Закон джоуля ленца определение: Закон Джоуля-Ленца — формулы, применение и примеры — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

формула, определение простыми словами, задачи, где применяется

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

Закон Джоуля-Ленца. Фото: shutterstock.com Борис Михеев Автор КП Николай Герасимов Старший преподаватель физики

Содержание

Определение закона
Формула
Задачи с решениями
Вопросы и ответы

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

Определение закона Джоуля-Ленца простыми словами

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

Формула закона Джоуля-Ленца

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

Q=I²⋅R⋅t

Где:

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

Задачи на закон Джоуля-Ленца

Наиболее ярко этот закон проявляется при расчетах тепловых приборов.

Задача 1

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

Подставляем данные в формулу:

Q=1,3²*30*25*60=76 050 дж

Ответ: 76,05 килоджоулей.

это интересно

Закон Ома

Разбираем формулировку, формулу и задачи на закон Ома с решением

подробнее

Задача 2

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

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

Q=I²⋅R⋅t → t=Q/(I²⋅R)

Подставляем исходные данные:

t=8000/(22*25)=80

Ответ: 80 секунд.

Закон Джоуля-Ленца – формула и определение, формулировка

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 462.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 462.

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. 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: 462.
А какая ваша оценка?
Закон Ленца — определение, формула, примеры, приложения и часто задаваемые вопросы
Закон Ленца был дан немецким ученым Эмилем Ленцем в 1834 году. Этот закон основан на принципе сохранения энергии и соответствует третьему закону Ньютона. Закон Ленца используется для определения направления индукционного тока в цепи.
В этой статье давайте узнаем о законе Ленца, его формуле, экспериментах и многом другом.
Что такое закон Ленца?
Общее определение закона Ленца:
«Индуцированный ток в цепи из-за электромагнитной индукции всегда противостоит изменению магнитного потока».
Это научный закон, определяющий направление индуцированного тока, но ничего не говорящий о его величине. Магнитное поле, связанное с замкнутой цепью, усиливает индуцированный ток таким образом, что создается магнитное поле в направлении, противоположном исходному магнитному полю. Таким образом, противопоставляя причину, вызвавшую его, и констатируя его сходство с третьим законом Ньютона.
Формула закона Ленца
Формула закона Ленца взята из закона электромагнитной индукции Фарадея. Согласно этому закону ЭДС на катушке рассчитывается как
E = -N(d∅/dt)
, где
отрицательный знак указывает, что направление ЭДС индукции таково, что оно противоположно изменение магнитного потока)
E — электродвижущая сила
Н — число витков, которые сделала катушка
d∅ — изменение магнитного потока
dt изменение во времени
Эксперимент по закону Ленца
Закон Ленца определяет направление индуцированной электродвижущей силы и тока, индуцированного в замкнутой цепи. Эксперименты, подтвержденные Ленцем, чтобы сформулировать свою теорию, таковы:
Изображение, приведенное ниже, показывает металлический проводник, помещенный в магнитное поле.

Первый эксперимент
Первый опыт Ленца доказал, что ток, протекающий в катушке, создает магнитное поле в цепи, и напряженность магнитного поля увеличивается с увеличением силы индуцированного тока. Кроме того, это создаваемое магнитное поле противостоит первоначальному магнитному полю, т. е. направление индуцированного тока противоположно исходному магнитному полю.
Второй эксперимент
Второй эксперимент Ленца утверждает, что железный стержень, намотанный на провод с током, и его левый конец ведут себя как N-полюс, если он движется к катушке, в которой возникает индуцированный ток.
Третий эксперимент
Третий эксперимент Ленца утверждает, что если катушку притянуть к магнитному потоку, магнитный поток, связанный с катушкой, уменьшится по мере уменьшения площади катушки внутри магнитного поля. Теперь индуцированный ток того же направления противодействует движению катушки по закону Ленца.
Из приведенных выше экспериментов мы можем сделать вывод, что ток возникает, когда магнит прикладывает силу к петле, и чтобы сопротивляться изменению, ток воздействует на магнит.
Что такое электромагнитная индукция?
Это явление образования ЭДС индукции из-за изменения магнитного потока (количества силовых линий магнитного поля), связанного с замкнутой цепью, называемой электромагнитной индукцией.
Объяснение закона Ленца
Закон Ленца легко объясняется двумя случаями.
Случай 1:

Как показано на рисунке, когда стержневой магнит северного полюса перемещается к катушке, индуцированный ток в катушке течет в направлении против часовой стрелки, если мы видим его со стороны 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.
Случай 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.
Вывод: Движение магнита уменьшает поток через катушку. Поток генерируется в том же направлении за счет индуцированного тока, следовательно, противодействует потоку и увеличивает его.
Применение закона Ленца
Закон Ленца играет важную роль в различных случаях, и некоторые из наиболее распространенных применений закона Ленца:
- Тормозная система в поездах работает по закону Ленца закона Ленца
- Вихревые токи уравновешиваются с помощью закона Ленца
- Металлодетекторы, считыватели карт и многие другие электронные устройства используют концепцию закона Ленца для своего применения.
Закон Ленца и 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, требуются дополнительные усилия, чтобы совершать 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.
На приведенном ниже рисунке показан магнитный поток, связанный с катушкой, когда магнит находится близко или далеко от катушки.

Когда магнит удаляется 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 движется, поэтому в катушке не индуцируется ЭДС.
В результате закон Ленца согласуется с законом сохранения энергии.
Также проверьте
- Электромагнитная индукция
- Эксперименты Фарадея и Генри
Часто задаваемые вопросы по закону Ленца
Q1: Что такое закон Ленца?
Ответ:
Закон Ленца гласит, что индукционный ток в катушке имеет направление, противоположное изменению магнитного потока через катушку.
Q2: Где используется закон Ленца?
Ответ:
Закон Ленца используется для определения направления индукционного тока в любой цепи. Работает по третьему закону Ньютона.
Q3: В чем разница между законом Ленца и законом Фарадея?
Ответ:
Разницу между законом Фарадея и законом Ленца можно объяснить следующим образом:
Закон Ленца определяет направление индуцированного тока.
Закон Фарадея гласит, что величина ЭДС, индуцированной в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Q4: Какова история закона Ленца?
Ответ:
Физик из балтийской Германии Генрих Ленц предложил закон Ленца в начале 1900-х годов
В5: Какой закон определяет направление тока в генераторе переменного тока?
Ответ:
Закон Ленца используется для определения направления тока в генераторе переменного тока.
Q6: Как закон Ленца связан с законом сохранения энергии?
Ответ:
Закон Ленца гласит, что ЭДС индукции в катушке всегда противостоит причине, вызвавшей ее, что соответствует закону сохранения энергии.
Q7: На что указывает отрицательный знак в законе Ленца?
Ответ:
Знак минус в законе Ленца указывает на то, что «ЭДС индукции, возникающая в катушке вследствие электромагнитной индукции, противоположна причине, создающей ток в катушке».
Q8: Какой принцип сохранения выводит закон Ленца?
Ответ:
Закон Ленца выводится из закона сохранения энергии.

Закон Джоуля о нагреве и Первый закон Джоуля — Физика
Мы знаем о нагревающем воздействии электрического тока. Тепло производится из-за столкновения электронов в проводе. Вы, возможно, задавались вопросом о количестве тепла, выделяемого при протекании тока по проводу, а также о параметрах и условиях, на которых оно основано. Чтобы ответить на все эти вопросы, Джоуль вывел формулу, точно описывающую это явление, и назвал ее законом Джоуля.
Закон Джоуля — это математическое описание скорости, с которой сопротивление в цепи преобразует электрическую энергию в тепловую.

Английский физик Джеймс Прескотт обнаружил, что количество тепла, выделяющегося в проводнике с током в секунду, пропорционально электрическому сопротивлению провода и квадрату силы тока.
Теплота, выделяемая при протекании тока по электрическому проводу, выражается в джоулях. Математическое выражение закона Джоуля поясняется ниже.
Подробнее: Электрический ток
Первый закон Джоуля
Первый закон Джоуля показывает взаимосвязь между теплом, выделяемым при протекании электрического тока по проводнику.

Q = I ² R T
Где,
- Q указывает количество тепла
- Я показываю электрический ток
- R — величина электрического сопротивления в проводнике
- T обозначает время
- Количество генерируемого тепла пропорционально электрическому сопротивлению провода, когда сила тока в цепи и протекание тока не меняются.
- Количество выделяемого тепла в проводнике с током пропорционально квадрату тока, протекающего по цепи, когда электрическое сопротивление и подача тока постоянны.
- Количество тепла, выделяемое из-за протекания тока, пропорционально времени протекания, когда сопротивление и протекание тока поддерживаются постоянными.