English     Русский Правила

Закон лени кратко. Тепловой закон Джоуля-Ленца

Физический закон оценки теплового действия электрического тока. Закон Джоуля-Ленца был открыт в 1841 г. Джеймсом Джоулем, а в 1842 г. совершенно независимо Эмилем Ленцем.

как мы уже знаем, когда свободные электроны движутся по проводнику, они должны преодолевать сопротивление материала. При этом движении зарядов происходят постоянные столкновения атомов и молекул вещества. При этом энергия движения и сопротивления преобразуется в тепло. Его текущая зависимость была впервые описана двумя независимыми учеными, Джеймсом Джоулем и Эмилем Ленцем. Поэтому закон получил двойное название.

Определение , количество тепла, выделяющегося в единицу времени на конкретном участке электрической цепи, прямо пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке на его сопротивление.

Математически формулу можно записать так:

Q = a × I 2 × R × t

где Q — количество произведенного тепла, а — тепловой коэффициент (обычно его принимают равным 1 и не учитывается), I — сила тока, R — сопротивление материала, t — время прохождения тока через проводник. Если коэффициент теплоты а = 1 , то Q измеряется в джоулях. Если а = 0,24 , то Q измеряется в малых калориях.

Любой проводник всегда нагревается, если по нему протекает ток. А вот перегрев проводников очень опасен, ведь он может вывести из строя не только электронное оборудование, но и стать причиной пожара. Например, в случае короткого замыкания происходит огромный перегрев материала проводника. Поэтому для защиты от коротких замыканий и больших перегревов в электронных схемах добавляются специальные радиодетали — предохранители . Для их изготовления используется материал, быстро плавящийся и обесточивающий цепь питания при достижении током максимальных значений. Предохранители необходимо выбирать по площади поперечного сечения проводника.

Закон Джоуля-Ленца актуален как для постоянного, так и для переменного тока. По нему работает множество различных отопительных приборов. Ведь чем тоньше проводник, тем больший ток проходит по нему за более длительный промежуток времени, тем большее количество тепла выделяется в результате этого.

Надеюсь, вы помните, что ток зависит от напряжения. Возникает вопрос, почему ноут греется не так сильно, как утюг? Потому что в основе находится спиральная проволока из стали, которая имеет низкое сопротивление. Плюс стальная подошва, поэтому утюг нагревается до высоких температур, и мы можем его гладить.

А имеет регулятор напряжения, который понижает 220 вольт до 19 вольт. Плюс сопротивление всех цепей и компонентов довольно высокое. Дополнительно для охлаждения есть кулер и медные тепловые радиаторы.

Действие закона Джоуля-Ленца хорошо видно на практике. Наиболее известным примером его применения является обычная лампа накаливания или , в которой нить накала светится за счет прохождения через нее тока высокого напряжения.

На основе закона Джоуля-Ленца также работает, где создание сварного соединения осуществляется путем нагревания металла, за счет проходящего через него тока и деформации свариваемых деталей сжатием.

Электродуговая сварка, также работает на физических принципах закона Джоуля-Ленца. Для совершения сварочных работ электроды нагревают до такого состояния, чтобы между ними возникала сварочная дуга. эффект вольтова дуга открыта русским ученым В.В. Петров, используя принципы замыкания Джоуля-Ленца.

Помимо математической формулы, этот закон имеет еще и дифференциальную форму. Предположим, что по неподвижному проводнику течет ток и вся его работа тратится только на нагрев. Тогда по закону сохранения энергии получаем следующее математическое выражение.

Энергия направленного движения заряженных частиц расходуется на нагрев кристаллической решетки проводника.

2. Какое количество тепла получает кристаллическая решетка проводника от направленно движущихся заряженных частиц?

Количество теплоты, полученное кристаллической ячейкой, равно работе электрического тока.

3. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца. Запишите его математическое выражение.

Количество тепла, выделяющегося в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и

времени прохождения тока через проводник.

4. Определить мощность электрического тока. Приведите формулу расчета этой мощности.

Мощность электрического тока — работа электрического поля, совершаемая при упорядоченном движении заряженных частиц по проводнику, отнесенная ко времени, в течение которого эта работа совершается.

5. Как зависит мощность, выделяющаяся в проводниках с током, от вида их соединения?

Энциклопедический YouTube

1 / 3

Занятие 254 Работа и мощность электрического тока

Закон Джоуля-Ленца. Часть 1

Урок 255

Субтитры

Определения

В устной форме это звучит так

Мощность тепла, выделяющаяся в единице объема среды при протекании постоянного электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на напряженность электрического поля 9(2))

где w (\displaystyle w)- мощность тепловыделения в единице объема, j → (\displaystyle (\vec (j)))- плотность электрического тока , E → (\displaystyle (\vec (E))) — напряженность электрического поля,

σ — проводимость среды, точка обозначает скалярное произведение. (2) Rdt) 9(2) t/R\ = IVt)

Практическое значение

Снижение потерь энергии

При передаче электроэнергии нежелательно тепловое воздействие тока в проводах, так как оно приводит к потерям энергии. Питающие провода и нагрузка соединены последовательно, значит, ток в сети I (\displaystyle I) по проводам и нагрузке одинаков. Мощность нагрузки и сопротивление проводов не должны зависеть от выбора источника напряжения. Мощность, рассеиваемая на проводах и на нагрузке, определяется по следующим формулам 9(2)) является константой, то выделяемое на проводе тепло обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе. Повышая напряжение, мы уменьшаем потери тепла в проводах. Это, однако, снижает электробезопасность линий электропередачи.

Выбор проводов для цепей

Тепло, выделяемое токоведущим проводником, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В том случае, если сила тока в выбранном проводнике превышает определенное предельно допустимое значение, возможен такой сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним предметов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно руководствоваться принятыми нормативными документами, регламентирующими выбор сечения жил.

Электронагреватели

Если сила тока одинакова по всей электрической цепи, то на любом выбранном участке, чем больше будет выделяться тепла, тем выше сопротивление этого участка.

Преднамеренно увеличивая сопротивление участка цепи, можно добиться локализованного выделения тепла на этом участке. По такому принципу работают электронагреватели . В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Увеличение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его сечения. Отводящие провода обычно имеют низкое сопротивление, поэтому их нагрев обычно незаметен.

Предохранители

Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника с особыми характеристиками. Это проводник относительно небольшого сечения и изготовлен из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не приводит к его перегреву, а при чрезмерно большом перегреве проводника настолько значителен, что проводник плавится и размыкает цепь.

Содержание:

Знаменитый русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя опыты по изучению теплового действия электрического тока, независимо друг от друга вывели закон Джоуля-Ленца. Этот закон отражает зависимость между количеством теплоты, выделяющейся в проводнике, и электрическим током, проходящим через этот проводник за определенный промежуток времени.

Свойства электрического тока

При прохождении электрического тока по металлическому проводнику его электроны постоянно сталкиваются с различными посторонними частицами. Это могут быть обычные нейтральные молекулы или молекулы, потерявшие электроны. Электрон в процессе движения может отщепить от нейтральной молекулы еще один электрон. В результате его кинетическая энергия теряется, а вместо молекулы образуется положительный ион. В других случаях электрон, наоборот, соединяется с положительным ионом и образует нейтральную молекулу.

В процессе столкновений электронов и молекул расходуется энергия, которая в дальнейшем превращается в тепло. Затрата определенного количества энергии связана со всеми движениями, при которых приходится преодолевать сопротивление. В это время работа, затрачиваемая на преодоление сопротивления трения, превращается в тепловую энергию.

Джоуль Формула закона Ленца и определение

Согласно закону Ленца-Джоуля электрический ток, протекающий по проводнику, сопровождается выделением количества тепла, прямо пропорционального квадрату силы тока и сопротивления, а также времени требуется, чтобы этот ток протекал по проводнику.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = I 2 Rt, в которой Q отображает количество выделяемой теплоты, I — , R — сопротивление проводника , t — период времени. Величина «к» является тепловым эквивалентом работы и используется в тех случаях, когда количество теплоты измеряется в калориях, сила тока — в , сопротивление — в омах, а время — в секундах. Числовое значение k равно 0,24, что соответствует току в 1 ампер, который при сопротивлении проводника 1 Ом выделяет за 1 секунду количество теплоты, равное 0,24 ккал. Поэтому для расчета количества выделяющегося тепла в калориях используется формула Q = 0,24I 2 Rt.

При использовании системы единиц СИ количество теплоты измеряется в джоулях, поэтому значение «k» применительно к закону Джоуля-Ленца будет равно 1, а формула будет иметь вид: Q = I 2 Рт. Согласно I = U/R. Если это значение тока подставить в основную формулу, то оно примет следующий вид: Q = (U 2 /R) t.

Основная формула Q = I 2 Rt очень удобно использовать при расчете количества теплоты, которое выделяется в случае последовательного соединения. Сила тока во всех проводниках будет одинакова. При последовательном соединении сразу нескольких проводников каждый из них будет выделять столько тепла, сколько будет пропорционально сопротивлению проводника. Если последовательно соединить три одинаковых провода из меди, железа и никеля, то максимальное количество тепла будет выделяться последним. Это связано с самым высоким удельным сопротивлением никелина и более сильным нагревом этой проволоки.

При параллельном соединении одинаковых проводников величина электрического тока в каждом из них будет разной, а напряжение на концах одинаковым. В этом случае для расчетов больше подходит формула Q = (U 2 /R) t. Количество теплоты, выделяемое проводником, будет обратно пропорционально его проводимости. Так, закон Джоуля-Ленца широко используется для расчета электроосветительных установок, различных отопительных и отопительных приборов, а также других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

Количество теплоты, выделяющееся в единицу времени на рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке на сопротивление участка

Джоуля Закон Ленца на интегральная форма в тонких проводах:

Если сила тока изменяется во времени, проводник неподвижен и в нем нет химических превращений, то в проводнике выделяется тепло.

— Мощность тепла, выделяющегося в единице объема среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электропечах и различных электронагревателях. Этот же эффект в электрических машинах и устройствах приводит к непроизвольным затратам энергии (потеря энергии и снижение КПД). Тепло, заставляя эти устройства нагреваться, ограничивает их нагрузку; В случае перегрузки повышение температуры может повредить изоляцию или сократить срок службы установки.

В формуле мы использовали:

Количество теплоты

Текущая работа

Напряжение на проводнике

Ток в проводнике

Интервал времени

Квантовая механика — Преобразование энергии из единиц джоулей в единицы волнового числа $\begingroup$

Если у нас есть выражение для энергии $E$ в джоулях, почему если мы хотим преобразовать энергию в волновое число, мы делим это выражение на $hc$?

Я знаю, что $$E = \frac{hc}{\lambda}$$

Таким образом, несомненно, отсюда следует, что $$\frac{E}{hc} = \frac{1}{\lambda}$$

и так как $$ k = \frac{2\pi}{\lambda}$$

Разве не имеет смысла, чтобы для преобразования энергии в джоулях в волновое число мы умножили $E$ на $\frac{2\pi} {hc} = \frac{1}{\hbar c}$.

Итак, мой вопрос: почему при преобразовании энергии из джоулей в единицы волнового числа мы делим $E$ на $hc $, а не на $\hbar c$

• квантовая механика
• энергия
• единицы
• размерный анализ

$\endgroup$

6

$\begingroup$

Вы используете «угловое» волновое число $k = \frac{2\pi}{\lambda}$ (т. е. количество радиан, накопленное на единицу длины), но волновое число, используемое спектроскопистами, является «спектроскопическим» волновым числом , $$ \тильда\nu=\frac1\лямбда, $$ который измеряет число 9На единицу длины приходится 0254 длины волны. Если вы хотите получить $k$, то действительно надо делить на $\hbar c$, а для $\tilde\nu$ делить на $hc$.

К сожалению, обозначения для этих вариантов очень размыты, и существует очень мало универсальных и объективных стандартов, поэтому одно и то же слово в конечном итоге используется для обозначения разных понятий.