Закон джоуля - ленца определение и формулы

Оглавление

Интерпретация закона сохранения энергии. Закон Джоуля-Ленца
Тепловое действие тока
Нередкие проблемы
Жизнь выдающегося физика
Работа и мощность электрической цепи.
Практическое значение
Запись закона Джоуля-Ленца
Как связаны свет и электричество?
Практическое значение
Лампочка накаливания

Интерпретация закона сохранения энергии. Закон Джоуля-Ленца

Закон Ома для однородного участка цепи при сопротивлении R отражает формула:

RI=U

Умножим обе части выражения на IΔt и получим соотношение:

RI2∆t=UI∆t=∆A.

Полученный результат является выражением закона сохранения энергии для однородного участка цепи.

Определение 2

Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.

∆Q=∆A=RI2∆t

Данный закон называется законом Джоуля-Ленца.

Закон носит название сразу двух известных физиков, поскольку экспериментальным путем был установлен ими обоими в независимости друг от друга.

Определение 3

Мощность электрического тока есть отношение работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была произведена.

Можно сказать проще: мощность – это работа, выполненная в единицу времени. Запишем формулу, связывающую работу тока и его мощность:

P=∆A∆t=UI=I2R=U2R

Работу электрического тока выражают в джоулях (Дж), мощность тока измеряется в ваттах (Вт), время – в секундах (с): 1 Вт=1 Дж1 с. Измерение мощности тока происходит при помощи ваттметра, а работа находится расчетно как результат перемножения силы тока, напряжения и времени протекания тока по цепи: A=IUt.

Следующей разберем полную цепь постоянного тока, включающую в себя источник с электродвижущей силой δ и внутренним сопротивлением rи внешний однородный участок с сопротивлением R.

Определение 4

Закон Ома для полной цепи выглядит так:

(R+r)I=δ

Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Перемножим обе части выражения с Δq=IΔt и получим соотношение, которое будет служить выражением закона сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:

RI2∆t+rI2∆t=δI∆t=∆Aст

Левая часть выражения содержит ΔQ=RI2Δt(тепло, которое выделяется на внешнем участке цепи за время Δt) и ΔQист=rI2Δt (тепло, которое выделяется внутри источника за такое же время).

Выражение δIΔt является равным работе сторонних сил ΔAст, которые действуют внутри источника.

Определение 5

При протекании электрического тока по замкнутой цепи происходит преобразование работы сторонних сил ΔAст в тепло, которое выделяется во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист).

∆Q+Qист=∆Aст=δI∆t

Необходимо отметить следующий факт: в указанное соотношение не включена работа электрического поля. Когда ток проходит по замкнутой цепи, электрическое поле работы не совершает; значит тепло производится лишь посредством сторонних сил, которые действуют внутри источника. Электрическое поле здесь выполняет перераспределение тепла между различными участками цепи.

Внешней цепью может служить не только проводник с сопротивлением R, но и какое-то устройство, которое потребляет мощность, к примеру, электродвигатель постоянного тока. Тогда R необходимо расценивать как эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, которая выделится во внешней цепи, имеет возможность частично или полностью преобразоваться как в тепло, так и в иные виды энергии, к примеру, в механическую работу, совершаемую электродвигателем

Таким образом, тема использования энергии источника тока имеет важное практическое значение

Тепловое действие тока

Электрический ток, проходя через любой проводник, сообщает ему некоторое количество энергии. В результате этого проводник нагревается. Передача энергии происходит на молекулярном уровне, т. е., электроны взаимодействуют с атомами или ионами проводника и отдают часть своей энергии.В результате этого, ионы и атомы проводника начинают двигаться быстрей, соответственно можно сказать, что внутренняя энергия увеличивается и переходит в тепловую энергию.Данное явление подтверждается различными опытами, которые говорят о том, что вся работа, которую совершает ток, переходит во внутреннюю энергию проводника, она в свою очередь увеличивается. После этого уже проводник начинает отдавать её окружающим телам в виде тепла. Здесь уже в дело вступает процесс теплопередачи, но сам проводник нагревается. Этот процесс рассчитывается по формуле: А=U·I·tА – это работа тока, которую он совершает, протекая через проводник. Можно также высчитать количество теплоты, выделяемое при этом, ведь это значение равно работе тока. Правда, это касается, лишь неподвижных металлических проводников, однако, такие проводники встречаются чаще всего. Таким образом, количество теплоты, также будет высчитываться по той же форме: Q=U·I·t.История открытия явленияВ своё время свойства проводника, через который протекает электрический тока, изучали многие учёные. Особенно среди них были заметны англичанин Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Каждый из них проводил свои собственные опыты, а вывод они смогли сделать независимо друг от друга. На основе своих исследований, они смогли вывести закон, который позволяет дать количественную оценку выделяемого тепла в результате воздействия электрического тока на проводник. Данный закон получил название «Закон Джоуля-Ленца». Джеймс Джоуль установил его в 1842 году, а примерно через год Эмиль Ленц пришёл к тому же выводу, при этом их исследования и проводимые опыты никак не были связаны друг с другом.Применение свойств теплового действия токаИсследования теплового воздействия тока и открытия закона Джоуля-Ленца позволили сделать вывод, подтолкнувший развитие электротехники и расширить возможности применения электричества. Простейшим примером применения данных свойства является простая лампочка накаливания. Устройство её заключается в том, что в ней применяется обычная нить накаливания, сделанная из вольфрамовой проволоки. Этот металл был выбран не случайно: тугоплавкий, он имеет довольно высокое удельное сопротивление. Электрический ток проходит через эту проволоку и нагревает её, т. е. передаёт ей свою энергию. Энергия проводника начинает переходить в тепловую энергию, а спираль разогревается до такой температуры, что начинает светиться. Главным недостатком такой конструкции, конечно, является то, что происходят большие потери энергии, ведь только небольшая часть энергии преобразуется в свет, а остальная уходит в тепло.Для этого вводится такое понятие в техники, как КПД, показывающее эффективность работы и преобразования электрической энергии. Такие понятия как КПД и тепловое воздействие тока применяются повсеместно, так как существует огромное количество приборов основанных подобном принципе. Это в первую очередь касается нагревательных приборов: кипятильников, обогревателей, электроплит и т. д.Как правило, в конструкциях перечисленных приборах присутствует некая металлическая спираль, которая и производит нагревание. В приборах для нагревания воды она изолирована, в них устанавливается баланс между потребляемой из сети энергией (в виде электрического тока) и тепловым обменом с окружающей средой.В связи с этим, перед учёными стоит нелёгкая задача по снижению потерь энергии, главной целью является поиск наиболее оптимальной и эффективной схемы. В данном случае тепловое воздействие тока является даже нежелательным, так как именно оно и ведёт к потерям энергии. Самым простым вариантом является повышение напряжения при передаче энергии. В результате снижается сила тока, но это приводит к снижению безопасности линий электропередач.Другое направление исследований – это выбор проводов, ведь от свойств проводника зависят и тепловые потери и прочие показатели. С другой стороны, различные нагревательные приборы требуют большого выделения энергии на определённом участке. Для этих целей изготавливают спирали из специальных сплавов. Для повышения защиты и безопасности электрических цепей применяются специальные предохранители. В случае чрезмерного повышения тока сечение проводника в предохранителе не выдерживает, и он плавится, размыкая цепь, защищая, таким образом, её от токовых перегрузок.

Нередкие проблемы

Итак, проблема нахождения времени, т.е. тот период, когда ток проходит по проводнику (замкнутая цепь)

Вторая проблема, нахождение сопротивления проводника. Используется формула рельс:рис.4

Рисунок 2. Формула нахождение сопротивления проводника

«Р» удельное сопротивление, измеряемое в Ом*м/см2, l и S является длина и площадь поперечного сечения. При математических операциях метры и сантиметры2 сокращаются и получаются Омы.

Удельным сопротивлением является величина, указанная в таблице, индивидуальная для каждого металла. Рассмотрим с какой целью это используется.

Для расчета мощности тепла прибора нужно определить, что и в каком объеме нужно нагреть, количество теплоты и времени на передачу тепла телу.

После расчета определится сопротивление и сила тока в данной цепи. Учитывая полученные данные, выбирается материал сечение и длина проводника.

Жизнь выдающегося физика

24 декабря 1818 года родился Джеймс Джоуль. Биография будущего физика начинается в английском городке Солфорде, в семье успешного владельца пивоварни. Обучение мальчика происходило в домашних условиях, некоторое время физику и химию ему преподавал Джон Дальтон. Благодаря ему английский физик и полюбил науку.

Джоуль не обладал крепким здоровьем, много времени он просиживал дома, проводя физические опыты и эксперименты. Уже в 15 лет, из-за болезни отца, ему пришлось управлять пивоварней вместе с братом. Работа на отцовском заводе не давала возможности поступить в университет, поэтому Джеймс Джоуль всецело отдавался домашней лаборатории.

С 1838 по 1847 год физик активно изучает электричество и делает свои первые научные успехи. В журнале Annals of Electricity он публикует статью об электричестве, а в 1841 открывает новый физический закон, который сейчас носит его имя.

В 1847 году Джоуль заключает первый и единственный брак с Амелией Граймс. Вскоре у них рождаются Элис Амелия и Бенджамин Артур. В 1854 году жена и сын погибают. Сам Джоуль умирает в 1889 году в Англии, в городе Сейле.

За всю свою жизнь он публикует около 97 работ по физике, некоторые из них написаны совместно с другими учеными: Лайоном, Томсоном и т. д. За выдающиеся научные достижения и открытые законы физики он награжден несколькими медалями и получал пожизненную пенсию от правительства Великобритании в размере около 200 фунтов.

Работа и мощность электрической цепи.

Предыдущая6Следующая

Работа является мерой превращения одного вида энергии в другой.

Ватт-секунда – эта работа электрического тока величиной 1А

при напряжении1В в течение1с .

1 Ватт ∙ час = 3600 Вт ∙ ч = 3600 Дж

1 кВт ∙ ч = 1000 Вт ∙ ч = 3600 000 Дж

Работа электрического тока в одну секунду называется мощностью электрического тока, она характеризует интенсивность работы, совершенной током. За единицу мощности принят Ватт .

;

из закона Ома ,

Ватт – мощность, которую развивает при

1 кВт = 1000 Вт 1 МВт = 1000 000 Вт

Полной называется мощность, развиваемая источником тока , а полезной – мощность, расходуемая во внешней цепи потребителем .

Отношение полезной мощности к полной мощности, развиваемой источником тока, называется коэффициентом полезного действия (КПД), обозначается — «эта».

Тепловое действие тока.При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновения электронов с его атомами проводник нагревается.

Закон Джоуля – Ленца.Количество выделенного тепла прямо пропорционально квадрату величины тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока через проводник.

Эта зависимость установлена в 1841 г. Английским физиком Джоулем и несколько позднее (в 1844 г.) русским академиком Ленцем.

Тепловое действие тока применяют: лампы накаливания, нагревательные приборы, электросварка, тепловые реле (биметаллические пластины).

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропустить через себя, не перегреваясь, ток, не превышающий некоторую допустимую величину. Эта величина характеризуется допустимой плотностью тока , т. е. величиной тока I

приходящегося на1 мм площади поперечного сеченияs проводника.

— допускаемая плотность тока I на площади поперечного сечения.

— обмотка электрических машин

— нить электрической лампочки

При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников R

вместе их соединения (так называемоепереходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В итоге это может привести к перегоранию контакта и разрыву электрической цепи.

Вопросы для самоконтроля:

1. Как осуществляется последовательное соединение проводников? Какие действуют законы в данной цепи?

2. Как осуществляется параллельное соединение проводников? Какие действуют законы в данной цепи?

3. Как осуществляется смешанное соединение потребителей?

4. Как определить работу и мощность электрического тока? В каких единицах измеряется мощность и работа?

5. Что такое коэффициент полезного действия?

6. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.

7. Что такое плотность тока и переходное сопротивление?

8. Что такое электрическое поле? Чем характеризуется электрическое поле?

9.Что называется электрическим потенциалом? Разностью потенциалов? В каких единицах измеряется?

10. Что такое ЭДС, и в каких единицах она измеряется?

11. Что такое электрический ток, и в каких единицах он измеряется?

12. Что называется электрическим сопротивлением? От чего зависит сопротивление проводников?

13. Как устроен атом вещества?

14.Что называется проводником и диэлектриком?

15. Как взаимодействуют электрические заряды? Закон Кулона.

16. Что такое электрическое поле? Чем характеризуется электрическое поле?

17. Что такое электрический ток, и в каких единицах он измеряется?

18. Что называется электрическим сопротивлением? От чего зависит сопротивление проводников?

19.Как можно увеличить сопротивление проводника?

20. Как образуется электрическая цепь, и из каких частей она состоит?

21. Сформулируйте закон Ома для электрической цепи и отдельного участка?

22. Что такое падение напряжения и как оно определяется?

23. Охарактеризуйте режимы работы генератора постоянного тока?

24. Что называется коротким замыканием, каковы его последствия?

25.Как формулируется первый закон Кирхгофа?

26. Как формулируется второй закон Кирхгофа?

Предыдущая6Следующая

Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 3908; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Практическое значение

Снижение потерь энергии

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

Qw=Rw⋅I2,{\displaystyle Q_{w}=R_{w}\cdot I^{2},}

Qc=Uc⋅I.{\displaystyle Q_{c}=U_{c}\cdot I.}

Откуда следует, что Qw=Rw⋅Qc2Uc2{\displaystyle Q_{w}=R_{w}\cdot Q_{c}^{2}/U_{c}^{2}}. Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение Rw⋅Qc2{\displaystyle R_{w}\cdot Q_{c}^{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

Основная статья: Электрический предохранитель

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.

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:

Закон Ома для участка и полной цепи: I = U / R и i = e / (R + Rвн).
Q = U * I * t.
Q = e * i * t.
Q = (t * sqr (U)) / R.
Q = (t * sqr (e)) / (R + Rвн).
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:

Закон Ома: i = U / Z, где Z — полное сопротивление цепи. Оно включает в себя активную, индуктивную и емкостную нагрузки.
Q = S * t = t * .
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.
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.

Как связаны свет и электричество?

Правильно лампочку называть лампой накаливания. Внутри в стеклянном корпусе расположена спираль из вольфрама. Электрический ток, проходя через эту спираль, раскаляет ее добела, и она начинает светиться. Вольфрам используется потому, что он обладает таким свойством – ярко светиться при нагревании. Металлическая нить сворачивается в спираль для того, чтобы увеличить длину нити, и, соответственно, количество получаемого света. Что касается устройства лампочки – разобрались. Все довольно просто. А вот почему вообще раскаляется спираль лампочки, и кто первым додумался это использовать?

Первые эксперименты с электричеством показали, что ток обладает тепловым действием. Он нагревает проводник, по которому идет. Величина нагревания зависит от вещества, из которого изготовлен проводник. Но какой-то нагрев происходит в любом случае. Обусловлено это тем, что отрицательно заряженные электроны, которые и представляют собой ток, при своем движении взаимодействуют с положительно заряженными ядрами кристаллической решетки, из которой состоит вещество проводника.

От этого взаимодействия уменьшается энергия электронов и увеличивается внутренняя энергия проводника. А от величины внутренней энергии и зависит температура вещества. Ток обладает еще магнитным и химическим действием. Если наш проводник неподвижен, и химического действия тока не происходит, то вся энергия, расходуемая током, идет на нагрев проводника. Энергия, израсходованная током, равна совершаемой током работе.

Практическое значение

Снижение потерь энергии

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

Q w = R w ⋅ I 2 , {\displaystyle Q_{w}=R_{w}\cdot I^{2},} Q c = U c ⋅ I . {\displaystyle Q_{c}=U_{c}\cdot I.}

Откуда следует, что Q w = R w ⋅ Q c 2 / U c 2 {\displaystyle Q_{w}=R_{w}\cdot Q_{c}^{2}/U_{c}^{2}} . Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение R w ⋅ Q c 2 {\displaystyle R_{w}\cdot Q_{c}^{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

Электронагревательные приборы

. В них используетсянагревательный 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

Основная статья: Электрический предохранитель

Лампочка накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и увеличению возможностей для использования электричества. То, как применяются результаты исследований, можно рассмотреть на примере обычной лампочки накаливания.

Она устроена таким образом, что внутри протягивается нить, изготовленная из вольфрамовой проволоки. Этот металл является тугоплавким с высоким удельным сопротивлением. При проходе через лампочку осуществляется тепловое действие электрического тока.

Энергия проводника трансформируется в тепловую, спираль нагревается и начинает светиться. Недостаток лампочки заключается в больших энергетических потерях, так как лишь за счет незначительной части энергии она начинает светиться. Основная же 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 имеется множество устройств, изготовленных на основании этого принципа. В большей степени это нагревательные приборы, электрические плиты, кипятильники и другие подобные аппараты.

Закон джоуля-ленца

Интерпретация закона сохранения энергии. Закон Джоуля-Ленца

Тепловое действие тока

Нередкие проблемы

Жизнь выдающегося физика

Работа и мощность электрической цепи.

Практическое значение

Снижение потерь энергии

Выбор проводов для цепей

Электронагревательные приборы

Плавкие предохранители

Запись закона Джоуля-Ленца

Как связаны свет и электричество?

Практическое значение

Снижение потерь энергии

Выбор проводов для цепей

Электронагревательные приборы

Плавкие предохранители

Лампочка накаливания

Похожие записи: