Закон Джоуля-Ленца

Q = I 2 Rt

Содержание

Многие бытовые приборы показывают, что если электрический ток протекает по цепи без совершения работы, то проводник нагревается. Иногда это полезно – например, в лампе накаливания или в дуговом сварочном аппарате. Но в других случаях тепловой эффект нежелателен – например, перегрев электрических проводов в здании может привести к пожару. Поэтому в наших интересах контролировать эти эффекты, и принцип Джоуля-Ленца определяет, от чего зависит тепловой эффект тока.

Это правило было сформулировано в результате экспериментов двух ученых – англичанина Джеймса Прескотта Джоуля и русского физика Эмилия Христиановича Ленца. Поскольку ученые работали независимо друг от друга, новый закон получил двойное название.

Закон Джоуля-Ленца Вкратце: нагрев проводника или полупроводника прямо пропорционален его сопротивлению, времени протекания тока и квадрату силы тока.

Поскольку сопротивление проводника зависит от таких характеристик, как его длина, площадь поверхности и проводимость, следующие утверждения верны:

количество тепла в проводнике уменьшается с увеличением площади его поперечного сечения;

Тепловой эффект уменьшается с уменьшением длины проводника.

Это можно легко проиллюстрировать, подключив две лампы с разным сопротивлением к источнику питания сначала последовательно, а затем параллельно. При последовательном включении лампочка с более высоким сопротивлением будет светить ярче, и наоборот.

Q – количество произведенного тепла (джоули)
I – ампер (в амперах)
R – сопротивление проводника (в омах)
t – транзитное время (в секундах)

Какая формула выражает закон Ленца о джоулях?

Физика часть общего государственного экзамена: 3.9.Закон Джоуля-Ленца
Раздел “Физика” в ЕГЭ: 3.2.8. Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

Рассмотрите закон Джоуля-Ленца и его применение.

Когда электрический ток проходит через проводник, он нагревается. Это происходит потому, что свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов, которые движутся под воздействием электрического поля, сталкиваются с молекулами или атомами проводника и передают им свою энергию. Таким образом, когда ток действует увеличивает внутреннюю энергию проводникаи в проводнике выделяется количество тепла, равное работе тока, и проводник нагревается: Q = A или Q = IUt . Принимая во внимание, что U = IR, результат – формула:

Q = I 2 Rt , где

Q – количество выделяемого тепла (в джоулях)
I – ампер (в амперах)
R – сопротивление проводника (в омах)
t – транзитное время (в секундах)

Закон Джоуля-Ленца : Количество тепла, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени протекания тока.

В 19 веке, независимо друг от друга, англичанин Д. Джоуль и русский Э. Lenz изучал нагревание проводников при прохождении электрического тока и экспериментально обнаружил следующую закономерность: количество тепла, выделяемого при прохождении тока через проводник, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени: Q = I 2 Rt (для постоянного тока и сопротивления). Этот закон называется законом Джоуля-Ленца. Этот закон определяет тепловой эффект электрического тока.

Приложение закон Омамогут быть получены эквивалентные формулы: Q = IUt , Q= U 2 t/R

Где применяется закон Джоуля-Ленца?

1. например, в лампы накаливания и в электронагревательные приборы Действует закон Джоуля-Ленца. В них используется нагревательный элемент, который представляет собой проводник с высоким сопротивлением. Этот элемент можно использовать для локальной выработки тепла в определенной зоне. Выделение тепла будет происходить при увеличении сопротивления, увеличении длины проводника, выборе определенного сплава.

2. одним из применений закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии. Тепловой эффект силы тока приводит к потере энергии. В случае передачи электроэнергии передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а мощность нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если перед подачей электроэнергии одновременно увеличить напряжение и уменьшить силу тока, это будет более выгодно. Однако повышение напряжения приводит к снижению электробезопасности. Для повышения электробезопасности необходимо соответственно увеличить сопротивление нагрузки, чтобы повысить напряжение в сети.

3. Также закон Джоуля-Ленца оказывает влияние на выбор проводников для цепей. Потому что если проводники выбраны неудачно, проводник может сильно нагреться и загореться. Это происходит, когда ток превышает допустимые пределы и выделяется слишком много энергии.

Нагрев проводников является вредным, поскольку вызывает потери энергии при передаче от источника к потребителю. Чтобы уменьшить эти потери, ток уменьшается путем увеличения напряжения источника, так что передаваемая мощность остается прежней. Чтобы избежать пробивания электрической изоляции проводов, их поднимают на большую высоту на мачтах высоковольтные линии электропередачЭти высоковольтные линии электропередач соединяют крупные электростанции с городами, расположенными на расстоянии десятков и сотен километров.

Вы видели раздаточный материал к уроку физики в 8 классе “Закон Джоуля-Ленца и его применение”.
Выберите свои дальнейшие действия:

В процессе столкновений между электронами и молекулами затрачивается энергия, которая затем преобразуется в тепло. На каждое движение, во время которого необходимо преодолеть сопротивление, затрачивается определенное количество энергии. В этот момент работа, затраченная на преодоление сопротивления, преобразуется в тепловую энергию.

Сопротивление в электрических проводниках обладает теми же свойствами, что и обычное сопротивление. Для проведения тока через проводник источник тока потребляет определенное количество энергии, которая преобразуется в тепло. Это преобразование отражает закон Джоуля-Ленца, также известный как тепловой эффект электричества.

Формула и определение закона Джоуля-Ленца

Согласно закону Джоуля-Ленца, при протекании электрического тока через проводник выделяется количество тепла, прямо пропорциональное квадрату тока и сопротивления, а также времени, которое требуется для прохождения тока через проводник.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = I 2 Rt, где Q – количество выделяемого тепла, I – сила тока, R – сопротивление проводника, t – период времени. Значение “k” является тепловым эквивалентом работы и используется, когда количество тепла измеряется в калориях, сила тока – в амперах, сопротивление – в омах, а время – в секундах. Численное значение k равно 0,24, что соответствует току в 1 ампер, который при сопротивлении проводника в 1 Ом выделяет за 1 секунду количество тепла, равное 0,24 ккал. Поэтому для расчета количества выделившегося тепла в калориях используется формула Q = 0,24I 2 Rt.

При использовании системы единиц СИ количество тепла измеряется в джоулях, поэтому значение “k”, со ссылкой на закон Джоуля-Ленца, будет равно 1, а формула будет выглядеть следующим образом: Q = I 2 Rt. Согласно закону Ома, I = U/R. Если это значение силы тока подставить в основную формулу, то она примет следующий вид: Q = (U 2 /R)t.

Основная формула Q = I 2 Rt очень удобно использовать для расчета количества тепла, выделяемого в серии. Ток во всех проводниках будет одинаковым. Если несколько проводников соединены последовательно, каждый из них будет выделять столько тепла, сколько пропорционально сопротивлению проводника. Если последовательно соединить три одинаковых провода из меди, железа и никеля, то максимальное количество тепла выделит последний. Это связано с более высоким удельным сопротивлением никеля и более высоким нагревом этой проволоки.

Если одинаковые проводники соединить параллельно, то величина электрического тока в каждом проводнике будет разной, а напряжение на концах будет одинаковым. В этом случае для расчета больше подходит формула Q = (U 2 /R)t. Количество тепла, выделяемого проводником, обратно пропорционально его проводимости. Поэтому закон Джоуля-Ленца широко используется для расчетов электроосветительных установок, различных видов отопительных и нагревательных приборов и других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

где – длина проводника, S – площадь поперечного сечения проводника.

Формулировка закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме

Удельная тепловая мощность тока () (или удельная теплота или удельная тепловая мощность) равна произведению квадрата плотности тока (), умноженное на удельное сопротивление проводника (). Математически закон Джоуля-Ленца записывается в дифференциальной форме как:

где – это тепло, выделяемое в единице объема проводника за единицу времени.

В дифференциальной форме (4) закон Джоуля-Ленца не зависит от вида сил, вызывающих ток, поэтому он является наиболее общим законом. Если сила, действующая на заряженную частицу, является чисто электрической, то выражение (4) можно представить в виде

где – удельная проводимость вещества, – вектор интенсивности в данной точке поля.

Запишем закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

Формула для закона Джоуля-Ленца

I – сила тока, [A];
t – время, [с].
R – сопротивление, [Ом].

Приведенная выше формула выражает закон Джоуля-Ленца для участка цепи. Единица измерения количества тепла (Q), джоуль (Дж), является производной единицей и может быть получена из формулы:
1Дж = 1Ом – (1А) 2 – 1с.

В неподвижном проводнике, по которому течет постоянный ток, работа внешних сил расходуется на нагревание проводника. Экспериментально доказано, что в любом проводнике выделяется количество тепла, равное работе, затраченной электрическими силами на перенос заряда по проводнику.

Это работа [J];
q – заряд [Cl].

q = To
A = IUt

Принимая формулу и то, что было сказано выше, получаем Q = A = IUt – закон Джоуля-Ленца в интегральной форме.

Запишем закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

∆W – тепловая мощность тока в проводящем элементе, [Вт];
∆l – длина проводника, [мм];
∆S – сечение проводника, [мм2];
∆V – объем проводника, [мм3];
j – плотность тока, j = ϭE, ϭ = 1/ρ (проводимость);
E – напряженность поля, [В/м].
ω=∆W/∆V=j ⃗E ⃗ – удельная мощность тока.

Следовательно: ω=ϭE ⃗ – это дифференциальная формулировка закона Джоуля-Ленца, описывающего плотность высвобождаемой энергии

Закон Джоуля-Ленца имеет широкое практическое применение. В электротехнике, например, необходимо учитывать нагрев проводников при расчете тепловых потерь в линиях электропередач, температуры срабатывания автоматических выключателей, тепловыделения радиодеталей и электрооборудования, характеристик проводниковой сети, температуры плавления предохранителей и теплоемкости электронагревателей. Применение закона Джоуля-Ленца позволяет снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния и повысить напряжение в линиях электропередачи. Кроме того, контактная сварка и электродуговая сварка основаны на законе Джоуля-Ленца.

Работа источника с ЭМП ÙÙ математический$ при прохождении через него заряда $ q$ является работой внешних сил над зарядом `q:`.

Какая формула выражает закон Джоуля-Ленца?

§19 Закон Джоуля-Ленца. Преобразования энергии в электрической цепи

Для любого участка цепи, даже содержащего ЭДС, верен закон Джоуля-Ленца:

Количество тепла, выделяемого в цепи сопротивлением $ R$ при протекании постоянного тока $ I$ в течение времени $ t$, равно $ W=.^<2>Rt$.

Следовательно, мощность выделяемого тепла равна `P=W//t=I^2R`.

Пусть на расстоянии `1-2` имеется постоянный ток $ I$, проводящий постоянный ток $ I$ в течение времени $ t$ от t. От `1` до `2` заряда $ q = qIt. `2` заряда $ q=It$.

Представленная работа на отрезке `1-2` – это работа сил электростатического поля по смещению $ q$ от t. от `1` до `. `2:` $ _<><т>>=q(_<<1>-_<2>)$.

Работа источника с электрическим током $mathcal$ при прохождении через него заряда $ q$ является работой внешних сил над зарядом `q:`.

Если заряд переносится постоянным током $ I$, то $ _<><ист>>=pm ™mathcalЭто$.

Когда заряд (ток) через источник течет в направлении внешних сил, работа источника положительна (он отдает энергию). В этом режиме аккумулятор разряжается. Когда ток течет в обратном направлении, работа источника отрицательна (он поглощает энергию). В этом режиме аккумулятор заряжается за счет накопления энергии. Источник энергии:

</ист></т>

Читайте далее: