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 в физике: формула, определение, объяснение

Закон джоуля Ленца: определение

Определение 1

Закон Джоуля-Ленца — один из законов физики, который определяет количественную меру воздействия тепла электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца — один из законов физики, который определяет количественную меру воздействия тепла электрического тока.

Теорема 1

Формулировка классического закона Джоуля-Ленца гласит: мощность того тепла, который выделяется в проводнике в процессе протекания сквозь проводник электрического тока, соответствует умножению плотности электрического поля на напряженность.

Посмотрите на вид алгебраической формулы Джоуля-Ленца:

ω=j×E=σE2

В данной формуле ω значит количество тепла, E и j обозначают плотность и напряженность электрических полей, а σ означает проводимость среды.

Простое и понятное объяснение физического смысла теории Джоуля-Ленца: электрический ток во время протекания по проводнику являет собой перемещение заряда электрического под влиянием электрического поля. Соответственно, электрическое поле во время данного процесса совершает некую работу. Эта работа используется для нагрева проводника. Таким образом можно говорить о том, что энергия превращается в качественно дифференциальное явление — тепло.

Примечание 1

Однако стоит понимать, что излишний нагрев проводника с током, а также электрических приборов допускать не рекомендуется, потому что перегрев может привести к повреждению электрических приборов. Опасно излишне перегревать оборудование в случае коротких замыканий проводов. В это время по проводникам может протекать много тока.

Закон Джоуля-Ленца для тонких проводников в интегральной форме звучит так:

Теорема 2

Величина теплоты, выделяющаяся за определенное время на определенном участке цепи, определяется как произведение силы тока, возведенной в квадрат, и сопротивления участка цепи.

Сама формула выглядит так:

Q=∫k×l2×R×t

В данной формуле:

• Q обозначает количество теплоты, которая выделилась;
• I обозначает количество тока;
• R обозначает сопротивление проводника/проводников;
• t обозначает время действия;
• k обозначает тепловой аналог работы. Значение этого параметра зависит от разрядности единиц, в которых измеряются значения, используемые в формуле.
Примечание 2

Теорему Джоуля-Ленца характеризуют как имеющую общий характер, потому что она не имеет корреляции с происхождением сил, которые генерируют ток. Данный закон справедлив для электролитов, полупроводников и проводников.

Формула закона Джоуля-Ленца

Можно записать обобщенную формулу для закона Джоуля-Ленца как:

Формула 1

Q=I2×R×t

В данной формуле Q обозначает количество теплоты, которая выделилась. Q измеряется в джоулях.

I обозначает количество тока, R обозначает сопротивление проводника/проводников, t обозначает время действия.

Применение в практической жизни

Данный закон применяется в обычной жизни широко. Например, вольфрамовая нить в лампах накаливания, дуги в электросварках, нить накаливания в электрообогревателе. К приборам, которые работают по закону Джоуля-Ленца, также относят: утюги, фены, электрочайники, паяльники, варочные плиты и т.д.

Данный принцип имел огромное влияние на бытовое применение электрического тока. В 19 веке благодаря этой теории стало возможным создание точных измерительных приборов, в основе работы которых лежало сокращение проволочной спирали во время нагрева прохождением тока определенной величины. Например, стрелочные вольтметры, а также амперметры.

В то же время начинают появляться модели электрических обогревателей, плавильных печей, а также тостеров. Для их создания был использован проводник с высоким удельным сопротивлением, что помогало получить высокие температуры.

Также появились самые первые плавкие предохранители, прерыватели цепи биметаллические, которые основаны на разнице нагрева проводника с различным удельным сопротивлением. Когда люди заметили, что при соответственной силе тока проводник с большим показателем сопротивления может нагреться до красного цвета, закон Джоуля-Ленца начал использоваться для создания источников света. В это время появляются первые лампы.

Также эффект данной теории используется широко в промышленности: в химической, металлургической и т.д.

Примеры решения задач

Самые важные формулы для решения задач с законом Джоуля-Ленца:

Величина	Буква, которая обозначает величину	Единицы измерения	Формула
Сила тока	I	Амперы	I=U÷R Представим краткое описание формулы словами: сила тока равна напряжение пропорционально сопротивлению проводника.
Напряжение	U	Вольтах	U=I×R
Время	T	Секунды	t=Q÷I2×R
Количество теплоты	Q	Джоули	Q=I2×R×t

Задача 1

Какое количество тепла будет выделено спиралью электроплитки за 15 минут с сопротивлением в 30 Ом, если сила тока цепи составляет 1,5 А?

Дано:

t = 15 мин.

R = 30 Ом.

I = 1,5 А.

Нужно найти Q.

Решение:

Переводим минуты в секунды: 15 минут * 60 = 900 секунд.

Q=I2×R×t

Q=1,52*30*900=60 750=60,75кДж.

Получившуюся сумму обычно сокращают до килоджоулей. 

Ответ: 60,75 кДж.

Задача 2

Какое количество тепла будет выделено электрической спиралью за 20 минут, если напряжение равно 215 В, а сила тока цепи 3 А?

Дано:

t = 20 минут.

U = 215 В.

I = 3 А.

Нужно найти Q.

Решение:

Переводим минуты в секунды: 20 минут * 60 = 1200 секунд.

Q = 3 * 215 * 1200 = 774 000 = 774 кДж.

Ответ: 774 кДж.  

Дж нагрев | Определение, уравнение и факты

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история
• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт
• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история
• Britannica объясняет
  
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• Студенческий портал
  Britannica — лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Britannica Beyond
  Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Просить. Мы не будем возражать.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

Закон Джоуля-Ленца —QuickField FEA Software

Промышленность

Образовательные

Научные

Примеры задач

Истории успеха

Клиенты

Главная >> Приложения >> Примеры задач >> Закон Джоуля-Ленца

В этом проверочном примере сравниваются ток и тепло Джоуля, генерируемое в проводнике, рассчитанные по закону Ома и закону Джоуля и рассчитанные в QuickField с использованием трех формул: проводимость постоянного тока, проводимость переменного тока и переходный электрический ток.

Геометрия
Закон Джоуля-Ленца Рассчитайте ток и джоулеву теплоту внутри проводника и сравните со значением, данным законом Джоуля-Ленца.
f = 50 Гц — частота во временных гармониках и задачах переходного магнитного поля;


г = 1 МС/м — проводимость материала проводника.
L = 0,4 м — длина проводника.
A = 0,02*0,005 м² — площадь поперечного сечения проводника.

Задача
Рассчитайте ток и джоулеву теплоту внутри проводника и сравните со значением, полученным по закону Джоуля-Ленца.

Раствор
Чтобы поддерживать одинаковое значение джоулевой теплоты во всех составах, значение напряжения регулируется:
. В задаче о временных гармониках значение пиковой амплитуды напряжения задается √2· В .
В переходном процессе электрическое напряжение устанавливается по формуле

В(t) = √2· В · sin(2·180·50· t ).

Согласно закону Джоуля-Ленца ^* мощность нагрева, создаваемая электрическим током I :
Ш = Р * Я ², где сопротивление проводника равно R = (1/ г ) * ( L / A ).