Реферат — Закон Джоуля-Ленца
Закон Джоуля-Ленца . | |||
Джеймс Джоуль (английский физик) | Эмилий Христианович Ленц ( российский физик) | ||
В XIX веке, независимо друг от друга, англичанин Д. Джоуль и русский ученый Э. Ленц изучали нагревание проводников электрическим током и экспериментальным путем установили следующий закон: количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Получим закон
Джоуля-Ленца теоретическим путем. Используя закон
Ома, запишем формулу для вычисления
работы тока A=IUt в двух других формах.
В левых частях нижних равенств стоит работа тока. Выясним, как она связана с количеством теплоты, выделяющимся в проводнике с током. Для этого запишем первый закон термодинамики и выразим из него работу, совершенную над проводником:
Вспомним, что U – это изменение внутренней энергии тела (проводника), Q – количество теплоты, отданное проводником (на это указывает «минус»), A’ – работа, совершенная над проводником.
Какая же работа совершается над проводником? Вы помните, что тепловое действие тока мы объясняем ударами электронов об ионы кристаллической решетки, в результате чего часть кинетической энергии электронов передается ионам, и их колебания усиливаются. А поскольку направленное движение электронов возникает за счет энергии электрического поля, то
Выясним теперь,
что происходит с внутренней энергией
проводника. Если ток в цепи только что
включили, то проводник будет постепенно
нагреваться, а его внутренняя энергия
– увеличиваться.
По мере роста температуры
будет возрастать величина t°
– разность между температурой проводника
и температурой окружающей среды. Согласно
закономерности Ньютона, будет возрастать
и мощность теплоотдачи проводника в
окружающую среду. Через некоторое время
это приведет к тому, что температура
проводника перестанет увеличиваться.
С этого момента внутренняя энергия проводника перестанет изменяться, то есть величина U станет равной нулю. Тогда первый закон термодинамики для этого состояния проводника запишется так: A’ = –Q. То есть если внутренняя энергия проводника не меняется, то работа тока полностью превращается в теплоту.
Используя этот вывод, запишем все три формулы для вычисления работы тока в другом виде.
Формула, заключенная
в рамку, и была получена Джоулем и Ленцем
опытным путем, а рисунке показана схема
установки, при помощи которой можно
экспериментально проверить
справедливость закона Джоуля-Ленца.
Силу тока измеряют амперметром,
сопротивление проводника – вычисляют,
используя показания вольтметра.
Термометром измеряют повышение температуры жидкости в калориметре. По формулам Q=I2Rt и Q=cmt° подсчитывают количества теплоты. Теоретически оба значения должны совпадать. Это и проверяют на опыте.
Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах
Количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении постоянного электрического тока, определяется выражением:
, (1)
где I – сила тока в проводнике, R – сопротивление проводника, t – время, в течение которого проходит электрический ток.
Если сила тока в проводнике изменяется со временем I = I(t), то количество теплоты, которое выделяется за бесконечно малый интервал времени, равно:
,
а количество теплоты, выделяемое за интервал времени равно:
(2)
закон Джоуля-Ленца
в интегральной форме.
За счет чего происходит нагревание проводника?
Рассмотрим однородный проводник, к концам которого приложено напряжение U. За время dt через каждое сечение проходит заряд
.
Учитывая, что U = RI (в соответствии с законом Ома), получим
,
а работа
, (3)
т.е. нагревание проводника происходит за счет работы, совершаемой силами поля над носителями тока.
Для выражения закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме, представим следующие величины в виде:
, ,
где dl – длина выделенного проводника, ds – площадь поперечного сечения проводника, через которую проходит ток, плотность которого j. Тогда получим
,
откуда
.
Выражение – называется удельной мощностью тока Руд..
Таким образом, получим:
или
(4)
Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме носит совершенно общий характер, т. е. не зависит от природы сил, возбуждающих электрический ток. Закон Джоуля-Ленца, как показывает опыт, справедлив и для электролитов и для полупроводников.
В качестве примера технической реализации явления Джоуля-Ленца изображена лампочка накаливания.
Лампочка накаливания
Применение эффекта.
Тепловое действие
тока находит широкое применение в
технике.
К р о с с в о р д.
Слова по горизонтали должны означать:
1,2. Английский и русский ученые, установившие на опыте независимо друг от друга, от чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током.
3. Часть электрической лампы накаливания, которая ввинчивается в патрон.
4. Русский ученый, открывший явление электрической дуги.
5. Металл, из которого изготовляют спираль лампы накаливания.
6. Изобретатель первой лампы
накаливания, пригодной для практического
использования.
7. Изобретатель дуговой лампы – электрической свечи.
8. Американский изобретатель, усовершенствовавший лампу накаливания и создавший для нее патрон.
9. Материал, из которого изготовляют баллон лампы накаливания.
10. Газ, применяемый для изготовления ламп накаливания.
Вопросы по теме.
Кем и когда было открыто тепловое действие тока?
На основе какого закона при выведении формулы была выяснена связь между работой и теплотой?
Приведите пример технической реализации явления Джоуля-ленца.
Кем впервые было использовано тепловое действие тока для устройства электрического освещения?
Для чего справедлив закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме?
При помощи какой установки можно экспериментально проверить справедливость закона ?
Литература.
Трофимова Т.
И.
Курс физики.- М.: Высшая школа, 1990.
И.
Курс физики.- М.: Высшая школа, 1990.Савельев И.В. Курс общей физики.- М.: Наука, 1978.- Т.2.
www.fizika.ru
www.effects.ru
Тепловое действие тока Закон Джоуля-Ленца Электронагревательные
Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Тепловое действие тока Закон Джоуля-Ленца Электронагревательные. Презентация на заданную тему содержит 34 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас — поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Презентации» Образование» Тепловое действие тока Закон Джоуля-Ленца Электронагревательные
Слайды и текст этой презентации
Слайд 1
Описание слайда:
Слайд 2
Описание слайда:
Слайд 3
Описание слайда:
Слайд 4
Описание слайда:
Слайд 5
Описание слайда:
Слайд 6
Описание слайда:
Слайд 7
Описание слайда:
Слайд 8
Описание слайда:
Слайд 9
Описание слайда:
Слайд 10
Описание слайда:
Слайд 11
Описание слайда:
Слайд 12
Описание слайда:
Слайд 13
Описание слайда:
Задача 1 группе ι – длина проводника; ι1 = ι2 ρ – удельное сопротивление проводника ; ρ1 = ρ2 S — площадь поперечного сечения проводника; S1 > S2 t – время протекания тока; t 1 = t 2 Сравните количества теплоты, выделяемые проводниками при таком их соединении
Слайд 14
Описание слайда:
Решение задачи 1 группы
Проводники соединены параллельно, значит
U1 = U2 = const.
Q = Ult, Q = Ut (U/ R), т.е Q = U2t/R
(Q обратно пропорционально R)
Значит проводник с МЕНЬШИМ сопротивлением выделит БОЛЬШЕЕ количество теплоты)
2. R = ρι/S, (R обратно пропорционально S при прочих равных условиях)
Поскольку S1 > S2, значит R1 < R2 и
первый проводник выделит большее количество теплоты
Слайд 15
Описание слайда:
Задача 2 группе ι – длина проводника; ι1 = ι2 ρ – удельное сопротивление проводника ; ρ1 = ρ2 S — площадь поперечного сечения проводника; S1 > S2 t – время протекания тока; t 1 = t 2 Сравните количества теплоты, выделяемые проводниками при таком их соединении
Слайд 16
Описание слайда:
Решение задачи 2 группы
Проводники соединены последовательно, значит
l1 = l2 = const.
Q = Ult, Q = lt ( lR ), т.е Q = l2 Rt
(Q прямо пропорционально R)
Значит проводник с БОЛЬШИМ сопротивлением выделит БОЛЬШЕЕ количество теплоты и наоборот)
2. R = ρι/S, (R обратно пропорционально S при прочих равных условиях)
Поскольку S1 > S2, значит R1 < R2 и
первый проводник выделит меньшее количество теплоты
Слайд 17
Описание слайда:
Задача 3 группе В цепь включены параллельно медная и стальная проволоки равной длины и сечения. В какой из проволок выделится большее количество теплоты за одно и то же время?
Слайд 18
Описание слайда:
Решение задачи 3 группы
Пусть 1 проводник медный, а 2 стальной. Проводники соединены параллельно, значит
U1 = U2 = const.
Q = Ult, Q = Ut (U/ R), т.
е Q = U2t/R
(Q обратно пропорционально R)
Значит проводник с МЕНЬШИМ сопротивлением выделит БОЛЬШЕЕ количество теплоты)
2. R = ρι/S, (R прямо пропорционально ρ при прочих равных условиях)
Поскольку ρ 1< ρ 2, значит R1 < R2 и первый проводник выделит большее количество теплоты.
Значит медный проводник выделит большее количество теплоты.
Слайд 19
Описание слайда:
Ответьте на вопросы
Как изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, если силу тока в проводнике увеличить в 2 раза?
(увеличится в 4 раза, поскольку Q = l2 Rt , т.е. Q = (2l)2 Rt , Q = 4l2 Rt )
2 лампы, соединённые последовательно, подключены к источнику тока. Сопротивление первой лампы меньше, чем у второй. Какая лампа будет гореть ярче при замыкании цепи?
(вторая лампа, т.к. при последовательном соединении Q = l2 Rt,
( т.
е. Q ~ R),токи в лампах одинаковы, больше тепла выделяет и поэтому ярче горит лампа с большим сопротивлением )
2 лампы, соединённые параллельно, подключены к источнику тока. Сопротивление первой лампы меньше, чем у второй. Какая лампа будет гореть ярче при замыкании цепи?
(первая лампа, т.к. при параллельном соединении Q = U2t/R
( т.е. Q ~ 1/ R), напряжение на лампах одинаковы. Больше тепла выделяет и поэтому ярче горит лампа с меньшим сопротивлением)
Слайд 20
Описание слайда:
Слайд 21
Описание слайда:
Слайд 22
Описание слайда:
Слайд 23
Описание слайда:
Слайд 24
Описание слайда:
Слайд 25
Описание слайда:
Слайд 26
Описание слайда:
Слайд 27
Описание слайда:
Слайд 28
Описание слайда:
Слайд 29
Описание слайда:
Слайд 30
Описание слайда:
Слайд 31
Описание слайда:
Слайд 32
Описание слайда:
Верите ли вы? 2 ученых, работающих в разных странах и не знакомые друг с другом, почти одновременно сделали одно и то же открытие? Физический закон носит имена владельца пивоваренного завода и ректора Санкт-Петербургского университета? В конце 19 века Россию называли родиной света? Электрическая лампа чаще перегорает в момент замыкания тока и очень редко в момент размыкания? Наибольший расход электроэнергии в наших квартирах приходится на освещение? И это действительно так!
Слайд 33
Описание слайда:
Слайд 34
Описание слайда:
Tags Тепловое действие тока Закон Джоуля-Ленца Электронагревательные
Похожие презентации
Презентация успешно отправлена!
Ошибка! Введите корректный Email!
Закон Джоуля-Ленца — Программное обеспечение QuickField FEA
Промышленность
Образовательная
Научная
Примеры задач
Истории успеха
Клиенты
Главная >> Приложения >> Примеры задач >> Закон Джоуля-Ленца
Расчет джоулевых потерь, омический нагрев, резистивный нагрев, нагрев электрического проводника
В этом проверочном примере сравниваются ток и тепло Джоуля, генерируемое в проводнике, рассчитанные по закону Ома и закону Джоуля и рассчитанные в QuickField с использованием трех формул : проводимость постоянного тока, проводимость переменного тока и переходный электрический ток.
Геометрия
Закон Джоуля-Ленца Рассчитайте ток и джоулеву теплоту внутри проводника и сравните со значением, данным законом Джоуля-Ленца.
f = 50 Гц — частота во временных гармониках и задачах переходного магнитного поля;
г = 1 МС/м — проводимость материала проводника.
L = 0,4 м — длина проводника.
А = 0,02*0,005 м² — площадь поперечного сечения проводника.
Задача
Рассчитайте ток и джоулеву теплоту внутри проводника и сравните со значением, полученным по закону Джоуля-Ленца.
Раствор
Чтобы поддерживать одинаковое значение джоулевой теплоты во всех рецептурах, значение напряжения регулируется:
В задаче о временных гармониках значение пиковой амплитуды напряжения задается √2· В .
В переходном процессе электрическое напряжение устанавливается по формуле В(t) = √2· В · sin(2·180·50· t ).
Согласно закону Джоуля-Ленца * мощность нагрева, создаваемая электрическим током I :
Вт = Р * Я ²,
где сопротивление проводника равно R = (1/ g ) * ( L / A ).
Значение электрического тока может быть рассчитано I = V / R [A],
*Википедия: Джоулев нагрев.
Результаты
Сопротивление проводника Ом = (1/1e6) * (0,4/0,02*0,005) = 0,004 Ом
Ток: I = 0,1/0,004 = 25 А
Джоуля тепла Q = 0,004 * 25 * 25 = 2,5 Вт.
Проводимость постоянным током :
Временные гармоники (приведено пиковое значение тока, среднеквадратичное значение меньше в √2 раза, 35,355/1,4142 = 25 А):
Переходный электрический ток :
| Время | Текущий | Джоулево тепло |
| 0,01 с | 0 А | 0 Вт |
| 0,0125 с | 25 А | 2,5 Вт |
| 0,015 с | 35,355 А | 5 Вт |
| Тепловая мощность, Вт | |
|---|---|
| Закон Джоуля-Ленца | 2,5 |
| Проводимость постоянным током | 2,5 |
| Временные гармоники | 2,5 |
| Электрические переходные процессы (усредненные по времени) | 2,5 |
- Видео: закон Джоуля-Ленца
- Смотреть на YouTube.
- Посмотреть отчет о моделировании в формате PDF
- Загрузка файлов моделирования (файлы можно просматривать с помощью любой версии QuickField Edition).
Джоуль Формула закона Ленца и определение
Содержание:
Известный русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя опыты по изучению теплового действия электрического тока, независимо 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 еще один электрон. В результате его кинетическая энергия теряется, а вместо молекулы образуется положительный ион.
В других случаях электрон, наоборот, соединяется с положительным ионом и образует нейтральную молекулу.
В процессе столкновений электронов и молекул расходуется энергия, которая в дальнейшем 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.
Джоуль Формула закона Ленца и определение
Согласно закону Ленца-Джоуля электрический ток, протекающий по проводнику, сопровождается выделением количества тепла, прямо пропорционального квадрату силы тока и сопротивления, а также времени требуется, чтобы этот ток протекал по проводнику.
В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = I 2 Rt, в которой Q отображает количество выделяемой теплоты, I — , R — сопротивление проводника , t — период времени. 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 за 1 секунду количество теплоты, равное 0,24 ккал. 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 значение «k» применительно к закону Джоуля-Ленца будет равно 1, а формула будет иметь вид: Q = I 2 Рт. Согласно I = U/R. Если это значение тока подставить в основную формулу, то оно 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.
