Закон Джоуля-Ленца – формула и определение, формулировка

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 393.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 393.

Выделение тепла на проводниках – причина их перегорания, возникновения пожаров и других неполадок в электрооборудовании. Но это явление лежит также в основе электросварки и других технологий. Поэтому нужно понимать причины нагревания проводников и уметь рассчитывать численные характеристики этого процесса.

Природа тепла в проводниках

Удобно пользоваться аналогиями. Часто совокупность электронов рассматривают как электронный газ. Так, например, поступают при определении теплопроводности газов методом нагревания нити.

Из законов молекулярной физики известно, что температура и кинетическая энергия – два взаимоопределяющих параметра. Чем выше скорость движения молекул, тем выше температура. И наоборот: чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы.

Теперь будем рассматривать электронный газ и более крупные частицы в нем – атомы в узлах кристаллической решетки проводника. При движении электроны – а именно это и происходит, когда наличествует электрический ток – могут соударяться с атомами проводника, чем вызывают изменение их кинетической энергии. Часть ее может быть потрачена на совершение атомом скачка – выхода из узла, часть выделится в виде тепла.

Рис. 1. Столкновение электронов с атомами решетки.

Другая полезная аналогия – трение жидкости (газа) о стенки сосуда. Здесь происходит тоже самое – движению электронов мешают силы трения (сопротивления). Работа, затрачиваемая на их преодоление, переходит в тепловую.

Помимо этого, движущиеся электроны, соударяясь, могут отцеплять от атомов стационарные электроны и занимать их места на орбиталях. Во время этих процессов происходит изменение энергии. Какая-то ее часть может вносить вклад в общий нагрев проводника.

Таковы механизмы. Но закон Джоуля-Ленца носит качественный характер. Его выводили эмпирическим путем, постановкой опытов с разными проводниками различной длинны и площади сечения, с разными значениями силы тока. В ходе них были выявлены некоторые закономерности:

• Количество выделяющегося тепла прямо пропорционально квадрату силы тока.
• Выделяемое тепло обратно пропорционально проводимости вещества. Например, медный проводник выделяет тепла меньше, чем железо, что связано с большей проводимостью меди.
• При увеличении площади сечения проводника количество теплоты уменьшается.
• При увеличении длинны проводника – количество теплоты возрастает.

Последние три характеристики – длинна, площадь и удельная проводимость проводника – определяют такую величину, как сопротивление.

Таким образом, нагревание проводника прямо зависит от его сопротивления и от квадрата силы тока – это словесная формулировка закона Джоуля-Ленца. Он достаточно универсален, справедлив также для полупроводников и электролитов.

Рис. 2. 2} = \frac {40 \cdot 15}{1} = 600 Ом$

Что мы узнали?

В ходе урока рассмотрели тепловое действие тока в проводниках и его причины, выяснили эмпирические закономерности, легшие в основу закона Джоуля-Ленца, а также рассмотрели его интегральную и дифференциальную формулировки. В закрепление урока решили задачу.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Руслан Цапенко

  9/10

• Дарья Дьяченко

  9/10

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 393.

---

А какая ваша оценка?

Закон Джоуля-Ленца | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Загрузка…

Особенно тщательные исследования бы­ли выполнены для установления количества теплоты, которое выделяется в проводниках при прохождении тока. Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889) в 1841 г. и независимо от него русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804—1865) в 1842 г. установили, что

количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохож­дении в нем тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и вре­мени прохождения тока:

Q = I²RΔt.

Этот вывод в науке получил название закона Джоуля-Ленца, а полученная форму­ла является его математическим выражением.

В наиболее общем виде закон Джоуля-Ленца можно получить, если установить, какая энергия выделяется в единице объема проводника за единицу времени (плотность тепловой мощности):

w = Q / VΔt.

Джоуль Джеймс Прескотт

Ленц Эмилий Христианович

Джоуль Джеймс Прескотт (1818 — 1889) — английский физик, член Лондонского королевского общества с 1859 г. По­лучил домашнее образование; первые уроки по физике с ним провел Джон Дальтон. Написал выдающиеся работы по теплоте и электромагнетизму, один из первооткрывателей закона сохране­ния энергии, в 1841 г. (независимо от Э. X. Ленца) открыл закон, который называется законом Джоуля—Ленца.

Ленц Эмилий Христианович (1804 — 1865) — русский физик, член Петербург­ской АН с 1830 г. Учился в Дерптском университете, а в 1836 г. возглавил ка­федру физики и физической географии Петербургского университета, с 1840 г. — декан физико-математического факульте­та, а с 1863 г. — ректор. Преподавал также в морском корпусе, Михайловской артил­лерийской академии, педагогическом ин­ституте. В 1833 г. установил правило для определения направления индукционного тока (закон Ленца), а в 1842 г. (независимо от Джоуля) — закон теплового действия электрического тока.

Загрузка…

Необходимо величины, характеризующие проводник и электрическое поле в нем в целом (сопротивление проводника R

, силу тока в нем I), выразить через величины, характеризующие вещество проводника в каж­дой его точке (удельное сопротивление или удельная электропроводимость — ρ или σ) и электрическое поле в каждой точке про­водника (напряженность поля E).

Рис. 5.15. Проводник с током

Рассмотрим проводник (рис. 5.15) дли­ной l, площадью поперечного сечения S, удельное сопротивление которого ρ (удель­ная электропроводимость

σ), в котором су­ществует ток силой I.

Сопротивление такого проводника R = ρ • l / S, объем — V = S • l, сила тока I = j • S, где j — плотность тока, определяющаяся через на­пряженность электрического поля E: Материал с сайта http://worldofschool.ru

j = σE или j = (1 / ρ) • E.

Подставляем необходимые данные в фор­мулу для определения плотности тепловой мощности w.

w = Q / VΔt = σ²E²S²lΔt / SlSΔtσ = σE

2.

w = σE² или w = (1 / ρ) • E².

В этом случае закон Джоуля-Ленца фор­мулируется так:

плотность тепловой мощнос­ти в проводнике с током равна произведению удельной электропроводимости вещества про­водника на квадрат напряженности электри­ческого поля проводника в данной точке.

На этой странице материал по темам:

• Формула закона джоуль ленца

• Реферат закон джоуля–ленца

• Лекция или реферат на тему закон джоуля — ленца

• Закон джоуля ленца реферат

• Закон джоуля — ленца 10 класс

Вопросы по этому материалу:

• Сформулируйте закон Джоуля-Ленца?

• Что такое плотность тепловой мощности в проводнике?

• Как формулируется закон Джоуля-Ленца через удельную элект­ропроводимость (или удельное сопротивление) проводника и напряженность электрического поля в каждой точке провод­ника с током?

Материал с сайта http://WorldOfSchool. ru

Записать закон джоуля ленца мощность тока

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Силу тока в проводнике увеличили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в нём за единицу времени, при неизменном сопротивлении проводника?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

2. Длину спирали электроплитки уменьшили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в спирали за единицу времени, при неизменном напряжении сети?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

3. Сопротивления резистор ​\( R_1 \)​ в четыре раза меньше сопротивления резистора ​\( R_2 \)​. Работа тока в резисторе 2

1) в 4 раза больше, чем в резисторе 1
2) в 16 раз больше, чем в резисторе 1
3) в 4 раза меньше, чем в резисторе 1
4) в 16 раз меньше, чем в резисторе 1

4. Сопротивление резистора ​\( R_1 \)​ в 3 раза больше сопротивления резистора ​\( R_2 \)​. Количество теплоты, которое выделится в резисторе 1

1) в 3 раза больше, чем в резисторе 2
2) в 9 раз больше, чем в резисторе 2
3) в 3 раза меньше, чем в резисторе 2
4) в 9 раз меньше, чем в резисторе 2

5. Цепь собрана из источника тока, лампочки и тонкой железной проволоки, соединенных последовательно. Лампочка станет гореть ярче, если

1) проволоку заменить на более тонкую железную
2) уменьшить длину проволоки
3) поменять местами проволоку и лампочку
4) железную проволоку заменить на нихромовую

6. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения напряжения на концах двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока ​\( A_1 \)​ и ​\( A_2 \)​ в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​\( A_1=A_2 \)​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

7. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения силы тока в двух проводниках (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока \( A_1 \)​ и ​\( A_2 \) в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​\( A_1=A_2 \)​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

8. Если в люстре для освещения помещения использовать лампы мощностью 60 и 100 Вт, то

А. Большая сила тока будет в лампе мощностью 100 Вт.
Б. Большее сопротивление имеет лампа мощностью 60 Вт.

Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я)

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

9. Электрическая плитка, подключённая к источнику постоянного тока, за 120 с потребляет 108 кДж энергии. Чему равна сила тока в спирали плитки, если её сопротивление 25 Ом?

1) 36 А
2) 6 А
3) 2,16 А
4) 1,5 А

10. Электрическая плитка при силе тока 5 А потребляет 1000 кДж энергии. Чему равно время прохождения тока по спирали плитки, если её сопротивление 20 Ом?

1) 10000 с
2) 2000 с
3) 10 с
4) 2 с

11. Никелиновую спираль электроплитки заменили на нихромовую такой же длины и площади поперечного сечения. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при включении плитки в электрическую сеть. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) электрическое сопротивление спирали
Б) сила электрического тока в спирали
B) мощность электрического тока, потребляемая плиткой

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

12. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
A) работа тока
Б) сила тока
B) мощность тока

ФОРМУЛЫ
1) ​\( \frac{q}{t} \)​
2) ​\( qU \)​
3) \( \frac{RS}{L} \)​
4) ​\( UI \)​
5) \( \frac{U}{I} \)​

Часть 2

13. Нагреватель включён последовательно с реостатом сопротивлением 7,5 Ом в сеть с напряжением 220 В. Каково сопротивление нагревателя, если мощность электрического тока в реостате составляет 480 Вт?

Работа электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца

Каждый день мы пользуемся электрическими бытовыми приборами и не раз замечали, что во время работы они нагреваются независимо от того, включены ли они в сеть или питаются от аккумулятора. С чем это связано?

ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрический ток, протекая по проводнику, вызывает его нагревание. Причина нагревания проводников электрическим током состоит в том, что свободные электроны в металлах (или ионы в растворах или расплавах электролитов), двигаясь под действием электрических сил, взаимодействуют с ионами (атомами) вещества проводника. В результате этого взаимодействия часть кинетической энергии движущихся электронов или ионов передаётся ионам кристаллической решётки. Это приводит к увеличению внутренней энергии проводника, т. е. увеличению его температуры. Энергию движущихся электрических зарядов принято называть энергией электрического тока или электрической энергией.

РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрические силы в проводнике совершают работу по переносу заряда. Напряжение на участке цепи есть не что иное, как отношение работы А электрических сил по переносу положительного заряда q к значению этого заряда: U = A/q

Зная напряжение между концами проводника и перемещённый заряд, можно записать эту работу как А = qU.

Значение перемещённого заряда q за время t можно получить, зная силу тока в цепи I: q = It.

Следовательно, А = Ult.

Работу электрического поля называют работой тока. Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого протекал ток. Работа электрического тока показывает, сколько электрической энергии превратилось в другие виды энергии.

Например, нагревание металлического проводника, поворот рамки с током — это примеры работы электрического тока, когда электрическая энергия превращается в другой вид энергии (внутреннюю, механическую и т. д.).

Единицей работы является джоуль (1 Дж). 1 Дж = 1 В • 1 А • 1 с.

Электрическая энергия, используемая потребителями тока, измеряется работой тока в этих потребителях. Для учёта совершённой работы служат счётчики — специальные устройства, сочетающие в себе три прибора: амперметр, вольтметр и часы.

Внутри счётчика имеется небольшой электродвигатель, диск которого начинает вращаться, если через счётчик проходит ток. При этом скорость вращения диска пропорциональна силе тока и напряжению. Количество оборотов диска подсчитывается счётным механизмом. Затраты электроэнергии в конечном счёте и определяются числом оборотов диска.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

Если на участке цепи, по которому протекает электрический ток, не совершается механическая работа и не происходят химические превращения вещества, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника, т. е. при протекании тока по проводнику происходит превращение электрической энергии в тепловую. При этом по закону сохранения энергии количество теплоты Q, выделяемое проводником с током, будет равно работе электрического тока А:   Q = А.

Известно, что А = Ult, тогда и Q = Ult. Учитывая закон Ома U = IR, получаем Q = IRIt, или Q = PRt.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени его протекания.

Этот закон был экспериментально установлен английским учёным Джеймсом Джоулем и независимо от него российским учёным Эмилием Ленцем, поэтому носит название закона Джоуля—Ленца.

Интегральная и дифференциальная формулы

Формула ЭДС индукции

Установленные в предыдущем разделе зависимости справедливы при неподвижности проводника. В этом случае можно считать, что работа приложенных сторонних сил расходуется непосредственно на повышение температуры. С учетом заданной темы перемещение зарядов (q) обеспечивает разница потенциалов, которая эквивалентна напряжению (U = ϕ1 – ϕ2). Соответственно, A = q * (ϕ1 – ϕ2) = q * U. Заряд можно выразить через ток:

q = I*t.

После элементарных математических преобразований получится A = Q = I * U * t. Если взять изменение теплоты (dQ) за интервал времени (dt), можно составить выражение закона Джона Ленца в интегральной форме:

dQ = I2 * R * dt.

Для дальнейших рассуждений нужно ввести понятие плотности тепловой мощности (W). Этим термином обозначают количество энергии, которое выделяется за единицу времени в единичном объеме (V) контрольного проводника:

W = Q/(V*t).

Электрическое сопротивление можно выражать через удельный показатель (p):

R = p* (dL/dS),

где:

• L – длина;
• S – поперечное сечение.

Добавив плотность тока (j = IS = G *E) и понятие проводимости (G = 1/R), можно записать закон Ленца в дифференциальном виде следующим образом:

W = G * E2.

Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления

Давайте опытным путем подтвердим наше первое предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из двух нагревателей и источника тока. Все элементы соединим последовательно.

Нагреватели у нас имеют одинаковые размеры, но сделаны из разных материалов. Соответственно, они имеют различные сопротивления $R_1$ и $R_2$. При этом $R_1 > R_2$.

Опустим нагреватели в калориметры (приборы для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды. Начальная температура воды в обоих сосудах тоже одинакова.

Замкнем цепь. Теперь через нагреватели течет электрический ток (рисунок 1). Сила тока в них одинакова, потому что они соединены последовательно.

Рисунок 1. Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления

Мы увидим, что вода нагреется быстрее в первом калориметре. Это значит, что она получила большее количество теплоты. Именно в этом калориметре у нас и находится нагреватель с большим сопротивлением $R_1$. Наше предположение подтвердилось.

{"questions":,"explanations":,"answer":}}}]}

Любознательным

Следы на песке

Если вам приходилось, гулять по пляжу во время отлива, то, вероятно,
вы заметили, что, как только нога ступает на мокрый твердый песок, он немедленно
подсыхает и белеет вокруг вашего следа. Обычно это объясняют тем, что под тяжестью тела
вода «выжимается» из песка. Однако это не так, потому что песок не ведет себя подобно мочалке.
Почему же белеет песок? Будет ли песок оставаться белым все время, пока вы стоите на месте?
Оказывается…
Побеление песка на пляже впервые объяснил Рейнольде в 1885 г. Он показал,
что объем песка увеличивается, когда на него наступают. До этого песчинки были «упакованы» самым плотным образом.
Под действием деформации сдвига, которая возникает под подошвой ботинка, объем, занимаемый песчинками, может
лишь увеличиться. В то время как уровень песка поднимается резко, уровень воды может подняться лишь в результате
капиллярных явлений, а на это требуется время. Поэтому на дне следа ноги песок некоторое время оказывается выше уровня воды —
он сухой и белый.

И это ещё не всё!

Опыты Ленца

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать  электрические цепи. В 1832 году  Эмилий Ленц «застрял» с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи «источник энергии — проводник — потребитель энергии» сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что  существует некая  зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением  и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало — невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший «нагреватель» — стеклянная ёмкость, в которой находился  спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена  были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося  раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся — тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Магнитострикция

Параллельно со свойствами электрического тока Джеймс Джоуль изучает магнитные явления. В 1842 году он замечает, что железо изменяется в размерах под воздействием магнитных волн. Если металлические стержни поместить в магнитное поле, их длина станет чуть больше.

Научное сообщество сомневалось в существовании здесь какого-либо открытия. Изменение размеров стержней было настолько ничтожным, что человеческий глаз не улавливал его. Но физик разработал специальную технику, при помощи которой получил наглядные доказательства.

Позже выяснилось, что таким эффектом обладают и другие металлы, а само явление назвали магнитострикцией. Сейчас для открытия Джоуля нашли много способов применения. Например, материалом волновода для измерения уровня воды в резервуарах служат магнитострикционные металлы. Это явление используют и для изготовления меток в антикражевых системах.

Стандартный ряд мощностей резисторов и их обозначение на схемах

Не забывайте, что резисторные компоненты одного номинала, могут иметь разную мощность. Все зависит от техники создания, материала корпуса. Ниже указан ряд мощностей и их официальное обозначение.

Вт	Условное обозначение на электросхемах
мощность резисторного компонента 0,05 Вт	Как подписывается на схеме 0,05 В.
мощность элемента 0,125 Вт	мощность резистора 0,125 Ватт.
мощность 0,025 Вт	как на схеме выделяется элемент с мощностью 0,25 Вт
мощность 0,5 Вт	таким образом, на схеме выделяется резистор мощностью 0,5 Ватт.
мощность 1 Вт	мощность резистора 1 В.
мощность 2 Вт	мощность рассеивания резистора 2 Вт.
мощность резисторного элемента 5 Вт	так выделяется мощность 5 Вт

Графическая кодировка мощностей резисторов на электросхеме — черточки и римские символы. Самое маленькое типовое значение 0,05 Ватт, максимальное — 25 Ватт, но есть и помощнее. Как указывается мощность слабых деталей необходимо запомнить. Это косого типа линии на прямоугольниках, которыми выделяют сопротивления. При номиналах сопротивлений от 1 Ватта на схеме выставляются определенные римские символы: I, II, III, и так далее. Цифровые обозначения выделяют мощность резисторного компонента в ваттах. О том как определить сопротивление резистора по цвету читайте здесь.

Формула Закона Ома

В 1827 году Георг Симон Ом открыл закон силы электрического тока. Его именем назвали Закон и единицу измерения величины сопротивления. Смысл закона в следующем.

Чем толще труба и больше давление воды в водопроводе (с увеличением диаметра трубы уменьшается сопротивление воде) – тем больше потечет воды. Если представить, что вода это электроны (электрический ток), то, чем толще провод и больше напряжение (с увеличением сечения провода уменьшается сопротивление току) – тем больший ток будет протекать по участку цепи.

Сила тока, протекающая по электрической цепи, прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна величине сопротивления цепи.

где

I – сила тока, измеряется в амперах и обозначается буквой А;

U – напряжение, измеряется в вольтах и обозначается буквой В;

R – сопротивление, измеряется в омах и обозначается Oм.

Если известны напряжение питания U и сопротивление электроприбора R, то с помощью вышеприведенной формулы, воспользовавшись онлайн калькулятором, легко определить силу протекающего по цепи тока I.

Онлайн калькулятор для определения силы тока
Напряжение, В:
Сопротивление, Ом:

С помощью закона Ома рассчитываются электрические параметры электропроводки, нагревательных элементов, всех радиоэлементов современной электронной аппаратуры, будь то компьютер, телевизор или сотовый телефон.

Плюсы и минусы от нагрева проводника

К отрицательным последствиям закона Джоуля-Ленца можно отнести:

• потерю кинетической энергии при столкновении частиц, что затрудняет передачу электричества на большие расстояния. Наиболее простой способ решения этой проблемы — повышение напряжения, однако это приводит к снижению безопасности;
• перегрев проводника, который может привести к повреждению как самого проводника, так и его изоляции.

Обнаруженные минусы от нагрева проводника легко обратить в плюсы, если правильно использовать закон Джоуля-Ленца:

• чтобы избежать потерь энергии при передаче тока на большие расстояния, а также компенсировать повышение напряжения, увеличивают сопротивление цепи. Величину сопротивления подбирают исходя из формулы, выражающей зависимость теплоты от напряжения и сопротивления;
• с помощью закона Джоуля-Ленца подбирают параметры проводника (материал, сечение) и цепи (напряжение, сила тока), чтобы избежать повреждения или возгорания проводника.

Электрическая дуга

Электрическая дуга является довольно эффективным преобразователем электрической энергии. Она используется при сварке металлических конструкций, а также служит мощным световым источником.

В основу устройства входит следующее. Берут два угольных стержня, подсоединяют провода и прикрепляют их в изолирующих держателях. После этого стержни подключают к источнику тока, который дает малое напряжение, но рассчитан на большую силу тока. Подключают реостат. Угли в городскую сеть включать запрещается, так как это может стать причиной пожара. Если коснуться одним углем о другой, то можно заметить, как сильно они раскалятся. Лучше не смотреть на это пламя, потому что оно вредно для зрения. {2}t/R\ =IUt.}

Практическая польза закона Джоуля-Ленца

Несмотря на наличие негативных последствий, закон Джоуля-Ленца находит широкое применение на практике:

1. Лампа накаливания. Для нити в лампе выбирают материал, который при нагревании излучает свет. При подключении лампы к источнику ток нагревает нить, в результате чего последняя излучает свет.
2. Плавкие предохранители. При возникновении в цепи напряжения, превышающего допустимое значение, предохранитель начинает нагреваться и плавиться. Расплавившийся предохранитель размыкает цепь.
3. Электронагревательные приборы. При подключении прибора к источнику нагревательный элемент раскаляется и выделяет тепло.

Практическое значение

Снижение потерь энергии

При передаче электроэнергии тепловое действие тока является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Поскольку передаваемая мощность линейно зависит как от напряжения, так и от силы тока, а мощность нагрева зависит от силы тока квадратично, то выгодно повышать напряжение перед передачей электроэнергии , понижая в результате силу тока. Однако, повышение напряжения снижает электробезопасность линий электропередачи .

Для применения высокого напряжения в цепи для сохранения прежней мощности на полезной нагрузке приходится увеличивать сопротивление нагрузки. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно . Сопротивление проводов () можно считать постоянным. А вот сопротивление нагрузки () растёт при выборе более высокого напряжения в сети. Также растёт соотношение сопротивления нагрузки и сопротивления проводов. При последовательном включении сопротивлений (провод — нагрузка — провод) распределение выделяемой мощности () пропорционально сопротивлению подключённых сопротивлений.

Ток в сети для всех сопротивлений постоянен. Следовательно, выполняются соотношение

И для в каждом конкретном случае являются константами. Следовательно, мощность, выделяемая на проводах, обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки, то есть уменьшается с ростом напряжения, так как . Откуда следует, что . В каждом конкретном случае величина является константой, следовательно, тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе.

Выбор проводов для цепей

Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при сборке электрических цепей достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют, в частности, выбор сечения проводников.

Электронагревательные приборы

Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.

За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром , константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.

Плавкие предохранители

Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.

Жизнь выдающегося физика

24 декабря 1818 года родился Джеймс Джоуль. Биография будущего физика начинается в английском городке Солфорде, в семье успешного владельца пивоварни. Обучение мальчика происходило в домашних условиях, некоторое время физику и химию ему преподавал Джон Дальтон. Благодаря ему английский физик и полюбил науку.

Джоуль не обладал крепким здоровьем, много времени он просиживал дома, проводя физические опыты и эксперименты. Уже в 15 лет, из-за болезни отца, ему пришлось управлять пивоварней вместе с братом. Работа на отцовском заводе не давала возможности поступить в университет, поэтому Джеймс Джоуль всецело отдавался домашней лаборатории.

С 1838 по 1847 год физик активно изучает электричество и делает свои первые научные успехи. В журнале Annals of Electricity он публикует статью об электричестве, а в 1841 открывает новый физический закон, который сейчас носит его имя.

В 1847 году Джоуль заключает первый и единственный брак с Амелией Граймс. Вскоре у них рождаются Элис Амелия и Бенджамин Артур. В 1854 году жена и сын погибают. Сам Джоуль умирает в 1889 году в Англии, в городе Сейле.

За всю свою жизнь он публикует около 97 работ по физике, некоторые из них написаны совместно с другими учеными: Лайоном, Томсоном и т. д. За выдающиеся научные достижения и открытые законы физики он награжден несколькими медалями и получал пожизненную пенсию от правительства Великобритании в размере около 200 фунтов.

Где может пригодиться этот закон Джоуля-Ленца?

В электротехнике есть понятие длительно допустимого тока протекающего по проводам. Это такой ток, который провод способен выдержать длительное время (то есть, бесконечно долго), без разрушения провода (и изоляции, если она есть, потому что провод может быть и без изоляции). Конечно, данные вы теперь можете взять из ПУЭ (Правила устройства электроустановок), но получали эти данные исключительно на основе закона Джоуля-Ленца.

В электротехнике так же используются плавкие предохранители. Их основное качество – надёжность срабатывания. Для этого используется проводник определенного сечения. Зная температуру плавления такого проводника можно вычислить количество теплоты, которое необходимо, чтобы проводник расплавился от протекания через него больших значений тока, а вычислив ток, можно вычислить и сопротивление, которым такой проводник должен обладать. В общем, как вы уже поняли, применяя закон Джоуля-Ленца можно рассчитать сечение или сопротивление (величины взаимозависимы) проводника для плавкого предохранителя.

А ещё, помните, мы говорили про . Там на примере лампочки я рассказывал парадокс, что более мощная лампа в последовательном соединении светит слабее. И наверняка помните почему: падение напряжения на сопротивлении тем сильнее, чем меньше сопротивление. А поскольку мощность — это , а напряжение очень сильно падает, то и выходит, что большое сопротивление выделит большое количество тепла, то есть, току придется больше потрудиться, чтобы преодолеть большое сопротивление. И количество тепла, которое выделит ток при этом можно посчитать с помощью закона Джоуля-Ленца. Если брать последовательное соединение сопротивлений, то использовать лучше выражение через квадрат тока, то есть, изначальный вид формулы:

А для параллельного соединения сопротивлений, поскольку ток в параллельных ветвях зависит от сопротивления, в то время, как напряжение на каждой параллельной ветви одинаковое, то формулу лучше всего представить через напряжение:

Примерами работы закона Джоуля-Ленца вы все пользуетесь в повседневной жизни – в первую очередь это всевозможные нагревательные приборы. Как правило, в них используется нихромовая проволока и толщина (поперечное сечение) и длина проводника подбираются с учётом того, чтобы длительное тепловое воздействие не приводило к стремительному разрушению проволоки. Точно таким же образом добиваются свечения вольфрамовой нити в лампе накаливания. По этому же закону определяют степень возможного нагрева практически любого электротехнического и электронного устройства.

В общем, несмотря на кажущуюся простоту, закон Джоуля-Ленца играет в нашей жизни очень огромную роль. Этот закон дал большой толчок для теоретических расчётов: выделение тепла токами , вычисление конкретной температуры дуги, проводника и любого другого электропроводного материала, потери электрической мощности в тепловом эквиваленте и т.д.

Вы можете спросить, а как перевести Джоули в Ватты и это довольно частый вопрос в интернете. Хотя вопрос несколько неверный, читая далее, вы поймёте почему. Ответ довольно прост: 1 дж = 0.000278 Ватт*час, в то время, как 1 Ватт*час = 3600 Джоулей. Напомню, что в Ваттах измеряется потребляемая мгновенная мощность, то есть непосредственно используемая пока включена цепь. А Джоуль определяет работу электрического тока, то есть мощность тока за промежуток времени. Помните, в законе Ома я приводил аллегорическую ситуацию. Ток – деньги, напряжение – магазин, сопротивление – чувство меры и денег, мощность – количество продуктов, которые вы сможете на себе унести (увезти) за один раз, а вот как далеко, как быстро и сколько раз вы сможете их увезти – это работа. То есть, сравнить работу и мощность никак не получается, но можно выразить в более понятных нам единицам: Ваттах и часах.

Думаю, что теперь вам не составит труда применить закон Джоуля-Ленца в практике и теории, если таковое потребуется и даже сделать перевод Джоулей в Ватты и наоборот. А благодаря пониманию, что закон Джоуля-Ленца это произведение электрической мощности на время, вы сможете более легко его запомнить и даже, если вдруг забыли основную формулу, то помня всего лишь закон Ома можно снова получить закон Джоуля-Ленца. А я на этом с вами прощаюсь.

Знаменитый русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя опыты по изучению тепловых действий электрического тока, независимо друг от друга вывели закон Джоуля-Ленца. Данный закон отражает взаимосвязь количества теплоты, выделяемого в проводнике, и электрического тока, проходящего по этому проводнику в течение определенного периода времени.

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 была названа «законом 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
• Давайте перейдем к практике
• Закон Джоуля-Ленца для передачи электричества на расстояние
• 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.

Часто задаваемые вопросы

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. Не всегда есть возможность увеличить сечение проводов, потому что 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.

Плавкие 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 буравчика простыми словами
• Что такое диэлектрические потери?
• Как стать электриком с нуля

Опубликовано: 30.01.2018 Обновлено: 30.01.2018 Пока без коментариев

Закон Ленца и сохранение энергии

При входе в торговый центр/кинозал/аэропорт/вокзал вы можете столкнуться с охранником с металлоискателем в руке для проверки безопасности. Возможно, вы также использовали кредитную/дебетовую карту для оплаты счетов, вставив ее в устройство, называемое устройством для чтения карт. Возможно, вы также видели генератор переменного тока. Все это работает по принципу закона Ленца. В этой статье мы поговорим о законе Ленца.

Электромагнитная индукция: Явление производства ЭДС индукции из-за изменения магнитного потока (количества силовых линий магнитного поля), соединенных с замкнутой цепью, называется электромагнитной индукцией.

Что такое закон Ленца?

Ленц утверждает, что направление индукционного тока в цепи таково, что оно препятствует изменению магнитного потока. Закон Ленца назван в честь немецкого физика Эмиля Ленца, сформулировавшего его в 1834 году. 

Это научный закон, который определяет направление индуцированного тока, но ничего не говорит о его величине. Магнитный поток, подключенный к замкнутому контуру, усиливает поток индуцированного тока таким образом, что он создает магнитный поток в направлении, противоположном первоначальному магнитному потоку. Магнитный поток, подключенный к замкнутой цепи, уменьшает индуцированный ток в таком направлении, что магнитный поток создается в направлении первоначального тока.

Формула закона Ленца имеет следующий вид:

E= -N(d∅/dt)

Здесь отрицательный знак указывает на то, что направление ЭДС индукции таково, что оно препятствует изменению магнитного потока).

  Иллюстрация 1:

Как показано на рисунке выше, когда северный полюс стержневого магнита перемещается к катушке, индуцированный ток в катушке течет в направлении против часовой стрелки, если мы видим его из стороне магнита. Лицевая сторона катушки развивает северную полярность. Как мы знаем, тот самый полюс отталкивает, поэтому северный полюс-северный полюс отталкивает. Значит, он противостоит движению северного полюса магнита.

Заключение: Движение магнита увеличивает поток через катушку, и поток будет генерироваться в противоположном направлении за счет индуцированного тока.

Иллюстрация 2:

Как показано на рисунке, когда северный полюс стержневого магнита удален от катушки, индуцированный ток в катушке течет по часовой стрелке. Лицевая сторона катушки развивает южную полярность. Мы знаем, что противоположные полюса притягиваются. Итак, северный полюс и южный полюс притягиваются друг к другу.

Заключение: Движение магнита уменьшает поток через катушку. Поток генерируется в том же направлении за счет индуцированного тока, следовательно, противодействует потоку и увеличивает его.

Important uses of Lenz’s law are:

• The braking system in trains
• AC generators
• Balancing Eddy current
• Metal detector
• Microphones
• Eddy’s current dynamic meter
• Card reader

Lenz’s law and the Закон сохранения энергии

Закон Ленца является следствием закона сохранения энергии. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, но может переходить из одной формы в другую. Закон Ленца гласит, что направление тока таково, что оно препятствует изменению магнитного потока. Таким образом, требуется дополнительное усилие, чтобы совершить работу против противоположных сил. Эта дополнительная работа приводит к периодическим изменениям магнитного потока, поэтому индуцируется больший ток. Таким образом, дополнительное усилие преобразуется только в электрическую энергию, что является не чем иным, как законом сохранения энергии.

Магнитный поток увеличивается, когда северный полюс магнита приближается к нему, и падает, когда он отталкивается в приведенной выше активности. В первом сценарии противодействие причине включает в себя перемещение магнита, и лицо, обращенное к катушке, приобретает северную полярность. Северный полюс магнита и северный полюс катушки отталкиваются друг от друга. Чтобы противодействовать силе отталкивания, необходимо совершить механическое действие, чтобы приблизить магнит к катушке. Эта механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Благодаря эффекту Джоуля эта электрическая энергия превращается в тепловую энергию.

Когда магнит отодвигают от катушки, ближняя сторона катушки приобретает южную полярность. В этом случае создаваемая ЭДС будет противодействовать движению магнита наружу. Чтобы противостоять силе притяжения между северным полюсом магнита и южным полюсом катушки, необходимо еще раз выполнить механическую работу. Этот труд превращается в электрическую энергию.

Механическая работа не совершается, если магнит не перемещается, следовательно, в катушке не индуцируется ЭДС.

В результате закон Ленца согласуется с законом сохранения энергии.

Закон электромагнитной индукции Фарадея:

Первый закон: Он гласит, что всякий раз, когда магнитный поток связан с изменением замкнутого контура, в нем индуцируется ЭДС, которая существует только до тех пор, пока изменяется поток происходит. Если цепь замкнута, то внутри цепи также индуцируется ток, который называется «Индуцированный ток».

Магнитные поля можно изменить:

• Перемещение стержневого магнита к катушке или от нее.
• Перемещение катушки в магнитное поле или вне магнитного поля.
• Вращение катушки относительно магнита.
• Изменение площади катушки, помещенной в магнитное поле.

Второй закон: Он гласит, что величина ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, связанного с замкнутой цепью.

|∈| = dⲫ/dt

E = -N dⲫ/dt

E = -N (ⲫ2-ⲫ1)/t ⇢ («t» – время)

Примеры вопросов

Вопрос 1. Что следует из закона Ленца?

Ответ:

Закон Ленца является следствием закона сохранения энергии.

Вопрос 2: Что произойдет, если закон Ленца изменить на противоположный?

Ответ:

Индуцированный ток будет создавать поток в том же направлении при первоначальном изменении.

Вопрос 3: Как закон Ленца используется в реальной жизни?

Ответ:

Закон Ленца используется в электромагнитных тормозах поездов. Он также применяется в электрогенераторах, генераторах переменного тока.

Вопрос 4: Замкнутый контур обычно движется в статическом электрическом поле между пластинами большого конденсатора. Какова сила тока, когда этот конденсатор полностью находится в области между пластинами?

Ответ:

Ток не может быть вызван изменением электрического потока. Таким образом, ток не возникает, когда он полностью находится внутри области между пластинами конденсатора.  

Вопрос 5: Отличие закона Фарадея от закона Ленца?

Ответ:

Закон Ленца определяет направление индукционного тока.

Закон Фарадея гласит, что величина ЭДС, индуцированной в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Вопрос 6: Какой закон используется для определения направления тока в генераторе переменного тока?

Ответ:

Закон Ленца используется для нахождения направления тока в генераторе переменного тока.

Вопрос 7: Какой закон используется для определения направления вихревого тока?

Ответ:

Поскольку мы знаем, что вихревые токи также препятствуют изменению магнитного потока, поэтому направление определяется законом Ленца.

Physics for Science & Engineering II

9. 1 Магнитный поток, закон Фрадея и закон Ленца из Office of Academic Technologies на Vimeo.

9.1 Магнитный поток Закон Фрадея и закон Ленца

Ранее мы видели, что если мы поместим петлю с током во внешнее магнитное поле, то магнитное поле создаст результирующий крутящий момент в этой петле с током и под влиянием этот крутящий момент, петля вращается. Так во время процесса электрическая потенциальная энергия преобразуется в энергию движения или кинетическую энергию. Мы называем этот тип системы, которая устроена таким образом, что петля вращается только в одном направлении, называемой «электрическим двигателем», устройством, которое преобразует электрическую потенциальную энергию в кинетическую энергию.

Глядя на эту систему, всегда можно задать симметричный вопрос: если взять ту же систему, но в этом случае, вместо того, чтобы пропускать ток через проводящую петлю, если мы просто провернем петлю при определенном угла скорости, мы получим ток, протекающий через эту петлю? Ответ на этот вопрос – да. По сути, это полностью симметричная система по отношению к предыдущему случаю. Как вы помните в предыдущем случае, чтобы иметь возможность вращения контура только в одном направлении, нужно было менять направление тока в каждом полупериоде.

Теперь, во втором случае, если мы провернем петлю, другими словами, если мы начнем с кинетической энергии и проверим ее только в одном направлении, мы действительно индуцируем ток вдоль этой петли, и этот ток изменит направление поток через каждые пол-оборота, так как петля вращается только в одном направлении. Следовательно, в этой системе мы действительно окажемся с током. Она будет менять направление в каждом полупериоде и в процессе, поэтому, начиная с кинетической энергии, энергия вращающегося контура будет преобразовываться в энергию движущихся зарядов, которая представляет собой электрическую потенциальную энергию. Эти системы, эти устройства, производящие это преобразование, мы называем «генераторами».

Сейчас мы поймем, почему это происходит, но прежде чем мы углубимся в это подробно, давайте рассмотрим пару интересных наблюдений, которые можно сделать. Предположим, что у нас есть катушка, которая подключена к прибору, называемому гальванометром. Гальванометр — это не что иное, как очень чувствительный амперметр, определяющий низкий уровень электрического тока.

Теперь, очевидно, в схеме, примерно такой, нет источника питания. Между любыми двумя точками этой петли нет разности потенциалов. Мы не сможем обнаружить никакого тока. Другими словами, в этом положении шкала гальванометра не прогибается. Ну, если мы держим стержневой магнит напротив этой петли, мы, конечно, знаем, что стержневой магнит будет генерировать свои собственные уникальные силовые линии магнитного поля, и они будут выходить из северного полюса и входить в южный полюс. Таким образом, на некотором расстоянии от петли некоторые из этих линий будут проходить через область, окруженную этой петлей.

Опять же, мы не увидим никакого отклонения в циферблате гальванометра, и если мы переместим магнит рядом с катушкой, в этом случае все силовые линии, создаваемые этим магнитом, будут проходить через область, окруженную этой катушки, но опять же, пока мы держим магнит в этом положении, мы не увидим никакого отклонения шкалы гальванометра. Таким образом, когда магнит находится вдали, небольшое количество силовых линий проходит через область, окруженную катушкой, а когда магнит находится рядом с катушкой, то максимальное количество силовых линий будет проходить через область, окруженную катушкой. эта катушка. В обоих случаях, когда магнит покоится, мы не будем наблюдать никакого отклонения стрелки гальванометра.

Когда мы делаем это наблюдение, если мы внимательно посмотрим, мы увидим, что когда магнит движется к катушке, мы наблюдаем отклонение шкалы гальванометра. Мы также увидим, что всякий раз, когда он движется быстро или быстрее к катушке, это отклонение будет увеличиваться. Кроме того, всякий раз, когда мы отодвигаем катушку от катушки, мы снова будем наблюдать отклонение шкалы гальванометра, но на этот раз оно будет в противоположном направлении.

Опять же, для медленной скорости или низкой скорости, когда катушка удаляется или приближается, отклонение шкалы гальванометра будет небольшим, но всякий раз, когда она движется быстрее, мы увидим, что она будет двигаться для большего отклонения. Направление этих отклонений будет противоположным в зависимости от того, движется ли магнит к катушке или от катушки.

Конечно, отклонение шкалы гальванометра подскажет нам, что в этих случаях через эту катушку протекает определенный ток. Кроме того, поскольку отклонения происходят в противоположных направлениях по отношению к движению магнита к катушке или от нее, это будет указывать на то, что направление протекания тока будет в противоположных направлениях относительно того, движется ли магнит к катушке или движется подальше от катушки.

Действительно, мы получаем некоторый наведенный ток при движении магнита относительно катушки. Этот ток не имеет ничего общего с количеством силовых линий, проходящих через область, окруженную этой катушкой, но он имеет прямое отношение к тому, как эти силовые линии, проходящие через область, окруженную этой катушкой, меняются, как быстро они меняются. увеличиваются или насколько быстро они уменьшаются. Это подводит нас к понятию магнитного потока.

Ранее мы определили понятие потока в различных случаях. Сначала мы рассмотрели поток двигателя, а затем ввели поток электрического поля, изучая закон Гаусса. Здесь, используя аналогичный подход, мы определим магнитный поток. Магнитный поток определяется как, как вы помните, чтобы иметь возможность определить поток, нам нужна площадь, поверхность, и векторное поле, усеянное этой поверхностью, даст нам поток этих векторов через эту поверхность.

Магнитный поток определяется как интеграл от B точка d A . Как вы помните, мы определили поток электрического поля как интеграл от E dot d A , интегрированный по замкнутой поверхности s . Здесь магнитный поток определяется как интеграл от B dot d A по открытой поверхности. Это различие напрямую связано со свойствами силовых линий магнитного поля.

В случае с силовыми линиями электрического поля мы всегда могли получить открытые силовые линии электрического поля, потому что мы всегда могли изолировать положительный или отрицательный заряд. Как вы помните, силовые линии электрического поля исходят из положительного заряда и идут радиально наружу в бесконечность, а для отрицательного заряда все было как раз наоборот. Чтобы определить общий поток, связанный с этими линиями поля, мы должны выбрать замкнутую поверхность, которая охватит все эти линии поля.

В то время как в случае силовых линий магнитного поля, поскольку не может быть магнитного монополя, магнитные полюса всегда имеют форму диполей, то силовые линии магнитного поля всегда замыкаются сами на себя. Если мы выберем закрытую поверхность для блокировки, то количество силовых линий, входящих в эту закрытую поверхность, всегда будет равно количеству силовых линий, выходящих из этой поверхности. Поэтому чистый поток всегда будет давать нам 0 для замкнутой поверхности.

В результате этого, чтобы иметь возможность определить поток магнитного поля, мы всегда выбираем открытую поверхность, другими словами, поверхность, которая не заключает в себе объем. Так вот, в этом примере основная величина, связанная с индуцированным током вдоль этого контура, это не величина магнитного поля или не площадь, окруженная этой катушкой, а то, насколько быстро или насколько медленно движется магнитный поток через область, окруженную этой катушкой. катушка меняется.

Это явление было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году и сформулировано как индуцированная электродвижущая сила, которая вызывает появление индуцированного тока вдоль этого замкнутого проводящего контура, когда магнитный поток изменяется через площадь, окруженную контуром, равен минус скорость изменения магнитного потока. Таким образом, здесь ε представляет собой индуцированную электродвижущую силу, а Φ B представляет собой, опять же, магнитный поток, и отрицательный знак в этом соотношении проявляется из-за другого закона, известного как «закон Ленца». Вся эта взаимосвязь снова известна как «закон индукции Фарадея».

Хорошо. Ну это в том случае, если у нас есть только один виток для нашей катушки. Если у нас есть n число витков, в этом случае закон Фарадея принимает форму – N умножить на dΦ B на dt , потому что в этом случае поток через каждый контур будет связан со следующим петли, и, следовательно, индуцированная электродвижущая сила будет равна 90 351 Н, умноженной на 90 352 скорости изменения потока. Другими словами, поток через область, окруженную каждым из этих витков.

Прежде чем перейти к закону Ленца, давайте также введем единицу измерения магнитного потока. Поскольку Φ B является произведением магнитного поля и площади в системе единиц СИ, поэтому оно будет иметь единицы тесла, умноженные на метр в квадрате. У нас есть специальное название для этого продукта. Называется «Вебер». Мы собираемся апробировать этот блок с «Wb». Следовательно, мы можем выразить закон Фарадея как индуцированную электродвижущую силу в цепи, равную отрицательной скорости изменения магнитного потока.

Если мы посмотрим на единицы измерения правой части закона Фарадея, мы увидим, что это действительно приведет к размерам разности потенциалов. Поскольку ε равно числу витков, умноженному на скорость изменения потока, это будет равно веберам в секунду, а в явном виде будет тесла-метром в квадрате в секунду, что будет равно единице тесла и явной формы тесла, мы можем выразить это, взглянув на магнитную силу.

Магнитная сила была равна q v пересекают B и в системе единиц СИ поэтому слева стоят ньютоны, кулоны метры в секунду и единица магнитного поля, если все эти величины в системе единиц СИ, то единицей магнитного поля был тесла. Таким образом, мы можем выразить Тесла в явной форме как ньютоны, умноженные на секунды, деленные на кулоны на метр, и тогда мы получим умножение на метры в квадрате на секунду. Здесь этот метр и тот метр в квадрате отменятся, секунды отменятся, и двигаясь дальше, ε будет равно ньютонам на кулон.

Ньютоны — это сила, которая представляет собой массу, умноженную на ускорение, и она будет равна тогда килограммам метрам в секунду в квадрате и разделенным на кулоны, оставленные в знаменателе, у нас есть еще метры здесь. Итак, килограмм-метры в квадрате на секунду в квадрате или ньютон-метр — это не что иное, как единица энергии, работы, поэтому она будет равна джоулю. У нас будет джоуль на кулон. Джоуль на кулон — это, по определению, электрическая потенциальная энергия на единицу заряда, по определению — не что иное, как электрический потенциал. Следовательно, это будет в единицах вольт в системе единиц СИ. Действительно, это отношение будет иметь размеры электрического потенциала.

Хорошо. Ранее мы говорили, что в законе Фарадея справа стоит отрицательный знак, и этот отрицательный знак появляется из-за другого закона, известного как закон Ленца. Закон Ленца просто гласит, что индуцированная электродвижущая сила или ток в замкнутом проводящем контуре будет появляться в таком направлении потока, что будет противодействовать его причине. Другими словами, он будет противодействовать изменению, которое его производит.

Хорошо. Рассмотрим этот закон на примере. Предположим, что у нас есть внешнее магнитное поле, направленное в плоскость, и мы поместим петлю проводимости, окружность или провод, скажем, внутри этой области. Для первого случая предположим, что это внешнее магнитное поле однородно. Другими словами, он не меняется. Следовательно, магнитное поле, проходящее через область, окруженную этой петлей, которая является этой областью, не будет изменяться. Это также означает, что магнитный поток через эту область постоянен. Если поток через эту область постоянный, то, поскольку ЭДС индукции равна – dΦ B над dt для такой одновитковой катушки, а производная от константы равна 0, поэтому вдоль этого проводящего контура не будет ЭДС индукции, а это означает, что i также будет наведена быть равным 0.

Теперь возьмем эту же систему. Магнитное поле направлено в плоскость, но в данном случае B не однородно, а нарастает в плоскости. Магнитное поле увеличивается. В этом случае, когда мы поместим нашу проводящую петлю внутрь этой области, поскольку магнитное поле увеличивается в плоскости, поток через область, окруженную этой проводящей петлей, будет увеличиваться. Это означает, что Φ B увеличивается. Это означает, что он будет меняться со временем. В результате этого мы получим некоторую индуцированную электродвижущую силу вдоль этой петли, поэтому ε будет отличаться от 0, и, естественно, эта индуцированная электродвижущая сила вызовет индуцированный ток. Это тоже будет отличаться от 0.

Давайте посмотрим на направление потока этого индуцированного тока. Что ж, изменение потока, согласно закону Фарадея, создаст индуцированную электродвижущую силу. Индуцированная электродвижущая сила будет генерировать индуцированный ток. Закон Ленца гласит, что этот ток проявится вдоль этой проводящей петли так, что попытается противостоять своей причине. Причиной этого индуцированного тока является увеличение магнитного потока. Магнитный поток увеличивается из-за увеличения магнитных полей.

Следовательно, индуцированный ток будет протекать через эту петлю таким образом, что он попытается противодействовать увеличению этого внешнего магнитного поля. Единственный способ сделать это, генерируя магнитное поле, будет направлен в противоположную сторону от направления внешнего магнитного поля. Следовательно, магнитное поле индуцированного тока должно быть направлено не в плоскости.

Итак, используя правило правой руки, если магнитное поле через область, окруженную этой проводящей петлей, выходит из плоскости, и мы знаем, что силовые линии магнитного поля всегда имеют форму концентрических окружностей, огибающих провод, поэтому, если линия магнитного поля выходит отсюда для этого индуцированного тока, она будет уходить в плоскость вне контура. Чтобы иметь возможность иметь линии поля в этом направлении, мы просто держим пальцы правой руки в направлении линий магнитного поля, которые вращаются по часовой стрелке, а большой палец укажет нам направление соответствующего электрического тока.

Следовательно, в этом случае ток должен течь против часовой стрелки. Потому что, если ток движется против часовой стрелки, используя большой палец в направлении потока тока и вращая пальцы правой руки вокруг большого пальца, мы увидим, что соответствующие силовые линии будут выходить из плоскости через область, окруженная этим током и уходящая в плоскость вне контура. В результате этого магнитное поле на интересующей поверхности будет противодействовать внешнему магнитному полю, поэтому оно попытается уменьшить его силу или избежать ее увеличения, но оно никогда не достигнет достаточно высокого значения для этого, поэтому мы получаем индуцированная электродвижущая сила и связанный с ней ток, который будет протекать через эту проводящую петлю против часовой стрелки.

Для последнего случая, если мы рассмотрим магнитное поле, опять же, в плоскости, но в этом случае B уменьшается, так как магнитное поле меняется, это вызовет поток через область, окруженную этой проводящей петлей, к изменяться и изменяться таким образом, что из-за уменьшающегося магнитного поля поток будет уменьшаться через область, окруженную этим контуром. Это означает, что мы снова получим индуцированную электродвижущую силу и, следовательно, индуцированный ток.

Если мы попытаемся определить направление течения тока, опять же по закону Ленца, ток должен течь в таком направлении, чтобы он противодействовал своей причине. Его причиной является уменьшение магнитного поля. Поэтому он постарается избежать этого снижения. Для этого он должен генерировать магнитные поля, которые будут в том же направлении, что и это внешнее магнитное поле. Используя, опять же, правило правой руки, чтобы иметь возможность иметь силовые линии, идущие в плоскость через область, окруженную этой петлей, ток должен течь по часовой стрелке.