Формула теплоты в электрической цепи: Количество теплоты, выделяемое проводником с током — урок. Физика, 8 класс. — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Теплота и энергия 📙 в электрической цепи

Закон Джоуля-Ленца
Определение потерь электроэнергии в ЛЭП
Энергия в электрической цепи

Трансформирование электроэнергии в тепловую имеет широкое применение на практике, используется в разнообразных нагревательных устройствах, как в быту, так и на промышленных предприятиях.

При этом потери тепловой энергии крайне нежелательны, так как приводят к неэффективному использованию электроэнергии, что влияет на КПД электромашин, трансформаторов и других приборов.

Зависимость тепловой энергии от электрической в 1841 году сформулировал Джеймс Джоуль. Немного позже это же совершил Эмиль Ленц. Закон, название которого объединило две фамилии известных ученых, сегодня позволяет рассчитывать мощности тепловых приборов, а также потери на выделение теплоты в линиях электропередач.

Закон Джоуля-Ленца звучит следующим образом: теплота, что выделяется из проводника, по которому течет электрический ток, прямо пропорциональна величине напряженности электрического поля и плотности тока:

$W = \overrightarrow{j}\overrightarrow{E}=QE^2, $

где $W$ – мощность тепловой энергии,

$\overrightarrow{j} $ — плотность электрического тока,

$\overrightarrow{E} $ — напряженность электрического поля,

$Q$ — проводимость среды. 2 t\over R}=UIt\)

Проведенные учеными Джоулем и Ленцем исследования в области выделения тепла от воздействия электрического тока имеют огромное научное значение. Они позволили понять многие физические явления, а выведенные при этом законы и формулы по сегодняшний день широко используются при различных расчетах.

В электротехнике количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему тока, в некоторых случаях имеет огромное значение, а именно при расчетах следующих параметров:

тепловой мощности электронагревателей;
параметров проводов электропроводки;
температуры срабатывания автовыключателей;
теплопотерь в ЛЭП;
температуры плавления предохранителей;
тепловыделения разнообразных электротехнических и радиотехнических устройств.

Выделение тепла проводами ЛЭП очень нежелательно, так как влечет за собой потери электроэнергии. По разным мировым данным потери электроэнергии в ЛЭП составляют около 40 %. 2 \over R}\)

В международной системе СИ мощность измеряется в Ваттах (Вт), а энергия в Джоулях (Дж). Для данных величин применяют как кратные, так и дольные единицы. Зачастую энергия выражается в киловатт-часах.

Нагревание проводников электрическим током кратко

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 135.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 135.

Одним из свойств электрического тока является нагрев проводников, по которым он протекает. Этот эффект был замечен многими исследователями, но его понимание пришло только выяснения механизма взаимодействия заряженных частиц с атомами и молекулами проводников. Нагрев приводит к выделению тепла и повышению температуры, а количество выделяемого тепла можно рассчитать с помощью формулы закона Джоуля-Ленца.

Почему нагреваются проводники

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В проводниках этими частицами выступают отрицательно заряженные электроны. Воздействие электрического поля сообщает электронам дополнительную кинетическую энергию. В процессе движения они сталкиваются с атомами (или молекулами) проводника, отдавая часть приобретенной энергии. По этой причине начинает увеличиваться внутренняя энергия вещества, что приводит к повышению температуры и выделению тепла.

Рис. 1. Электрический ток в проводнике нагревает проводник

Если взять обычную лампочку накаливания и подключить ее к источнику напряжения через реостат (переменное сопротивление), то можно наблюдать тепловой эффект от протекания тока. Постепенно увеличивая ток, мы можем сначала на ощупь почувствовать, что стеклянная колба лампочки постепенно начнет нагреваться, а затем увидим, как начинает светиться раскаленная нить накаливания.

Заметим, что в этом эксперименте подводящие провода сильно не нагреваются и не светятся. Это происходит потому, что сопротивление нити накаливания намного больше сопротивления подводящих проводов .

Закон Джоуля-Ленца

На основании этого и других экспериментов можно сделать следующие предположения:

чем больше сопротивление, тем сильнее нагреваются проводники. 2\over R}*t $$
Формулы закона Джоуля-Ленца справедливы тогда, когда работа, совершаемая электрическим током идет исключительно на нагревание. Если в цепи есть потребление энергии на выполнение механической работы (электродвигатель) или на совершение химических реакций (электролит), то для расчета необходимо применять другие формулы.
Плюсы и минусы от нагрева электрическим током
- Плюсы. Нагревание проводников электрическим током находит свое применение в различных полезных приборах и устройствах: электроплитах, чайниках, кофеварках, кипятильниках, фенах, утюгах, обогревателях.
- Минусы. Очень часто инженерам-электронщикам приходится бороться с этим эффектом для того, чтобы, например, обеспечить работоспособность электронных плат, которые напичканы огромным количеством электронных деталей, микросхем и т.д. Все эти элементы греются в соответствие с законом Джоуля-Ленца. И если не предпринять меры для принудительного охлаждения с помощью металлических радиаторов или вентиляторов (кулеров), то платы быстро выйдут из строя от перегрева.
Рис. 2. Бытовые нагревательные приборы: чайник, утюг, фен, электроплита.
Часто для быстрого соединения проводов многие пользуются способом “скрутки”. Это приводит к значительному увеличению сопротивления, а следовательно, место “скрутки” будет греться сильнее, чем остальная часть проводки. Поэтому скрутка проводов часто бывает причиной пожаров в домах и квартирах. Для улучшения контакта требуется хорошо пропаять это место.
Что мы узнали?
Итак, мы поговорили кратко о нагревании проводников электрическим током. Нагрев проводников происходит из-за того, что электроны, движущиеся упорядоченно с определенной скоростью, сталкиваются с атомами вещества и отдают часть своей энергии, которая переходит в тепло. Количество тепла можно определить, применив формулу Джоуля-Ленца.

Тест по теме
Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Оценка доклада
4. 2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 135.
А какая ваша оценка?
Расчет потерь мощности с использованием формулы Джоуля | Блог Advanced PCB Design
Ключевые выводы
- Джоулев нагрев — это физический эффект, который увеличивает внутреннюю энергию и столкновение электронов в цепи с током, что приводит к генерированию тепловой энергии.
- Формула нагрева Джоуля определяется как Q=I2Rt.
- Согласно формуле Джоуля для нагревания, вырабатываемая тепловая энергия пропорциональна времени, в течение которого электрический ток и электрическое сопротивление остаются постоянными.
Потери мощности из-за нагрева – основной недостаток, препятствующий использованию ламп накаливания

Системы светодиодного освещения. В рамках этого перехода от ламп накаливания отказываются. Потери мощности из-за нагрева являются основным недостатком ламп накаливания, снижающим их КПД. Сопротивление, оказываемое нитью накала потоку электрического тока, производит тепловую энергию, которую можно рассчитать, используя формулу нагревания Джоуля. Именно тепловые потери или явление джоулевого нагрева ограничивают применение ламп накаливания при попытке сэкономить электроэнергию. В этой статье рассматривается Джоулев нагрев в электрических цепях и способы расчета энергии, теряемой в виде тепла.

Джоуль Нагрев
Мы уже знаем, что поток электронов в замкнутой цепи представляет собой электрический ток. Когда ток протекает через цепь или проводящий материал, сопротивление, связанное с цепью или материалом, вызывает столкновение электронов. Электроны, сталкиваясь друг с другом, рассеивают энергию в виде тепла и генерируют потери мощности. Часть входной электрической мощности теряется в виде тепловой энергии. Выходная мощность всегда будет меньше входной мощности при наличии тепловых потерь. Эффективность контура снижена до менее 100% из-за тепловых потерь.

В целом джоулев нагрев можно описать как физический эффект, который увеличивает внутреннюю энергию и столкновение электронов в цепи с током, что приводит к генерированию тепловой энергии. В процессе джоулевого нагрева, в зависимости от условий цепи, некоторая часть электрической энергии превращается в тепло при протекании электрического тока по цепи конечной проводимости. Джоулев нагрев также известен как омический нагрев или резистивный нагрев. Сопротивление является важным свойством, определяющим ток, протекающий по цепи. Скорость, с которой сопротивление преобразует электрическую энергию в тепловую, можно рассчитать, используя формулу нагревания Джоуля.
Формула нагрева Джоуля

Формула нагрева Джоуля — это математическое уравнение, определяющее скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в тепловую благодаря сопротивлению, оказываемому цепью. Закон назван в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля, который обнаружил, что количество тепловой энергии, выделяемой в секунду в проводнике или цепи с током, пропорционально квадрату цепи и электрическому сопротивлению цепи.
Формула нагревания в Джоулях определяется следующим образом:
Q = I ² Rt
Q – количество генерируемого тепла, выраженное в джоулях.
I — электрический ток в амперах.
R — сопротивление цепи протеканию электрического тока в Омах.
t — время, в течение которого ток может течь в цепи, выраженное в секундах.
Рассмотрим пример джоулевого нагрева, когда ток 5 А протекает через электрический провод сопротивлением 20 Ом в течение 10 с. Тепловая энергия, вырабатываемая в джоулях, может быть рассчитана по формуле нагревания Джоуля:
Q = 5 ² x 20 x 10 = 5 кДж
Когда полезен Джоулев нагрев?
Джоулев нагрев не всегда вреден, но может привести к потерям в электрической системе. Существуют определенные приложения, в которых полезно преднамеренное создание потерь тепла. Большинство бытовых приборов преобразуют электрическую энергию в тепловую. Некоторыми примерами, в которых используется джоулев нагрев, являются электрический нагреватель, гейзер и лампы накаливания.
Увидеть лампы накаливания в качестве применения может быть неожиданно, так как во вводном разделе мы обсуждали потери мощности из-за нагрева в этих лампах. Однако именно из-за явления джоулевого нагрева лампы накаливания излучают не только тепловую энергию, но и свет. Вольфрамовый материал обычно имеет высокую температуру плавления и используется в качестве нити накала в лампах накаливания. Тонкая нить с высоким сопротивлением, заключенная в стеклянную оболочку, заполненную азотом и аргоном, производит большое количество тепловой энергии. Огромная теплота, выделяемая из-за протекания электрического тока в нити накала, делает ее раскаленной добела. Нить накала излучает свет и тепло одновременно, первое полезно, а второе создает проблемы из-за эффекта нагрева Джоуля.
Согласно формуле нагревания Джоуля, вырабатываемая тепловая энергия пропорциональна времени, в течение которого электрический ток и электрическое сопротивление остаются постоянными. Когда любая комбинация двух из трех параметров в формуле нагрева Джоуля (ток, сопротивление и время) постоянна, выделяемое тепло пропорционально третьему параметру, который изменяется. С помощью программного обеспечения Cadence вы можете разрабатывать приложения, которые преднамеренно используют джоулев нагрев, а также снижают потери мощности из-за нагрева в электрических системах.
Ведущие поставщики электроники полагаются на продукты Cadence, чтобы оптимизировать потребности в мощности, пространстве и энергии для широкого спектра рыночных приложений. Если вы хотите узнать больше о наших инновационных решениях, поговорите с нашей командой экспертов или подпишитесь на наш канал YouTube.

Запросить оценку
Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.
Подпишитесь на LinkedIn Посетите вебсайт Больше контента от Cadence PCB Solutions
УЗНАТЬ БОЛЬШЕ
термодинамика — резистивный нагрев — расчет того, насколько сильно нагреется провод, прежде чем он расплавится
Время, необходимое для расплавления медного провода в условиях короткого замыкания, можно определить из «уравнения Ондердонка для тока плавления». Ниже приведены две хорошие ссылки с выводами, предположениями и некоторыми обсуждениями недостатков уравнения:
https://adam-research.de/pdfs/TRM_WhitePaper10_AdiabaticWire.pdf
https://web.archive.org/web/20190810140830/http://www.ultracad.com/articles/preece.pdf
Обычно он используется для определения размера проводников для источника питания, который вызывает короткое замыкание, но схема защиты имеет конечное время задержки, прежде чем она среагирует.