральные молекулы (лишенные электронов) проводника, и присущая им механическая энергия превращается в тепловую. Она способствует увеличению температуры проводника. Согласуясь со всемирным законом сохранения энергии, тот объем тепла (q) приравнивается к работе тока.

Всякое преодоление сопротивления неизбежно сопровождается затратами энергии. Если, к слову, что-то тяжелое приходится тянуть, преодолевая силу трения, то работа по ее преодолению становится теплом. В случае с током и полупроводником электросопротивление выступает в роли трения.

Российский и английский ученые пришли к выводу, что количество теплоты q, получаемое в полупроводнике при прохождении постоянного тока, прямо пропорционально величине тока (I), возведенной во вторую степень, и тому времени (t), что ток пропускался по проводнику, испытывая сопротивление (R).

Знаменитый закон Лжоуля Ленца можно описать формулой:

Q =I2Rt.

Это закономерность – закон Джоуля-Ленца, применимый на однородном участке электроцепи. При этом количество тепла q может вычисляться в Джоулях (если сила тока равна 1) и в малых калориях (если сила тока 0,24). Малая калория – это количество тепла, расходуемое на нагрев 1 грамма воды на один градус.

Интегральная и дифференциальная формулы закона

Если обратить внимание на величину, представляющую разность внутренней энергии проводника за время прохождения по нему тока, можно заметить, что постепенно при нагревании эта энергия будет увеличиваться. Следуя закону Ньютона, можно предположить, что увеличится и мощность отдачи тепла q проводником. Через определенный промежуток времени температура полупроводника зафиксируется и перестанет расти. В это время внутренняя энергия перестанет меняться, и значение «дельта U» станет равно нулю. В таком равновесии формулировка 1-го термодинамического закона будет следующей:

A = – Q, т.е. работа тока полностью переходит в тепло.

Основываясь на этом выводе, можно представить тепловую закономерность Джоуля Ленца в несколько другом виде, а именно в ее интегральном и дифференциальном видах.

Закон Джоуля Ленца в интегральной и дифференциальной формах

Формула интегрального закона Джоуля-Ленца справедлива при любых данных, поэтому она считается законом. Другие же формулировки типа:

q=I*Ut и q=u2/R*t

работают лишь при определенных условиях, и их нельзя считать законом.

Дополнительная информация. Если углубляться в теорию и проводить дальнейшие расчеты, то можно вывести и другие формы данного теплового закона.

Теоретическая значимость

Открытие двух знаменитых физиков стало заметной вехой на пути к исследованию и всемирному принятию закона сохранения энергии. Благодаря ему, сегодня общеизвестно, что и тепло, и электроток, и движение механических частиц – есть формы материи, обладающие своей энергией, которую можно измерить. Закон Джоуля-Ленца (и последующие работы Джоуля) помогли установить соответствия для электрического, механического и теплового вида энергии и определить переводные соотношения между единицами различных видов (калории и джоули). Тепловая закономерность применяется и в разработке теории тока в металлах.

Обратите внимание! Поскольку тепло всегда вырабатывается в проводнике, находящемся под электрическим током, может случиться его перегрев и, как следствие, выход из строя электрических устройств. Особенно опасным явлением является короткое замыкание, когда сопротивление проводников стремится к нулю, ток становится очень сильным, соответственно, выделяется огромное количество тепла, приводящее к аварийным состояниям.

Чрезмерное выделение тепловой энергии при коротком замыкании

С помощью закона Джоуля-Ленца можно рассчитать оптимальную силу электротока, чтобы предотвратить перегрев проводников.

Попробуйте сформулируйте положение о том, как электричество переходит в тепло? Англичанину Джоулю и россиянину Ленцу это блестяще удалось: в открытом ими тепловом законе, гласящем, что электрический ток, проходящий по проводнику, выделяет тепло, равное работе электрических сил. Это наблюдение оказало большое влияние на дальнейшее развитие физики как науки.

Видео

Оцените статью:

Закон Джоуля-Ленца: определение, формула, физический смысл

Закон Джоуля-Ленца — закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Этот закон был сформулирован в 1841 г. английским ученым Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 г. известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он и получил свое двойное название — закон Джоуля-Ленца.

Определение закона и формула

Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность теплоты, выделяющаяся в проводнике при протекании по нему электрического тока, пропорциональна произведению величины плотности электрического поля на величину напряженности.

Математически закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом:

ω = j • E = ϭ E²,

, где ω — количество выделяемой теплоты в единицах. объем;

E и j – соответственно напряженность и плотность электрических полей;

σ — электропроводность среды.

Физический смысл закона Джоуля-Ленца

Закон можно объяснить так: ток, протекающий по проводнику, есть движение электрического заряда под действием электрического поля.Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа затрачивается на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество — теплоту.

Но нельзя допускать чрезмерного нагрева проводников током и электрооборудованием, так как это может привести к их повреждению. Сильный перегрев опасен коротким замыканием проводов при достаточно больших токах.

В интегральной форме для тонких проводников Закон Джоуля-Ленца звучит так: количество теплоты, выделяющееся в единицу времени на рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока сайт сопротивления.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

Q = ∫ k • I² • R • t, ​​

в данном случае Q – количество выделяемой теплоты;

I — текущее значение;

Р — проводники активного сопротивления;

t – время экспозиции.

Значение параметра k обычно называют тепловым эквивалентом работы. Значение этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых производятся измерения величин, используемых в формуле.

Закон Джоуля-Ленца достаточно общий, так как он не зависит от природы сил, порождающих ток.

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

Область применения

Существует огромное количество областей применения в повседневной жизни закона Джоуля Ленца. Например, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электронагревателе и прочее.и т. д. Это наиболее распространенный физический закон в повседневной жизни.

термодинамика. Вывод закона Джоуля-Ленца

Поговорим о законе нагрева Джоуля. Проводник — это материал (например, проводник из металла), который имеет свою собственную структуру, то есть внутри него есть атомы. Эти атомы связаны между собой связями. Под током понимается жидкость (жидкость или газ), движущаяся внутри проводника вдоль оси. В моем случае жидкость представляет собой поток электронов (электронный газ).Это то, что я должен был различить. Тогда идея становится ясной; и понятнее после прочтения о законе в Википедии. Я считаю, что должен получить больше благодарностей по этой теме с точки зрения квантовой физики.

Вопросов:

  1. Существует ли термодинамическая система?
  2. Является ли $dU = 0$?
  3. Как вывести формулу?

Чтобы ответить на все эти вопросы, нужно понимать, что происходит внутри проводника. Естественно сказать, что электроны движутся под действием силы $\vec{E}$, создаваемой разностью потенциалов.Применение второго закона Ньютона дает нам некоторую информацию: $$q\cdot \vec{E} = m \cdot \vec{a} \Rightarrow a=\frac{q \cdot E}{m} \ne 0$$ Следовательно, все электроны ускоряются силой. Это означает, что скорость жидкости должна увеличиваться и, следовательно, вызывать изменение кинетической энергии — это было бы полезно. Теперь надо понять, от чего или где генерируется тепло. Ключ лежит в основе законов сохранения (энергии и импульса). Почему? Потому что электроны могут столкнуться с атомами проводника; после этого возникают изменения кинетических энергий.2 \cdot \tau}{2m}$$ Последнее, что нужно сделать, это положить $q = e$, потому что жидкость представляет собой поток электронов. Теперь осталось учесть передачу энергии. Когда электрон сталкивается с атомом, он передает атому некоторую энергию; эта энергия равна $T$. Итак, тепло передается диффузионным путем: электроны получают кинетическую энергию и отдают ее проводнику, что и произошло с проводником.

Ответим на первый вопрос. Как мы наблюдали, электроны движутся внутри проводника с ускорением, полученным от электрического поля $E$, от которого они получают и кинетическую энергию.Энергия передается проводнику в виде джоулевого нагрева. Что такое термодинамическая система? Это система (замкнутая, изолированная, открытая), в которой происходит процесс (например, изотермический процесс). Система может состоять из нескольких взаимодействующих между собой объектов. В результате выделяется некоторое количество энергии (возьмем двигатель автомобиля, в котором за счет сжигания нефти тепловая энергия газа преобразуется в движущую силу, чтобы автомобиль мог двигаться). Работа этого процесса определяется выражением $A = \nu \cdot R \cdot T \cdot \ln \left(\frac{V_2}{V_1}\right)$.Теперь вернемся к процессу передачи кинетической энергии атомам от электронов. Исходя из сказанного, процесс, происходящий внутри проволоки, должен быть термодинамическим процессом. Рассмотрим еще один вариант вывода формулы. Перед выводом запишем уравнения сохранения импульса и энергии, учитывая три типа столкновения. Первый — упругий: электрон движется с $u_0$, а атом перед столкновением покоится; после этого электрон приобретает скорость $u$, а атом $v$.2}{2}$$ Теперь мы подходим к другому подходу. Мы предполагаем, что внутри проводника движутся атомы и электроны, и рассматриваем сталкивающиеся жидкости. Идея здесь заключается в том, что электрическое поле снабжает электронный газ энергией.2$, что можно переписать в векторной форме как $$w = \left(\sigma \cdot \vec{E}\right) \cdot \vec{E} = \vec{j} \cdot \vec{E}$$, что верно согласно закону Ома (дифференциальная форма получается из исходной формы с помощью $R = \rho \cdot \frac{ l}{A}$ и взятие дифференциалов).Отсюда нетрудно получить $P = V \cdot I$, так как мы знаем, что $$ V = -\Delta \varphi = \vec{E} \cdot \vec{dl}, \\ j = \frac{dI}{dS}$$ Итак, величина $w$ — это мощность на объем! Далее, $Q = I \cdot V \cdot \Delta t$, так как $w$ — мощность излучаемого тепла. Тогда по первому закону термодинамики получим $$dU = \дельта Q — \дельта W = 0$$ поскольку $\delta A = dK = -q d\varphi$, где K обозначает кинетическую энергию. Так, $$ Q = A = I \cdot V \cdot \Delta t$$

Закон

Джоуля-Ленца.Определение, формула, физический смысл. Формула закона Джоуля Ленца и определение Количество тепла, выделяющегося на резисторе формула

Содержание:

Знаменитый русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя опыты по изучению теплового действия электрического тока, независимо друг от друга вывели закон Джоуля-Ленца. Этот закон отражает зависимость между количеством теплоты, выделяющейся в проводнике, и электрическим током, проходящим через этот проводник за определенный промежуток времени.

Свойства электрического тока

При прохождении электрического тока по металлическому проводнику его электроны постоянно сталкиваются с различными посторонними частицами. Это могут быть обычные нейтральные молекулы или молекулы, потерявшие электроны. Электрон в процессе движения может отщепить от нейтральной молекулы другой электрон. В результате его кинетическая энергия теряется, а вместо молекулы образуется положительный ион. В других случаях электрон, наоборот, соединится с положительным ионом и образует нейтральную молекулу.

В процессе столкновений электронов и молекул расходуется энергия, которая впоследствии превращается в тепло. Затрата определенного количества энергии связана со всеми движениями, при которых приходится преодолевать сопротивление. В это время работа, затрачиваемая на преодоление сопротивления трения, превращается в тепловую энергию.

Формула закона Ленца Джоуля и определение

Согласно закону Ленца-Джоуля, электрический ток, проходящий через проводник, сопровождается количеством теплоты, которое прямо пропорционально квадрату силы тока и сопротивления, а также времени прохождения этого тока через проводник.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = I 2 Rt, где Q отображает количество выделяющегося тепла, I — , R — сопротивление проводника, t — сопротивление проводника временной период. Величина «к» является тепловым эквивалентом работы и используется в тех случаях, когда количество теплоты измеряется в калориях, сила тока — в, сопротивление — в омах, а время — в секундах. Числовое значение k равно 0,24, что соответствует току в 1 ампер, который при сопротивлении проводника 1 Ом выделяет количество теплоты, равное 0.24 ккал за 1 секунду. Поэтому для расчета количества выделяющегося тепла в калориях используется формула Q = 0,24I 2 Rt.

При использовании системы единиц СИ количество теплоты измеряется в джоулях, поэтому величина «k», применительно к закону Джоуля-Ленца, будет равна 1, а формула будет иметь вид: Q = I 2 рт. Согласно I = U/R. Если это значение силы тока подставить в основную формулу, то она примет следующий вид: Q = (U 2 /R)t.

Базовую формулу Q = I 2 Rt очень удобно использовать при расчете количества теплоты, которое выделяется в случае последовательного соединения.Сила тока во всех проводниках будет одинакова. При последовательном соединении сразу нескольких проводников каждый из них будет выделять столько тепла, которое будет пропорционально сопротивлению проводника. Если последовательно соединить три одинаковых провода из меди, железа и никеля, то максимальное количество тепла будет выделяться последним. Это связано с самым высоким удельным сопротивлением никеля и более сильным нагревом этой проволоки.

При параллельном соединении одинаковых проводников величина электрического тока в каждом из них будет разной, а напряжение на концах одинаковым.В этом случае для расчетов больше подходит формула Q = (U 2 /R) t. Количество тепла, выделяемого проводником, будет обратно пропорционально его проводимости. Так, закон Джоуля-Ленца широко используется для расчета электроосветительных установок, различных отопительных и отопительных приборов, а также других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

Джеймс Прескотт Джоуль (слева) и Эмили Христианович Ленц (справа)

Электронагреватели всех видов использовались человечеством на протяжении веков, благодаря свойству электрического тока выделять тепло при прохождении через проводник.У этого явления есть и негативный фактор – перегрев электропроводки из-за слишком большого тока часто становился причиной короткого замыкания и пожаров. Выделение теплоты от работы электрического тока изучалось в школьном курсе физики, но многие забыли эти знания.

Впервые зависимость тепловыделения от силы электрического тока была сформулирована и математически определена Джеймсом Джоулем в 1841 г., а несколько позже, в 1842 г., независимо от него, Эмилем Ленцем.В честь этих физиков был назван закон Джоуля-Ленца, по которому рассчитываются мощность электронагревателей и потери тепла в линиях электропередач.

Определение закона Джоуля-Ленца

В словесном определении, согласно исследованиям Джоуля и Ленца, закон звучит так:

Количество теплоты, выделяющееся в определенном объеме проводника при протекании электрического тока, прямо пропорционально произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля

В виде формулы этот закон выглядит следующим образом:


Выражение закона Джоуля-Ленца

Поскольку описанные выше параметры редко используются в быту, и, учитывая, что почти все бытовые расчеты тепловыделения от действия электрического тока относятся к тонким проводникам (кабелям, проводам, нитям накала, силовым шнурам , токопроводящие дорожки на плате и т.д.), используйте закон Джоуля Ленца с формулой, представленной в интегральной форме:


Интегральная форма закона

В словесном определении закон Джоуля Ленца звучит так:


Словесное определение закона Джоуля-Ленца

Если предположить, что сила тока и сопротивление проводника не меняются во времени, то закон Джоуля-Ленца можно записать в упрощенной форме:

Применяя закон Ома и алгебраические преобразования, получаем следующие эквивалентные формулы:


Эквивалентные выражения для теплоты по закону Ома

Применение и практическое значение закона Джоуля-Ленца

Исследования Джоуля и Ленца в области тепловыделения от работы электрического тока значительно продвинули научное понимание физических процессов, а полученные основные формулы не изменились и используются по сей день в различных отраслях науки и техники.В области электротехники можно выделить несколько технических задач, где критически важным является количество тепла, выделяющегося при протекании тока. означает при расчете таких параметров:

  • потери тепла в линиях электропередач;
  • характеристики проводов сетей электропроводки;
  • тепловая мощность (количество тепла) электронагревателей;
  • температура автоматических выключателей;
  • температура плавления предохранителей;
  • Тепловыделение различных электротехнических устройств и элементов радиотехники.

Электроприборы, использующие тепловую работу тока

Тепловое воздействие электрического тока в проводах линий электропередач (ЛЭП) нежелательно из-за значительных потерь электроэнергии на выработку тепла.

По разным данным, до 40% всей вырабатываемой в мире электроэнергии теряется в линиях электропередач. Для уменьшения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния повышают напряжение в ЛЭП, производя расчеты по производным формулам закона Джоуля-Ленца.


Диаграмма всех видов потерь электроэнергии, среди которых тепловые потери на ВЛ составляют львиную долю (64%)

Очень упрощенно тепловую работу тока можно описать так: между молекулами движутся электроны, а время от времени сталкиваются с ними, что делает их тепловые колебания более интенсивными. Наглядная демонстрация тепловой работы тока и ассоциативные пояснения процессов показаны на видео ниже:

Расчет потерь электроэнергии в линиях электропередач

Пример — гипотетический участок ЛЭП от электростанции до трансформаторной подстанции.Так как провода ЛЭП и потребителя электроэнергии (трансформаторной подстанции) соединены последовательно , то по ним протекает один и тот же ток I. По рассматриваемому здесь закону Джоуля-Ленца количество теплоты, выделяющееся на проводах Q w (теплопотери), рассчитывается по формуле:

Мощность, вырабатываемая электрическим током (Q c) в нагрузке, рассчитывается по закону Ома:

Таким образом, при равенстве токов в первую формулу вместо I можно подставить выражение Q c / U c, так как I = Q c / U c:

Если пренебречь зависимостью сопротивления проводников от изменения температуры, то R ш можно считать неизменным (постоянным).Таким образом, при стабильном энергопотреблении потребителя (трансформаторной подстанции) тепловыделение в ЛЭП будет обратно обратно квадрату напряжения в конечной точке линии. Другими словами, чем выше напряжение передачи, тем меньше потери мощности.


Для передачи электроэнергии высокого напряжения требуются большие опоры

Действие закона Джоуля-Ленца в повседневной жизни

Эти расчеты справедливы и в быту при передаче электроэнергии на небольшие расстояния — например, от ветрогенератора к инвертору.При автономном электроснабжении ценен каждый Ватт энергии, вырабатываемой низковольтным ветрогенератором, и может оказаться выгоднее поднять напряжение трансформатором прямо на ветрогенераторе, чем тратить деньги на большой отрезок кабеля для того, уменьшить потери электроэнергии при передаче.


При значительном удалении от ветрогенератора переменного тока низкого напряжения для снижения потерь электроэнергии выгоднее будет подключение через повышающий трансформатор поднять напряжение, поэтому при расчете проводки учитывают тепловую работу тока, по закону Джоуля-Ленца при выборе сечения проводов так, чтобы их тепловой нагрев не приводил к плавлению и возгорание изоляции и окружающих материалов.Выбор кабеля для питания и электропроводки осуществляется в соответствии с таблицами и нормативными документами ПУЭ, и подробно описаны на других страницах данного ресурса.


Коэффициент тока и сечение проводника

При расчете температуры нагрева радиотехнических элементов, биметаллической пластины автоматического выключателя или предохранителя используется закон Джоуля-Ленца в интегральной форме, так как сопротивление этих материалов изменяется с увеличением температура. Эти сложные расчеты также учитывают теплопередачу, нагрев от других источников тепла, собственную теплоемкость и многие другие факторы.


Программное моделирование тепловыделения полупроводниковых устройств

Полезная тепловая работа электрического тока

Тепловыделяющая работа электрического тока широко используется в электронагревателях, в которых применяется последовательное соединение проводников с различным сопротивлением. Этот принцип работает следующим образом: в последовательно соединенных проводниках течет одинаковый ток, а значит, согласно закону Джоуля-Ленца, от материала проводника с большим сопротивлением будет выделяться больше тепла.


Высокоомная катушка нагревается, но питающие провода остаются холодными

Таким образом, шнур питания и подводящие провода конфорки остаются относительно холодными, а нагревательный элемент нагревается до температуры красного свечения. В качестве материала проводников нагревательных элементов применяют сплавы с высоким (относительно медной и алюминиевой проводки) удельным сопротивлением — нихром, константан, вольфрам и другие.


Нить накала лампы накаливания изготовлена ​​из тугоплавких вольфрамовых сплавов

При параллельном соединении проводников тепловыделение будет больше на нагревательном элементе с меньшим сопротивлением, так как при его уменьшении ток относительно соседнего элемента цепи увеличивается .В качестве примера можно привести наглядный пример свечения двух ламп накаливания разной мощности — более мощная лампа имеет тепловыделение и больший световой поток.

Если прозвонить лампочку омметром, то окажется, что более мощная лампа имеет меньшее сопротивление. На видео ниже автор демонстрирует последовательное и параллельное подключение, но к сожалению, в комментарии он ошибся — лампа будет светить ярче с большим сопротивлением , а не наоборот.

Закон Джоуля-Ленца — закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Этот закон был сформулирован в 1841 г. английским ученым Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 г. известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он и получил свое двойное название — закон Джоуля-Ленца.

Определение закона и формулы

Словесная формулировка такова: мощность тепла, выделяющегося в проводнике при его протекании по нему, пропорциональна произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

Математически закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом:

ω = j E = ϭ E²,

где ω – количество выделяемой теплоты в единицах. объем;

E и j — напряженность и плотность соответственно электрических полей;

σ – проводимость среды.

Физический смысл закона Джоуля-Ленца

Закон можно объяснить так: ток, протекающий по проводнику, есть движение электрического заряда под действием.Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа затрачивается на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество — теплоту.

Но нельзя допускать чрезмерного нагрева токопроводов и электрооборудования, так как это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при проводах, когда по проводникам могут протекать достаточно большие токи.

В интегральной форме для тонких проводников Закон Джоуля-Ленца звучит так: количество теплоты, выделяющееся в единицу времени на рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока прочность и сопротивление сечения.

Математически эта формула выражается следующим образом:

Q = ∫ k I² R t,

при этом Q — количество выделяемой теплоты;

I — текущее значение;

Ом — активное сопротивление проводников;

t — время воздействия.

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

Закон Джоуля-Ленца носит достаточно общий характер, так как не зависит от характера сил, порождающих ток.

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

Область применения

Существует огромное количество областей применения в повседневной жизни закона Джоуля Ленца. Например, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электронагревателе и прочее.и т. д. Это самый распространенный физический закон в повседневной жизни.

Задание по теме «Законы постоянного тока». Задание может быть интересно учащимся 10 классов и выпускникам для подготовки к ЕГЭ. Кстати, такого рода задача была на экзамене в части 1 с немного другим вопросом (необходимо было найти соотношение количеств тепла, выделяющегося на резисторах).

Какой из резисторов будет выделять наибольшее (наименьшее) количество тепла? R1 = R4 = 4 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 2 Ом.Дайте решение. Чтобы ответить на вопрос задачи, необходимо сравнить количество теплоты, выделяющееся на каждом из их резисторов. Для этого воспользуемся формулой закона Джоуля-Ленца. То есть основной задачей будет определение силы тока (или сравнения), протекающего через каждый резистор.

По законам последовательного соединения ток, протекающий через резисторы R1 и R2 и R3 и R4, одинаков. Для определения силы тока в верхней и нижней ветвях воспользуемся законом параллельного соединения, согласно которому напряжение на этих ветвях одинаково.При выписывании напряжения на нижней и верхней ветвях по закону Ома для участка цепи имеем: Подставляя численные значения сопротивлений резисторов, получаем: То есть получаем отношение между токи, протекающие в верхней и нижней ветвях: Определив ток через каждый из этих резисторов, определяем количество теплоты, выделившееся на каждом из резисторов. Сравнивая числовые коэффициенты, приходим к выводу, что максимальное количество тепла будет выделяться на четвертом резисторе, а минимальное количество тепла на втором.

Вы можете оставить комментарий или поставить обратную связь с вашего сайта.

Написать отзыв

fizika-doma.ru

Тепловая мощность – расчетная формула

С теплотехническими расчетами приходится сталкиваться владельцам частных домов, квартир или любых других объектов. Это основа проектирования зданий.

Разобраться в сути этих расчетов в официальных бумагах не так сложно, как кажется.

Для себя также можете научиться выполнять расчеты, чтобы решить, какой утеплитель использовать, какой толщины он должен быть, какой мощности покупать котел и хватит ли имеющихся радиаторов на данную площадь.

Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти, если разобраться, что такое тепловая мощность. Формула, определение и область применения — читайте в статье.

Что такое тепловой расчет?

Проще говоря, тепловой расчет помогает точно узнать, сколько тепла сохраняет и теряет здание, а также сколько энергии необходимо генерировать для отопления, чтобы поддерживать комфортные условия в доме.

При оценке теплопотерь и степени теплообеспеченности учитывают следующие факторы:

  1. Что это за объект: сколько в нем этажей, наличие угловых помещений, жилой он или производственный , так далее.
  2. Сколько человек будет «проживать» в здании.
  3. Важная деталь – площадь остекления. И размеры кровли, стен, пола, дверей, высоты потолков и т.д.
  4. Какова продолжительность отопительного сезона, климатические особенности региона.
  5. По СНиПам определяются нормы температур, которые должны быть в помещениях.
  6. Толщина стен, полов, выбранные теплоизоляторы и их свойства.

Могут учитываться и другие условия и особенности, например, для производственных помещений, рабочих и выходных дней, мощность и тип вентиляции, ориентация жилья по сторонам света и др.которые считаются.

Для чего нужен тепловой расчет?

Как строители прошлого обходились без тепловых расчетов?

Сохранившиеся купеческие дома показывают, что все делалось просто с запасом: окна меньше, стены толще. Получилось тепло, но экономически не выгодно.

Теплотехнический расчет позволяет строить наиболее оптимальным образом. Материалов берется не больше — не меньше, а ровно столько, сколько нужно.Сокращаются габариты здания и затраты на его возведение.

Расчет точки росы позволяет строить так, чтобы материалы не портились как можно дольше.

Для определения требуемой мощности котла без расчетов также не обойтись. Его общая мощность складывается из энергозатрат на отопление помещений, нагрев горячей воды для хозяйственных нужд и возможность покрытия тепловых потерь от вентиляции и кондиционирования. Запас хода добавлен на период пиковых холодов.

При газификации объекта обязательно согласование со службами. Рассчитан годовой расход газа на отопление и суммарная мощность источников тепла в гигакалориях.

Нужны расчеты при подборе элементов системы отопления. Рассчитывается система труб и радиаторов – можно узнать, какой должна быть их длина, площадь поверхности. Учитываются потери мощности при изгибах трубопровода, на стыках и проходе арматуры.

При расчете затрат на тепловую энергию могут пригодиться знания о том, как перевести Гкал в кВт и наоборот.В следующей статье эта тема будет подробно рассмотрена с примерами расчета.

На этом примере показан полный расчет водяного теплого пола.

Знаете ли вы, что количество секций радиаторов отопления берется не с потолка? Слишком мало их приведет к тому, что в доме будет холодно, а слишком много создаст тепло и приведет к чрезмерной сухости воздуха. Ссылка http://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/raschet-sistem-otopleniya/kolichestva-sekcij-radiatorov.html приведены примеры правильного расчета радиаторов.

Расчет тепловой мощности: формула

Рассмотрим формулу и приведем примеры расчета для зданий с разными коэффициентами рассеивания.

Vx (дельта) TxK = ккал/ч (теплопроизводительность), где:

  • Первый показатель «V» — объем расчетного помещения;
  • Дельта «Т» — разница температур это величина, которая показывает, на сколько градусов внутри помещения теплее, чем снаружи;
  • «К» — коэффициент рассеивания (также называемый «коэффициентом теплопередачи»).Значение берется из таблицы. Обычно этот показатель колеблется от 4 до 0,6.
Ориентировочные значения коэффициента рассеяния для упрощенного расчета
  • Если это неизолированный металлический профиль или доска, то «К» будет = 3 — 4 ед.
  • Одинарная кирпичная кладка и минимальное утепление — «К» = от 2 до 3.
  • Стена в два кирпича, стандартный пол, окна и
  • Двери — «К» = от 1 до 2.
  • Самый теплый вариант. Стеклопакеты, кирпичные стены с двойным утеплением и т.д.- «К» = 0,6 — 0,9.

Более точный расчет можно произвести, рассчитав точные размеры различных по свойствам поверхностей дома в м2 (окна, двери и т.д.), сделав для них расчет отдельно и сложив полученные показатели.

Пример расчета тепловой мощности

Возьмем некое помещение площадью 80 м2 с высотой потолков 2,5 м и посчитаем, какая мощность котла нам потребуется для ее обогрева.

Сначала рассчитаем кубатуру: 80 х 2.5 = 200 м3. Наш дом утеплен, но недостаточно — коэффициент рассеивания 1,2.

Морозы бывают до -40°С, а в помещении хочется чтобы было комфортно +22 градуса, разница температур (дельта «Т») 62°С.

Подставляем цифры в формулу для мощность тепловых потерь и умножить:

200 х 62 х 1,2 = 14880 ккал/ч.

Переводим полученные килокалории в киловатты с помощью конвертера:

  • 1 кВт = 860 ккал;
  • 14880 ккал = 17302.3 Вт.

Округляем с запасом, и понимаем, что в самый лютый мороз -40 градусов нам нужно 18 кВт энергии в час.

Умножаем периметр дома на высоту стен:

(8+10) х 2 х 2,5 = 90 м2 поверхности стены + 80 м2 потолка = 170 м2 поверхности, контактирующей с холодом. Рассчитанные нами выше потери тепла составили 18 кВт/ч, делим площадь дома на рассчитанную потребляемую энергию, получаем, что 1 м2 теряет около 0,1 кВт или 100 Вт каждый час при температуре наружного воздуха -40°С, а в помещении +22°С…

Эти данные могут стать основой для расчета необходимой толщины утеплителя на стены.

Приведем еще один пример расчета, в некоторых моментах более сложный, но более точный.

Формула:

Q = S x (дельта) T / R:

  • Q – необходимое значение тепловых потерь дома в Вт;
  • S — площадь охлаждающих поверхностей в м2;
  • Т — разница температур в градусах Цельсия;
  • R — тепловое сопротивление материала (м2 x К/Вт) (квадратные метры, умноженные на Кельвины и разделенные на Вт).

Итак, чтобы найти «Q» того же дома, что и в примере выше, вычислим площадь его поверхностей «S» (этаж и окна считать не будем).

  • «S» в нашем случае = 170 м2, из них 80 м2 потолок и 90 м2 — стены;
  • Т = 62°С;
  • Р — термическое сопротивление.

Ищем «R» по таблице термических сопротивлений или по формуле. Формула расчета коэффициента теплопроводности выглядит следующим образом:

R = H/K.Т. (Н — толщина материала в метрах, КТ — коэффициент теплопроводности).

В данном случае у нашего дома стены из двух кирпичей обшиты пенопластом толщиной 10 см. Потолок обшит опилками толщиной 30 см.

Система отопления частного дома должна быть устроена с учетом экономии энергоресурсов. Расчет системы отопления частного дома, а также рекомендации по выбору котлов и радиаторов – читайте внимательно.

Как и чем утеплить деревянный дом изнутри, вы узнаете, прочитав эту информацию.Выбор утеплителя и технологии утепления.

Из таблицы коэффициентов теплопроводности (измеряется Вт / (м2 x К) Ватт, деленное на произведение квадратного метра на Кельвин). Находим значения для каждого материала, они будут такими:

  • кирпич — 0,67;
  • пенопласт — 0,037;
  • опилки — 0,065.
Подставляем данные в формулу (R = H/К.Т.):
  • R (толщина потолка 30 см) = 0,3/0,065 = 4,6 (м2 х К)/Вт;
  • Р (кирпичная стена 50 см) = 0.5/0,67 = 0,7 (м2 х К)/Вт;
  • R (пенопласт 10 см) = 0,1/0,037 = 2,7 (м2 х К)/Вт;
  • R (стены) = R (кирпич) + R (пенопласт) = 0,7 + 2,7 = 3,4 (м2 х К) / Вт.

Теперь можно приступать к расчету теплопотерь «Q»:

  • Q для потолка = 80 х 62/4,6 = 1078,2 Вт.
  • Q стены = 90 х 62/3,4 = 1641,1 Вт.
  • Осталось добавить 1078,2 + 1641,1 и перевести в кВт, получается (если сразу округлить) 2,7 кВт энергии за 1 час.
Можно обратить внимание, насколько велика была разница в первом и втором случаях, хотя объем домов и температура за окном в первом и втором случаях были абсолютно одинаковыми.

Все дело в степени усталости домов (хотя, конечно, данные могли быть и другими, если бы мы рассчитывали пол и окна).

Заключение

Приведенные формулы и примеры показывают, что в теплотехнических расчетах очень важно учитывать как можно больше факторов, влияющих на теплопотери. Сюда входит и вентиляция, и площадь окон, степень их усталости и т. д.

И подход, когда на 10 м2 дома берется 1 кВт мощности котла, слишком приблизителен, чтобы на него всерьез полагаться .

Видео по теме

microklimat.pro

13 Тепловой расчет

10. Тепловой расчет.

Конструкция ИС должна быть такой, чтобы тепло, выделяющееся при ее работе, не приводило в самых неблагоприятных условиях эксплуатации к отказам элементов в результате перегрева. К основным твэлам относятся, прежде всего, резисторы, активные элементы и компоненты. Мощность, рассеиваемая конденсаторами и катушками индуктивности, мала. Пленочная коммутация ИС, благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок, способствует отводу тепла от наиболее нагреваемых элементов и выравниванию температуры платы ГИС и кристалла полупроводниковой ИС.

Рис. 10.1. Вариант крепления платы к корпусу.

Тепловой расчет резисторов.

Тепловое сопротивление резистора рассчитывается по формуле (10.1)

p = 0,03 [Вт/см°С] — коэффициент теплопроводности материала подложки;

δп = 0,06 см — толщина доски.

RT = 0,06 / 0,03 = 2 см2∙°С/Вт

Рассчитаем температуру пленочных резисторов по формуле

PR — мощность, рассеиваемая на резисторе;

SR – площадь, занимаемая резистором на плате;

P0 – суммарная мощность, выделяемая всеми компонентами микросхемы;

Sп — площадь борта.

PR = 0,43 мВт — мощность, рассеиваемая на резисторе;

SR = 0,426 мм2 — площадь, занимаемая резистором;

Sn = 80 мм2 — площадь платы;

RT = 2 см2∙°С/Вт — тепловое сопротивление резистора;

Ткр.ср = 40С — максимальная температура окружающей среды;

T = 125С = максимально допустимая температура пленочных резисторов.

TR = (0,43 ∙ 10-3 ∙ 200) /0,426+ (24,82 ∙ 10-3 ∙ 200) /80+40=40,26 С

Температура остальных резисторов рассчитывается аналогично по формуле программа МатКад.Результаты расчетов представлены в таблице 10.1.

Таблица. 10.1

Из таблицы видно, что для всех пленочных резисторов соблюдается заданный тепловой режим.

Тепловой расчет шарнирного элемента.

Термическое сопротивление будем рассчитывать по формуле:

k = 0,003 [Вт/см °С] — коэффициент теплопроводности клея;

δк1 = 0,01 см — толщина клея.

Rt = (0,06/0,03) + (0,01/0,003) = 5,33 см2∙°С/Вт

Рассчитаем температуру навесного элемента по формуле:

Расчет транзистора КТ202А, VT14

Pne = 2.6 мВт — мощность, выделяемая транзистору;

Sne = 0,49 мм2 — площадь, занимаемая транзистором;

P0 = 24,82 мВт — мощность, рассеиваемая всеми компонентами платы;

Sn = 80 мм2 — площадь платы;

Т0С = 40С — максимальная температура окружающей среды;

T = 85С = максимально допустимая температура транзистора.

Tne = (2,6 ∙ 10-3 ∙ 533) /0,49+ (24,82 ∙ 10-3 ∙ 533) /80+40=42,99С

Следовательно, заданный тепловой режим соблюдается.

Температура остальных транзисторов рассчитывается таким же образом с помощью программы MathCad.Результаты расчетов представлены в таблице 10.2.

Таблица 10.2

Из таблицы видно, что для всех транзисторов соблюдается заданный тепловой режим. Следовательно, соблюдаются и тепловые условия для всего контура.

studfiles.net

Тепловая мощность электрического тока и ее практическое применение

Причина нагрева проводника заключается в том, что энергия движущихся в нем электронов (иными словами, энергия тока) при последовательных столкновениях частицы с ионами молекулярной решетки металлического элемента преобразуются в теплую энергию, или Q, поэтому формируется понятие «тепловая энергия».

Работа тока измеряется в международной системе единиц СИ, применяя к ней джоули (Дж), мощность тока определяют как «ватт» (Вт). Отходя от системы на практике, могут пользоваться и внесистемными единицами, измеряющими работу тока. Среди них ватт-час (Вт×ч), киловатт-час (сокращенно кВт×ч). Например, 1 Вт × ч обозначает работу тока с удельной мощностью 1 Вт и продолжительностью времени один час.

Если электроны движутся по неподвижному металлическому проводнику, то в этом случае вся полезная работа генерируемого тока распределяется на нагрев металлической конструкции, и, исходя из положений закона сохранения энергии, это можно описать выражением по формуле Q = A = IUt = I2Rt = (U2/R) * t.Такие соотношения точно выражают известный закон Джоуля-Ленца. Исторически впервые она была определена эмпирически ученым Д. Джоулем в середине 19 в., а в то же время независимо от него другим ученым, Э. Ленцем. Тепловая энергия нашла практическое применение в техническом исполнении с момента изобретения в 1873 г. русским инженером А. Ладыгиным обыкновенной лампы накаливания.

Тепловая энергия тока используется в ряде электротехнических устройств и промышленных установок, а именно в теплоизмерительных приборах, электроплитах нагревательного типа, электросварочном и инвентарном оборудовании, очень распространены бытовые приборы с электронагревательным эффектом — котлы , паяльники, чайники, утюги.

Тепловой эффект также встречается в пищевой промышленности. При высокой доле использования используется возможность электроконтактного нагрева, что гарантирует тепловую мощность. Это обусловлено тем, что ток и его тепловая мощность, воздействуя на пищевой продукт, обладающий определенной степенью сопротивления, вызывает в нем равномерный нагрев. Пример тому, как делаются колбасы: через специальный дозатор фарш подается в металлические формы, стенки которых одновременно служат электродами.Здесь обеспечивается постоянная равномерность нагрева по всей площади и объему продукта, поддерживается заданная температура, сохраняется оптимальная биологическая ценность пищевого продукта, наряду с этими факторами остаются продолжительность технологической работы и энергозатраты. самый низкий.

Удельная тепловая мощность электрического тока (ω), иначе говоря, количество теплоты, которое выделяется в единице объема в единицу времени, рассчитывается следующим образом. Элементарный цилиндрический объем проводника (dV), при поперечном сечении проводника dS, длине dl, параллельной направлению тока, и сопротивлении определяется уравнениями R = p(dl/dS), dV = dSdl .

Согласно определениям закона Джоуля-Ленца, за отведенное время (dt) в взятом нами объеме будет выделяться уровень теплоты, равный dQ = I2Rdt = p(dl/dS)(jdS) 2dt= pj2dVdt. В этом случае ω = (dQ)/(dVdt) = pj2 и, применяя здесь закон Ома для установления плотности тока j = γE и соотношения p = 1/γ, сразу получаем выражение ω = jE = γE2. Он дает понятие закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

fb.ru

Embedder page » Тепловые расчеты

Все электронные компоненты выделяют тепло, поэтому умение рассчитывать радиаторы так, чтобы не улететь на пару порядков, очень полезно любому электронщику.

Тепловые расчеты очень просты и имеют много общего с расчетами электронных схем. Вот, взгляните на распространенную проблему расчета тепла, с которой я только что столкнулся.

Задача

Вам необходимо подобрать радиатор для 5-ти вольтового линейного стабилизатора, который питается максимум 12 вольт и выдает 0,5А. Максимальная рассеиваемая мощность равна (12-5)*0,5=3,5Вт

Погружение в теорию

Чтобы не плодить сущности, люди почесали тыкву и поняли, что тепло очень похоже на электрический ток, а для тепловых расчетов можно используйте обычный закон Ома, только

    Напряжение (U) заменяется температурой (T)

    Ток (I) заменяется мощностью (P)

    Сопротивление заменяется тепловым сопротивлением.Типичное сопротивление составляет Вольт/Ампер, а тепловое сопротивление составляет °C/Ватт.

В результате закон Ома заменяется его тепловым аналогом:

Небольшое замечание — для того, чтобы указать, что имеется в виду тепловое (а не электрическое) сопротивление, к букве R добавляется буква тета: Не знаю на клавиатуре есть такая буква, но копировать из таблицы символов лень, поэтому воспользуюсь буквой R.

Продолжаем

В кристалле стабилизатора выделяется тепло, и наша цель предотвратить это от перегрева (не допускать перегрева самого кристалла, это важно!).

До какой температуры можно нагревать кристалл, написано в даташите:

Обычно предельную температуру кристалла называют Tj (j = junction = junction — термочувствительные внутренности микросхем в основном состоят из pn переходов. Можно считать, что температура перехода равна температуре кристалла)

Без радиатора

Тепловая схема выглядит очень просто:

Специально для случаев использования корпуса без радиатора в даташитах пишут термическое сопротивление кристалл-атмосфера (Rj-a) (что такое j вы уже знаете, a = окружающая среда = окружающая среда)

Обратите внимание, что температура грунта равна не нулю, а температуре окружающей среды (Ta).Температура воздуха зависит от условий, в которых находится радиатор. Если на улице, то можно поставить Та=40°С, а если в закрытом боксе, то температура может быть намного выше!

Запишем тепловой закон Ома: Tj = P * Rj-a + Ta. Подставляя P = 3,5, Rj-a = 65, получаем Tj = 227,5 + 40 = 267,5 °С. Многовато, однако!

Цепляем радиатор

Тепловая схема нашего примера со стабилизатором на радиаторе становится такой:

  • Rj-c — сопротивление от кристалла до радиатора корпуса (c=case=корпус).Дано в техпаспорте. В нашем случае — 5°С/Вт — из техпаспорта
  • Rc-r — сопротивление корпуса-радиатора. Не все так просто. Это сопротивление зависит от того, что находится между корпусом и радиатором. Например, силиконовая прокладка имеет коэффициент теплопроводности 1-2 Вт/(м*°С), а паста КПТ-8 — 0,75Вт/(м*°С). Термическое сопротивление можно получить из коэффициента теплопроводности по формуле:

    R = толщина прокладки / (коэффициент теплопроводности * площадь одной стороны прокладки)

    Rc-r часто можно вообще не учитывать.Например, в нашем случае (используем пакет ТО220, с пастой КПТ-8 средняя глубина пасты, снятая с потолка, 0,05мм). Итого Rc-r=0,5°С/Вт. При мощности 3,5Вт разница температур между корпусом стабилизатора и радиатором составляет 1,75 градуса. Это не много. Для нашего примера примем Rc-r = 2 °С/Вт

  • Rr-a — тепловое сопротивление между радиатором и атмосферой. Определяется геометрией радиатора, наличием обдува и кучей других факторов.Этот параметр гораздо проще измерить, чем рассчитать (см. в конце статьи). Например — Rr-c = 12,5°C/W

    Ta = 40°C — тут мы прикинули, что атмосферная температура редко бывает выше, можно взять 50 градусов, так что обязательно будет.

Подставляем все эти данные в закон Ома, и получаем Tj = 3,5 * (5 + 2 + 12,5) + 40 = 108,25 °С

Это значительно меньше предела 150 °С. Такой радиатор можно использовать. При этом корпус радиатора нагреется до Tc = 3.5 * 12,5 + 40 = 83,75 °С. Эта температура уже способна размягчить некоторые пластики, поэтому нужно быть осторожным.

Измерение сопротивления радиатор-атмосфера.

Скорее всего, у вас уже завалялась куча радиаторов, которые можно использовать. Тепловое сопротивление очень легко измерить. Нужен резистор и источник питания.

С помощью термопасты лепим сопротивление к радиатору:

Подключаем источник питания, и выставляем напряжение так, чтобы на сопротивлении выделялась какая-то мощность.Радиатор лучше, конечно, греть той мощностью, которую он будет рассеивать в конечном устройстве (и в том положении, в котором он будет находиться, это важно!). Я обычно оставляю такую ​​конструкцию на полчаса, чтобы она хорошо прогрелась.

После измерения температуры можно рассчитать тепловое сопротивление

Rr-a = (T-Ta)/P. Например, мой радиатор прогрелся до 81 градуса, а температура воздуха была 31 градус. таким образом, Rr-a = 50/4 = 12,5 °С/Вт.

Оценка площади радиатора

В старинном справочнике радиолюбителя был приведен график, по которому можно оценить площадь радиатора.2 радиатор. Этот график завышает площадь, и не учитывает кучу факторов типа принудительного обдува, реберной геометрии и т.д. установил зависимость количества теплоты от протекания тока в проводнике. Эта зависимость получила название «закон Джоуля-Ленца». Англичанин установил зависимость на год раньше русского, но свое название закон получил от имен обоих ученых, потому что их исследования были независимыми.Закон не теоретический, но имеет большое практическое значение. И так давайте кратко и наглядно узнаем определение закона Джоуля-Ленца и где он применяется.

Формулировка

В реальном проводнике при протекании по нему тока совершается работа против сил трения. Электроны движутся по проводу и сталкиваются с другими электронами, атомами и другими частицами. В результате выделяется тепло. Закон Джоуля-Ленца описывает количество тепла, выделяющегося при протекании тока по проводнику.Она прямо пропорциональна силе тока, сопротивлению и времени течения.

В интегральной форме закон Джоуля-Ленца выглядит так:

Ток обозначается буквой I и выражается в Амперах, сопротивление R в Омах, время t в секундах. Единицей измерения тепла Q является джоуль; чтобы перевести в калории, нужно результат умножить на 0,24. При этом 1 калория равна количеству теплоты, которое необходимо подвести к чистой воде, чтобы повысить ее температуру на 1 градус.

Такая запись формулы справедлива для участка цепи, когда проводники соединены последовательно, когда по ним протекает одно значение тока, но на концах падает разное напряжение. Произведение тока в квадрате на сопротивление равно мощности. При этом мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению. Тогда для электрической цепи с параллельным включением закон Джоуля-Ленца можно записать в виде:

В дифференциальной форме это выглядит так:

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

Стоит отметить, что для однородного участка цепи сопротивление элементов будет одинаковым. При наличии в цепи проводников с разным сопротивлением возникает ситуация, когда максимальное количество теплоты выделяется на том, который имеет наибольшее сопротивление, что можно сделать, проанализировав формулу закона Джоуля-Ленца.

Часто задаваемые вопросы

Как узнать время? Имеется в виду период протекания тока по проводнику, то есть когда цепь замкнута.

Как найти сопротивление проводника? Для определения сопротивления используется формула, которую часто называют «рельсовой», то есть:

Здесь буква «Ro» обозначает удельное сопротивление, оно измеряется в Ом*м/см2, l и S — длина и площадь поперечного сечения. При расчете квадратные метры и сантиметры уменьшаются, а омы остаются.

Удельное сопротивление — табличное значение и для каждого металла оно свое. Медь имеет на порядки меньшее сопротивление, чем высокоомные сплавы, такие как вольфрам или нихром.Для чего он используется, рассмотрим ниже.

Давайте перейдем к практике

Закон Джоуля-Ленца имеет большое значение для электрических расчетов. Прежде всего, вы можете применить его при расчете отопительных приборов. В качестве нагревательного элемента чаще всего используют проводник, но не простой (типа медный), а с большим сопротивлением. Чаще всего это нихром или кантал, фехраль.

Имеют высокое удельное сопротивление. Можно использовать медь, но тогда вы потратите много кабеля (сарказм, медь для этой цели не используется).Для расчета тепловой мощности нагревательного прибора необходимо определить, какое тело и в каких объемах необходимо его нагреть, учесть количество необходимого тепла и за какое время его необходимо передать телу. После расчетов и преобразований вы получите сопротивление и силу тока в этой цепи. На основании полученных данных об удельном сопротивлении выберите материал проводника, его сечение и длину.

Тепловое действие тока: закон Джоуля-Ленца, примеры

Двигаясь в любом проводнике, электрический ток передает ему некоторую энергию, из-за чего проводник нагревается.Перенос энергии осуществляется на уровне молекул: в результате взаимодействия электронов тока с ионами или атомами проводника часть энергии остается в последних.

Тепловое действие тока приводит к более быстрому движению частиц проводника. Затем его внутренняя энергия увеличивается и переходит в тепловую энергию.

Расчетная формула и ее элементы

Тепловое действие тока может быть подтверждено различными экспериментами, в которых работа тока переходит во внутреннюю проводящую энергию.Последний увеличивается. Затем проводник отдает его окружающим телам, то есть происходит передача тепла с нагревом проводника.

Формула расчета в этом случае следующая: А = U*I*t.

Количество теплоты можно обозначить Q. Тогда Q = A или Q = U * I * t. Зная, что U = IR, получаем Q = I * R * t, что было сформулировано в законе Джоуля-Ленца.

Закон теплового действия тока — закон Джоуля-Ленца

Проводник, по которому течет электрический ток, изучался многими учеными.Однако наиболее заметных результатов добились Джеймс Джоуль из Англии и Эмилия Христианович Ленц из России. Оба ученых работали по отдельности и выводили результаты опытов независимо друг от друга.

Они вывели закон, позволяющий оценить теплоту, полученную в результате действия тока на проводник. Он получил название закона Джоуля-Ленца.

Рассмотрим на практике тепловое действие тока. Возьмем следующие примеры:

  1. Обычная лампочка.
  2. Нагревательные устройства.
  3. Предохранитель в квартире.
  4. Электрическая дуга.

Лампа накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и расширению возможностей использования электричества. Способ применения результатов исследований можно рассмотреть на примере обычной лампы накаливания.

Сконструирован таким образом, что внутрь протягивается нить из вольфрамовой проволоки.Этот металл тугоплавкий с высоким удельным сопротивлением. При прохождении через лампочку реализуется тепловой эффект электрического тока.

Энергия проводника трансформируется в тепловую, спираль нагревается и начинает светиться. Недостатком лампочки являются большие потери энергии, так как только за счет малой части энергии она начинает светиться. Основная часть просто нагревается.

Чтобы лучше это понять, вводится коэффициент полезного действия, который демонстрирует эффективность работы и преобразования в электроэнергию.КПД и тепловое действие тока используются в разных областях, так как на этом принципе изготавливается множество устройств. В основном это отопительные приборы, электрические плиты, бойлеры и другие подобные устройства.

Устройство отопительных приборов

Обычно в конструкции всех приборов для отопления присутствует металлическая спираль, в функцию которой входит нагрев. Если нагревается вода, то спираль устанавливается изолированно, и в таких устройствах осуществляется баланс между энергией из сети и теплообменом.

Перед учеными постоянно стоят задачи снижения потерь энергии и поиска оптимальных способов и наиболее эффективных схем их реализации с целью снижения теплового воздействия тока. Например, используется способ повышения напряжения при передаче энергии, за счет чего уменьшается сила тока. Но этот способ, в то же время, снижает безопасность эксплуатации ЛЭП.

Еще одно направление исследований – выбор проводов.Ведь от их свойств зависят тепловые потери и другие показатели. Кроме того, при работе отопительных приборов происходит большое энерговыделение. Поэтому спирали изготовлены из специально разработанных для этих целей материалов, способных выдерживать высокие нагрузки.

Предохранители квартирные

Для улучшения защиты и защиты электрических цепей используются специальные предохранители. В роли основной детали выступает проволока из легкоплавкого металла. Он проходит в пробке из фарфора, имеет резьбу и контакт в центре.Пробка вставляется в картридж, расположенный в фарфоровой коробке.

Токоподводящий провод является частью общей цепи. Если тепловое действие электрического тока резко возрастет, сечение проводника не выдержит, и он начнет плавиться. В результате сеть разомкнется, и перегрузки по току не произойдет.

Электрическая дуга

Электрическая дуга является достаточно эффективным преобразователем электрической энергии. Используется для сварки металлоконструкций, а также служит мощным источником света.

Основа устройства следующая. Возьмите два угольных стержня, соедините провода и прикрепите их к изолирующим держателям. После этого стержни подключаются к источнику тока, дающему небольшое напряжение, но рассчитанному на большую силу тока. Подключить реостат. Использование углей в городской сети запрещено, так как это может привести к пожару. Если прикоснуться одним углем к другому, то можно увидеть, как сильно они будут гореть. На это пламя лучше не смотреть, потому что оно вредно для зрения. Электрическая дуга используется в печах для плавки металла, а также в таких мощных осветительных приборах, как прожекторы, кинопроекторы и так далее.

Закон Джоуля — Эффект Джоуля или Тепловой Эффект Тока

Закон Джоуля – эффект Джоуля или тепловой эффект тока и его применение

Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль открыл закон Джоуля (также известный как эффект Джоэла, закон Джоуля-Ленца или первый закон Джоуля) в 1840-43 гг., который показывает соотношение между током, теплотой и сопротивлением в определенное время, т.е. когда ток течет через материал, он выделяет в нем тепло.

Закон Джоуля

Закон Джоуля гласит, что «Если через резистор «R» в течение «t» секунд протекает ток «I» ампер, то количество выполненной работы (преобразование электрической энергии в тепловую) равно

Выполненная работа = Теплота = I 2 Rt     …     Джоули

или

WD = Тепло = VIt     …     Джоули      …     (∴ R = V/I)

или

WD = Теплота = Wt    …     Джоули      …     (∴ W = VI)

или

WD = теплота = V 2 t/R     …     Джоули      …     (∴ I = V/R)

Совершенная работа – это количество тепловой энергии, преобразованной из электричества, которое рассеивается в воздухе.В этом случае произведенное количество тепла можно рассчитать, используя следующие формулы и уравнения.

Количество производимого тепла = H = выполненная работа / механический эквивалент тепла = WD/J

Где:

  • Дж = 4187 Дж/ккал  = 4200 Дж/ккал (приблизительно)
  • ∴ H = I 2 Rt / 4200 ккал = VIt / 4200 ккал = Wt / 4200 ккал = V 2 t / 4200 ккал

Одна килокалория (ккал) – это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного килограмма (кг) воды на один градус по Цельсию (1°C).

Похожие сообщения

Тепловой эффект тока

Практически все мы сталкивались с тем, что когда ток течет по проводнику или кабелю и проводу, он потом нагревается. Причина этой сцены заключается в том, что когда ток течет по проводнику, приложенная электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая увеличивает температуру проводника.

Мы знаем, что поток электронов в веществе называется электрическим током. Дрейфующие электроны в веществе сталкиваются друг с другом и электронами атомов молекул в веществе.Столкновение электронов производит тепло. Вот почему при протекании электрического тока в веществе выделяется тепло. Этот эффект известен как нагревательный эффект тока.

Тепло, выделяемое электрическим током, зависит от количества тока и материала этого вещества. Например,

Электрический ток производит больше тепла в изоляторах (материалы, которые сильно препятствуют прохождению тока в нем, например, вольфрам, нихром), в то время как количество тепла, выделяемое при протекании тока в проводниках (тех материалах, в которых ток течет очень легко из-за меньшего или почти незначительное сопротивление e.грамм. золото, медь, алюминий) меньше, чем у изоляторов).

Похожие сообщения:

Почему от тепла светится элемент обогревателя, а не шнур обогревателя?

Как правило, нагревательный элемент обогревателей изготовлен из нихрома, имеющего очень высокое сопротивление. Когда к нагревательному элементу через проволоку прикладывается напряжение питания, материал сильно сопротивляется потоку электронов в нем. Из-за дрейфа электронов внутри нагревательного материала электроны сталкиваются с электронами в атомах материала.Это непрерывное столкновение электронов нагревает и светит нагревательный элемент, который дополнительно обеспечивает тепловую энергию. Простыми словами, нагревательный элемент из нихрома преобразует электрическую энергию в тепловую. Весь этот процесс известен как нагревательный эффект тока.

С другой стороны, провод шнура, подключенный к нагревателю, выполнен из проводника, по которому легко протекает ток без заметного сопротивления. Поэтому светится только нагревательный элемент, а не кабель нагревателя.

Похожие сообщения:

Решенный пример по закону Джоуля теплового эффекта тока

Пример:

Электрический нагреватель содержит 1,6 кг воды при температуре 20°C. Для повышения температуры до 100°C требуется 12 минут. Примем потери на излучение и нагрев котла равными 10 кг-калорий. Найдите номинальную мощность обогревателя.

Раствор

Теплота, необходимая для повышения температуры 1,6 кг воды до точки кипения = 1.6 х 100 х 1 х (100 – 20) кал.

= 128000 кал.

Потеря тепла = 10 х 1000 = 10000 кал.

Всего тепла = 128000) + 10000 = 138000 кал.

Произведенное тепло = Вт = (Вт x 12 x 60) / 4,2 кал.

Произведенное тепло = тепло, полученное нагревателем, т.е.

= (Ш x 12 x 60)/4,2 = 138000

Вт = (138000 х 4,2) / )12 х 60)

Вт = 805 Вт = 0,8 кВт

Применение эффекта Джоуля или теплового эффекта тока

Закон Джоуля или тепловой эффект электрического тока используются во многих бытовых и промышленных применениях.Ниже приведены приборы и устройства, использующие действие электрического тока.

  • Электрические обогреватели, печи, водонагреватели и нагревательные элементы
    • Электрический утюг для одежды
    • Электрическая конфорка
    • Электросварка
    • Пищевая промышленность
    • Нить накала ламп накаливания и электрических лампочек
    • ИК-тепловизион (ИК-термография (ИКТ) лампочки накаливания
    • Змеевики сопротивления, обогреватели (электрические радиаторы), погружные нагреватели Нагреватели PTC, патронные нагреватели и тепловентиляторы
    • Фены
    • Паяльник
    • Плавкие предохранители и плавкие элементы

    Помимо этих полезных применений нагревательного эффекта тока, есть и некоторые недостатки, такие как потери электроэнергии (I 2 R) в линиях электропередач HVAC (переменного тока высокого напряжения) из-за того, что некоторое сопротивление материала линий электропередач.Более того, это приводит к серьезным проблемам с нагревом электрических машин и устройств, таких как трансформаторы, генераторы, двигатели и т. д.

    Кроме того, тепловой КПД или КПД нагрева тока вообще нельзя использовать, поскольку существуют некоторые потери тепла из-за излучения (перенос тепла в виде волн нагрева) и конвекции (движение молекул в используемом материале). передавать тепло).

    Похожие сообщения:

    (PDF) Квантовые аспекты закона Джоуля-Ленца

    S.Olszewski

    период времени T электромагнитной волны, возникающей в результате перехода.

    В качестве приложения теории были рассчитаны и сопоставлены классическая и квантовая скорости излучения энергии в двух системах (гармонический осциллятор

    и атом водорода), взятых в качестве примеров.

    Ссылки

    [1] Planck, M. (1910) Acht Vorlesungen ueber Theoretische Physik. Verlag S. Hirzel, Лейпциг.

    [2] Эйнштейн, А. (1917) Physikalische Zeitschrift, 18, 121.

    [3] Ван дер Варден, Б. (1968) Источники квантовой механики. Довер, Нью-Йорк.

    [4] Шифф Л.И. (1968) Квантовая механика. 3-е издание, McGraw-Hill, Нью-Йорк.

    [5] Слейтер Дж. К. (1960) Квантовая теория атомной структуры. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

    [6] Бете Х.А. и Джекив Р. (1969) Промежуточная квантовая механика. Бенджамин, Нью-Йорк.

    [7] Ласс, Х. (1950) Векторный и тензорный анализ. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

    [8] Матвеев А.Н. (1964) Электродинамика и теория относительности. изд. Вызшая школа, Москва. (на русском языке)

    [9] Heisenberg, W. (1927) Zeitschrift fuer Physik, 43, 172-198.

    http://dx.doi.org/10.1007/BF01397280

    [10] Sommerfeld, A. (1939) Atombau und Spektrallinien, Vol. 2. 2-е издание, Vieweg, Брауншвейг.

    [11] Томонага, С.-И. (1962) Квантовая механика. Интерсайенс, Нью-Йорк.

    [12] Шоммерс В. (1989) Пространство-время и квантовые явления.В: Шоммерс, В., Эд., Квантовая теория и изображения

    реальности, Springer, Берлин, 217-277. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-95570-9_5 ​​

    [13] Bunge, M. (1970) Canadian Journal of Physics, 48, 1410-1411. http://dx.doi.org/10.1139/p70-172

    [14] Allcock, G.R. (1969) Анналы физики, 53, 253-285. http://dx.doi.org/10.1016/0003-4916(69)

    -6

    [15] Айзекс А. (1990) Краткий словарь по физике. Издательство Оксфордского университета, Оксфорд.

    [16] Вайнберг, С.(2013) Лекции по квантовой механике. Издательство Кембриджского университета, Кембридж.

    [17] Джаммер М. (1966) Концептуальное развитие квантовой механики. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

    [18] Руарк, А.Е. (1928) Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, 14, 322-328.

    http://dx.doi.org/10.1073/pnas.14.4.322

    [19] Flint, H.E. (1928) Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки, 117, 630-

    637.http://dx.doi.org/10.1098/rspa.1928.0025

    [20] Flint, H.E. и Ричардсон, О.В. (1928) Труды Королевского общества A: Mathematical, Physical and Engineering

    Sciences, 117, 637-649. http://dx.doi.org/10.1098/rspa.1928.0026

    [21] Olszewski, S. (2011) Journal of Modern Physics, 2, 1305-1309. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2011.211161

    [22] Ольшевский, С. (2012) Журнал современной физики, 3, 217-220. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2012.33030

    [23] Ольшевский, С.(2012) Квантовая материя, 1, 127–133. http://dx.doi.org/10.1166/qm.2012.1010

    [24] Ольшевский, С. (2014) Журнал современной физики, 5, 1264-1271. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2014.514127

    [25] Ольшевский, С. (2014) Журнал современной физики, 5, 2022-2029. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2014.518198

    [26] Ольшевский, С. (2014) Журнал современной физики, 5, 2030-2040. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2014.518199

    [27] Sommerfeld, A. (1931) Atombau und Spekrallinien.5-е издание, Том. 1, Видег, Брауншвейг.

    [28] Гриффитс, Д.Дж. (1999) Введение в электродинамику. 3-е издание, Прентис-холл, река Аппер-Сэдл.

    [29] MacDonald, AH (1989) Квантовый эффект Холла. Перспектива. Клювер, Милан.

    http://dx.doi.org/10.1007/978-94-010-9709-3

    [30] Olszewski, S. (2015) Journal of Modern Physics, 6, 1277-1288. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2015.69133

    [31] Slater, J.C. (1967) Quantum Theory of Molecules and Solids, Vol.3, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

    [32] Роуз М.Э. (1961) Релятивистская электронная теория. Уайли, Нью-Йорк.

    [33] Айринг Х., Уолтер Дж. и Кимбалл Г.Е. (1957) Квантовая химия. Уайли, Нью-Йорк.

    [34] Зоммерфельд, А. (1949) Механик. 4-е издание, Akademische Verlagsgesellschaft, Лейпциг.

    [35] Ландау Л.Д. и Лифшиц Е.М. (1969) Механика. Электродинамика. изд. Наука, Москва. (на русском языке)

    [36] Борн, М. (1933) Оптика. Спрингер, Берлин.http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-99599-6

    [37] Ladenburg, R. (1921) Zeitschrift für Physik, 4, 451-468. http://dx.doi.org/10.1007/BF01331244

    ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ — E-knowledge.in

    Если W — работа, выполненная системой, а Q — количество сердца, произведенное за счет этой работы, то

    Выражение Дж говорит, что механический эквивалент теплоты  – это количество единиц работы, которые необходимо совершить в системе для производства одной единицы теплоты.

    Эксперимент Джоуля

    Для демонстрации его эксперимента сначала возьмем цилиндрический калориметр из меди.Мы будем использовать систему лопаток и лопастей, как показано выше.

    Теперь наполним калориметр определенным количеством воды. Теперь мы прикрепим систему лопатка-крыльчатка к заполненному водой калориметру с водонепроницаемой верхней крышкой. Теперь мы прикрепим два груза известной и одинаковой массы, как показано на рисунке выше, с помощью шкивов. При вращении рукоятки системы в любом направлении оба груза либо поднимаются, либо опускаются вертикально вверх в зависимости от направления вращения.

    Прикрепляем две вертикальные шкалы для измерения вертикали; движения весов. Мы также устанавливаем один термометр на верхнюю крышку системы, чтобы следить за повышением температуры воды.

    Теперь будем поднимать гири, вращая ручку. Подняв грузы на высоту h, мы позволяем им свободно упасть в исходное положение. Когда грузы падают, потенциальная энергия, накопленная в системе при подъеме грузов, высвобождается в виде кинетической энергии, которая вызывает вращение фургонов в воде.Эта работа, совершаемая в системе, выделяет тепло в воде, что вызывает повышение температуры воды. После того, как веса опустятся в исходное положение, мы снова поднимем вес на ту же высоту h и позволим им свободно опуститься. Мы продолжаем делать это до тех пор, пока на термометре, установленном в системе, не появится измеримая разница температур. Теперь мы можем измерить проделанную работу, умножив общий вес на высоту движения гирь, количество повторений движений гирь.Предположим, что обе гири имеют одинаковую массу m. Итак, общая масса гирь равна 2м. Итак, работа, совершаемая при падении гирь вертикально за h метров, равна 2mgh. Теперь скажем, всего n повторений движений веса, сделанных до повышения температуры воды до ее измеренного значения. Следовательно, общая проделанная работа будет здесь, все n, m, g и h известны, поэтому общую проделанную работу можно легко рассчитать.

    Теперь рассмотрим, что М — масса воды в калориметре. W’ — водный эквивалент калориметра.Таким образом, общее количество тепла, выделяемое за счет повышения температуры воды θ, равно Q = (M + W’)θ. Теперь механический эквивалент тепла

    После этого эксперимента, подставляя все известные значения m, g, h, n, M, W’ и θ, мы получаем, Здесь, в этом эксперименте, потенциальная энергия падающей массы равна преобразуется в кинетическую энергию и, наконец, в тепловую энергию.

    Эксперимент Фарадея

    СВЯЗЬ МЕЖДУ ЭДС ИНДУКЦИИ И ПОТОКА В этом эксперименте Фарадей берет магнит и катушку и подключает гальванометр к катушке.При запуске магнит покоится, поэтому в гальванометре нет отклонения, т.е. стрелка гальванометра находится в центральном или нулевом положении. При приближении магнита к катушке стрелка гальванометра отклоняется в одну сторону. Когда магнит удерживается неподвижно в этом положении, стрелка гальванометра возвращается обратно в нулевое положение. Теперь, когда магнит удаляется от катушки, стрелка имеет некоторое отклонение, но в противоположном направлении, и снова, когда магнит становится неподвижным, в этой точке относительно катушки стрелка гальванометра возвращается обратно в нулевое положение.Точно так же, если магнит удерживается неподвижно, а катушка перемещается в сторону и к магниту, гальванометр показывает отклонение аналогичным образом. Также видно, что чем быстрее меняется магнитное поле, тем больше будет ЭДС индукции или напряжение в катушке.
    Положение Магнита Отклонение в гальванометре
    Магнит в отдохнуть без прогиба в гальванометре
    Магнит движется к катушету Отклонение в гальванометре в одном направлении
    Магнит удерживается стационарным в том же положении (рядом с катушкой) Нет отклонения в гальванометре
    Магнит отходит от катушки Отклонение в гальванометре, но в противоположном направлении Отсутствие отклонения в гальванометре
    Вывод: Из этого эксперимента Фарадей пришел к выводу, что всякий раз, когда существует относительное движение между проводником и магнитным полем, потокосцепление с катушкой изменяется, и это изменение потока индуцирует напряжение на катушке.
    Майкл Фарадей сформулировал два закона на основе вышеуказанных экспериментов. Эти законы называются Фарадеевскими законами электромагнитной индукции .

    Законы Фарадея

    Первый закон Фарадея

    Любое изменение магнитного поля катушки с проводом вызовет индукцию ЭДС в катушке. Эта индуцированная ЭДС называется ЭДС индукции, и если цепь проводника замкнута, ток также будет циркулировать по цепи, и этот ток называется индуктивным током.
    Метод изменения магнитного поля:
    1. Путем перемещения магнита к катушке или от нее
    2. Путем перемещения катушки в магнитное поле или из него.
    3. Путем изменения площади катушки, помещенной в магнитное поле
    4. Путем вращения катушки относительно магнита.

    Второй закон Фарадея

    Он гласит, что величина ЭДС, индуцированной в катушке, равна скорости изменения потока , связанного с катушкой. Потокосцепление катушки представляет собой произведение количества витков в катушке и потока, связанного с катушкой.

    Формула закона Фарадея

    Рассмотрим магнит, приближающийся к катушке. Здесь мы рассматриваем два момента времени T 1 и время T 2 .Потокосцепление с катушкой во времени,Потокосцепление с катушкой во времени,Изменение потокосцепления,Пусть это изменение потокосцепления будет,Итак, Изменение потокосцепленияТеперь скорость изменения потокосцепленияВозьмем производную справа, мы будем получить
    Скорость изменения потокосцепления Но согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, скорость изменения потокосцепления равна ЭДС индукции. Учитывая закон Ленца. Где, поток Φ в Wb = BA
    B = напряженность магнитного поля
    A = площадь катушки
    КАК УВЕЛИЧИТЬ ЭДС В КАТУШКЕ
    • Путем увеличения числа витков в катушке i.e N, из полученных выше формул легко видно, что при увеличении числа витков в катушке увеличивается и ЭДС индукции.
    • За счет увеличения напряженности магнитного поля, т.е. B, окружающего катушку. Математически, если магнитное поле увеличивается, увеличивается поток, а если увеличивается поток, индуцированная ЭДС также увеличивается. Теоретически, если катушка проходит через более сильное магнитное поле, будет больше силовых линий, которые катушка может разрезать, и, следовательно, будет больше индуцированной ЭДС.
    • За счет увеличения скорости относительного движения между катушкой и магнитом. Если относительная скорость между катушкой и магнитом увеличивается по сравнению с предыдущим значением, катушка будет перерезать линии потока с большей скоростью, поэтому ЭДС индукции будет больше. будет производиться.

    Применение закона Фарадея

    Закон Фарадея — один из самых основных и важных законов электромагнетизма. Этот закон находит свое применение в большинстве электрических машин, промышленности, медицине и т. д.
    • Электрические трансформаторы работают по закону Фарадея
    • Основным принципом работы электрического генератора является закон взаимной индукции Фарадея.
    • Индукционная плита — самый быстрый способ приготовления пищи. Он также работает по принципу взаимной индукции. Когда ток течет по катушке из медной проволоки, расположенной под контейнером для приготовления пищи, он создает изменяющееся магнитное поле. Это переменное или изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС и, следовательно, ток в проводящем контейнере, и мы знаем, что поток тока всегда производит в нем тепло.
    • Электромагнитный расходомер используется для измерения скорости определенных жидкостей. Когда к электрически изолированной трубе, по которой течет проводящая жидкость, прикладывается магнитное поле, то согласно закону Фарадея в ней индуцируется электродвижущая сила. Эта индукционная ЭДС пропорциональна скорости течения жидкости.
    • Сформировав основы электромагнитной теории, идея Фарадея о силовых линиях используется в хорошо известных уравнениях Максвелла. Согласно закону Фарадея, изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля, и в уравнениях Максвелла используется обратное этому закону.
    • Он также используется в музыкальных инструментах, таких как электрогитара, электроскрипка и т. д.

    Видеопрезентация закона Фарадея

    Закон Ленца назван в честь немецкого ученого Г. Ф. Е. Ленца в 1834 году. движение (т. е. на каждое действие всегда есть равное и противоположное противодействие) и сохранение энергии (т. е. энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться, и поэтому сумма всех энергий в системе постоянна). Закон Ленца  основан на законе индукции Фарадея, поэтому, прежде чем понять  закон Ленца  ; нужно знать, что такое закон индукции Фарадея? Когда переменное магнитное поле связано с катушкой, в ней индуцируется ЭДС. Это изменение магнитного поля может быть вызвано изменением напряженности магнитного поля путем перемещения магнита к катушке или от нее или перемещения катушки в магнитное поле или из него по желанию. Или, говоря простыми словами, можно сказать, что величина ЭДС, индуцированной в цепи, пропорциональна скорости изменения потока.

    Закон Ленца

    Закон Ленца утверждает, что когда ЭДС генерируется изменением магнитного потока в соответствии с законом Фарадея, полярность ЭДС индукции такова, что она создает ток, магнитное поле которого противодействует изменению, которое его вызывает .

    Отрицательный знак, используемый в законе электромагнитной индукции Фарадея, указывает, что ЭДС индукции ( ε ) и изменение магнитного потока (δΦ B ) имеют противоположные знаки. Где
    ε = ЭДС индукции
    δΦ B  = изменение в магнитном потоке
    Н = количество витков в катушке

    Причина противодействия, причина индуктивного тока в

    Закон Ленца  ?
    • Как указано выше, закон Ленца подчиняется закону сохранения энергии, и если направление магнитного поля, создающего ток, и магнитного поля тока в проводнике совпадают, то эти два магнитных поля будет складываться и производить ток в два раза больше, а это, в свою очередь, создаст больше магнитного поля, которое вызовет больший ток, и этот процесс, продолжающийся снова и снова, приводит к нарушению закона сохранения энергии.
    • Если индуцированный ток создает магнитное поле, равное и противоположное направлению магнитного поля, которое его создает, то только он может сопротивляться изменению магнитного поля в области, что соответствует третьему закону Ньютона. движение.

    Объяснение закона Ленца

    Для понимания закона Ленца рассмотрим два случая:
    СЛУЧАЙ-I Когда магнит движется к катушке. Когда северный полюс магнита приближается к катушке, магнитный поток катушка увеличивается.Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, при изменении потока в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле. Теперь, согласно закону Ленца , это созданное магнитное поле будет противодействовать собственному или, можно сказать, противодействовать увеличению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает северной полярности, поскольку мы знаем, что одинаковые полюса отталкивают друг друга. Как только мы узнаем магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки.В этом случае ток течет против часовой стрелки.
    СЛУЧАЙ-II Когда магнит удаляется от катушки Когда северный полюс магнита удаляется от катушки, магнитный поток, связанный с катушкой, уменьшается. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле. Теперь, согласно закону Ленца , это создаваемое магнитное поле будет противодействовать собственному или, можно сказать, противодействовать уменьшению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает южной полярности, поскольку мы знаем, что разнородные полюса притягиваются друг к другу.Как только мы узнаем магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки. В этом случае ток течет по часовой стрелке.

    ПРИМЕЧАНИЕ. Для определения направления магнитного поля или тока используйте правило большого пальца правой руки, т. е. если пальцы правой руки расположены вокруг провода так, что большой палец указывает в направлении тока, то сгибание пальцев покажет направление магнитного поля, создаваемого проводом. Закон Ленца можно резюмировать следующим образом:

    • Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, увеличивается, направление тока в катушке будет таким, что он будет противодействовать увеличению потока, и, следовательно, индуцированный ток поток в направлении, как показано ниже (используя правило большого пальца правой руки).
    • Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, уменьшается, поток, создаваемый током в катушке, таков, что он будет способствовать основному потоку, и, следовательно, направление тока показано ниже,

    Применение закона Ленца

    • Закон Ленца  можно использовать для понимания концепции накопленной магнитной энергии в индукторе.Когда источник ЭДС подключен к индуктору, через него начинает течь ток. Обратная ЭДС будет противодействовать этому увеличению тока через индуктор. Чтобы установить течение тока, внешний источник ЭДС должен совершить некоторую работу, чтобы преодолеть это сопротивление. Эта работа может быть выполнена ЭДС, хранящейся в индукторе, и может быть восстановлена ​​после удаления внешнего источника ЭДС из цепи
    • Этот закон указывает, что ЭДС индукции и изменение потока имеют противоположные знаки, что обеспечивает физическую интерпретацию выбора знака в законе индукции Фарадея.
    • Закон Ленца также применяется к электрическим генераторам. Когда в генераторе индуцируется ток, направление этого индуцируемого тока таково, что он противодействует вращению генератора и вызывает его вращение (в соответствии с законом Ленца ), и, следовательно, генератору требуется больше механической энергии. Он также обеспечивает обратную ЭДС в случае электродвигателей.
    Закон Ленца  также используется в электромагнитном торможении и индукционных варочных панелях.

    Законы электролиза Фарадея

    Прежде чем понять Законы электролиза Фарадея , мы должны вспомнить процесс электролиза сульфата металла.
    Всякий раз, когда электролит, такой как сульфат металла, растворяется в воде, его молекулы расщепляются на положительные и отрицательные ионы. Положительные ионы или ионы металла перемещаются к электродам, соединенным с отрицательной клеммой батареи, где эти положительные ионы забирают у нее электроны, становятся атомом чистого металла и осаждаются на электроде. В то время как отрицательные ионы или сульфионы перемещаются к электроду, соединенному с положительной клеммой батареи, где эти отрицательные ионы отдают свои дополнительные электроны и становятся радикалами SO 4 .Поскольку SO 4  не может существовать в электрически нейтральном состоянии, он воздействует на металлический положительный электрод и образует сульфат металла, который снова растворяется в воде. Законы электролиза Фарадея объединяют два закона, а именно:

    Первый закон электролиза Фарадея

    Из приведенного выше краткого объяснения становится ясно, что протекание тока через цепь внешней батареи полностью зависит от того, сколько электронов передается от отрицательного электрода. или катода к положительному металлическому иону или катионам.Если катионы имеют валентность два, например Cu ++  , то для каждого катиона будет два электрона, перенесенных с катода на катион. Мы знаем, что каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд — 1,602 × 10 -19 кулонов, и говорим, что он равен -e. Таким образом, для размещения каждого атома Cu на катоде будет — 2.e переноса заряда с катода на катион. Теперь скажем, что за время t на катоде осаждается n атомов меди, поэтому общий переданный заряд будет равен -2.урожденный Кулоны. Масса m осажденной меди, очевидно, является функцией числа осажденных атомов. Таким образом, можно сделать вывод, что масса осажденной меди прямо пропорциональна количеству электрического заряда, прошедшего через электролит. Следовательно, масса осажденной меди m ∝ Q количества электрического заряда, прошедшего через электролит.
    Первый закон электролиза Фарадея  утверждает, что только
    Согласно этому закону химическое осаждение из-за прохождения тока через электролит прямо пропорционально количеству электричества (кулонов), прошедшего через него., т.е.  масса химического осаждения, где Z является константой пропорциональности и известна как электрохимический эквивалент вещества.
    Если в приведенном выше уравнении положить Q = 1 кулон, то мы получим Z = m, из чего следует, что электрохимический эквивалент любого вещества – это количество вещества, осаждающееся при пропускании 1 кулона через его раствор. Эта константа прохождения электрохимического эквивалента обычно выражается в миллиграммах на кулон или килограммах на кулон.

    Второй закон Фарадея об электролизе

    Итак, мы узнали, что масса химического вещества, осажденного в результате электролиза, пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит. Масса химического вещества, осажденного в результате электролиза, не только пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит, но и зависит от некоторых других факторов. Каждое вещество будет иметь свой атомный вес. Таким образом, при одном и том же числе атомов разные вещества будут иметь разную массу.Опять же, количество атомов, осажденных на электродах, также зависит от их валентности. Если валентность больше, то для того же количества электричества количество осажденных атомов будет меньше, тогда как если валентность меньше, то для того же количества электричества будет осаждено большее количество атомов. Таким образом, при прохождении одного и того же количества электричества или заряда через разные электролиты масса осажденного химического вещества прямо пропорциональна его атомному весу и обратно пропорциональна его валентности.
    Второй закон электролиза Фарадея  утверждает, что при пропускании одного и того же количества электричества через несколько электролитов масса осажденных веществ пропорциональна их соответствующему химическому эквиваленту или эквивалентному весу.
    Химический эквивалент или эквивалентная масса
    Химический эквивалент или эквивалентная масса вещества может быть определена с помощью законов электролиза Фарадея  и определяется как масса субаренды, которая будет соединяться с единицей массы водорода или вытеснять ее. Таким образом, химический эквивалент водорода равен единице. Так как валентность вещества равна числу атомов водорода, которые оно может заменить или с которыми может соединиться, то химический эквивалент вещества, следовательно, может быть определен как отношение его атомного веса к его валентности.Два французских физика, Жан Батист Био и Феликс Савар, в 1820 году вывели математическое выражение для плотности магнитного потока в точке, связанной с проводником с током. Наблюдая за отклонением магнитной стрелки компаса, двое ученых пришли к выводу, что любой текущий элемент проецирует магнитное поле. поле в космосе.
    После того, как путем наблюдений и расчетов они вывели математическое выражение, которое показывает, плотность магнитного потока дБ, прямо пропорциональна длине элемента dl, току I, синусу угла и θ между направлениями ток и вектор, соединяющий данную точку поля и текущий элемент, и обратно пропорционален квадрату расстояния данной точки от текущего элемента, r.Это утверждение закона Био-Савара . Где k — константа, зависит от магнитных свойств среды и системы используемых единиц измерения. В системе единиц СИ, Следовательно, окончательный вывод закона Био-Савара таков, Давайте рассмотрим длинный провод, по которому течет ток I, а также рассмотрим точку p в пространстве. Провод представлен на картинке ниже красным цветом. Рассмотрим также бесконечно малую длину провода dl на расстоянии r от точки P, как показано на рисунке. Здесь r — вектор расстояния, который составляет угол θ с направлением тока в бесконечно малом участке провода.

    Если вы попытаетесь визуализировать это условие, то сможете легко понять плотность магнитного поля в точке P, поскольку бесконечно малая длина dl провода прямо пропорциональна току, переносимому по этому участку провода.
    Поскольку ток через эту бесконечно малую длину провода такой же, как ток, переносимый по всему проводу, мы можем написать: Также очень естественно думать, что плотность магнитного поля в этой точке P из-за этой бесконечно малой длины dl провода обратно пропорциональна квадрату прямого расстояния от точки P до центра dl.Математически мы можем записать это как, наконец, плотность магнитного поля в этой точке P из-за этой бесконечно малой части провода также прямо пропорциональна фактической длине бесконечно малой длины dl провода. Поскольку θ — угол между вектором расстояния r и направлением тока через этот бесконечно малый участок провода, составляющая dl, направленная прямо перпендикулярно точке P, равна dlsinθ. Теперь, объединив эти три утверждения, мы можем написать: Это основное форма Био Закон Савара
    Теперь, подставляя значение константы k (которое мы уже ввели в начале этой статьи) в приведенное выше выражение, получаем Здесь, μ 0  используемое в выражении константы k является абсолютным проницаемость воздуха или вакуума и ее значение равно 4π10 -7 Вт б /Ам в системе единиц СИ.μ r  от выражения константы k – относительная проницаемость среды.
    Теперь плотность потока (B) в точке P из-за общей длины проводника или провода с током можно представить в виде: в точке P можно переписать как, Как показано на рисунке выше, Наконец, выражение B выглядит так: Этот угол θ зависит от длины провода и положения точки P. Скажем, для определенной ограниченной длины провода угол θ, как показано на рисунке выше, варьируется от θ 1 до θ 2 .Следовательно, плотность магнитного потока в точке P из-за общей длины проводника равна, Представим, что провод бесконечно длинный, тогда θ будет варьироваться от 0 до π, то есть от θ 1  = 0 до θ 2  = π. Подставляя эти два значения в приведенное выше окончательное выражение закона Био-Савара , мы получаем,

    Это не что иное, как выражение закона Ампера. Эта теорема утверждает, что полный электрический поток через любую замкнутую поверхность, окружающую заряд, равен чистому положительному заряду, заключенному на этой поверхности.

    Предположим, что заряды Q 1 , Q 2 _ _ _ _Q i , _ _ _ Q n  заключены поверхностью, тогда теорема может быть выражена математически через поверхностный интеграл как Где, D — поток плотность в кулонах/м 2  и dS — вектор, направленный наружу.

    Объяснение теоремы Гаусса

    Для объяснения теоремы Гаусса лучше рассмотреть пример для правильного понимания.
    Пусть Q — заряд в центре сферы, а поток, исходящий от заряда, направлен нормально к поверхности.Теперь эта теорема утверждает, что общий поток, исходящий от заряда, будет равен Q кулонов, и это также может быть доказано математически. Но как насчет того, когда заряд расположен не в центре, а в любой точке, отличной от центра (как показано на рисунке). В это время линии потока не перпендикулярны поверхности, окружающей заряд, тогда этот поток разрешается на две составляющие, которые перпендикулярны друг другу, горизонтальная — это составляющая sinθ, а вертикальная — составляющая cosθ.Теперь, когда сумма этих компонентов взята для всех зарядов, тогда чистый результат равен общему заряду системы, что доказывает теорему Гаусса .

    Доказательство теоремы Гаусса

    Рассмотрим точечный заряд Q, расположенный в однородной изотропной среде с диэлектрической проницаемостью ε. Напряженность электрического поля в любой точке на расстоянии r от заряда равна Плотность потока определяется как, Теперь из рисунка поток через площадь dS, где θ — это угол между D и нормалью к dS
    Теперь dScosθ — это проекция dS перпендикулярно радиус-вектору.По определению телесного угла, где dΩ — телесный угол, образуемый в точке Q элементарной поверхностью, — dS. Таким образом, полное смещение потока через всю площадь поверхности равно Теперь мы знаем, что телесный угол, образуемый любой замкнутой поверхностью, равен 4π стерадиан, поэтому полный электрический поток через всю поверхность равен Это интегральная форма теоремы Гаусса . И, следовательно, эта теорема доказана. Всякий раз, когда проводник с током попадает в магнитное поле, на проводник действует сила, а с другой стороны, если проводник с силой помещается в магнитное поле, возникает индуцированное ток в этом проводнике.В обоих явлениях существует связь между магнитным полем, током и силой. Это отношение направленно определяется правилом левой руки Флеминга и правилом правой руки Флеминга соответственно. Направленность означает, что эти правила не показывают величину, но показывают направление любого из трех параметров (магнитное поле, ток, сила), если направление двух других известно. Правило левой руки Флеминга в основном применимо для электродвигателя, а Правило правой руки Флеминга в основном применимо для электрогенератора.В конце 19 90 835 90 836 века Джон Амвросий Флеминг ввел оба этих правила, и, судя по его имени, эти правила хорошо известны как  правило левой и правой руки Флеминга .

    Правило левой руки Флеминга

    Установлено, что всякий раз, когда проводник с током находится внутри магнитного поля, на проводник действует сила в направлении, перпендикулярном как направлению тока, так и магнитному полю. На рисунке показано, что участок проводника длиной L, помещенный вертикально в однородное горизонтальное магнитное поле напряженностью H, создаваемое двумя магнитными полюсами N и S.Если я — ток, протекающий через этот проводник, величина силы, действующей на проводник, равна, Протяните левую руку с указательным, указательным и большим пальцами под прямым углом друг к другу. Если указательный палец представляет направление поля, а второй — тока, то большой палец указывает направление силы.
    Когда по проводнику течет ток, вокруг него индуцируется одно магнитное поле. Это можно представить, рассматривая количество замкнутых магнитных силовых линий вокруг проводника.Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу штопора Максвелла или по правилу правой руки. В соответствии с этими правилами направление магнитных силовых линий (или силовых линий) по часовой стрелке, если ток течет от наблюдателя, то есть если направление тока через проводник направлено внутрь от базовой плоскости, как показано на рисунке. фигура.

    Теперь, если горизонтальное магнитное поле приложено к проводнику извне, эти два магнитных поля т. е. поле вокруг проводника из-за протекающего через него тока и внешнее поле будут взаимодействовать друг с другом.Мы видим на рисунке, что магнитные силовые линии внешнего магнитного поля проходят от северного к южному полюсу, то есть слева направо. Магнитные силовые линии внешнего магнитного поля и магнитные силовые линии, обусловленные током в проводнике, находятся в одном направлении над проводником и в противоположном направлении под проводником. Следовательно, над проводником будет больше сонаправленных магнитных силовых линий, чем под проводником. Следовательно, будет большая концентрация магнитных силовых линий в небольшом пространстве над проводником.Поскольку магнитные силовые линии больше не являются прямыми линиями, они натянуты, как натянутые резиновые ленты. В результате появится сила, которая будет стремиться переместить проводник из более концентрированного магнитного поля в менее концентрированное магнитное поле, то есть из текущего положения вниз. Теперь, если вы посмотрите на направление тока, силы и магнитного поля в приведенном выше объяснении, вы обнаружите, что направления соответствуют правилу левой руки Флеминга.

    Правило правой руки Флеминга

    В соответствии с законом Фарадея об электромагнитной индукции всякий раз, когда проводник движется внутри магнитного поля, в нем возникает наведенный ток.Если этот проводник принудительно перемещается внутри магнитного поля, между направлением приложенной силы, магнитным полем и током возникает связь. Это отношение между этими тремя направлениями определяется Правилом правой руки Флеминга .

    Эффект Зеебека

    Открыт немецким физиком Томасом Зеебеком (1770-1831). Зеебек обнаружил это, наблюдая за стрелкой компаса, которая отклонялась, когда между этими двумя разными металлами или полупроводниками образовывалась замкнутая петля.Первоначально Зеебек полагал, что это происходит из-за магнетизма, вызванного разницей температур, и назвал этот эффект термомагнитным эффектом. Однако датский физик Ганс Христиан Орстед понял, что индуцируется электрический ток, который, согласно закону Ампера, отклоняет магнит.

    Объяснение эффекта Зеебека

    Ответственность за это несут только валентные электроны в более теплой части металла, и причиной этого является тепловая энергия. Также из-за кинетической энергии этих электронов эти валентные электроны быстрее мигрируют к другому (более холодному) концу по сравнению с электронами более холодной части мигрируют к более теплой части.Концепция их движения
    • На горячей стороне распределение Ферми мягкое, т.е. более высокая концентрация электронов выше энергии Ферми, но на холодной стороне распределение Ферми резкое, т.е. у нас меньше электронов выше энергии Ферми.
    • Электроны идут туда, где энергия ниже, поэтому они будут двигаться от более теплого конца к более холодному, что приводит к переносу энергии и, таким образом, к уравновешиванию температуры в конечном итоге
    Или, проще говоря, мы можем прийти к выводу, что электроны на более теплом конце имеют более высокий средний импульс по сравнению с более холодным.Поэтому они возьмут с собой энергию (больше в количестве) по сравнению с другим.
    Это движение приводит к большему отрицательному заряду в более холодной части, чем в более теплой части, что приводит к генерации электрического потенциала. Если эта пара соединена через электрическую цепь. Это приводит к генерации постоянного тока. Однако производимое напряжение составляет несколько микровольт (10 -6 ) на разницу температур по Кельвину. Теперь мы все знаем о том, что напряжение увеличивается последовательно, а ток увеличивается параллельно.Так что имейте в виду этот факт, если мы можем подключить много таких устройств, чтобы увеличить напряжение (в случае последовательного соединения) или увеличить максимальный отдаваемый ток (параллельно). Заботится только об одном, что для этой цели требуется большой перепад температур. Однако следует иметь в виду, что мы должны поддерживать постоянную, но разную температуру, поэтому распределение энергии на обоих концах будет разным, и, следовательно, это приведет к успешному упомянутому процессу.

    Коэффициент Зеебека

    Напряжение, возникающее между двумя точками на проводнике, когда между ними поддерживается постоянная разница температур 1 o Кельвина, называется коэффициентом Зеебека . Одна из таких комбинаций медного константана имеет коэффициент Зеебека , равный 41 микровольт на кельвин при комнатной температуре.

    Спин Эффект Зеебека

    Однако в 2008 году было замечено, что когда тепло воздействует на намагниченный металл, его электрон перестраивается в соответствии со своим спином.Однако эта перегруппировка не отвечает за выделение тепла. Этот эффект представляет собой K/w как спиновой эффект Зеебека. Этот эффект использовался при разработке быстрых и эффективных микропереключателей.

    Применение эффекта Зеебека

    1. Этот эффект Зеебека обычно используется в термопарах для измерения разности температур или для приведения в действие электронных переключателей, которые могут включать и выключать систему. Обычно используемые комбинации металлов для термопар включают константан/медь, константан/железо, константан/хромель и константан/алюмель.
    2. Эффект Зеебека используется в термоэлектрическом генераторе, который работает как тепловой двигатель.
    3. Они также используются на некоторых электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную энергию.
    4. В автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов для повышения эффективности использования топлива.
    Закон Видемана-Франца  — это закон, связывающий теплопроводность (κ) и электропроводность (σ) материала, состоящего из частично свободно движущихся в нем электронов.
    • Теплопроводность (κ):  Это степень (мера) способности материала проводить тепло.
    • Электропроводность (σ):  Это степень (мера) способности материала проводить электричество.
    В металлах; при повышении температуры скорость свободных электронов увеличивается, что приводит к увеличению теплопередачи, а также к увеличению столкновений между ионами решетки и свободными электронами. Это приводит к падению электропроводности.
    Закон определяет отношение электронной роли теплопроводности материала к электропроводности материала (металла) непосредственно относительно температуры. Этот закон назван в честь Густава Видемана и Рудольфа Франца в 1853 г. сообщили, что отношение имеет более или менее одинаковое значение для разнородного металла при той же температуре.

    Вывод закона

    Для этого мы должны предположить однородный изотропный материал. Затем этот материал подвергается температурному градиенту .Направление теплового потока будет противоположно градиенту температуры на всем протяжении проводящей среды.
    Тепло, проходящее через материал в единицу времени на единицу площади, называется тепловым потоком. Он будет пропорционален градиенту температуры. К → Коэффициент теплопроводности (Вт/мК)
    К = К фонон + К электрон ; с переносом тепла в твердых телах за счет фононов и электронов.
    Теперь мы можем вывести выражение для коэффициента теплопроводности.
    Для этого мы должны предположить, что поток тепла идет от более высокой температуры к более низкой температуре в металлической пластине, которая имеет температурный градиент .c v  → удельная теплоемкость
    n → количество частиц в единице объема
    λ → среднее длина свободного пробега столкновений
    v → скорость электронов
    Сравнивая уравнения (1) и (2), получаем Мы знаем, что энергия свободных электронов равна Подставим уравнение (4) в (3) Теперь удельная теплоемкость идеального газ при постоянном объеме, Подставляя уравнение (8) в (6), получаем Далее, можно рассматривать плотность электрического тока металла с приложением электрического поля, Е (рисунок 1)
    Дж = σ Е ; Закон Ома Итак, правильная форма закона Ома определяется средней длиной свободного пробега и средним временем между столкновениями.e → заряд электрона = 1,602 × 10 -9  C
    τ → время столкновения или среднее время: это среднее время, в течение которого электрон движется или перемещается до рассеяния.
    v d  →  Скорость дрейфа:  Это стандартная скорость электрона во время столкновения.
    Когда мы подставляем уравнение (11) в (10), мы получаем электрическую проводимость (проводимость по Друде), поскольку рассмотрим электроны, которые движутся в металле без какого-либо приложения электрического поля. Тогда теорема о равнораспределении дается формулой Из уравнения (13) получаем m как Теперь подставляем уравнение (14) в (12) Таким образом, мы получили значения K и σ из уравнений (6) и (15).Теперь мы можем взять отношение. Предположим, что v = v d , тогда уравнение (16) становится Из этого можно сказать, что отношение одинаково для всех металлов. Это также функция температуры. Этот закон известен как Закон Видемана-Франца Лоренца . Мы можем сделать вывод, что лучший электрический проводник будет лучшим тепловым проводником.
  • 0 comments on “Сформулируйте закон джоуля ленца: Закон Джоуля-Ленца — формулы, применение и примеры

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.