Закон Джоуля-Ленца: история возникновения. Закон Джоуля-Ленца: его формулировка и применение

Q = a*I*2R*t, где
Q - колическтво выделяемой теплоты (в Джоулях)
a - коэффициент пропорциональности
I - сила тока (в Амперах)
R - Сопротивление проводника (в Омах)
t - Время прохождения (в секундах)

Закон Джоуля-Ленца объясняет, что электрический ток - это заряд, который перемещается под действием электрического поля. При этом поле совершает работу, а ток обладает мощностью и выделяется энергия. Когда эта энергия проходит по неподвижному металлическому проводнику, то она становится тепловой, так как направлена на нагревание проводника.

В дифференциальной форме закон Джоуля-Ленца выражается как объемная плотность тепловой мощности тока в проводнике будет равна произведению удельной электрической проводимости на квадрат напряженности электрического поля.

Применение закона Джоуля-Ленца

Одной из областей применения закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии.
Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии. При передаче электроэнергии, передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а сила нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если повышать напряжение, при этом понижая силу тока перед подачей электроэнергии, то это будет более выгодно. Но повышение напряжения ведет к снижению электробезопасности. Для повышения уровня электробезопасности повышают сопротивление нагрузки соответственно повышению напряжения в сети.

Также закон Джоуля-Ленца влияет на выбор проводов для цепей. При неправильном подборе проводов возможен сильный нагрев проводника, а так же его . Это происходит когда сила тока превышает предельно допустимые значения и выделяется слишком много энергии. При правильном подборе проводов для стоит следовать нормативным документам.

Источники:

• Физическая энциклопедия

Между силой тока и напряжением существует прямо пропорциональная зависимость, описанная законом Ома. Этот закон определяет связь силы тока, напряжения и сопротивления на участке электрической цепи.

Инструкция

Вспомните, ток и напряжение.
- Электрический ток - это упорядоченное течение заряженных частиц (электронов). Для количественного определения используется величина I, называемая силой тока.
- Напряжение U - это разность потенциалов на концах участка электрической цепи. Именно это различие заставляет двигаться электроны, подобно потоку жидкости.

Сила тока измеряется в амперах. В электрических цепях силу тока определяют прибором амперметр. Единицей напряжения является , измерить напряжение в цепи можно с помощью вольтметра. Соберите простейшую электрическую цепь из источника тока, резистора, амперметра и вольтметра.

При замыкании цепи и прохождении по ней тока запишите показания приборов. Измените напряжение на концах сопротивления. Вы увидите, что показания амперметра будут расти с увеличением напряжения и наоборот. Такой опыт демонстрирует прямо пропорциональную зависимость между силой тока и напряжением.

В результате опытов было установлено, что количество тепла выделяемого током при прохождении по проводнику, зависит от сопротивления самого проводника, тока и времени его прохождения.

Этот физический закон был впервые установлен в 1841 году английским физиком Джоулем, а несколько позднее (в 1844 году) независимо от него русским академиком Эмилем Христиановичем Ленцем (1804 - 1865).

Количественные соотношения, имеющие место при нагревании проводника током, называются законом Джоуля-Ленца.

Выше было установлено:

Так как 1 кал = 0,472 кГм, то

Таким образом,

1 Дж = 0,24 кал.

Энергия электрического тока определяется по формуле

A = I 2 × r × t Дж.

Так как энергия тока идет на нагрев, то количество тепла, выделяемое током в проводнике, равно:

Q = 0,24 × I 2 × r × t кал.

Эта формула, выражающая закон Джоуля-Ленца, показывает и дает определение закону, что количество тепла в калориях, выделяемое током при прохождении по проводнику, равно коэффициенту 0,24, умноженному на квадрат тока в амперах, сопротивление в омах и время в секундах.

Видео - "Закон Джоуля-Ленца, физика 8 класс":

Пример 1. Определить, сколько тепла выделит ток в 6 А, проходя по проводнику сопротивлением 2 Ом, в течение 3 минут.

Q = 0,24 × I 2 × r × t = 0,24 × 36 × 2 × 180 = 3110,4 кал.

Формулу закона Джоуля-Ленца можно написать так:

Q = 0,24 × I × I × r × t ,

а так как I × r = U , то можно написать:

Q = 0,24 × I × U × t кал.

Пример 2. Электрическая плитка включена в сеть напряжением 120 В. Ток, протекающий по спирали плитки, 5 А. Требуется определить, сколько тепла выделит ток за 2 часа.

Q = 0,24 × I × U × t = 0,24 × 5 × 120 × 7200 = 1 036 800 кал = 1036,8 ккал.

Видео - "Нагревание проводников электрическим током":

Э. Х. Ленц обобщил опыты электромагнитной индукции, изложив это обобщение в виде "правила Ленца". В своих трудах по теории электрических машин Ленц изучил явление "реакции якоря" в машинах постоянного тока, доказал принцип обратимости электрических машин. Ленц, работая с Якоби, исследовал силу притяжения электромагнитов, установил зависимость магнитного момента от намагничивающей силы.

Ленц был членом Петербургской Академии Наук и ректором Петербургского университета.

Физический закон, оценивающий тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца открыт в 1841 году Джеймсом Джоулем и в 1842 году, совершенно независимо Эмилием Ленцем.

как мы уже знаем, при движении свободных электронов по проводнику, должен преодолеть сопротивление материала. Во время этого движения зарядов происходят постоянные столкновения атомов и молекул вещества. При этом энергия движения и сопротивления превращается в тепловую. Ее зависимость от тока была впервые описана двумя независимыми учеными Джеймсом Джоулем и Эмилем Ленцем. Поэтому закон и получил двойное название.

Определение , количество теплоты, выделившееся за единицу времени на конкретном участке электрической цепи прямо пропорционально произведению квадрата силы тока на данном участке и его сопротивлению.

Математически, формулу можно записать так:

Q = а×I 2 ×R×t

где Q – количество вырабатываемой теплоты, а – коэффициент тепла (обычно он берется равным 1 и не учитывается), I – сила тока, R – сопротивление материала, t – время протекания тока по проводнику. Если коэффициент теплоты а = 1 , то Q измеряться в джоулях. Если же а = 0,24 , то Q измеряется в малых калориях.

Любой проводник всегда нагревается, если через него течет ток. Но перегрев проводников очень опасен, т.к может повредите не только электронную аппаратуру, но и стать причиной пожара. Так например, в случае короткого замыкания перегрев материала проводника огромен. Поэтому для защиты от коротких замыканий и больших перегревов в электронные схемы добавляются специальные радиокомпоненты - плавкие предохранители . Для их изготовления используется материала, который быстро плавятся и обесточивают питающую цепь при достижении током максимальных значений. Плавкие предохранители необходимо выбирать в зависимости от площади сечения проводника.

Закон Джоуля-Ленца актуален как для постоянного, так и для переменного тока. Согласно нему работает множество различных нагревательных устройств. Ведь, чем тоньше проводник, тем больший ток по нему проходит за более большой промежуток времени, тем больше количество тепла выделиться в результате этого.

Я надеюсь вы помните помнить, что сила тока зависит от напряжения. Появляется вопрос, почему ноутбук не нагревается так сильно как утюг? Потому, что в основании имеется спиральная проволока изготовленная из стали, которая отличается низкой сопротивляемостью. Плюс стальная подошва, поэтому утюг разогревается до высоких температур, и мы можем им гладить.

А имеет стабилизатор напряжения, который понижает 220 вольт до 19 вольт. Плюс сопротивление всех схем и компонентов достаточно высокое. Дополнительно для охлаждение имеется кулер и медные тепловые радиаторы.

Работа закона Джоуля-Ленца хорошо просматривается на практике. Самый известный пример его применения – обыкновенная лампа накаливания или , в которой свечение нити осуществляется благодаря прохождению по ней тока под высоким напряжением.

На основании закона Джоуля-Ленца работает и , где создание сварного соединения совершается путем нагрева металла, за счет проходящего через него тока и деформации свариваемых частей путем сжатия.

Электродуговая сварка, также работает на физических принципах закон Джоуля-Ленца. Для совершения сварочных работ электроды разогревают до такого состояния, чтобы между ними возникла сварочная дуга. Эффект вольтовой дуги открыл русский ученый В.В. Петров, используя принципы закрна Джоуля-Ленца.

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

Довольно трудно представить жизнь современного человека без электричества. Оно стало одним из главных и самых ценных атрибутов современного существования. Фактически любой человек, который когда-либо работал с электричеством, знает, что при прохождении по проводам тока у них есть свойство нагреваться. Отчего же это зависит?

Что такое ток

Ток - это упорядоченное движение заряженных частиц, которые называются электронами. И если ток протекает по проводнику, то в нём начинают происходить разные физические процессы, а именно сталкиваются электроны с молекулами.

Молекулы бывают нейтральные или те, которые потеряли свою отрицательно заряженную частицу. В результате столкновений или электроны могут становиться нейтральными молекулами, или при этом выбивается из другой такой же молекулы электрон, образовавший положительно заряженный ион. Во время этих столкновений расходуется кинетическая энергия заряженных частиц. Именно эта энергия и становится теплом.

На тепловой нагрев проводника может влиять и сопротивление. Например, можно взять определённое тело и тащить его по земле. Земля в этом случае - сопротивление. Что же с ним будет? Правильно, между телом и поверхностью будет происходить сила трения, которая, в свою очередь, нагревает тело. Ток в этом случае ведёт себя точно так же.

Зависимость

И, внимая все вышеупомянутое, учёным удалось определить эту зависимость между силой тока, сопротивлением и количеством тепла. Эта зависимость носит название закон Джоуля-Ленца, формула которого известна всем физикам. В 1832—1833 годах русским физиком Эмилием Ленцем было обнаружено, что при тепловом воздействии на металлические проводники их проводимость капитально изменялась. Это фактически усложняло работу учёного и мешало рассчитывать электрические цепи.

Тогда же молодому учёному пришла в голову мысль о том, что, возможно, существует какая-то зависимость между силой тока и температурой проводника. Но как быть? В то время отсутствовали точные электрические приборы, позволяющие измерить силу тока, сопротивление, не было даже источника стабильного ЭДС. Ленца это не остановило, он решил провести опыт.

Опыты русского физика

Суть этого опыта была настолько проста, как и все гениальное, что его может повторить даже школьник. Учёный сконструировал специальный прибор, который служил для измерения количества тепла, выделяемого проводником. Этим прибором оказался обычный сосуд, вовнутрь которого Ленц заливал раствор разбавленного спирта и ставил проводник - платиновую проволоку, на которую подавался электрический ток.

После того как прибор был создан, учёный начал проводить опыты. Он измерял точное количество времени, необходимое для того, чтобы спирт в сосуде был нагрет до 10 о С. На это было потрачено много не только месяцев, но и лет. И в 1843 году, спустя 10 лет, был опубликован закон, суть которого заключалась в том, что нагревание проводника током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока.

Джоуль и Ленц

Но не тут-то было! Оказывается, несколько лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль проводил аналогичные опыты, и уже опубликовал свои наблюдения. Как быть? Ленц не сдался и внимательно изучил работу Джоуля и пришёл к выводу, что, пусть они и проводили одинаковые эксперименты, опыты Ленца были гораздо точнее. В связи с чем научное сообщество добавило к работе Джоуля поправки Ленца и этот закон стал называться как закон Джоуля-Ленца. Математическая формулировка закона выглядит таким образом:

Q = I *U*t, где:

• I - сила тока, А;
• U - напряжение, В;
• t - время, которое ток затрачивает на прохождение проводника, с.

Сам же закон звучит так: количество тепловой энергии, выделяемой в проводнике, через который течёт электрический ток, равно произведению силы тока, напряжения и времени прохождения тока через проводник.

Закон Ома

Однако будет ли всегда верным это утверждение? Можно попробовать вывести его, используя закон Ома. Судя по нему U = I*R, где R - сопротивление, Ом.

Учитывая закон Ома, можно подставить значение в формулу Q = I*U*t = I 2 *R*t. Из этого можно сделать вывод, что количество теплоты напрямую зависит и от сопротивления проводника. Также для закона Джоуля-Ленца будет справедливо и это утверждение: I = Q = I*U*t.

Все три формулы будут верны, однако Q = I 2 *R*t будет верной для любых ситуаций. Две другие тоже являются правильными, однако при определённых обстоятельствах.

Проводники

Теперь о проводниках. Изначально в своих опытах Джоуль и Ленц использовали платиновые проволоки, как и было упомянуто выше. Во всех похожих экспериментах учёные того времени использовали в основном металлические проводники, так как они были довольно недорогими и стабильными. Не удивительно, ведь до сих пор металлические проводники - основной тип проводников, в связи с чем изначально считалось, что закон Джоуля-Ленца был применим только к ним. Однако чуть позже было обнаружено, что этот закон применим не только к металлическим проводникам. Он верен для любых из них. Сами проводники по классификации можно разделить на:

• Металлические (медь, железо, серебро и т.д.). Главную роль в них играют отрицательно заряженные частицы (электроны), которые протекают по проводнику.
• Жидкие. В них же за движение зарядов отвечают ионы - это атомы, в которых или слишком много, или слишком мало электронов.
• Газообразные. В отличие от своих коллег, в таких проводниках ток определяется движением как ионов, так и электронов.

И несмотря на различия, в любом случае при увеличении силы тока или сопротивления увеличится и количество тепла.

Применение закона другими физиками

Открытие закона Джоуля-Ленца сулило огромные перспективы. Ведь, по сути, этот закон позволил создавать своего рода разные электронагревательные приборы и элементы. Например, чуть позже после открытия закона учёные заметили, что при нагревании определённых элементов они начинают светиться. Они захотели поэкспериментировать с ними, используя разные проводники, и в 1874 году русский инженер Александр Николаевич Лодыгин изобрёл современную лампу накаливания, нить которой была сделана из вольфрама.

Применяется закон Джоуля-Ленца и в электротехнике - например, при создании плавких предохранителей. Плавкий предохранитель - это некий элемент электрический цепи, конструкция которого сделана так, что при протекании по нему тока выше допустимого значения (например, при коротком замыкании) он перегревается, плавится и размыкает силовую цепь. Даже обычный электрический чайник или микроволновая печь, которая есть фактически у каждого, работает согласно этому закону.

Заключение

Довольно трудно определить вклад этих учёных в современную электронику и электротехнику, но одно можно сказать точно - появление закона Джоуля-Ленца перевернуло представление людей об электричестве и дало более конкретные знания о том, что такое электрическое поле в проводнике с током.

Без сомнения, открытый этими великими учеными-физиками закон стал определяющей ступенью во всей науке, именно благодаря этому открытию впоследствии были совершены другие более или менее грандиозные достижения других ученых. Вся наука представляет собой тесное переплетение открытий, каких-то разрешенных и неразрешенных задач. Рассмотренный в этой статье закон определенным образом повлиял на многие исследования и оставил неизгладимый и вполне отчетливый след в науке.

Какое количество теплоты выделяется за 10 мин в проволочной спирали сопротивлением 15 Ом, если сила тока в спирали 2 А?
Решение: Q=I 2 Rt, нам все известно I=2А, R=15Ом, t=10мин=600с.
Q=2 2 ·15·600=36000 Дж = 36кДж.
Ответ: 36 кДж

Задание огэ по физике (фипи): Электрический паяльник включён в цепь напряжением 220 В. За 5 мин в нём выделилось количество теплоты 36,3 кДж. Чему равно сопротивление паяльника?
Задание огэ по физике (фипи): Две спирали электроплитки сопротивлением по 10 Ом каждая соединены последовательно и включены в сеть с напряжением 220 В. Через какое время на этой плитке закипит вода массой 1 кг, налитая в алюминиевую кастрюлю массой 300 г, если их начальная температура составляла 20 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь.

Дано:	СИ	Решение:
R 0 = 10 Ом U =220 В t 1 = 20 °С t 2 = 100 °С m 1 = 1 кг m 2 = 300 г с 1 = 4200 Дж/(°С·кг) с 2 = 920 Дж/(°С·кг)	0,3 кг	Q 1 =c 1 m 1 (t 2 -t 1) - количество теплоты которое необходимо передать воде массой 1 кг, что бы нагреть ее с температуры 20 °С до температуры кипения 100 °С. Q 1 =4200·1·(100-20)=336000 Дж Q 2 =c 2 m 2 (t 2 -t 1) - количество теплоты которое необходимо передать алюминиевой кастрюле массой 300 г, что бы нагреть ее с температуры 20 °С до температуры кипения 100 °С. Q 2 =920·0,3·(100-20)=22080 Дж так как потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебрегаем, получим что Q=Q 1 +Q 2 энергия которая выделилась на электроплитки. Q=336000+22080=358080 Дж Две спирали электроплитки сопротивлением по 10 Ом каждая соединены последовательно, общее сопротивление плитки R = R 0 + R 0 , R=10+10=20 Ом По закону Джоуля – Ленца выразим время: получим Ответ: 148 с
t - ?

Задание огэ по физике: Сопротивление R 1 первого кипятильника в 3 раза больше, чем сопротивление R 2 второго кипятильника. При включении в одну и ту же сеть количество теплоты, выделяемое за единицу времени первым кипятильником, по сравнению со вторым
1) в 3 раза больше
2) в 3 резе меньше
3) в 9 раза больше
4) в 9 резе меньше
Решение: При включении в одну и ту же сеть по закону Ома сила тока у второго кипятильника больше так как сопротивление второго в три раза меньше, по закону Джоуля - Ленца Q=I 2 Rt, на первом резистре будет выделяться в три раза меньше тепла.
Ответ: 2.
Задание огэ по физике: Электрическая плитка при силе тока 6 А потребляет 1080 кДж энергии. Чему равно время прохождения тока по спирали плитки, если ее сопротивление 25 Ом?
1) 7200 с
2) 1200 с
3) 7,2 с
4) 1,2 с

Задание огэ по физике: Электрическая плитка, включена в сеть напряжением 220 В. Какую энергию потребляет плитка за 20 мин работы, если сила тока, протекающего через ее спираль, 5 А?
1) 22 кДж
2) 110 кДж
3) 1320 кДж
4) 4840 кДж
Решение: из закона Ома сначала найдем сопротивление , R=220/5=44 Ом, t = 20 мин = 1200 с, по закону Джоуля – Ленца Q=(220·220·1200)/44= 1320000 Дж = 1320 кДж.
Ответ: 3
Задание огэ по физике (фипи): Электрическая плитка при силе тока 6 А за 120 с потребляет 108 кДж энергии. Чему равно сопротивление спирали плитки?
Задание огэ по физике (фипи): Электрическая лампочка, включённая в сеть напряжением 220 В, за 30 мин потребляет 1980 кДж электроэнергии. Чему равна сила тока, протекающего через её спираль?

Задание огэ по физике (фипи): Сколько времени потребуется электрическому нагревателю, чтобы довести до кипения 2,2 кг воды, начальная температура которой 10 °С? Сила тока в нагревателе 7 А, напряжение в сети 220 В, КПД нагревателя равен 45%.
Решение: При протекании электрического тока через нагреватель выделяется энергия, которая идет на нагревание воды m=2,2 кг от температуры t 1 =10°С до t 2 =100°С, удельная теплоемкость воды с=4200 (Дж/кг·°С), из формулы для количества теплоты найдем Q 1 =cm 1 (t 2 -t 1)= 4200·2,2(100-10)=831600 Дж - количество теплоты необходимое для нагревания воды.
Зная, что КПД нагревателя равен 45%, найдем сколько тепла выделяет электрический нагреватель Q=Q 1 /0,45=1848000 Дж.
Из формулы Q=IUt выразим время t=Q/(IU)=1848000/(7·220)=1200 c = 20 минут.
Ответ: 20 минут.
Задание демонстрационного варианта ОГЭ 2019: На рисунке изображена схема электрической цепи, состоящей из трёх резисторов и двух ключей К 1 и К 2 . К точкам А и В приложено постоянное напряжение. Максимальное количество теплоты, выделяемое в цепи за 1 с, может быть получено,

1) если замкнут только ключ К 1
2) если замкнут только ключ К 2
3) если замкнуты оба ключа
4) если оба ключа разомкнуты
Решение: По закону Джоуля – Ленца , если напряжение постоянно, при уменьшении сопротивления, количество теплоты, выделяемое в цепи увеличивается. Следовательно, для того что бы количество теплоты выделяемое в цепи было максимально, необходимо уменьшить сопротивление цепи. При параллельном сопротивлении нескольких резисторов, их общее сопротивление меньше чем сопротивление отдельного резистора. Сопротивление будет минимальным при замыкании обоих ключей. Сопротивление будет минимальным, а количество теплоты выделяемое в цепи максимальным