Калькулятор законов Ома и Джоуля — Ленца • Электротехнические и радиотехнические калькуляторы • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Функциональность этого сайта будет ограничена, так как в Вашем браузере отключена поддержка JavaScript!

Random converter

Калькуляторы Электротехнические и радиотехнические калькуляторы Калькулятор законов Ома и Джоуля — Ленца Этот калькулятор рассчитывает величины, упоминаемые в законах Ома и Джоуля — Ленца, то есть, соотношения между током, напряжением, мощностью, комплексной мощностью, импедансом и сопротивлением для цепей постоянного и переменного тока. Он позволяет определить одну или две неизвестные величины по двум известным. Example 1: Резистор сопротивлением 5 Ом подключен к автомобильной 12-вольтовой аккумуляторной батарее. Рассчитайте ток через резистор и рассеваемую на нем мощность. Example 2: Однофазный электродвигатель с импедансом Z=15 ∠53° = 9 + j12 ом подключен к бортовой системе электроснабжения самолета 115 В 400 Гц. Рассчитайте потребляемые двигателем комплексную мощность и ток. Постоянный ток — напряжение — сопротивление Постоянный ток — напряжение — сопротивление — мощность Переменный ток — напряжение — импеданс — комплексная мощность Сопротивление Rом (Ом)микроом (мкОм)миллиом (мОм)килоом (кОм)мегаом (МОм) Ток Iампер (А)микроампер (мкА)миллиампер (мА)килоампер (кА) Напряжение Uвольт (В)микровольт (мкВ)милливольт (мВ)киловольт (кВ)мегавольт (МВ) Поделиться Поделиться ссылкой на этот калькулятор, включая входные параметры Twitter Facebook Google+ VK Закрыть Для расчета введите любые две величины; две другие величины будут рассчитаны автоматически. При вводе величин для переменного тока помните, что их нужно вводить однообразно, то есть, например, ток и напряжение должны быть введены в виде или среднеквадратичных значений, или в виде пиковых значений, или в виде двойной амплитуды. Определения и формулы Закон Ома Нелинейные элементы Закон Джоуля — Ленца Закон Ома для цепей переменного тока Формулы закона Ома для переменного тока Мощность в цепях переменного тока Примеры расчетов Определения и формулы Электрическая схема простейшей цепи, иллюстрирующая параметры U, I и R закона Ома Мы окружены электронными устройствами и электрическими цепями. От компьютеров, планшетов, смартфонов и автомобилей до кредитных карточек, ключей к автомобилям и домам — во всех этих устройствах используются электрические цепи. И работа всех этих цепей основана на законе Ома: Все мы помним (ладно, не все, только некоторые) эту простую формулу из уроков физики, а некоторые знают ее даже с раннего детства. Европейцы знают первую формулу, а те, кто живет в Северной Америке, привыкли ко второй. Европейцы предпочитают обозначать напряжение буквой U, а американцы предпочитают V. Поэтому мы можем смело заявить, что закон Ома — везде. Попробуем понять его чуть лучше. Закон Ома Георг Симон Ом (1789–1854) Закон Ома назван в честь немецкого физика и математика Георга Симона Ома (1789–1854), который, будучи школьным учителем в школе с хорошо оборудованной физической лабораторией, исследовал недавно изобретенный Вольтов столб (в 1799 г.) и термопару, изобретенную в 1821 г. Он обнаружил, что ток в проводнике был прямо пропорционален разности потенциалов на концах проводника. Ом опубликовал результаты своих исследований в 1827 г. в знаменитой книге Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (Математическое исследование гальванической цепи). Это соотношение между током, напряжением и сопротивлением, известное теперь под названием закона Ома, является фундаментом всей электроники. Единица сопротивления ом также названа в честь ученого. Работы ученого были признаны не сразу и ему пришлось много лет бороться за признание на своей родине. Элемент электрических цепей, основной целью которого является ввод в цепь электрического сопротивления, называется резистором. На принципиальных схемах он обозначается двумя символами, один из которых используется в Европе и стандартизован Международной электротехнической комиссией (МЭК), а другой — в Северной Америке и стандартизован Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE). Резисторы и их символы — европейский, стандартизованный МЭК (слева), и американский, стандартизованный IEEE (справа) В законе Ома сопротивление, измеренное в омах — просто коэффициент пропорциональности между током и напряжением: где I — ток, V и U — напряжение и R — сопротивление. Отметим, что в этом выражении R ≥ 0. Отметим также, что в этой формуле предполагается, что резистор имеет постоянное сопротивление, не зависящее от приложенного напряжения или протекающего тока. Если величина R или отношение U/I постоянны, то можно построить график зависимости тока от напряжения, который будет иметь вид прямой линии. В резистивных цепях, например, в проводах и резисторах, ток и напряжение линейно пропорциональны. В математике линейной функцией называется такая функция, график которой представляет собой прямую линию (см. рисунок ниже). Например, функция y = 2x — линейная. Если две величины связаны линейным соотношением, то при увеличении или уменьшении одной величины, скажем, в три раза, вторая величина также увеличивается или уменьшается в то же самое число раз. В приложении к закону Ома это означает, что, если напряжение на резисторе увеличится втрое, ток через него также увеличится втрое. Однако, это справедливо только в предположении, что сопротивление резистора постоянно. График, показывающий соотношение между током и напряжением для определенного электронного элемента, называется его вольт-амперной характеристикой. Резисторы имеют линейную вольт-амперную характеристику. Более подробную информацию о резисторах и других электронных компонентах вы найдете в наших Электротехнических и радиотехнических калькуляторах, а также в Электротехнических конвертерах. Нелинейные элементы Графики вольт-амперных характеристик некоторых электронных элементов: 1 — резистор, 2 — диод, 3 — лампа накаливания, 4 — полупроводниковый стабилитрон; как мы видим, только резистор имеет линейную характеристику Несмотря на то, что при изучении закона Ома мы всегда предполагаем, что вольт-амперные характеристики резисторов линейные, важно отметить, что многие очень нужные электрические и электронные элементы, такие как лампы накаливания, диоды и транзисторы, широко применяемые в электрических схемах, имеют нелинейные характеристики сопротивления. То есть, их вольт-амперные характеристики не являются прямыми линиями, проходящими через начало координат. В этой цепи повышение напряжения не приведет к пропорциональному увеличению тока, так как сопротивление горячей лампы накаливания при подаче на нее номинального напряжения 12 В выше, чем оно было при 4 или 6 В. Вольт-амперная характеристика становится более пологой при повышении напряжения, что означает увеличение сопротивления лампы (см. рисунок выше) Во многих случаях предположение о линейности резисторов неверное. Возьмем, например, схему с лампой накаливания и источником переменного напряжения. Эту схему можно найти во многих школьных учебниках, где обсуждается зависимость тока от напряжения в предположении, что сопротивление лампы накаливания постоянное. Там объясняют, что, если напряжение, приложенное к 12-вольтовой лампе, увеличивать, ток также пропорционально увеличивается. Однако это совсем не так! Если включить амперметр и измерить ток, мы увидим, что он не прямо пропорционален напряжению. Это связано с тем, что сопротивление ламы изменяется — оно растет, когда нить накаливания начинает светиться, так как лампа имеет нелинейную вольт-амперную характеристику. Когда молодые люди начинают изучать электротехнику, законы Ома и Джоуля — Ленца будут, скорее всего первыми законами, которые нужно будет понять. Однако, когда они увидят эти законы в форме «колеса закона Ома», они могут испугаться, особенно если они поймут, что им придется зазубрить все эти формулы — потому что их учителям намного проще проверить память своих учеников, чем разобраться в том, понимают они предмет или нет. Поэтому многие преподаватели заставляют студентов зазубривать 12 формул вместо того, чтобы получше объяснить и показать на опыте суть закона и попросить их запомнить, а еще лучше, понять всего две из них: и Несмотря на то, что этот круг чаще всего называют «колесом закона Ома», здесь объединены два закона: Ома и Джоуля — Ленца. Недорогой набор для изучения школьниками законов электротехники Остальные 10 «страшных» формул можно просто вывести их этих двух. И даже эти две формулы не нужно запоминать. Запомнить и понять нужно то, что ток через элемент прямо пропорционален разности потенциалов, приложенной к этому элементу, и обратно пропорционален его сопротивлению. Это и есть закон Ома. А также то, что мощность прямо пропорциональна току и напряжению — это закон Джоуля — Ленца. Эти два закона очень интуитивны, если студенты понимают что такое ток, напряжение, сопротивление и мощность. А понять это можно, если поиграть с батарейкой, несколькими резисторами и мультиметром. Можно также поиграть и с этим калькулятором. Для понимания закона Ома удобно использовать гидравлический аналог с водяным насосом (представляющим источник питания), обеспечивающим давление жидкости (представляющее напряжение), которое толкает воду (ток) по трубе (цепи) с узким местом (сопротивление). Все остальные формулы, показанные в «колесе», выводятся из этих двух формул и, если они используются ежедневно, их в конце концов не трудно будет запомнить без лишних усилий. Закон Джоуля — Ленца Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) Для молодого Джеймса Джоуля, который работал менеджером в пивоварне, занятия наукой были просто хобби. Его отец был богатым пивоваром и Джеймс начал работать в пивоварне в 15 лет. Именно там, в 23 года, Джеймс Джоуль открыл закон, который теперь носит его имя. Его интересовало какой привод более эффективен в его работе: привычный паровой двигатель или недавно изобретенный электродвигатель. Этим экспериментам он посвящал много времени. В результате Джоуль установил соотношение между током, текущим через электрическое сопротивление (провод), и теплом, которое выделялось при этом. Закон Джоуля утверждает, что мощность выделяемого в проводнике тепла P при прохождении через него электрического тока I пропорциональна произведению квадрата тока на сопротивление проводника R: Если объединить этот закон с законом Ома, получается несколько полезных формул, которые можно использовать для расчета мощности, рассеиваемой резистором, определять сопротивление по известным току и напряжению, определять ток, текущий через резистор, а также приложенное к резистору напряжение. Эти формулы часто изображают в виде «колеса закона Ома» (вид довольно устрашающий) или не такого страшного «треугольника закона Ома». Ниже приведены примеры использования этих формул. Примеры кликабельные и результат расчетов можно посмотреть в калькуляторе. Нагрев провода при протекании через него тока иногда называют также омическим или резистивным нагревом. Эмилий Ленц (1804–1865) Выделение тепла в проводнике при прохождении через него электрического тока было независимо исследовано также русским физиком Эмилием Ленцем, который изучал электромагнетизм с 1831 г. Ленц известен прежде всего правилом о направлении индукционного тока в проводнике в изменяющемся магнитном поле, носящим его имя. Он также независимо от Джоуля открыл закон о выделении тепла в проводнике, поэтому он носит и его имя — закон Джоуля-Ленца. Следует отметить, что в некоторых учебниках на английском языке закон Джоуля-Ленца неправильно называют законом Уатта, особенно если используется формула P = UI. Закон Ома для цепей переменного тока Закон Ома используется не только для анализа описанных выше цепей постоянного тока. Если напряжение имеет форму изменяющейся во времени функции, например, к цепи приложено синусоидальное напряжение, то закон Ома не прекращает свое действие. Если к резистору приложено синусоидальное напряжение, то через него течет синусоидальный ток. Этот ток находится в фазе с приложенным напряжением, так как при изменении полярности напряжения, в тот же момент изменяет полярность и ток. Когда напряжение проходит через максимум, ток делает то же самое. При использовании закона Ома для анализа цепей переменного тока всегда необходимо выражать ток и напряжение единообразно. Это означает, что ток и напряжение нужно выражать в виде или среднеквадратичных значений, или пиковых значений, или двойной амплитуды. Если закон Джоуля — Ленца используется для определения рассеиваемой резистором мощности, действует аналогичное правило: ток и напряжение должны быть выражены одинаковым образом, например: Здесь индекс RMS означает среднеквадратичное значение (англ. root mean square). Или Здесь индекс p означает пиковое (англ. peak) значение. Если цепь переменного тока содержит реактивные элементы, такие как конденсаторы или катушки индуктивности, или обмотки двигателей, то закон Ома применим и к ним. В этом случае вместо активного сопротивления используется реактивное сопротивление: Здесь X может быть реактивным сопротивлением конденсатора XC или катушки индуктивности XL, которые рассчитываются по известным формулам: и Подробную информацию о реактивном сопротивлении различных элементов электронных схем, а также об их параллельном и последовательном соединении вы найдете в наших электротехнических и радиотехнических калькуляторах и конвертерах. Что касается мощности, потребляемой реактивными элементами, они не преобразуют энергию в тепло и, следовательно, энергия на их нагрев не теряется и рассеиваемая на них в виде тепла активная мощность P равна нулю. Мгновенная мощность (точнее, энергия) перемещается туда-сюда между конденсатором или катушкой и источником питания (помним, что соединительные провода при этом нагреваются и энергия теряется!). Скорость, с которой реактивный элемент сохраняет или возвращает энергию, называется реактивной мощностью Q и определяется по следующим формулам: Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (вар) и эту единицу можно использовать со всеми десятичными приставками, например: квар, Мвар, и т. д. Параллельная RLC-цепь Чтобы применить законы Ома и Джоуля-Ленца для цепей с реактивными и активными компонентами нужно использовать комплексные величины импеданса Z, напряжения U и тока I. В связи с тем, что при расчетах по этим законам нужно выполнять умножение и деление комплексных чисел, удобно представлять их в полярной форме. Для конвертирования величин тока, напряжения, комплексной мощности и импеданса из алгебраической формы в тригонометрическую и наоборот можно воспользоваться нашим калькулятором. Для определения импеданса различных параллельных и последовательных цепей с активными и реактивными компонентами пользуйтесь нашими Электротехническими и радиотехническими калькуляторами. Формулы закона Ома для переменного тока Вначале отметим, что оригинал этой статьи написан на английском языке для англоязычной аудитории. В учебниках по теоретическим основам электротехники и основам теории цепей на английском языке, в отличие от учебников на русском языке, широко используется анализ с помощью векторных диаграмм на комплексной плоскости в полярной системе координат, который здесь и рассматривается. Причем, в отличие от учебников на русском языке, где в таких случаях обычно используется формула Эйлера, в англоязычной (особенно американской) литературе принято обозначение комплексных числе в полярной системе координат с углом (∠), который обычно обозначается в градусах: Здесь U∠φ — сокращение для Uejφ. Ниже приведены формулы, используемые в этом калькуляторе. Расчёты выполняются с комплексными величинами, представленными в тригонометрической форме и в соответствии с правилами умножения и деления комплексных чисел в тригонометрической (векторной) форме. где φU, φI и φZ — соответственно фазовые углы напряжения, тока и импеданса. Все комплексные величины вводятся в калькулятор в алгебраической или в тригонометрической форме. Несмотря на то, что импеданс и комплексная мощность не являются векторами, как напряжение и ток, их можно представлять в комплексной форме, потому что они являются комплексными числами, как ток и напряжение. Если они вводятся в алгебраической форме, то для удобства вычислений они преобразуются в тригонометрическую форму по формулам, описанным в нашем Калькуляторе преобразования алгебраической формы комплексного числа в тригонометрическую. В качестве примера рассчитаем общий ток IT, в параллельной RLC-цепи с R = 10 Ом, L = 100 мкГн и C = 1 мкФ. Источник переменного тока подает в цепь синусоидальное напряжение 0,5 В с частотой 10 кГц (щелкните для просмотра результата вычислений). Величина модуля импеданса этой RLC-цепи равна Фазовый угол (аргумент): Положительный фазовый угол означает, что нагрузка имеет индуктивный характер и ток отстает от напряжения. Полный импеданс в тригонометрической форме: Для расчета полного тока воспользуемся законом Ома и правилом деления чисел в тригонометрической форме (модули делятся, углы вычитаются): Мощность в цепях переменного тока В нашем калькуляторе мощности переменного тока показано, что активную P, реактивную Q, полную |S| и комплексную S мощность можно рассчитать по следующим формулам: и Еще раз напомним, что, поскольку при расчете мощности нужно выполнять умножение и деление комплексных чисел, это удобно делать в тригонометрической форме. Можно показать, что комплексная мощность равна произведению комплексного значения напряжения и сопряженного комплексного значения тока, то есть Здесь U и I — напряжение в комплексной форме, а I*, U* и Z* — сопряженные комплексные значения тока, напряжения и импеданса соответственно. Полужирным шрифтом выделены комплексные значения. Отметим, что здесь комплексная мощность S измеряется в вольт-амперах (ВА). В тригонометрической форме имеем: Здесь φU — фазовый угол напряжения и φI — фазовый угол тока. Эти формулы использованы для «колеса закона Ома для переменного тока». Его удобно использовать в качестве шпаргалки для вычислений. «Колесо закона Ома»; полужирный шрифт показывает комплексные значения тока, напряжения, мощности и индуктивности. Звездочкой в I* показано, что это сопряженное комплексное значение тока I. Подробную информацию о расчете мощности переменного тока вы найдете в нашем Калькуляторе мощности переменного тока. Ниже приведено несколько примеров расчетов с использованием данного калькулятора. Примеры расчетов Пример 3. Нагреватель с сопротивлением 10 Ом подключен к розетке с напряжением 120 В. Рассчитайте потребляемую мощность и протекающий через нагреватель ток. Пример 4. Установленная в холодильнике маломощная лампа накаливания с сопротивлением 2300 Ом подключена к напряжению питания 120 В. Рассчитайте потребляемую лампой мощность и протекающий через нее ток. Пример 5. Ток 0,15 А от солнечной батареи протекает через резистор сопротивлением 220 Ом. Рассчитайте напряжение на резисторе и мощность, которую он рассеивает. Пример 6. Рассчитайте сопротивление галогенной лампы и потребляемую ею мощность, если она потребляет ток 1,5 А от автомобильной аккумуляторной батареи напряжением 12 В. Пример 7. Рассчитайте ток, протекающий через 12-килоомный резистор и падение напряжения на нем, если на резисторе рассеивается мощность 1 Вт. Последовательная RC-цепь (см. Пример 6). Дано: R = 10 Ом, C = 0,1 мкФ, IT = 0,2∠0°. Определить: UT Пример 8. 10-омный резистор и конденсатор ёмкостью 0,01 мкФ, соединенные последовательно, подключены к источнику переменного напряжения частотой 1 МГц. Определите напряжение источника в тригонометрической форме, если потребляемый от источника ток равен I = 0,2∠0° А. Подсказка: используйте Калькулятор импеданса последовательной RC-цепи для определения импеданса в тригонометрической форме (Z = 18.8 ∠–57.86°), затем используйте этот калькулятор для определения напряжения источника питания (V = 3.76∠–57.8° V). Автор статьи: Анатолий Золотков Вас могут заинтересовать и другие калькуляторы из группы «Электротехнические и радиотехнические калькуляторы»: Калькулятор резистивно-емкостной цепи Калькулятор параллельных сопротивлений Калькулятор параллельных индуктивностей Калькулятор емкости последовательного соединения конденсаторов Калькулятор импеданса конденсатора Калькулятор импеданса катушки индуктивности Калькулятор взаимной индукции Калькулятор взаимоиндукции параллельных индуктивностей Калькулятор взаимной индукции — последовательное соединение индуктивностей Калькулятор импеданса параллельной RC-цепи Калькулятор импеданса параллельной LC-цепи Калькулятор импеданса параллельной RL-цепи Калькулятор импеданса параллельной RLC-цепи Калькулятор импеданса последовательной RC-цепи Калькулятор импеданса последовательной LC-цепи Калькулятор импеданса последовательной RL-цепи Калькулятор импеданса последовательной RLC-цепи Калькулятор аккумуляторных батарей Калькулятор литий-полимерных аккумуляторов для дронов Калькулятор индуктивности однослойной катушки Калькулятор индуктивности плоской спиральной катушки для устройств радиочастотной идентификации (RFID) и ближней бесконтактной связи (NFC) Калькулятор расчета параметров коаксиальных кабелей Калькулятор светодиодов. Расчет ограничительных резисторов для одиночных светодиодов и светодиодных массивов Калькулятор цветовой маркировки резисторов Калькулятор максимальной дальности действия РЛС Калькулятор зависимости диапазона однозначного определения дальности РЛС от периода следования импульсов Калькулятор радиогоризонта и дальности прямой радиовидимости РЛС Калькулятор радиогоризонта Калькулятор эффективной площади антенны Симметричный вибратор Калькулятор частоты паразитных субгармоник (алиасинга) при дискретизации Калькулятор мощности постоянного тока Калькулятор мощности переменного тока Калькулятор пересчета ВА в ватты Калькулятор мощности трехфазного переменного тока Калькулятор преобразования алгебраической формы комплексного числа в тригонометрическую Калькулятор коэффициента гармонических искажений Калькулятор времени передачи данных Калькулятор внутреннего сопротивления элемента питания батареи или аккумулятора Калькуляторы Электротехнические и радиотехнические калькуляторы

Закон Джоуля-Ленца: определение, формула, история, схемы

Содержание:

Давним давно, жили два ученых, один из которых, кстати, был нашим соотечественником — Эмилий Христофорович Ленц. Так вот, примерно в одно и тоже время, наш герой, вместе со своим английским коллегой, Джеймсом Джоулем, провели опыт (независимо друг от друга). Результаты их исследований со временем назовут законом Джоуля Ленца. В тонкостях этой области физики мы и будем разбираться в нашей сегодняшней статье.

Эти два ученых ставили перед собой цель, выяснить, от чего зависит нагревание проводников, которые оказываются частью одной цепи и посчитать количество тепла, которое уходит на нагревание того или иного проводника. Логично предположить, что чем больше ток, который протекает через проводник, тем выше температура, до которой этот элемент нагревается. Также, тем выше скорость нагревания. Чтобы проверить свое предположения оба физика собрали цепи, в которой были последовательно соединены три проводника из разных материалов. Ученые последовательно пропускали ток разной силы, проводя замеры. Что они выяснили?

Немного истории

Многочисленные опыты, проведенные в конце XVIII – начале XIX века, позволили не только установить основные свойства и законы электричества, но и сформулировать эпохальный по своей значимости вывод об эквивалентности между теплотой и механической работой: работа, или, как впоследствии стали формулировать, «энергия», никогда не теряется, а лишь переходит из одного вида в другой. Этот вывод, получивший впоследствии название закона сохранения и превращения энергии (см. подраздел 1.2), и заключался в том, что теплоту можно обратить в механическую работу и наоборот и что из определенного количества теплоты можно получить только определенное количество механической работы. Можно привести тысячи примеров, когда с помощью этого закона нашли свое объективное толкование результаты опытов в различных областях естествознания.

Закон Джоуля Ленца кратко

Основными положениями закона сохранения энергии воспользовались и электротехники при определении, например, количества тепловой энергии, выделяющегося в гальванической батарее вследствие химической реакции и превращающегося впоследствии в электрическую энергию. Однако особенность электрической энергии состоит в том, что само по себе электричество неприменимо. Человечество не может использовать его непосредственно подобно тому, как оно согревается теплотой, видит благодаря свету и т.п. Можно пользоваться только действием электрического тока, при котором электричество переходит в другие формы энергии.

[stextbox id=’warning’]Одним из первых глубоко исследовал свойства электрического тока в 1801–1802 годах петербургский академик В.В. Петров (1761– 1834), который провел множество экспериментов по изучению неизвестных в то время законов электрического тока. Изучив работы своих предшественников, Петров пришел к выводу, что более полное и всестороннее исследование электрического тока возможно лишь с помощью крупных гальванических батарей, действие которых будет более интенсивным и легче наблюдаемым. Для своих опытов Петров построил самую крупную в мире в те годы батарею из 4200 медных и цинковых кружков, уложенных в четырех деревянных ящиках, и получил от нее электродвижущую силу около 1700 вольт. Благодаря «лежачей» конструкции тяжелые металлические кружки не выдавливали жидкости, которой пропитывались бумажные кружки, разделяющие цинковые и медные элементы. Для изоляции он покрыл внутренние стенки ящиков сургучным лаком. Общая длина батареи составила 12 м. Все это позволило ему построить «огромную наипаче» батарею, которой не знал ещё мир. Уже в 1801 году он нашел зависимость силы тока от поперечного сечения проводника, в то время как немецкий физик Ом, работавший над этими проблемами, опубликовал результаты своих опытов только в 1827 году. Очень скоро им было замечено, что при прохождении электрического тока по проводнику последний нагревается.[/stextbox]

В своих работах В.В. Петров описывает опыты по электролизу растительных масел, в результате которых он обнаружил высокие электроизоляционные свойства этих масел. Позднее масла получили широкое применение в качестве электроизоляционного материала. Желая продемонстрировать явление электролиза одновременно в нескольких трубках с водой, Петров впервые применил параллельное соединение приемников электрического тока. Работы этого выдающегося ученого установили возможность практического использования электрического тока для нагревания проводников.

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) – известный российский физик и электротехник, академик Петербургской академии наук, ректор Петербургского университета – родился в Дерпте (ныне Тарту, Эстония) в семье чиновника. После второго курса Дерптского университета отправился в 1823 году в трехлетнее кругосветное плавание. С помощью сконструированных им приборов (глубометра и батометра) занимался физическими исследованиями в водах Берингова пролива, Тихого и Индийского океанов, установил происхождение теплых и холодных морских течений, открыл закон океанических циркуляций. В 1829 г. принял участие в экспедиции на Кавказ, где проводил магнитные, термометрические и барометрические измерения в горных районах Кавказа и на побережье Каспийского моря. В 1830 году был назначен экстраординарным профессором и директором физического кабинета при Петербургской АН, в 1836 г. возглавил кафедру физики в Петербургском университете, а в 1863 г. стал ректором этого университета. Основные его работы посвящены электромагнетизму, вопросам теории и практического применения электричества, исследования в области которого Ленц начал в 1831 году в лаборатории первого русского электротехника – академика В.В. Петрова. Ленц стоял у истоков первой в России школы физиков-электротехников, последователями которой стали А. С. Попов, Ф.Ф. Петрушевский, В.Ф. Миткевич и др.

Зависимость количества выделяемой теплоты от силы тока изучали английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Ленц. Они пропускали ток по спирали, помещенной в калориметр с водой. Через некоторое время вода нагревалась. По её температуре легко было вычислить количество выделившейся теплоты. Из проведенных опытов практически одновременно Джоуль и Ленц пришли к выводу, что при прохождении гальванического тока I по проводнику, обладающему определенным сопротивлением R, в течение времени t совершается работа А :

А = I 2 Rt,

проявляющаяся в виде выделившейся теплоты.

Этот важнейший вывод обратимости электрической и тепловой энергии, теоретически обоснованный Уильямом Томсоном, получил название закона Джоуля–Ленца, а именем Джоуля названа единица механической работы в системе СИ.

Комбинируя проводники различного сопротивления, включенные последовательно в общую цепь, можно добиться концентрированного выделения большого количества теплоты на малом участке проводника с большим сопротивлением. На таком концентрировании выделения теплоты были основаны все первоначальные опыты превращения энергии электрического тока в тепловую и даже в световую энергию.

Суть данного закона

Всю свою жизнь В.В. Петров – член двух академий – прожил скромно и незаметно. 41 год он проработал в Медико-хирургической академии. За это время он провел много физических опытов, написал три книги и учебник по физике, которым пользовались в гимназиях всей России. Книги и научные статьи Петров писал на русском языке, чтобы их читало как можно больше людей, хотя в то время научные работы было принято писать на латыни. Он писал: «Я надеюсь, что просвещенные и беспристрастные физики по крайней мере некогда согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает».

О законе Джоуля Ленца

Рассмотрим произвольный участок цепи постоянного тока, к концам которого приложено напряжение U. За время t через каждое сечение проводника проходит заряд  . Это равносильно тому, что заряд q переносится за время t из одного конца проводника в другой.

Интересный материал:Все о законе Ома

При этом силы электростатического поля и сторонние силы, действующие на данном участке, совершают работу  . Разделив работу на время t, за которое она совершается, получим мощность, развиваемую током на рассматриваемом участке  .

Эмилий Ленц

Эта мощность может расходоваться на совершение работы над внешними телами; на протекание химических реакций; на нагревание данного участка цепи и др.

В случае, когда проводник неподвижен и химических превращений в нем не совершается, работа тока затрачивается на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается. Принято говорить, что при протекании тока в проводнике выделяется тепло

Это соотношение называется законом Джоуля – Ленца. Оно было экспериментально установлено английским физиком Д. П. Джоулем и подтверждено точными опытами Э. Х. Ленца.

Если сила тока изменяется со временем, то количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время t, вычисляется по формуле

От формулы (4.1), можно перейти к выражению, характеризующему выделение тепла в различных точках проводника. Выделим в проводнике элементарный объем в виде цилиндра. Согласно закону Джоуля – Ленца, за время dt, в этом объеме выделится количество теплоты

где – dV элементарный объем. Разделив это выражение на dV и dt, найдем количество теплоты, выделяющееся в единице объема в единицу времени:

Величину   называют удельной тепловой мощностью тока. Эта формула представляет собой дифференциальную форму закона Джоуля – Ленца.

Вопросы

• В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока
  2) Напишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах

Из курса лекций

При протекании тока через проводник, обладающий сопротивлением, проводник нагревается (если он неподвижен и в нём нет химических превращений, то работа тока расходуется на нагревание проводника). Определим количество теплоты, выделяющегося в единицу времени на участке цепи. Рассмотрим однородный и неоднородный участки цепи, будем использовать закон Ома и закон сохранения энергии.

Однородный участок цепи

Рассчитаем работу, которую совершают силы поля над носителями тока на участке 1–2 за время dt. Сила тока в проводнике I, разность потенциалов между точками 1 и 2 – (j₁ – j₂). Тогда:   – такой заряд протечёт через поперечное сечение участка 1-2.

работа, совершаемая при перенесении заряда dq через поперечное сечение проводника на участке 1–2, силами поля.

Согласно закону сохранения энергии, энергия, эквивалентная этой работе, выделяется в виде тепла, если проводник неподвижен и в нём не происходят химические превращения, т.е. проводник нагревается. Носители тока (в металлах электроны) в результате работы сил поля приобретают дополнительную кинетическую энергию, а затем расходуют её на возбуждение колебаний решётки при столкновении с её узлами-атомами. Тогда:

Т.к.  , проинтегрировав, получаем:

но т.к.

Эта формула выражает закон Джоуля-Ленца для однородного участка цепи в интегральной форме записи. Если сила тока изменяется со временем, то количество теплоты, выделяющееся за время t вычисляется по формуле:

Получим дифференциальную форму записи закона Джоуля-Ленца.

;  ;   – величина элементарного объема.

Формула(24.6) определяет тепло, выделяющееся во всём проводнике, можно перейти к выражению, характеризующему выделение тепла в различных местах проводника. Выделим в проводнике элементарный объём в виде цилиндра. Согласно закону Джоуля-Ленца за время dt в этом объеме выделяется тепло.

Разделив это выражение на dV и dt, найдём количество тепла, выделяющееся в единице объема в единицу времени, эту величину назвали удельной тепловой мощностью тока w.

Удельная тепловая мощность тока – это количество теплоты выделяющееся в единицу времени в единице объема проводящей среды.

Тогда:

то

Формула (24.9) – дифференциальная форма записи закона Джоуля-Ленца. Сформулируем его:

[stextbox id=’warning’]Удельная тепловая мощность тока пропорциональна квадрату плотности электрического тока и удельному сопротивлению среды в данной точке.[/stextbox]

Уравнение   применимо к любым проводникам вне зависимости от их формы, однородности и от природы сил, возбуждающих электрический ток. Если на носители тока действуют только электрические силы, то, согласно закону Ома:

то

Это уравнение имеет менее общий характер, чем уравнение

Неоднородный участок цепи

На неоднородном участке цепи на носители тока действуют не только электрические, но и сторонние силы, т.к. участок цепи содержит источник ЭДС. Тогда по закону сохранения энергии в неподвижном проводнике выделяемая теплота равна энергии, т.е. алгебраической сумме работ электрических и сторонних сил. Это же относится и к соответствующим мощностям: тепловая мощность должна быть равна алгебраической сумме мощностей электрических и сторонних сил:

– выделяющаяся на участке тепловая мощность. При наличии сторонних сил величина тепловой мощности определяется по той же формуле, что и для однородного участка цепи. Последнее слагаемое в правой части формулы:   – представляет собой мощность, развиваемую сторонними силами на данном участке цепи, но величина   – алгебраическая, в отличие от величины   она изменяет знак при изменении направления тока I.

Таким образом, данная формула означает, что тепловая мощность, выделяемая на участке цепи между точками 1 и 2, равна алгебраической сумме мощностей электрических и сторонних сил. Сумму этих мощностей, называютмощностью токана рассматриваемом участке цепи. Тогда можно сказать, что в случае неподвижного участка цепи мощность выделяемой на этом участке теплоты равна мощности тока.

Для полной неразветвлённой цепи

тогда:

– формула определяет общее количество выделяемой за единицу времени во всей цепи джоулевой теплоты (Q), оно равно мощности только сторонних сил.

Итак, теплота производится только сторонними силами, а электрическое поле только перераспределяет эту теплоту по различным участкам цепи.

Получим выражение закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме записи.

разделим на s,

Магнитное поле в вакууме Магнитное поле. Магнитная индукция

Как в пространстве, окружающем электрический заряд возникает ЭП, так и в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным (МП).

[stextbox id=’warning’]В 1820г. датский физик Эрстед обнаружил, что поле, возбуждаемое током, оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку.[/stextbox]

Опыт Эрстеда заключался в следующем: над магнитной стрелкой натягивалась проволока, по которой пропускали ток. Магнитная стрелка могла вращаться на игле. При включении тока магнитная стрелка поворачивалась и устанавливалась перпендикулярно к проволоке. При изменении направления тока, магнитная стрелка поворачивалась в противоположную сторону и опять устанавливалась перпендикулярно к проволоке.

Из опыта Эрстеда вытекает, что МП имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной, называемой магнитной индукциейи обозначаемой  .

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся заряды, а МП – только на движущиеся в этом поле заряды.

Важнейшая особенность МП: оно действует только на движущиеся заряды.

Интересный материал:Мощность электрического тока: особенности расчета

Для обнаружения ЭП в него вносят пробный заряд. Для обнаружения МП в него вносят проводник с током (плоский замкнутый контур с током) или рамку с током, линейные размеры рамки с током малы по сравнению с расстоянием до токов, порождающих МП.

МП действует на рамку с током и рамка с током поворачивается. Ориентация контура с током в пространстве характеризуется направлением нормали ( ), т.е. за направление МП в данной точке принимают направление положительной нормали к рамке.

МП оказывает на контур с током (рамку с током) рис. 25.1. ориентирующее действие, поворачивая его определенным образом. Этот результат связан с определенным направлением магнитного поля.За положительное направление нормали принимается направление, связанное с направлением тока правилом правого винта, т.е. за положительное направление   принимается направление поступательного движения правого винта, головка которого вращается в направлении тока, текущего по рамке .

За направление индукции МП в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к контуру с током.

Пусть ток течет по контуру против хода часовой стрелки, тогда ось магнитной стрелки, помещенной в МП, устанавливается вдоль направления поля (ось магнитной стрелки направлена так, что соединяет южный полюс S магнита с северным N).

Формула Ленца

На магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая ее до тех пор, пока ось стрелки не установится вдоль направления поля.

Вращающий момент, действующий на рамку с током равен:

Вращающий момент зависит от свойств поля в данной точке и свойств рамки, где   – вектор магнитного момента рамки с током,   – вектор магнитной индукции.

магнитный момент плоского контура с током, где I – сила тока в контуре, S – площадь поверхности контура (рамки),  – единичный вектор нормали к поверхности рамки.

_м ↑↑  , где   – направление положительной нормали к рамке.

Индукция МП определяется так:

или

Вектор  – силовая характеристика МП, но по историческим причинам ее назвали индукцией МП.

МП можно изображать с помощью линий магнитной индукции – силовых линий МП.

Силовыми линиями МП называются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора  .

Направление силовых линий задается правилом правого винта: острие винта, движется по направлению тока, а направление вращения головки винта показывает направление обхода по силовым линиям.

Свойства силовых линий (линий магнитной индукции) МП:

• Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током.

(Силовые линии ЭСП разомкнуты. Они начинаются на (+q) и заканчиваются на (–q)).

Поле, силовые линии которого замкнуты, называется вихревым. МП – вихревое поле. Изобразим линии магнитной индукции полосового магнита. Силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный. Разрезая магнит на части, нельзя разделить полюса магнита.

Внутри (установлено на опыте) полосовых магнитов имеется магнитное поле, силовые линии которого являются продолжением силовых линий вне магнита. Т.е. силовые линии МП постоянных магнитов тоже замкнуты. Свободных магнитных зарядов не существует.

• Линии МП никогда не пересекаются. Их густота характеризует величину магнитной индукции в данной точке поля. Магнитная индукция зависит от свойств среды.
• Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции:

Поле вектора  , порождаемое несколькими движущимися зарядами (токами), равно векторной сумме полей  , порождаемых каждым зарядом (током) в отдельности.

В СИ единицей измерения магнитной индукции является тесла:

1 Тл = Дж/А·м² = Н·м/А·м² = Н/А·м

Магнитной проницаемостью среды является безразмерная величина, показывающая, во сколько раз МП в среде больше чем МП в вакууме:

где В _{– величина МИ в вакууме, а Вср – величина магнитной индукции в среде.}

Гн/м – магнитная постоянная.

В заключении предлагаем скачать интересный труд Натисова из Московского государственного института имени Баумана “Закон Джоуля Ленца”

http://bourabai.kz/toe/joul-lentz.htm
http://edu.tltsu.ru/er/book_view.php?book_id=14d6&page_id=11958
http://www. physicsleti.narod.ru/fiz/html/point_4_5.html
http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0.%20%D0%9F%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D0%A2%D0%BE%D0%BA/07-7.htm
http://www.phys.nsu.ru/cherk/eldinfirst/wese23.html
http://energetika.in.ua/ru/books/book-2/part-3/section-7/7-1

Предыдущая

ТеорияФантомное питание для микрофона: схема подключения

Следующая

ТеорияЧто такое триггер в электронике — подробно разбираемся в терминах

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

Подпишитесь на SCIRP

Свяжитесь с нами

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

Бесплатные информационные бюллетени SCIRP

Copyright © 2006-2023 Scientific Research Publishing Inc. Все права защищены.

Верхняя

Закон Джоуля-Ленца

Ленц Эмиль Христианович (1804 — 1865) — известный русский физик. Он является одним из основоположников электромеханики. С его именем связано открытие закона, определяющего направление индукционного тока, и закона, определяющего электрическое поле в проводнике с током.

Кроме того, Эмили Ленц и английский физик Джоуль, изучая экспериментально тепловые эффекты тока, независимо друг от друга, открыли закон, согласно которому количество теплоты, выделяющееся в проводнике, будет прямо пропорционально квадрату электрического тока, проходящего через проводник, его сопротивление А время, в течение которого электрический ток сохраняется неизменным в проводнике.

Этот закон получил название закона Джоуля-Ленца, его формула такова:

Q = kl²Rt, (1)

Где Q — количество выделяемой теплоты, l — ток, R — сопротивление проводника, t — время; Величина k называется тепловым эквивалентом работы. Числовое значение этой величины зависит от выбора единиц, в которых измеряются остальные величины в формуле.

Если количество тепла измеряется в калориях, сила тока в амперах, сопротивление в Омах и время в секундах, то k численно равно 0,24. Это означает, что ток в 1а обеспечивает в проводнике, имеющем сопротивление 1 Ом, за одну секунду тепловое число, равное 0,24 ккал. Исходя из этого, количество теплоты в калориях, выделяющихся в проводнике, можно рассчитать по формуле:

Q = 0,24 л²Rt.

В системе единиц СИ энергия, количество теплоты и работа измеряются в единицах — джоулях. Следовательно, коэффициент пропорциональности в законе Джоуля-Ленца равен единице. В этой системе формула Джоуля-Ленца имеет вид:

Q = l²Rt. (2)

Закон Джоуля-Ленца можно проверить на опыте. По проволочной спирали, погруженной в жидкость, налитую в калориметр, пропускают ток. Затем подсчитывают количество теплоты, выделившееся в калориметре. Сопротивление спирали известно заранее, сила тока измеряется амперметром, а время — секундомером. Меняя ток в цепи и используя разные спирали, можно проверить закон Джоуля-Ленца.

На основании закона Ома

I = U/R,

Подставляя ток в формулу (2), получаем новое выражение для формулы закона Джоуля-Ленца:

Q = (U²/R)t .

Формулу Q = l²Rt удобно использовать при расчете количества теплоты, выделяющейся при последовательном соединении, так как в этом случае электрический ток во всех проводниках одинаков. Следовательно, при последовательном соединении нескольких проводников каждому из них будет передано количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника. Если, например, последовательно соединить три провода одинакового сечения — медный, железный и никелевый, то наибольшее количество тепла будет извлекаться из никеля, так как его удельное сопротивление наибольшее, он прочнее и разогревается.