формула, определение простыми словами, задачи, где применяется

Знание законов и способов использования электричества — необходимый элемент школьного образования. Вместе с экспертом разберем задачи на закон Джоуля-Ленца и узнаем, где он применяется в жизни

Борис Михеев

Автор КП

Николай Герасимов

Старший преподаватель физики проекта «ИнтернетУрок»

Физики всегда искали способы практического применения электричества, чувствуя его гигантский потенциал. Первой ступенькой на этом пути стал закон Ома, связавший в один узел основные понятия новой науки. Эксперименты показали, что электричество можно преобразовать в теплоту. Это стало научным прорывом, нужен был только математический аппарат для инженерных расчетов. И вот от он найден.

Определение закона Джоуля-Ленца простыми словами

Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц независимо установили опытным путем, что проводник, по которому течет электрический ток, выделяет тепло. И его количество прямо пропорционально квадрату силы тока, его сопротивлению и времени протекания тока. Это, собственно говоря, и есть самое простое определение закона Джоуля-Ленца

В ТЕМУ

Формула закона Джоуля-Ленца


Определить количество теплоты, выделяемой проводником при прохождении через него электричества, можно по следующей формуле:


Q=I²⋅R⋅t


Где:

Q — количество теплоты в джоулях;
I — сила тока в амперах;
R — сопротивление проводника в омах;
t — время в секундах.


Задачи на закон Джоуля-Ленца


Наиболее ярко этот закон проявляется при расчетах тепловых приборов.


Задача 1


25 минут через спираль электроплитки сопротивлением 30 Ом протекает электрический ток силой 1,3 А. Какое количество теплоты выделится за это время?

Подставляем данные в формулу:

Q=1,3²*30*25*60=76 050 дж

Ответ: 76,05 килоджоулей.


Задача 2


Сколько времени нагревался проводник сопротивлением 25 Ом, если на нем выделилось 8 кДж теплоты при силе тока 2 А?

Преобразуем формулу закона Джоуля-Ленца к удобному для нас виду:

Q=I²⋅R⋅t → t=Q/(I²⋅R)

Подставляем исходные данные:

t=8000/(22*25)=80

Ответ: 80 секунд.


Популярные вопросы и ответы


Отвечает Николай Герасимов, старший преподаватель физики проекта «ИнтернетУрок»

Как открыли закон Джоуля-Ленца?


В первой половине (в 30-х – 40-х годах) XIX века русский учёный Эмилий Христианович Ленц и английский физик Джеймс Прескотт Джоуль независимо друг от друга провели опыты, которые позволили выяснить зависимость выделяющегося в проводнике тепла от его сопротивления и силы тока, протекающей через этот проводник. В научном сообществе подобные зависимости принято называть именами первооткрывателей. Так и появился закон Джоуля-Ленца.


Где применяется закон Джоуля-Ленца?


Электрический ток при протекании через проводник или любой электрический прибор совершает работу. Эта работа может быть полезной. Например, нагревание утюга, свечение электрической лампы и так далее. А может быть и вредной: нагревание подводящих проводов, которое как минимум ведет к потерям в электрических цепях или может привести к пожару. Данный закон позволяет рассчитать, какими, например, должны быть провода, а какими спирали нагревательных приборов, чтобы потери были минимальны, а энергия выделялась там, где нам нужно.

Где и как применяется закон Джоуля-Ленца в жизни?


Нельзя сказать, что каждый человек применяет в жизни этот закон, но его знание позволяет понять, почему, например, соединение проводов электрической цепи в доме должно быть очень надежным. Если контакт плохой, то в этом месте сопротивление будет большим, и место контакта станет нагреваться, что может спровоцировать пожар. Конструкторы используют этот закон для расчета спиралей электронагревательных приборов или элементов предохранителей, которые отключают электричество в случае опасности.


Фото на обложке: shutterstock.com


| Закон джоуля – ленца

3)Затруднение возникло также с зависимостью сопротивления от температуры. Из (···) следует, что удельное сопротивление r =1/s ~ , т. к. скорость теплового движения u ~ , а остальные величины практически не зависят от температуры. Но из опыта следовало, что r ~ Т. Квантовая механика разрешила и это затруднение (см. III часть курса).

Закон Джоуля – Ленца: «Если по проводнику протекает ток, в проводнике выделяется теплота Q». Найдем выражение для Q. Сначала получим закон в дифференциальной форме на основе электронной теории. Введем новое понятие:

(Дж/м3×с)

удельная мощность – это энергия, выделяющаяся в единице объема проводника за единицу времени [22]

	энергия, передаваемая одним электроном иону решетки за одно столкновение, т. е. за время t — время между двумя столкновениями.
	энергия, передаваемая электронами, находящимися в единице объема проводника за одно столкновение (за время t), n— концентрация электронов
	энергия, выделяющаяся в единице объема за единицу времени (формулы — см. закон Ома)

закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме

Чтобы найти количество теплоты, выделяющейся во всем проводнике за некоторое время нужно проинтегрировать и использовать закон Ома:

	закон Джоуля — Ленца в интегральной форме	при постоянной силе тока, R – общее сопротивление участка цепи
	для случая, когда сила тока зависит от времени

Электрическое сопротивление.

В законе Ома электрическое сопротивление R – коэффициент пропорциональности между разностью потенциалов, приложенной к концам проводника, и силой тока, возникающего при этом в проводнике. Исходя из этого, электрическое сопротивление можно определить следующим образом: это мера

того сопротивления, которое оказывает проводник попытке установления в нем тока. С позиций электронной теории сопротивление объясняется тем, что ионы решетки препятствуют движению электронов. Сталкиваясь с ионами, электроны теряют энергию, передавая ее ионам и меняют направление движения.

Электрическое сопротивление данного проводника зависит от его природы и размеров. Опытным путем установлено, что сопротивление R проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади его поперечного сечения:

	Эта формула применима только для однородного по составу проводника с постоянной площадью поперечного сечения.
r (Ом. м)- удельное сопротивление – это характеристика электрических свойств металла, оно зависит от природы металла и от его температуры. По смыслу r — это электрическое сопротивление единицы длины проводника с единичной площадью поперечного сечения. (В СИ – это сопротивление, например, металлического куба с ребром 1м при условии, что ток распространяется параллельно ребру куба).

С увеличением температуры сопротивление металлов увеличивается. При умеренных температурах удельное сопротивление линейно зависит от температуры:

(1/К)

зависимость удельного сопротивления металлов от температуры; r0 – удельное сопротивление при 0оС, a — температурный коэффициент сопротивления, определяющий относительное изменение сопротивления при нагревании проводника на один градус.

Зависимость сопротивления от температуры используется для точного измерения температуры с помощью термометров сопротивления.

В простейшем виде – это намотанная на изолятор тонкая проволочка, сопротивление которой при различных температурах заранее известна. Для измерения температуры проволочка приводится в контакт с телом, температуру которого хотят измерить, и измеряется ее сопротивление.

При соединении сопротивлений выполняются следующие соотношения.

		последовательное соединение
			параллельное соединение

 

[1] Ничего более конкретного сказать нельзя, т. к. по сути, мы не знаем, что такое электрический заряд. Это некое неотъемлемое свойство, присущее частицам, подобно психике у человека

[2] Существуют также частицы – кварки – с зарядами 1/3 е×и 2/3×е, но это виртуальные частицы, которые не могут длительное время находится в свободном состоянии.

[3] Электрические и магнитные явления существуют в неразрывном единстве. Однако общая теория электромагнитных явлений (релятивистская квантовая электродинамика) слишком сложна для курса общей физики, поэтому мы будем рассматривать электрические и магнитные явления традиционно, т. е. раздельно.

[4] Был установлен опытным путем фр. ученым Кулоном в 1785 г.

[5] В действительности, существует явление электрической индукции, т. е. взаимное влияние заряженных тел друг на друга (см. ниже).

[6] Циркуляция вектора напряженности электрического поля ¹ 0 (см. дальше в тексте)

[7] Различают электростатическое (потенциальное) и электрическое (вихревое) поля, оба поля характеризуют напряженностью Е, потенциал ×j — характеристика электростатического поля.

[8] grad или Ñ– это краткое обозначение математической операции:

[9] Не обязательно брать цилиндр, можно взять любую призму, важно, чтобы ее образующие были перпендикулярны торцевым сечениям и самой заряженной плоскости.

[10] Будем употреблять для краткости слово «емкость»

[11]Подумайте над вопросом: проводник заряжен зарядом 1 мкКл. Во сколько раз изменится его емкость, если заряд увеличить до 5 мкКл?

[12] Силы F2 и F1 направлены по касательным к силовым линиям, а не горизонтально, как показано на рис., но мы будем этим небольшим различием пренебрегать.

[13] Существуют также жидкие проводники, но мы их рассматривать не будем.

[14] Для газов использовать e неудобно, т. к. она очень мало отличается от единицы (для воздуха e = 1,000576), поэтому для газов чаще используют

c.

[15] На границе двух диэлектриков силовые линии преломляются. При этом для вектора Е совпадают касательные составляющие, а отношение нормальных составляющих равно отношению диэлектрических проницаемостей. Для вектора D –наоборот (см. учебник).

[16] Для обоснования этого утверждения нужно снова рассмотреть все приведенные ранее случаи, вводя диэлектрик, и применять теорему Гаусса для D, а потом определять Е.

[17] Не приводим из-за громоздкости.

[18] Если бросить заряженный металлический предмет – его движение можно считать кратковременным током.

Если

вблизи находится компас, его стрелка даст отклонение, т. к. она реагирует на магнитное поле тока.

[19] В металлах положительные заряды (ионы решетки) не могут перемещаться – они и есть сам металл.

[20]На вопрос, где работают сторонние силы ответить трудно. Натираем стеклянную палочку, дотрагиваемся до проводника, работают сторонние силы, а где? В батарейках сторонние силы работают только на границе проводника с электролитом. Внутри проводника всегда работают электростатические силы.

[21] Открыт опытным путем нем. учителем Омом в 1827 г. В приведенных формулах интегралов нет, но формулы можно вывести из дифференциальной формы закона путем интегрирования (см. дальше по тексту).

[22] W — большая печатная греческая буква «омега».

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

верхний Калькулятор нагрева

Дж

Создано Домиником Черня, доктором философии

Рассмотрение Богной Шик и Аденой Бенн

Последнее обновление: 03 октября 2022 г.0012

• Формула нагрева в джоулях
• Знаете ли вы?

Этот калькулятор джоулевого нагрева позволяет найти тепло, выделяемое током, протекающим через резистор. Вы когда-нибудь задумывались, зачем вам нужно охлаждать компьютер? Вы знаете, как работают обычные обогреватели? Прочтите текст ниже, чтобы найти ответы и узнать о формуле Джоуля нагрева.

Резистивный нагрев

Электроны, мельчайшие заряженные частицы, переносят электрическую энергию, которая течет по кабелю, создавая электрический ток. Вы наверняка знаете, что вся материя вокруг нас состоит из атомов. Теперь вы можете представить, что если движущийся электрон столкнется с атомом, электрон потеряет часть своей энергии. Затем эта энергия преобразуется в тепло, и поэтому температура кабеля повышается. Мы можем сказать, сколько энергии теряется таким образом, зная падение напряжения на проводе. Если вы хотите узнать об этом больше, воспользуйтесь нашим калькулятором падения напряжения.

Формула нагрева в джоулях

Вы можете оценить тепло, выделяемое в кабеле с током, с помощью приведенного ниже уравнения, называемого первым законом Джоуля:

Q = I² × R × t

текущий,

Это уравнение можно использовать для любой электрической сети, в которой протекающий ток является постоянным (постоянным). В частности, вы можете рассчитать количество тепла, выделяемого резисторами, включенными последовательно или параллельно. Просто рассчитайте соответствующее сопротивление R с помощью нашего калькулятора.

Знаете ли вы?

• Нагрев в

  Джоуля часто является нежелательным эффектом, поскольку генерируемое тепло означает потерю энергии. В электронных устройствах явление Джоуля приводит к утечке тепла внутри устройства и требует уменьшения тепла для правильной работы. Вот почему электронные устройства, такие как компьютеры, нуждаются в охлаждении.

• С другой стороны, мы можем использовать джоулев нагрев для целенаправленного повышения температуры. В настоящее время большинство обычных нагревателей, встречающихся, например, в электрических чайниках или стиральных машинах, состоят из свернутого в спираль кабеля с током.

• Существуют также материалы, не обладающие сопротивлением; таким образом, они не теряют энергию из-за джоулевого нагрева.