Закон Джоуля-Ленца: определение, формула, применение

Закон Джоуля-Ленца

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.

Сопротивление в электрических проводниках обладает теми же качествами, как и у обычного сопротивления. Для того чтобы провести ток через проводник, источником тока затрачивается определенное количество энергии, превращающейся в тепло. Данное превращение как раз и отражает закон Джоуля – Ленца, известного также, как закон теплового действия тока.

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 – силу тока, 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 – в амперах, 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 законом Ома 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.

Определение и применение на практике закона Джоуля-Ленца — формула и правила расчета

Физики из Англии Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц, по отдельности, но примерно в одно время 1841-1842 годах выяснили взаимосвязь количества тепла и поток тока внутри проводника. Эта зависимость была названа «Закон Джоуля-Ленца».

Английский физик заметил эту зависимость, раньше, чем русский физик на 1 год, однако назвали закон, соединив обе фамилии, т.к. как вклад каждого из них был велик. Закон Джоуля-Ленца описывает не теорию, а практику.

Давайте рассмотрим закон Джоуля-Ленца, его определение и применение в жизни.

Когда в проводнике протекает ток, то происходит работа поперек силам трения. При движении электроном через провод происходит столкновение электронов с иными электронами, атомами и другими частицами, в следствие чего вырабатывается тепло.

Рассматриваемый нами закон объясняет то количество тепла, которое вырабатывается при движении тока по проводнику.

При увеличении силы тока, сопротивления и времени протекания, количество тепла тоже увеличится, и наоборот при уменьшении этих показателей произойдет уменьшение количества тепла.

Формула закона Джоуля-Ленца представлена на рисунке.рис.1

Рисунок 1. Формула закона Джоуля-Ленца, при последовательном соединении

Сила тока – I считается в амперах, сопротивление- R в омах, время t- в секундах. Теплота Q измеряется в джоулях. Для перевода в калории умножаем на 0,24. 1 калория рассчитывается, как то тепло, которое необходимо дать воде, чтобы повысить ее на 1 градус.

Эта формула применяется, если проводники соединяются последовательно, при проходе равной величины тока, а на концах падает разное напряжение. Мощность определяется как сила тока в квадрате, умноженная на сопротивление.

Увеличение мощности сопровождает увеличение квадрата напряжения и уменьшает сопротивление, и наоборот. Если электрические цепи соединяются параллельно, то закон Джоуля-Ленца выглядит: рис.2

Рисунок 2. Формула закона Джоуля-Ленца, при параллельном соединении

При использовании дифференциальной формы, формула такая: рис.3

Рисунок 3. Дифференциальная форма формулы закона Джоуля-Ленца

j является плотностью тока в А/см2, E — напряженностью электрического поля, сигма — удельным сопротивлением проводника.

Если участок цепи однородный, то сопротивление будет одинаково. При наличии в цепях проводников с различным сопротивлением, то самое большое тепло выделится там, где находится максимальное сопротивление. К такому выводу мы приходим, анализируя формулу Джоуля-Ленца.

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.

При электротехнических подсчетах широко используется закон Джоуля-Ленца. Можно использовать его, когда рассчитываются приборы нагревания. Нагревающий элемент – проводник с высоким сопротивлением, например нихром.

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.

Использование закона Джоуля-Ленца для передачи электроэнергии на расстояние

Когда происходит передача электричества на расстояние, появляется проблема потери на линиях передач. Закон показывает количество тепла, которое выделяется проводником при проходе тока.

ЛЭП используются предприятиями и городами, следственно необходимо больше мощности и больше тока.

Количество теплоты связано с сопротивлением тока и проводника, для того чтобы избежать нагрева, необходимо уменьшить количество тепла.

Не всегда можно использовать сечение провода, это дорого стоит из-за цены меди и веса кабелей, следовательно, увеличивается стоимость несущей конструкции.

На рисунке показаны высоковольтные линии электропередач. Это огромные конструкции из металла, создающиеся для поднятия кабеля на высоту, безопасную для людей на земле, чтобы избежать удара током.

Для этого необходимо снизить ток, следовательно, повышается напряжение.

Линии электропередач между городами используют напряжение 220 и 110 кВ, а у того, кто потребляет, понижают до необходимой величины, используя трансформатные подстанции. Или множеством КТП медленно понижая до безопасной величины, например, 6кВ.

То есть ток уменьшится в тысячи раз, но при той же потребляемой мощности. По закону Джоуля-Ленца, теплота в данном случае определится мощностью, которая теряется на кабеле.

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 U2/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.

Опыты, демонстрирующие зависимость количества теплоты от силы тока и сопротивления

Факт нагрева проводника при протекании по нему тока объясняется тем, что во время движения заряженных частиц под действием электрического поля они сталкиваются с частицами проводника, в результате часть энергии передаётся этим частицам проводника, то есть средняя скорость хаотического (теплового) движения частиц проводника увеличивается, и проводник нагревается. По закону сохранения энергии кинетическая энергия свободных заряженных частиц, приобретённая под действием электрического поля, превратится во внутреннюю энергию проводника. Следовательно, можно предположить:

1. Чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла выделяется при прохождении электрического тока по проводнику, то есть количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника;
2. Количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, зависит от силы тока (чем больше сила тока, тем большее количество свободных частиц проходит через сечение проводника в единицу времени, происходит больше столкновений, следовательно, больше энергии передаётся частицам проводника). Можно подтвердить данные предположения с помощью опытов.

Соберём электрическую цепь, в которой последовательно с источником тока подключены два нагревателя с разными сопротивлениями, которые опущены в калориметры (прибор для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды при одинаковой температуре. При прохождении электрического тока через нагреватели будет наблюдаться повышение температуры воды, причём вода будет нагреваться быстрее в том калориметре, в который помещён нагреватель с бльшим сопротивлением (см. Рис. 1). То есть подтверждается предположение 1.

Для подтверждения предположения 2 соберём электрическую цепь, в которой последовательно к источнику тока подключен амперметр, лампочка накаливания и реостат. Регулируя сопротивление реостата, меняем силу тока в цепи при постоянном напряжении. При увеличении силы тока увеличивается яркость лампочки (см. Рис. 2), то есть увеличивается количество теплоты, которое выделяет нить накаливания.

Рис. 1. Нагреватель с бльшим сопротивлением нагревает воду быстрее

Рис. 2. Увеличение яркости лампочки при увеличении силы тока

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.

Снижение потерь энергии

Рассмотренный пример демонстрирует нежелательное явление для линий электропередач. Использование части энергии на обогрев окружающего пространства увеличивает потери воздушных линий. Превышение порогового значения провоцирует разрушение жил, защитных оболочек. Чрезмерное повышение температуры – причина возникновения пожаров.

Подобные явления происходят, если выбрана чрезмерная сила тока, либо недостаточно поперечное сечение проводника. Количество тепла, выделяемого в линии, обратно пропорционально зависит от квадрата напряжения (U) на подключенном потребляющем устройстве. Повышением U можно уменьшить потери. Однако подобное действие увеличивает вероятность короткого замыкания, ухудшает общие параметры безопасности.

Выбор проводов для цепей

Отмеченные выше проблемы теплового разрушения в значительной мере зависят от удельного сопротивления (Rу). Для наглядности можно использовать материалы со значительно различающимися характеристиками.

Эксперимент с различными проводниками

Расчеты количества теплоты (Q, Дж) для образцов длиной 1 м сечением 1 мм кв. при силе тока 5А за 30 секунд:

• медь – 12,75;
• сталь – 75;
• никелин – 315.

Особое внимание следует уделять параметрам силовых кабелей, которые должны сохранять целостность в процессе реальной эксплуатации. Как правило, бытовые линии монтируют в глубине строительных конструкций. Такой способ подразумевает хорошую защищенность от неблагоприятных внешних воздействий. Вместе с тем возрастают затраты на исправление ошибок и устранение последствий аварий.

Чтобы использовать кабельную продукцию правильно, следует руководствоваться тематическими нормативами, которые изложены в ПУЭ. Для упрощения выбора предлагаются специализированные таблицы, в которых приведены результаты расчетов с учетом следующих важных факторов:

• тип изоляции;
• длительность и величина перегрузок;
• особенности прокладки.

Отдельно рассмотрены в ПУЭ поправочные коэффициенты, учитывающие увеличение сопротивления при росте температуры. Данное явление объясняется повышением частоты колебаний атомов, что создает дополнительные препятствия электрическому току.

Пример:

• проводник нагревается номинальным током 7 А до +50°C при температуре окружающей среды +25°C;
• подбирают подходящую продукцию с учетом реальных условий;
• если кабель будет применяться на открытом воздухе, где температура повышается до +45°C, используют коэффициент 0,45 (допустимый ток уменьшается I=7*0,45=3,15 А);
• при морозе (-5°С) выбирают иной поправочный множитель:

I=7*1.48= 10.36 А.

Ускорить выбор можно с помощью сводных таблиц. В них приведены допустимые токи для медных (алюминиевых) жил с нормированным сечением.

Электронагревательные приборы

С учетом одинаковой величины тока в любой части единой цепи можно создать конструкцию для намеренного нагрева определенной зоны. Здесь устанавливают проводник с высоким удельным сопротивлением либо уменьшают площадь поперечного сечения. Точный расчет поможет исключить повышение температуры до критического уровня, разрушающего изделие.

Подводящие питание проводники выбирают на основе принципов, изложенных в предыдущем разделе. Они не должны перегреваться чрезмерно в установленных планом условиях эксплуатации.

Плавкие предохранители

Термический разрыв цепи используют для защиты оборудования и потребителей, если сила тока превышает номинальное значение. Специализированные устройства (плавкие предохранители) делают из свинца, стали, других металлов и сплавов. В нормальном рабочем режиме тепло рассеивается, не вызывает повреждений. После достижения пороговых значений существенно увеличиваются сопротивление и температура. На определенном уровне происходит разрушение элемента с одновременным отключением источника питания.

Плавкие предохранители оценивают комплексным параметром (К) по формуле:

К=t*I2,

где:

• I – пороговое значение тока;
• t – это максимальное время разрушения.

Одноразовые недорогие изделия этой категории рассчитаны на сравнительно небольшие токи (0,25-2 А). Типичная конструкция – тонкая проволока в трубке из кварцевого стекла с контактами для установки на монтажную плату. Такие предохранители устанавливают в радиоаппаратуре для защиты отдельных цепей. Визуальной проверкой можно быстро установить целостность предохранителей.

Вставки, рассчитанные на сильные токи, помещают в песок или другую специальную среду. Такое решение предотвращает образование плазмы, обеспечивает быстрый разрыв цепи. В некоторых модификациях корпус предохранителя создают из специальных материалов, генерирующих газ при сильном нагреве. Он ускоряет гашение дуги. Также применяют механизмы, увеличивающие расстояние между клеммами контактов при возникновении аварийных ситуаций.

К сведению. Для сильноточных цепей выпускают предохранители со сменными вставками.

Применение теплового действия электротока

Тепловое действие электрического тока используется в нагревательных элементах:

• отопительных приборов;
• бойлеров;
• утюгов;
• стиральных и посудомоечных машин;
• чайников, кофеварок.

С помощью специального кабеля предотвращают промерзание труб и образование наледей на порогах. Тепловыми «пушками» быстро поднимают температуру в крупных помещениях, ускоряют выполнение штукатурных работ.

Следует отметить перспективность применения электрических конвекторов, по сравнению с классическими радиаторами отопления:

• простота;
• компактность;
• малый вес;
• долговечность;
• хорошая совместимость с новейшими системами управления и контроля категории «умный дом».

Отдельно следует отметить высокий уровень безопасности. Защиту сильноточных цепей можно обеспечить дешевыми плавкими предохранителями. Это гораздо дешевле и надежнее, по сравнению с комплексом мероприятий по предотвращению образования газовой смеси.

В типовых предохранителях, кроме цифровых обозначений, номинальную силу тока указывают цветными метками

Не всегда тепловое действие выполняет полезные функции. Устаревшие лампы накаливания, например, значительную часть энергии тратят на бесполезный обогрев окружающего пространства. Значительно эффективнее работают экономичные газоразрядные и светодиодные приборы.

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.

Устройство обогревательных приборов

Обычно в конструкции всех приборов для нагревания есть металлическая спираль, в функцию которой и входит нагрев. Если нагревается вода, то спираль устанавливается изолированно, и в таких приборах предусматривается соблюдение баланса между энергией из сети и тепловым обменом.

Перед учеными постоянно ставится задача по снижению энергетических потерь и поиску лучших путей и наиболее эффективных схем их внедрения, чтобы уменьшить тепловое действие тока. Используется, например, способ повышения напряжения во время передачи энергии, благодаря чему сокращается сила тока. Но такой способ, в то же время, понижает безопасность функционирования линий электропередач.

Другим исследовательским направлением является выбор проводов. Ведь именно от их свойств зависят потери тепла и другие показатели. Кроме того, при работе нагревательных приборов происходит большое выделение энергии. Поэтому спирали изготавливаются из специально предназначенных для этих целей, способных выдержать высокие нагрузки, материалов.

Квартирные предохранители

Чтобы улучшить защиту и обезопасить электрические цепи, используются особые предохранители. В роли главной части выступает проволока из легкоплавкого металла. Она проходит в пробке из фарфора, имеет винтовую нарезку и контакт в центре. Пробку вставляют в патрон, расположенный в фарфоровой коробке.

Свинцовая проволока является частью общей цепи. Если тепловое действие электрического тока резко возрастет, сечение проводника не выдержит, и он начнет плавиться. В результате этого сеть разомкнется, и не случится токовых перегрузок.

Электрическая дуга

Электрическая дуга является довольно эффективным преобразователем электрической энергии. Она используется при сварке металлических конструкций, а также служит мощным световым источником.

В основу устройства входит следующее. Берут два угольных стержня, подсоединяют провода и прикрепляют их в изолирующих держателях. После этого стержни подключают к источнику тока, который дает малое напряжение, но рассчитан на большую силу тока. Подключают реостат. Угли в городскую сеть включать запрещается, так как это может стать причиной пожара. Если коснуться одним углем о другой, то можно заметить, как сильно они раскалятся. Лучше не смотреть на это пламя, потому что оно вредно для зрения. Электрическую дугу используют в печах для плавки металла, а также в таких мощных осветительных приборах, как прожекторы, кинопроекторы и прочее.