Закон Джоуля — Ленца: формула и определение
Автор Савельев Николай На чтение 4 мин Просмотров 144 Опубликовано Обновлено
При использовании различных электроприборов, через которые протекают токи, происходит процесс преобразования электрической энергии в тепловую. Например, если взять тонкий провод и соединить к концам батарейки, можно почувствовать, что провод нагрелся. Это происходит благодаря закону Джоуля — Ленца, формула и определение которого приведены ниже.
Данное тепловое явление может быть, как полезным:
- Освещение (лампы накаливания, индукционные лампы)
- электрические обогреватели
- инструменты (паяльник, сварочный аппарат)
- бытовые предметы (чайник, индукционная плита, утюг)
Так и опасным:
- Перегрев аппаратов и машин во время эксплуатации
- Перегрев высоковольтных линий передач при неправильном расчете длины провода между опорами
Содержание
- Откуда берётся тепло? Природа теплового эффекта в цепи тока
- Закон Джоуля — Ленца
- Математическое выражение Закона Джоуля — Ленца
Откуда берётся тепло? Природа теплового эффекта в цепи тока
В качестве проводников, в основном, используются такие металлы, как:
- Алюминий
- Медь
- Сталь
В металлическом стационарном проводнике, работа тока идёт на повышение внутренней энергии.
Каждый проводник, при прохождении через него тока, будет выделять тепло. Связанно это с атомным строением металлов. Металлы по своей структуре представляют собой решётку, состоящую из ионов (положительно заряженных атомов) и атомов. При прохождении тока через данную решётку, упорядоченные электроны сталкиваются с молекулами проводника. При соударении происходит передача кинетической энергии, и, соответственно, происходят колебания атомов. Данное колебание положительно заряженных атомов и атомов с нейтральным зарядом приводит к нагреванию проводника электрической цепи.
Закон Джоуля — Ленца
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени
Закон Джоуля – Ленца
Данный вывод был сформулирован двумя учеными: Джеймсом Джоулем в 1841 году и Эмилием Ленцем в 1842 году. Опыты проводились самостоятельно каждым из ученых, поэтому закон был назван сразу в честь двух ученых.
Читайте также: Как рассчитать силу тока, потребляемую бытовым прибором?
Математическое выражение Закона Джоуля — Ленца
Рассмотрим идеальную электрическую цепь, состоящую только из проводника и источника напряжения. На данной схеме присутствует только сопротивление проводника, без добавочных сопротивлений и различных внешних воздействий.
Работа тока, во время работы источника напряжения:
\[ А = IUt [Дж] \],
- где I – ток, протекающий в цепи [А]
- U – напряжение источника [В]
- t – время работы [c]
Учитывая, что энергия, накопившееся в проводнике, уходит только на нагрев цепи, делается следующий вывод: При работе тока А вся энергия преобразуется в тепло Q и равняется его количеству.
\[ Q = А = IUt [Дж] \]
Используя закон Ома, определяется количество теплоты Q, выработанное проводником за время t, выражая через напряжение источника и сопротивление участка цепи:
\[ Q = IUt = I(IR)t = I2Rt [Дж] \],
- где R – сопротивление цепи [Ом]
\[ U = IR [В] \] – закон Ома для участка цепи.
Сопротивление цепи напрямую зависит от выбора материала, длины и поперечного сечения провода:
\[ R = ρl/S \],
- где ρ – удельное электрическое сопротивление проводника [Ом∙м]
- l – длина участка цепи [м]
- S – площадь сечения проводника [мм2]
На данный момент, наиболее часто используется проводка с круглым сечением, поэтому применяем формулу площади круга:
\[ S = πR2 \],
- где R – радиус круглого проводника [мм]
Савельев Николай
Инженер по телевизионному оборудованию Электрика и электроника, это не только моё хобби, но и работа
Задать вопрос
Стоит отметить, что при выборе сечения (квадратное, круглое, прямоугольное) для подобных схем не имеет значения! Также, материал выбирают из техническо-экономических соображений. Например, серебро можно использовать как провод: лучше проводимость, чем у меди, но стоимость больше. Поэтому, в зависимости от различный условий и задач, стараются подбирать провода, подходящие под решения и экономически выгодных.
Воспользовавшись формулами, описанными ранее, полное математическое уравнение Джоуля – Ленца имеет вид:
\[ Q = (I2tρl)/(πR2) \]
Физика Тепловое действие тока. Закон Джоуля–Ленца
Материалы к уроку
Конспект урока
Мы уже знаем, что электрический ток нагревает проводник. Попробуем разобраться как это происходит?
Электрическое поле ускоряет электроны. После столкновения с ионами кристаллической решетки они передают ионам свою энергию. В результате энергия хаотического движения ионов около положения равновесия возрастает. Это и означает увеличение внутренней энергии проводника. Температура проводника повышается, и он начинает передавать теплоту окружающим телам.
Спустя некоторое время после замыкания цепи процесс устанавливается, и температура перестает изменяться со временем.
К проводнику непрерывно поступает энергия за счет работы электрического поля. Но его внутренняя энергия остается неизменной, так как проводник отдает окружающим телам количество теплоты, равное работе тока. Это будет справедливо тогда, когда работа полностью расходуется на увеличение внутренней энергии.
Английский физик Джеймс Пре́скотт Джо́уль и русский физик Эмилий Христианович Ленц независимо друг от друга установили закон, по которому можно определить количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему тока.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени прохождения тока.
Попробуем вывести данную формулу. Количество теплоты будет равно работе электрического тока.
Q = A А= IUt, значит Q = IUt, так как U= RI, значит Q=I RI t
или Q = I2Rt Q = I∙U∙t
Первая формула определяет количество теплоты в общем случае, когда известны сила тока, напряжение и время.
Вторая формула чаще используется при рассмотрении количества теплоты, выделяемое в последовательно соединенных сопротивлениях, когда сила тока одинакова.
Проведем опыт. Соберем электрическую цепь с источником (6В), двумя последовательно соединенными сопротивлениями
(2 Ома и 4 Ома), амперметром о вольтметром. Включим на 1 минуту цепь. Произведем замеры.
Сила тока при последовательном соединении на всех участках одинакова.
I1 = I2 = I =1 A;
Напряжение U1= 2 B; U2= 4B;
время t = 60 c
Вычислим потери теплоты на первом и втором сопротивлениях.
Q2= I2U2t = 1A*4B*60c = 240 Дж
Делаем вывод: при последовательном соединении сопротивлений больше тепла выделяется в большем сопротивлении.
Проведем опыт. Соберем электрическую цепь с такими же элементами, как и в предыдущем опыте, но соединим сопротивления параллельно. Силы тока в параллельных ветвях измеряем амперметрами.
Произведем замеры. При параллельном соединении напряжение на участках одинаковое.
U1=U2=U=6B
Сила тока I1=3A; I2=2,5A, время t=60c
Q1=I1U1t=3A∙6B∙60c =1080 Дж
Q2=I2U2t= 2,5A∙6B∙60c=900 Дж
Делаем вывод: при параллельном соединении сопротивлений больше тепла выделяется в меньшем сопротивлении.
Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Выбрать репетитораОставить заявку на подбор
Add/Drop a Course — Texas One Stop
В начале каждого семестра вы можете добавлять или удалять курсы, если вы зарегистрировались и оплатили в предыдущем периоде. Проверьте свой регистрационный информационный лист онлайн, чтобы узнать, когда вы можете получить доступ к системе регистрации для добавления/удаления.
Полные политики и процедуры добавления/удаления см. в Каталоге общей информации.
Добавление курсов
Вы можете добавлять курсы с помощью системы регистрации до четвертого учебного дня (второй учебный день летом). По истечении этого времени вы должны получить одобрение отдела, чтобы добавить курс.
Проверьте, есть ли у вашего класса предварительные требования. Предварительные требования — это академические требования, которые вы должны выполнить до или во время зачисления на желаемые курсы.
Добавление/исключение курсов и их влияние на финансовую помощь
Удаление курсов
Проконсультируйтесь со своим научным руководителем о том, как отказ от курсов может повлиять на вашу успеваемость, финансовую помощь или доступ к ресурсам кампуса. Если вы упадете ниже уровня полного рабочего дня (который составляет 12 часов для студентов и 9 часовчасов для выпускников осенью и весной), вы будете считаться студентом-заочником. Если вы хотите бросить все свои курсы после начала семестра, вы должны полностью уйти из университета.
Q-Drops
Если вы понимаете, что хотите отказаться от занятий после 12-го учебного дня, вам нужно будет подать запрос на Q-drop до крайнего срока Q-drop, что обычно происходит ближе к середине семестра. Точные даты смотрите в академическом календаре. Встретьтесь с назначенным вам научным руководителем, чтобы обсудить и заполнить форму. Аспиранты могут отказаться от курса после крайнего срока Q-drop. Преподаватель определяет, будет ли записан символ Q или оценка F. Подробную информацию можно получить у координатора программы для выпускников.
OTE (одноразовое исключение) Отбрасывание
Одноразовое исключение — это Q-дроп или снятие средств после установленного срока. Каждому студенту разрешено одно OTE, независимо от того, используется ли оно для отказа от всех занятий или отказа от одного занятия. Выпадение OTE считается одним из шести ваших Q-выпадений. После того, как вы использовали его, вы не можете использовать его снова. Обратитесь к своему консультанту за дополнительной информацией.
Посетите академического консультанта
Списки ожидания
Список ожидания — это список, к которому учащиеся могут присоединиться и ждать свободных мест в классе. Если он включен отделом и все места в классе заняты, учащиеся могут присоединиться к списку ожидания. Если учащийся в классе опускает его, место открывается и заполняется учащимся из списка.
Списки ожидания активны с первого дня регистрации до 4 -го -го учебного дня (осень и весна) или 2-го -го -го учебного дня (лето) в семестре. Департамент, предлагающий класс, должен включить список, прежде чем он станет доступным для студентов.
Присоединение к списку ожидания
При регистрации на закрытое занятие вы получите возможность присоединиться к списку ожидания, если его отдел включил список и вы зарегистрированы хотя бы на одно занятие. Класс будет отображаться как закрытый или в списке ожидания в расписании курса. Попытка добавить закрытый класс или класс ожидания; вы будете уведомлены о том, что класс закрыт, и если есть доступный список ожидания, вам будет предоставлена возможность добавить себя в список.
Вы можете присоединиться к двум спискам на курс и одновременно быть в четырех списках.
Просмотр моих списков ожидания
На странице «Просмотр моих списков ожидания» показаны списки, в которых вы находитесь, дата вашего присоединения к списку, ваше место, последнее отправленное вам уведомление и класс обмена, если вы его выбрали. На этой странице вы также можете удалить себя из списка ожидания или обновить свой класс обмена.
Показать мои списки ожидания
Обновление моего класса по обмену
Класс по обмену — это класс в вашем расписании, который вы решаете исключить, если попадете в список ожидания. Например, вам может понадобиться BIO 340L, но он заполнен, поэтому вместо него вы добавляете BIO 455L и указываете его как класс обмена. Если место открывается в 340 л, и вы добавлены, система сбрасывает вас с 455 л. Если вы откажетесь от 455L, но не обновите свой список ожидания, вас не добавят в 340L, даже если освободится место.
Вы можете обновить свой класс подкачки на странице «Просмотр моих списков ожидания» следующим образом:
- Чтобы выбрать или изменить класс подкачки, выберите класс в расписании в раскрывающемся меню, затем нажмите кнопку Изменить .
- Чтобы отключить класс подкачки, выберите Нет в раскрывающемся меню, затем нажмите Изменить .
Наверх
Все еще нужна помощь?
Мы здесь для вас.
Посетите
Часы работы
Понедельник–вторник, четверг–пятница: 8:30–16:30.
Среда: 9:00–16:30.
Visit Texas One Stop ›
MAI 1 (первый этаж башни UT)
110 Inner Campus Dr.
Austin, TX 78712
. Чтобы подать бумажные документы (такие как апелляции или заявления), отсканируйте документ в формате PDF. и отправьте электронное письмо напрямую в Texas One Stop по адресу [email protected].
Телефон:
(512) 232-6988 (myUT)
Часы работы для звонков: понедельник-вторник, четверг-пятница с 8:30 до 17:00, Среда 9:00-17:00 Громкость звонков может быть выше в часы пик.
Позвоните нам
Электронная почта
[email protected]
Время ответа в течение 2 рабочих дней
перейти к содержанию
Поддержка в учебе
Вам не обязательно поступать в университет в одиночку — мы предлагаем множество услуг для иностранных студентов, которые помогут вам добиться успеха.
Как мы вас поддерживаем
Поиск курса
Добро пожаловать руководство
Изучите наш приветственный путеводитель, чтобы открыть для себя более 220 курсов и узнать о жизни в кампусе.
Получите копию
Пройдите наш тест
Попробуйте Match My Skills, чтобы найти университетский курс, который может привести вас к карьере вашей мечты.
Соответствуйте моим навыкам
Восстановление кораллов
Исследователи QUT использовали математику для принятия решений по выращиванию кораллов, чтобы помочь восстановить Большой Барьерный риф.
Реальные исследования
Наши кампусы
Исследуйте наши кампусы и объекты Gardens Point и Kelvin Grove, включая наши общественные места, исследовательские и функциональные помещения.
См. QUT
Наши объекты
Мы управляем разнообразными объектами мирового класса для поддержки исследований, преподавания и обучения и обеспечения реальных результатов.
Подробнее
Общественные места
Прежде чем мы забронируем номер
У нас есть несколько вопросов, прежде чем записать вас на 30-минутную встречу с нами.
Обратите внимание, что мы можем звонить только на австралийские телефонные номера.
Какой вариант лучше всего описывает вас?
Я гражданин Австралии или Новой Зеландии
Я постоянный житель Австралии или обладатель постоянной гуманитарной визы.
Я иностранный студент, в настоящее время заканчиваю 12-й класс в Австралии.
Для иностранных студентов: перейдите по ссылке, чтобы зарегистрировать свой интерес в QUT, и мы свяжемся с вами.
