Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца (Ерюткин Е.С.) 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком

Тема 12: Электромагнитные явления. Повторение

• Видео
• Тренажер
• Теория

Заметили ошибку?

Виды проводников

• металлические. Электрический ток в металлических проводниках – это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц – электронов (отрицательно заряженные частицы). Когда электроны протекают по проводнику, он нагревается, т. е. металлические проводники нагреваются при протекании тока.
• жидкие проводники (растворы и расплавы). В этих проводниках направленное движение зарядов составляют ионы. Это атомы, у которых либо избыток, либо недостаток электронов. Аналогично, если в жидких проводниках протекает электрический ток, то происходит нагревание проводников.
• газы (при определенных условиях). Электрический ток обусловлен движением ионов и электронов. Нагревается пространство, где протекает электрический ток. Все три случая, которые мы рассмотрели, подтверждают одно общее правило.

Опыты Джоуля и Ленца

Электрический ток при протекании по проводникам увеличивает их внутреннюю энергию. В соответствие можно привести работу электрического тока, работу электрического поля и количество теплоты, которое выделяется в проводниках.

Чем больше сила тока, тем больше количество теплоты, выделившееся в проводнике.

Эксперимент состоял в том, что три одинаковых по своим геометрическим размерам, но выполненные из разных материалов проводника включены последовательно. Через проводники течет электрический ток. При последовательном соединении проводников сила тока во всех участках будет одинакова (рис. 1).

Рис. 1. Сила тока одинакова

На первый взгляд количество теплоты тоже должно было быть одинаковым, однако это не так (рис. 2). Следовательно, количество теплоты зависит не только от силы тока, а так же от еще одной характеристики проводника – электрического сопротивления.

Рис. 2. Количество теплоты разное

Эти опыты независимо друг от друга провели два ученых, англичанин Джоуль (рис. 3) и русский ученый Ленц Эмиль Христианович (рис. 4). Результаты получены одинаковые, поэтому закон получил название этих двух ученых – закон Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца

В результате экспериментов было получено уравнение:

Q – количество теплоты [Дж] I – сила тока [А] R – электрическое сопротивление [Ом] t – время [c]

Формула для вычисления количество теплоты в точности соответствует формуле по вычислению работы электрического тока.

По закону Ома, сила тока определяется как отношение напряжения к сопротивлению.

Напряжение можем выразить как произведение

Подставив выражение для напряжения в формулу для работы электрического тока, получаем следующую зависимость:

И эта формула полностью соответствует закону Джоуля-Ленца:

.

Следовательно, количество теплоты и работа соответствуют друг другу. В некотором случае работа электрического тока равна количеству теплоты, которое выделяется на проводнике.

Существуют и другие формулы для определения работы, однако только эту формулу мы можем называть законом Джоуля-Ленца. Дело все в том, что количество теплоты – это изменение внутренней энергии проводника (проводник находится в состоянии покоя). А если мы рассматриваем проводник, который не только нагревается, а еще и движется, то в этом случае работа определяет уже полное действие на этот проводник (движение, энергию, другие формы превращения энергии).

Возникновение тепла в проводнике

При протекании электрического тока частицы движутся в металлических, жидких и газообразных проводниках. Они взаимодействуют с окружающими частицами, у которых нет направленного и упорядоченного движения. Эти взаимодействия и превращаются в тепло.

Заключение

Закон Джоуля-Ленца: количество теплоты, которое выделяется в проводнике, равно произведению квадрата силы тока в этом проводнике, умноженному на сопротивление проводника и на время, в течение которого этот ток протекает по проводнику.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б.  под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «Ppt4web.ru» (Источник)
2. Физика, механика (Источник)
3. Школа для Электрика (Источник)

Домашнее задание

1. П. 53, вопросы 1–4 – стр. 125 задание 27 (1). Перышкин А.В. Физика 8. М.: Дрофа, 2010.
2. В электрической печи при напряжении 220 В сила тока 30 А. какое количество теплоты выделит печь за 10 минут?
3. Как изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, если силу тока в проводнике увеличить в 2 раза?

 

Заметили ошибку?

Расскажите нам об ошибке, и мы ее исправим.

Электрические явления — нагревание проводников электрическим током, закон Джоуля-Ленца (физика 8 класс)

Джеймс Джоуль

Официально:

 Джеймс Прескотт Джоуль. 24 декабря 1818 – 11 октября 1889. Английский физик. Внес значительный вклад в становление термодинамики. Опытно обосновал закон сохранения энергии. Именем Джоуля назвали единицу измерения работы и энергии в системе СИ.

 

Неофициально:

1. Джоуль – ровесник Ивана Тургенева, то есть родился в 1818 году. Добавим, что в самый сочельник, 24 декабря.

Семья была небедной и владела пивоваренным заводом в городке Солфорде близ Манчестера – за это теперь Джоуля называют самым известным физиком среди пивоваров.

2. В детстве у Джеймса обнаружились проблемы с позвоночником. Болезненный мальчик не мог бегать со сверстниками, а потому увлекся исследованием мира. Обеспеченный папа дал сыну прекрасное домашнее образование – математике, химии и физике Джоуля обучал известный ученый Джон Дальтон.

3. Джоуль благодарно признавал, что Дальтон сыграл главную роль в  его решении заняться наукой. «Именно в результате его преподавания у меня появилось желание увеличить запас моих знаний с помощью оригинальных исследований».

4. Под влиянием физика и химика  Дальтона сын пивовара и сам пивовар уже в девятнадцать лет начал ставить эксперименты по физике. Впрочем, трудится на семейном заводе он начал еще раньше – пятнадцати лет.

5. Двадцати трех лет, в 1841 году он  доказал, что теплота, выделяемая проводником при прохождении электрического тока, пропорциональна квадрату силы тока и сопротивлению проводника. Независимо от Джоуля этот закон открыл русский физик Эмилий Христианович Ленц, поэтому в наших учебниках физики его называют законом Джоуля-Ленца.

6. Еще через пару лет все еще молодой Джоуль открыл второй закон, носящий его имя: закон Джоуля утверждает, что внутренняя энергия идеального газа, зависит только от его температуры и не зависит от объема.

7. В семействе Джоулей трепетно относились к увлечениям отпрыска. В 1844 году семья переехала в новый дом, где для Джеймса оборудовали специальную лабораторию.

8. В 1947 году Джеймс Джоуль женился на Амалии Граймс. Пара отправилась в свадебное путешествие во Францию в Шамони, но и там влюбленный Джоуль продолжал свои опыты: вместе с Уильямом Томсоном он измеряли разность температур между дном и верхней точкой местного водопада. 

9. Брак Джоуля был счастливым, но недолгим: в 1854 году Джоуль остался вдовцом с двумя малыми детьми на руках.

10. Списком открытий Джоуля можно занять десяток строчек, но первым пунктом во всех энциклопедиях значится экспериментальное обоснование закона сохранения энергии. Для тех, кто не помнит, первое начало термодинамики, как по-другому называют  закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам, в самой простой формулировке звучит так: невозможно существование вечного двигателя, который совершает работу, не черпая энергию из какого-то источника.

11. Лавры открытия первого начала термодинамики делят с Джоулем физик и врач Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц и врач Юлиус Роберт фон Майер. Гельмгольц признавал приоритет Майера, но к публикации врача по специальности физическое сообщество не отнеслось всерьёз. Нынче всем воздали по заслугам, а то, что Джоуль первым подтвердил принцип сохранения энергии количественными результатами, не оспаривается никем.

12. Со временем Джеймс Джоуль продал свой пивоваренный завод и всецело посвятил себя науке. За семьдесят полных лет жизни он опубликовал без малого сотню научных работ, большая часть которых ныне признана классическими, сделался членом Лондонского королевского общества и доктором права Эдинбургского и Лейденского университета.

13. В год его кончины – 1889-й – Второй международный конгресс электриков  сделал Джоуля именем нарицательным: он ввел джоуль в абсолютные практические электрические единицы в качестве единицы работы и энергии электрического тока.

14. Несмотря на то, что среди его работ множество связанных с электричеством, Джоуль считал, что электродвигатели никогда не вытеснят лошадь. Его резоны были просты, как ржание: стоимость цинка, расходуемого в батареях, больше стоимости овса, который съест лошадь, выполняющая ту же работу

15. В последние годы жизни Джоуль тяжко болел. Похоронили его вовсе не в Вестминстерском аббатстве как думают те, кто видел там памятник Джоулю в северном проходе хоров. Джоуль покоится на кладбище в Манчестере, и на надгробном памятнике выбито число 772,55. Это полученное в эксперименте 1878 года значение механического эквивалента тепла. Такую работу, выраженную в футо-фунтах, надо будет потратить, чтобы поднять температуру одного фунта воды с 60 до 61 градуса по Фаренгейту на уровне моря.

16. В Манчестерской ратуше Джоулю поставили памятник. Мраморная скульптура работы Альфреда Гильберта стоит напротив памятника Джону Дальтону, так что ученик и учитель  и после смерти неразлучны.   

Фото: wikimedia

SCIRP Открытый доступ

Издательство научных исследований

Журналы от A до Z

Журналы по темам

• Биомедицинские и биологические науки.
• Бизнес и экономика
• Химия и материаловедение.
• Информатика. и общ.
• Науки о Земле и окружающей среде.
• Машиностроение
• Медицина и здравоохранение
• Физика и математика
• Социальные науки. и гуманитарные науки

Журналы по тематике  

• Биомедицина и науки о жизни
• Бизнес и экономика
• Химия и материаловедение
• Информатика и связь
• Науки о Земле и окружающей среде
• Машиностроение
• Медицина и здравоохранение
• Физика и математика
• Социальные и гуманитарные науки

Публикация у нас

• Представление статьи
• Информация для авторов
• Ресурсы для экспертной оценки
• Открытые специальные выпуски
• Заявление об открытом доступе
• Часто задаваемые вопросы

Публикуйте у нас  

• Представление статьи
• Информация для авторов
• Ресурсы для экспертной оценки
• Открытые специальные выпуски
• Заявление об открытом доступе
• Часто задаваемые вопросы

Подпишитесь на SCIRP

Свяжитесь с нами

	клиент@scirp. org
	+86 18163351462 (WhatsApp)
	1655362766
	Публикация бумаги WeChat

Недавно опубликованные статьи

Недавно опубликованные статьи

• Детерминанты недоношенности в Университетском педиатрическом центре Банги (CHUPB)()

  CJ Kiteze Nguinzanémou, B. O. Bogning Mejiozem, S. Ningatoloum Nazita, FD Fiobème, E.V. Ngatimo, JE Kosh-Komba Palet, I.M. Wando Kangalé, E. Kiteze Bandassa, S.-C.H. Димер, Ж.-К. Годи

  Открытый журнал педиатрии Том 12 № 5, 23 ноября 2022 г.

  DOI: 10.4236/ojped.2022.125086 17 загрузок  90 просмотров

• Вызовы Опыт управления школами с привлечением учащихся с нарушениями зрения: пример средней школы в Намибии()

  Лукас Матати Джосуа, Синти Калиинашо Хайхамбо, Гилберт Ликандо

  Творческое образование Том 13 № 11, 23 ноября 2022 г.

  DOI: 10.4236/ce.2022.1311227 5 загрузок  44 просмотров

• Гнойный плеврит, выявляющий лимфобластную лимфому типа Т: отчет о педиатрическом клиническом случае ()

  Фатима Эззахра Тахири, Карима Эльфакири, Гизлен Драйсс, Нурредин Рада, Мохаммед Бускрауи, Бтиссам Зуита, Дуния Басрауи, Хишам Джалал

  Открытый журнал педиатрии Том 12 № 5, 23 ноября 2022 г.

  DOI: 10.4236/ojped.2022.125083 10 загрузок  32 просмотров

• Извлечение времени реакции человека из наблюдений методом постоянных стимулов()

  Хонгюн Ван, Марьям Адамзаде, Уэсли А. Бергей, Шеннон Э. Фоули, Хун Чжоу

  Journal of Applied Mathematics and Physics Vol.10 No.11, 23 ноября 2022 г.

  DOI: 10.4236/jamp.2022.1011220 3 загрузки  25 просмотров

• Дискретизированный по времени вариационный итерационный метод для процесса стохастической волатильности со скачками()

  Генриетта Ифи Оярикре, Эбимене Джеймс Мамаду

  Достижения чистой математики Том 12 № 11, 23 ноября 2022 г.

  DOI: 10.4236/apm.2022.1211052 6 загрузок  31 просмотр

• Искусственный интеллект и правовая система будущего: право на доступ к электрической энергии искусственного интеллекта()

  Ху Жэнь

  Открытый журнал социальных наук Том 10 № 12, 23 ноября 2022 г.

  DOI: 10.4236/jss.2022.1012030 2 загрузки  22 просмотра

Подпишитесь на SCIRP

Свяжитесь с нами

	клиент@scirp.org
	+86 18163351462 (WhatsApp)
	1655362766
	Публикация бумаги WeChat

Бесплатные информационные бюллетени SCIRP

Copyright © 2006-2022 Scientific Research Publishing Inc. Все права защищены.

верхний формула

, применение на практике, вывод

В 1841 и 1842 годах независимо друг от друга английские и русские физики установили зависимость количества теплоты от протекания тока в проводнике. Эта зависимость получила название «закон Джоуля-Ленца». Англичанин установил зависимость на год раньше, чем русский, но свое название закон получил от имен обоих ученых, потому что их исследования были независимыми. Закон не является теоретическим, но имеет большое практическое значение. И так давайте кратко и наглядно узнаем определение закона Джоуля-Ленца и где он применяется.

• Формулировка
• Часто задаваемые вопросы
• Перейдём к практике
• Закон Джоуля-Ленца для передачи электричества на расстояние
• Плавкие предохранители и предохранители

Формулировка

В реальном проводнике при протекании по нему тока совершается работа против сил трения. Электроны движутся по проводу и сталкиваются с другими электронами, атомами и другими частицами. В результате выделяется тепло. Закон Джоуля-Ленца описывает количество теплоты, выделяющееся при протекании тока по проводнику. Она прямо пропорциональна силе тока, сопротивлению и времени течения.

В интегральном виде закон Джоуля-Ленца выглядит так:

Сила тока обозначается буквой I и выражается в Амперах, Сопротивление — R в Омах, а время t — в секундах. Единица измерения теплоты Q — Джоуль, для перевода в калории нужно результат умножить на 0,24. При этом 1 калория равна количеству теплоты, которое необходимо подвести к чистой воде, чтобы повысить ее температуру на 1 градус.

Такая запись формулы справедлива для участка цепи с последовательным соединением проводников, когда в них течет один ток, но на концах падает разное напряжение. Произведение тока в квадрате на сопротивление равно мощности. При этом мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению. Тогда для электрической цепи с параллельным соединением закон Джоуля-Ленца можно записать в виде:

В дифференциальной форме это выглядит так:

Где j — плотность тока А/см ² , E — напряженность электрического поля, сигма — удельное сопротивление проводника.

Следует отметить, что для однородного участка цепи сопротивление элементов будет одинаковым. При наличии в цепи проводников с различным сопротивлением возникает ситуация, когда максимальное количество теплоты выделяется на том, который имеет наибольшее сопротивление, что можно сделать, проанализировав формулу закона Джоуля-Ленца.

FAQ

Как узнать время? Имеется в виду период протекания тока по проводнику, то есть когда цепь замкнута.

Как найти сопротивление проводника? Для определения сопротивления используют формулу, которую часто называют «рельсовой», то есть:

Здесь буквой «Ро» обозначено удельное сопротивление, оно измеряется в Ом*м/см2, l и S – длина и площадь поперечного сечения. В расчетах квадратные метры и сантиметры уменьшаются, а Омы остаются.

Удельное сопротивление является табличным значением и отличается для каждого металла. Медь на несколько порядков меньше, чем у высокоомных сплавов, таких как вольфрам или нихром. Для чего он применяется рассмотрим ниже.

Перейдем к практике

Закон Джоуля-Ленца имеет большое значение для электротехнических расчетов. Прежде всего, вы можете применить его при расчете отопительных приборов. В качестве нагревательного элемента чаще всего используют проводник, но не простой (типа медный), а с большим сопротивлением. Чаще всего это нихром или кантал, фехраль.

У них большое удельное сопротивление. Можно использовать медь, но тогда вы потратите много кабеля (сарказм, медь для этих целей не используется). Для расчета тепловой мощности нагревательного прибора необходимо определить, какое тело и в каких объемах необходимо нагреть, учесть количество необходимого тепла и за какое время его необходимо передать телу. После расчетов и преобразований вы получите сопротивление и силу тока в этой цепи. На основании данных об удельном сопротивлении выберите материал проводника, его сечение и длину.

Закон Джоуля-Ленца для передачи электроэнергии на расстояние

При передаче электроэнергии на расстояния возникает существенная проблема — потери на линиях электропередачи (ЛЭП). Закон Джоуля-Ленца описывает количество теплоты, выделяемое проводником при протекании тока. Линии электропередач питают целые предприятия и города, а для этого нужна большая мощность, как следствие, большой ток. Так как количество тепла зависит от сопротивления проводника и силы тока, чтобы кабель не нагревался, нужно уменьшить количество тепла. Увеличить сечение проводов не всегда возможно, т.к. это затратно по стоимости самой меди и веса кабеля, что влечет за собой удорожание несущей конструкции. Линии электропередач высокого напряжения показаны ниже. Это массивные металлические конструкции, предназначенные для поднятия кабеля на безопасную высоту над землей, во избежание поражения электрическим током.

Значит надо уменьшить ток, для этого повышают напряжение. Между городами линии электропередач обычно имеют напряжение 220 или 110 кВ, а у потребителя оно снижается до нужного значения с помощью трансформаторных подстанций (КТП) или ряда КТП постепенно снижая до более безопасных для передачи значений, например 6 кв.

Таким образом, при одинаковой потребляемой мощности при напряжении 380/220 В ток уменьшится в сотни и тысячи раз ниже. А по закону Джоуля-Ленца количество теплоты в этом случае определяется мощностью, которая теряется на кабеле.

Предохранители и предохранители

Закон Джоуля-Ленца применяется к предохранителям. Это элементы, защищающие электрическое или электронное устройство от чрезмерных для него токов, которые могут возникнуть в результате скачка питающего напряжения, короткого замыкания на плате или обмотках (в случае двигателей) для защиты от дальнейшего разрушения электросистемы в целом и пожарной. Они состоят из корпуса, изолятора и тонкого провода. Провод выбирают такого сечения, чтобы по нему протекал номинальный ток, а при его превышении количество выделяемого тепла сжигало его.

В результате изложенного делаем вывод, что закон Джоуля-Ленца нашел широкое применение и очень важен для электротехники. Благодаря информации о количестве теплоты, обеспечиваемой расчетами по указанным выше формулам, мы можем узнать о режимах работы устройств, подобрать необходимые материалы и сечения для повышения безопасности, надежности и долговечности устройства или цепь в целом.

На этом мы заканчиваем нашу статью. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной. Напоследок рекомендуем посмотреть видео, на котором этот вопрос рассмотрен более подробно:

Вы наверняка не знаете:

• Сопротивление проводника в зависимости от температуры
• Правило гимлета простыми словами
• Что такое диэлектрические потери?
• Как стать электриком с нуля