Beveger seg i en hvilken som helst leder, overfører en elektrisk strøm noe energi til den, noe som får lederen til å varmes opp. Energioverføring skjer på molekylært nivå: som et resultat av samspillet mellom strømelektroner og ioner eller atomer i lederen, forblir en del av energien hos sistnevnte.
Den termiske effekten av strøm fører til mer rask bevegelse lederpartikler. Så øker den og omdannes til varme.
Beregningsformel og dens elementer
Den termiske effekten av strømmen kan bekreftes ved forskjellige eksperimenter, hvor strømmens arbeid omdannes til intern ledende energi. Samtidig øker sistnevnte. Deretter gir lederen den til omkringliggende kropper, det vil si at varmeoverføring skjer med oppvarming av lederen.
Formelen for beregning i dette tilfellet er som følger: A=U*I*t.
Varmemengden kan angis med Q. Da Q=A eller Q=U*I*t. Når man vet at U=IR, viser det seg Q=I 2 *R*t, som ble formulert i Joule-Lenz-loven.
Loven om termisk virkning av strøm - Joule-Lenz lov
Lederen der den strømmer har blitt studert av mange forskere. De mest merkbare resultatene ble imidlertid oppnådd fra England og Emilius Christianovich Lentz fra Russland. Begge forskerne jobbet hver for seg og trakk konklusjoner fra resultatene av eksperimentene uavhengig av hverandre.
De utledet en lov som lar en estimere varmen som følge av virkningen av strømmen på en leder. Den ble kalt Joule-Lenz-loven.
La oss i praksis vurdere den termiske effekten av strøm. La oss ta følgende eksempler:
- En vanlig lyspære.
- Oppvarmingsapparater.
- Sikring i leiligheten.
- Elektrisk lysbue.
Glødelampe
Strømmens termiske effekt og oppdagelsen av loven bidro til utviklingen av elektroteknikk og økte mulighetene for bruk av elektrisitet. Hvordan forskningsresultater brukes kan sees ved å bruke eksemplet med en vanlig glødepære.
Den er utformet på en slik måte at en tråd laget av wolfram ledning. Dette metallet er ildfast med høy resistivitet. Når du passerer gjennom en lyspære, oppstår en termisk effekt elektrisk strøm.
Lederens energi omdannes til varme, spiralen varmes opp og begynner å lyse. Ulempen med en lyspære er dens store energitap, siden den begynner å lyse bare med en liten del av energien. Hoveddelen varmes rett og slett opp.
For å forstå dette bedre, introduseres det som demonstrerer effektiviteten av drift og konvertering til elektrisitet. Effektivitet og termisk effekt av strøm brukes i ulike områder, siden det er mange enheter produsert basert på dette prinsippet. I i større grad Dette er varmeapparater, elektriske komfyrer, kjeler og andre lignende enheter.
Design av varmeapparater
Vanligvis har utformingen av alle oppvarmingsenheter en metallspiral, hvis funksjon er oppvarming. Hvis vann varmes opp, installeres spiralen isolert, og slike enheter sørger for at det opprettholdes en balanse mellom energi fra nettet og varmeveksling.
Forskere har hele tiden i oppgave å redusere energitap og finne bedre måter og de mest effektive ordningene for implementering av dem for å redusere den termiske effekten av strøm. For eksempel brukes en metode for å øke spenningen samtidig som strømmen reduseres. Men denne metoden reduserer samtidig sikkerheten ved drift av kraftledninger.
Et annet forskningsområde er trådvalg. Tross alt avhenger varmetap og andre indikatorer av egenskapene deres. I tillegg, når oppvarmingsenheter fungerer, oppstår det en stor frigjøring av energi. Derfor er spiraler laget av materialer spesielt designet for disse formålene og som tåler høye belastninger.
Leilighet sikringer
For å forbedre beskyttelsen og sikre elektriske kretser, brukes spesielle sikringer. Hoveddelen er en ledning laget av smeltbart metall. Den går i en porselensplugg, har en skrugjenge og en kontakt i midten. Pluggen settes inn i en patron plassert i en porselensboks.
Ledningsledningen er en del av den totale kretsen. Hvis den termiske effekten av den elektriske strømmen øker kraftig, vil tverrsnittet av lederen ikke tåle det, og det vil begynne å smelte. Som et resultat av dette vil nettverket åpne seg og det vil ikke være noen aktuelle overbelastninger.
Elektrisk lysbue
Den elektriske lysbuen er en ganske effektiv omformer elektrisk energi. Den brukes til sveising av metallkonstruksjoner og fungerer også som en kraftig lyskilde.
Enheten er basert på følgende. Ta to karbonstenger, koble sammen ledningene og fest dem i isolerende holdere. Etter dette kobles stengene til en strømkilde, som gir lav spenning, men er designet for høy strøm. Koble til reostaten. Det er forbudt å inkludere kull i bynettet, da dette kan forårsake brann. Hvis du rører ett kull til et annet, vil du merke hvor varme de blir. Det er bedre å ikke se på denne flammen, fordi den er skadelig for synet ditt. En elektrisk lysbue brukes i ovner for smelting av metall, så vel som i så kraftige belysningsenheter som spotlights, filmprojektorer, etc.
Det er ganske vanskelig å forestille seg livet moderne mann uten strøm. Det har blitt en av de viktigste og mest verdifulle egenskapene til moderne eksistens. Faktisk vet alle som noen gang har jobbet med elektrisitet at når strømmen går gjennom ledninger, har de en tendens til å varmes opp. Hvorfor avhenger dette?
Hva er aktuelt
Strøm er den ordnede bevegelsen av ladede partikler kalt elektroner. Og hvis det går strøm gjennom en leder, begynner forskjellige ting å skje i den. fysiske prosesser, nemlig elektroner kolliderer med molekyler.
Molekyler er nøytrale eller de som har mistet sin negativt ladede partikkel. Som et resultat av kollisjoner kan enten elektroner bli nøytrale molekyler, eller et elektron blir slått ut av et annet lignende molekyl, og danner et positivt ladet ion. Under disse kollisjonene forbrukes den kinetiske energien til de ladede partiklene. Det er denne energien som blir til varme.
Termisk oppvarming av lederen kan også påvirkes av motstand. For eksempel kan du ta bestemt kropp og dra den langs bakken. Jorden i dette tilfellet er motstand. Hva vil skje med ham? Det er riktig, det vil oppstå en friksjonskraft mellom kroppen og overflaten, som igjen varmer opp kroppen. Strømmen oppfører seg nøyaktig likt i dette tilfellet.
Avhengighet
Og ved å ta hensyn til alt det ovennevnte, var forskere i stand til å bestemme dette forholdet mellom strømstyrke, motstand og varmemengde. Denne avhengigheten kalles Joule-Lenz-loven, hvis formel er kjent for alle fysikere. I 1832-1833 oppdaget den russiske fysikeren Emilius Lentz at når metallledere ble utsatt for varme, endret deres ledningsevne seg dramatisk. Dette kompliserte faktisk forskerens arbeid og gjorde det vanskelig å beregne elektriske kretser.
Samtidig kom den unge forskeren på ideen om at det kanskje var en slags sammenheng mellom strømstyrken og temperaturen til lederen. Men hva skal man gjøre? På den tiden var det ingen eksakte elektriske enheter, som gjør det mulig å måle strømstyrke, motstand, var det ikke engang en kilde til stabil EMF. Dette stoppet ikke Lenz, han bestemte seg for å gjennomføre et eksperiment.
Eksperimenter av en russisk fysiker
Essensen av dette eksperimentet var så enkelt, som alt genialt, at selv en skolegutt kunne gjenta det. Forskeren designet spesiell enhet, som tjente til å måle mengden varme generert av lederen. Denne enheten viste seg å være et vanlig kar, der Lenz helte en løsning av fortynnet alkohol og plasserte en leder - en platinatråd, som en elektrisk strøm ble tilført.
Etter at enheten ble opprettet, begynte forskeren å utføre eksperimenter. Han målte nøyaktig hvor lang tid det tok for at alkoholen i karet skulle varmes opp til 10 o C. Mange ikke bare måneder, men også år ble brukt på dette. Og i 1843, 10 år senere, ble det publisert en lov, hvis essens var at oppvarmingen av en leder med strøm er proporsjonal med kvadratet av strømmen som brukes til oppvarming.
Joule og Lenz
Men det var ikke der! Det viser seg at for flere år siden engelsk fysiker James Prescott Joule utførte lignende eksperimenter og har allerede publisert sine observasjoner. Hva burde jeg gjøre? Lenz ga ikke opp og studerte Joules arbeid nøye og kom til den konklusjonen at selv om de utførte de samme eksperimentene, var Lenz sine eksperimenter mye mer nøyaktige. I forbindelse med dette vitenskapelig fellesskap la Lenz-endringer til Joules arbeid, og denne loven ble kjent som Joule-Lenz-loven. Den matematiske formuleringen av loven ser slik ut:
Q = I *U*t, hvor:
- I - strømstyrke, A;
- U - spenning, V;
- t er tiden det tar strømmen å gå gjennom lederen, s.
Selve loven høres slik ut: mengden termisk energi som frigjøres i en leder som en elektrisk strøm flyter gjennom, er lik produktet av strømstyrken, spenningen og tiden strømmen går gjennom lederen.
Ohms lov
Men vil denne påstanden alltid være sann? Du kan prøve å utlede det ved å bruke Ohms lov. Etter det å dømme, U = I*R, hvor R er motstand, Ohm.
Med tanke på Ohms lov, kan du erstatte verdien i formelen Q = I*U*t = I 2 *R*t. Fra dette kan vi konkludere med at mengden varme direkte avhenger av motstanden til lederen. Også for Joule-Lenz-loven vil dette utsagnet være sant: I = Q = I*U*t.
Alle tre formlene vil være riktige, men Q = I 2 *R*t vil være sann for alle situasjoner. De to andre er også korrekte, men under visse omstendigheter.
Konduktører
Nå om konduktørene. Opprinnelig, i eksperimentene deres, brukte Joule og Lenz platinatråder, som nevnt ovenfor. I alle lignende eksperimenter brukte den tidens forskere hovedsakelig metallledere, siden de var ganske rimelige og stabile. Det er ikke overraskende, for til nå er metallledere hovedtypen ledere, og derfor ble det opprinnelig antatt at Joule-Lenz-loven bare gjaldt dem. Men litt senere ble det oppdaget at denne loven ikke bare gjelder metallledere. Det er sant for noen av dem. Lederne selv i henhold til klassifisering kan deles inn i:
- Metall (kobber, jern, sølv, etc.). Hovedrollen i dem spilles av negativt ladede partikler (elektroner) som strømmer gjennom lederen.
- Væske. I dem er ioner ansvarlige for bevegelsen av ladninger - dette er atomer der det enten er for mange eller for få elektroner.
- Gassformig. I motsetning til deres kolleger, i slike ledere bestemmes strømmen av bevegelsen til både ioner og elektroner.
Og til tross for forskjellene, i alle fall, når strømmen eller motstanden øker, vil mengden varme også øke.
Anvendelse av loven av andre fysikere
Oppdagelsen av Joule-Lenz-loven ga store løfter. Tross alt, faktisk gjorde denne loven det mulig å lage forskjellige typer elektriske oppvarmingsenheter og elementer. For eksempel, litt senere etter oppdagelsen av loven, la forskere merke til at når visse elementer varmes opp, begynner de å lyse. De ønsket å eksperimentere med dem ved å bruke forskjellige ledere, og i 1874 oppfant den russiske ingeniøren Alexander Nikolaevich Lodygin den moderne glødelampen, hvis glødetråd var laget av wolfram.
Joule-Lenz-loven brukes også innen elektroteknikk - for eksempel når du lager sikringer. En sikring er et visst element i en elektrisk krets, hvis utforming er laget på en slik måte at når en strøm flyter gjennom den over den tillatte verdien (for eksempel under en kortslutning), overopphetes den, smelter og åpner strømmen krets. Selv en vanlig vannkoker eller mikrobølgeovn, som praktisk talt alle har, fungerer etter denne loven.
Konklusjon
Det er ganske vanskelig å fastslå bidraget til disse forskerne moderne elektronikk og elektroteknikk, men én ting er sikkert - fremveksten av Joule-Lenz-loven endret folks forståelse av elektrisitet og ga mer spesifikk kunnskap om hva det elektriske feltet er i en strømførende leder.
Uten tvil ble loven oppdaget av disse store fysikerne et avgjørende skritt i all vitenskap, og det var takket være denne oppdagelsen at andre mer eller mindre grandiose prestasjoner fra andre forskere senere ble gjort. All vitenskap er en tett sammenveving av funn, noen løste og uløste problemer. Loven som ble diskutert i denne artikkelen på en viss måte påvirket mange studier og satte et uutslettelig og ganske tydelig preg på vitenskapen.
Innhold:Den berømte russiske fysikeren Lenz og den engelske fysikeren Joule, som utførte eksperimenter for å studere de termiske effektene av elektrisk strøm, avledet uavhengig Joule-Lenz-loven. Denne loven reflekterer forholdet mellom mengden varme som genereres i en leder og den elektriske strømmen som går gjennom denne lederen over en viss tidsperiode.
Egenskaper til elektrisk strøm
Når elektrisk strøm går gjennom en metallleder, kolliderer elektronene konstant med ulike fremmede partikler. Dette kan være vanlige nøytrale molekyler eller molekyler som har mistet elektroner. I ferd med å bevege seg, kan et elektron splitte et annet elektron fra et nøytralt molekyl. Som et resultat, hans kinetisk energi går tapt, og i stedet for et molekyl dannes et positivt ion. I andre tilfeller kombinerer et elektron tvert imot et positivt ion og danner et nøytralt molekyl.
I prosessen med kollisjoner av elektroner og molekyler forbrukes energi, som deretter omdannes til varme. Bruken av en viss mengde energi er assosiert med alle bevegelser der motstand må overvinnes. På dette tidspunktet blir arbeidet som brukes på å overvinne friksjonsmotstand omdannet til termisk energi.
Joule Lenz lovformel og definisjon
I henhold til Lenzs Joule-lov er en elektrisk strøm som går gjennom en leder ledsaget av en varmemengde som er direkte proporsjonal med kvadratet av strømmen og motstanden, samt tidspunktet for flyten av denne strømmen gjennom lederen.
I form av en formel uttrykkes Joule-Lenz-loven på følgende måte: Q = I 2 Rt, der Q viser mengden varme som frigjøres, I - , R - ledermotstand, t - tidsperiode. Verdien "k" representerer den termiske ekvivalenten til arbeid og brukes i tilfeller der varmemengden måles i kalorier, strøm i , motstand i ohm og tid i sekunder. Numerisk verdi verdien av k er 0,24, som tilsvarer en strøm på 1 ampere, som med en ledermotstand på 1 ohm frigjør en varmemengde lik 0,24 kcal innen 1 sekund. Derfor, for å beregne mengden varme som frigjøres i kalorier, brukes formelen Q = 0,24I 2 Rt.
Når du bruker SI-systemet med enheter, måles mengden varme i joule, så verdien av "k", i forhold til Joule-Lenz-loven, vil være lik 1, og formelen vil se slik ut: Q = I 2 Rt. I henhold til I = U/R. Hvis denne nåværende verdien erstattes med den grunnleggende formelen, vil den oppnå neste visning: Q = (U2/R)t.
Grunnformel Q = I 2 Rt er veldig praktisk å bruke når man skal beregne mengden varme som frigjøres ved seriekobling. Strømstyrken i alle ledere vil være den samme. Når flere ledere er koblet i serie samtidig, vil hver av dem avgi så mye varme som vil være proporsjonal med motstanden til lederen. Hvis tre identiske ledninger laget av kobber, jern og nikkel er koblet i serie, da maksimalt beløp varmen frigjøres sist. Dette skyldes den høyeste resistiviteten til nikkel og den sterkere oppvarmingen av denne ledningen.
På parallellkobling de samme lederne, verdien av den elektriske strømmen i hver av dem vil være forskjellig, og spenningen i endene vil være den samme. I dette tilfellet er formelen Q = (U 2 /R)t mer egnet for beregninger. Mengden varme som genereres av en leder vil være omvendt proporsjonal med dens ledningsevne. Dermed er Joule-Lenz-loven mye brukt for å beregne installasjoner elektrisk belysning, ulike oppvarmings- og oppvarmingsenheter, samt andre enheter knyttet til konvertering av elektrisk energi til varme.
Joule-Lenz lov. Arbeid og kraft av elektrisk strøm
Joule-Lenz-loven bestemmer mengden varme som frigjøres i en leder med motstand i løpet av en tid t når en elektrisk strøm går gjennom den.
Q = a*I*2R*t, hvor
Q - mengde varme som frigjøres (i Joule)
a - proporsjonalitetskoeffisient
I - strømstyrke (i ampere)
R - Ledermotstand (i ohm)
t - Reisetid (i sekunder)
Joule-Lenz-loven forklarer at elektrisk strøm er en ladning som beveger seg under påvirkning av elektrisk felt. I dette tilfellet fungerer feltet, og strømmen har kraft og energi frigjøres. Når denne energien går gjennom en stasjonær metallleder, blir den til termisk energi, siden den er rettet mot å varme opp lederen.
I differensiell form uttrykkes Joule-Lenz-loven som romvekt Den termiske kraften til strømmen i lederen vil være lik produktet av den spesifikke elektriske ledningsevnen og kvadratet på den elektriske feltstyrken.
Anvendelse av Joule-Lenz-loven
Glødelamper ble oppfunnet i 1873 av den russiske ingeniøren Lodygin. I glødelamper, som i elektriske varmeapparater, gjelder Joule-Lenz-loven. De bruker et varmeelement, som er en høymotstandsleder. På grunn av dette elementet er det mulig å oppnå lokalisert varmeavgivelse i området. Varmeutvikling vil vises med økende motstand, økende lengde på lederen, eller ved å velge en spesifikk legering.Et anvendelsesområde for Joule-Lenz-loven er å redusere energitap.
Den termiske effekten av strøm fører til energitap. Ved overføring av elektrisitet avhenger den overførte effekten lineært av spenning og strøm, og varmeeffekten avhenger av strømmen kvadratisk, så hvis du øker spenningen samtidig som du senker strømmen før du leverer strøm, vil det være mer lønnsomt. Men en økning i spenning fører til en nedgang i elektrisk sikkerhet. For å øke nivået av elektrisk sikkerhet økes belastningsmotstanden i henhold til økningen i spenningen i nettverket.
Joule-Lenz-loven påvirker også valg av ledninger for kretser. Hvis ledningene velges feil, kan lederen, så vel som den, bli veldig varm. Dette skjer når strømmen overskrider maksimum gyldige verdier og for mye energi frigjøres. Med riktig utvalg av ledninger er det verdt å følge reguleringsdokumenter.
Kilder:
Det er et direkte proporsjonalt forhold mellom strøm og spenning, beskrevet av Ohms lov. Denne loven bestemmer forholdet mellom strøm, spenning og motstand i en del av en elektrisk krets.
Bruksanvisning
Husk strøm og spenning.
- Elektrisk strøm er en ordnet strøm av ladede partikler (elektroner). Til kvantifisering mengden jeg brukte kalles strømstyrke.
- Spenning U er potensialforskjellen i endene av en del av en elektrisk krets. Det er denne forskjellen som får elektronene til å bevege seg, som en væske som strømmer.
Strømstyrken måles i ampere. I elektriske kretser bestemmes strømstyrken av et amperemeter. Spenningsenheten er, du kan måle spenningen i en krets ved hjelp av et voltmeter. Samle det enkleste elektrisk krets fra en strømkilde, motstand, amperemeter og voltmeter.
Når en krets er lukket og strøm flyter gjennom den, registrer instrumentavlesningene. Endre spenningen ved endene av motstanden. Du vil se at amperemeteravlesningen vil øke når spenningen øker og omvendt. Denne erfaringen viser direkte proporsjonal avhengighet mellom strøm og spenning.
La oss se på Joule-Lenz-loven og dens anvendelse.
Når elektrisk strøm går gjennom en leder, varmes den opp. Dette skjer fordi frie elektroner i metaller og ioner i elektrolyttløsninger som beveger seg under påvirkning av et elektrisk felt, kolliderer med molekyler eller atomer i ledere og overfører energien deres til dem. Således, når arbeidet utføres av strøm øker indre energi dirigent , det frigjør en viss mengde varme, lik arbeid strøm, og lederen varmes opp: Q = A eller Q = IUt .
Vurderer U = IR , som et resultat får vi formelen:
Q = I 2 Rt, Hvor
Q
- mengde varme som frigjøres (i Joule)
Jeg
- strømstyrke (i ampere)
R
- ledermotstand (i ohm)
t
- reisetid (i sekunder)
Joule – Lenz lov : mengden varme som genereres av en strømførende leder er lik produktet av kvadratet av strømmen, motstanden til lederen og tiden strømmen går.
Hvor gjelder Joule-Lenz-loven?
1. For eksempel i glødelamper og i elektriske varmeapparater Joule-Lenz-loven gjelder. De bruker et varmeelement, som er en høymotstandsleder. På grunn av dette elementet er det mulig å oppnå lokalisert varmeavgivelse i et bestemt område. Varmeutvikling vil vises med økende motstand, økende lengde på lederen, eller ved å velge en spesifikk legering.
2. Et av anvendelsesområdene til Joule-Lenz-loven er reduksjon av energitap . Den termiske effekten av strøm fører til energitap. Ved overføring av elektrisitet avhenger den overførte effekten lineært av spenning og strøm, og varmeeffekten avhenger av strømmen kvadratisk, så hvis du øker spenningen samtidig som du senker strømmen før du leverer strøm, vil det være mer lønnsomt. Men en økning i spenning fører til en nedgang i elektrisk sikkerhet. For å øke nivået av elektrisk sikkerhet økes belastningsmotstanden i henhold til økningen i spenningen i nettverket.
3. Også Joule-Lenz-loven påvirker valg av ledninger for kretser . For hvis ledningene velges feil, kan lederen bli veldig varm og ta fyr. Dette skjer når strømmen overskrider de maksimalt tillatte verdiene og for mye energi frigjøres.