Математическая запись закона Джоуля-Ленца и его применение

Основные понятия

Базовое определение можно сформулировать следующим образом: количество тепла, которое выделяет проводник, пропорционально проходящему через него току и электрическому сопротивлению контрольного участка. С учетом классических отношений, установленных законом Ома, можно выражать эту зависимость через проводимость и разницу потенциалов, которая провоцирует движение заряженных частиц.

Формулировка

В реальном проводнике при протекании через него тока выполняется работа против сил трения. Электроны движутся через провод и сталкиваются с другими электронами, атомами и прочими частицами. В результате этого выделяется тепло. Закон Джоуля-Ленца описывает количество тепла, выделяемое при протекании тока через проводник. Оно прямо пропорционально зависит от силы тока, сопротивления и времени протекания.

В интегральной форме Закон Джоуля-Ленца выглядит так:

Интегральная форма

Сила тока обозначается буквой I и выражается в Амперах, Сопротивление — R в Омах, а время t — в секундах. Единица измерения теплоты Q — Джоуль, чтобы перевести в калории нужно умножить результат на 0,24. При этом 1 калория равна количеству теплоты, которое нужно подвести к чистой воде, чтобы увеличить её температуру на 1 градус.

Такая запись формулы справедлива для участка цепи при последовательном соединении проводников, когда в них протекает одна величина тока, но падает на концах различное напряжение. Произведение силы тока в квадрате на сопротивление равняется мощности. В то же время мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению. Тогда для электрической цепи при параллельном соединении можно Закон Джоуля-Ленца можно записать в виде:

Параллельное соединение

В дифференциальной форме он выглядит следующим образом:

Дифференциальная формула закона Джоуля-Ленца

Где j — плотность тока А/см2, E — напряженность электрического поля, сигма — удельное сопротивление проводника.

Стоит отметить что для однородного участка цепи сопротивление элементов будет одинаковым. Если в цепи присутствуют проводники с разным сопротивлением возникает ситуация, когда максимальное количество тепла выделяется на том, который имеет самое большое сопротивление, о чем можно сделать вывод, проанализировав формулу Закона Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на  всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q=I2Rt

где

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Ответы

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

4

(80%)

2

votes

Закон Джоуля — Ленца в дифференциальной форме

Над электроном, который движется в проводнике со скоростью $\overrightarrow{v’}=\left(\overrightarrow{v}+\overrightarrow{u}\right),$ где $\overrightarrow{v}$ — скорость теплового движения молекул, $\overrightarrow{u}$ — скорость упорядоченного движения носителей тока при наличии поля за единицу времени (t=1с), совершается работа равная ($A_q$):

Примем, что $\overrightarrow{F}$=const, усредним выражение (4), получим:

где $\left\langle \overrightarrow{v}\right\rangle $=0. Если через n- обозначим концентрацию электронов, то работа над электронами в единице объема металла ($A’$) за единицу времена равна:

где $\overrightarrow{j}$ — плотность тока, $\sigma $ — удельная проводимость проводника.

В металлах эта работа идет на приращение внутренней энергии, так как прохождение электрического тока по проводнику не сопровождается изменением структуры металла. Значит, можно записать, что удельное количество тепла (удельная мощность тепловыделения) $Q_{ud}$, которое выделяется на проводнике в единице объема за единицу времени равно:

Формула (8) закон Джоуля — Ленца в локальной (дифференциальной) форме. В форме (8) данный закон не зависит от природы сил, которые порождают ток, значит, в такой формулировке носит общий характер. В том случае, если сила, которая действует на электроны исключительно электрической природы, то есть:

выражение (8) можно представить как:

Закон Джоуля — Ленца справедлив и для электролитов. Что означает, работа электрического поля не тратится на образование ионов. Ионы в растворе образуются в результате диссоциации молекул, когда происходит процесс растворения.

Пример 1

Задание: Электрический ток проходит по спирали с сопротивлением R. Ток равномерно убывает до нуля за время $\triangle t$. За обозначенный период времени через спираль проходит заряд q. Какое количество тепла выделится на спирали за данный промежуток времени?

Решение:

В качестве основы для решения задачи примем закон Джоуля Ленца в виде:

\[Q=\int\limits^t_0{I^2Rt}\left(1.1\right).\]

Из определения силы тока запишем:

\[I=\frac{dq}{dt}\ \left(1.2\right),\]

следовательно, заряд, который проходит через проводник, равен:

\[q=\int\limits^{t_2}_{t_1}{Idt}\left(1.3\right).\]

В условии задачи сказано, что ток убывает равномерно, следовательно, закон убывания тока ищем в виде:

\[I=at+b\left(1.4\right),\]

где $a,b$ постоянные. За начальный момент времени примем $t_1$=0, тогда $t_2=\triangle t.\ $Подставим (1.4) в (1.3) проведем интегрирование:

\[q=\int\limits^{\triangle t}_0{\left(at+b\right)dt=a\frac{{\triangle t}^2}{2}}+b\triangle t\left(1.5\right).\]

По условию задачи в некоторый момент времени $t_2$ ток стал равен нулю, то есть:

\[I=a\triangle t+b=0\ \left(1.6\right),\]

Получим:

\[b=-a\triangle t(1.7)\]

Найдем коэффициент a из (1.5), учитывая (1.7):

\[q=a\frac{{\triangle t}^2}{2}-a\triangle t\triangle t=\frac{a}{2}{\triangle t}^2\to a=\frac{2q}{{\triangle t}^2}\left(1.8\right).\]

Подставим (1.8) в (1.1), получим искомое тепло:

\[Q=\int\limits^{\triangle t}_0{{\left(at+b\right)}^2Rdt}=R\int\limits^{\triangle t}_0{\left(a^2t^2+2abt+b^2\right)dt=}R\left(\frac{a^2{\left(\triangle t\right)}^3}{3}+2ab\frac{{\left(\triangle t\right)}^2}{2}+b^2\triangle t\right)\left(1.9\right)\] \[Q=R\left(\frac{{\left(\frac{2q}{{\triangle t}^2}\right)}^2{\left(\triangle t\right)}^3}{3}+2\frac{2q}{{\triangle t}^2}\left(-\frac{2q}{{\triangle t}^2}\triangle t\right)\frac{{\left(\triangle t\right)}^2}{2}+\left({\left(-\frac{2q}{{\triangle t}^2}\right)}^2{\triangle t}^2\right)\triangle t\right)=R\left(\frac{4q^2}{3\triangle t}-\frac{4q^2}{\triangle t}+\frac{4q^2}{\triangle t}\right)=\frac{4q^2}{3\triangle t}R.\]

Ответ: Q=$\frac{4q^2}{3\triangle t}R.$

Пример 2

Задание: Сравните удельную мощность тепловыделения электрического поля для сечений $S_1$ и $S_2$ (рис.1) проводника. Если по проводнику течет постоянный ток ($I=const$).

Закон Джоуля-Ленца и его дифференциальная форма

Рис. 1

В качестве основания для решения используем локальную формулировку закона Джоуля Ленца:

\[Q_{ud}=\frac{1}{\sigma }j^2\left(2.1\right).\]

Для проводника в месте сечения $S_1$ можно записать, что:

\[j_1=\frac{I}{S_1}\left(2.2\right).\]

Для проводника в месте сечения $S_2$ можно записать, что:

\[j_2=\frac{I}{S_2}\left(2.3\right).\]

Тогда формула (2.1) преобразуется к виду:

\[Q_{ud1}=\frac{1}{\sigma }{\left(\frac{I}{S_1}\right)}^2\left(2.4\right),\] \[Q_{ud2}=\frac{1}{\sigma }{\left(\frac{I}{S_2}\right)}^2\left(2.5\right).\]

Мы получили, что удельное количество тепла обратно пропорционально площади сечения проводника.

Ответ: $Q_{ud1}>Q_{ud2}$.

Применение и практический смысл

Непосредственноепревращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономическивыгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современногочеловечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборыпродолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

  • электрочайники;
  • утюги;
  • фены;
  • варочные плиты;
  • паяльники;
  • сварочныеаппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Бытовые нагревательные приборыРис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

Закон Джоуля-Ленца без преувеличения можно назвать гениальным. Это один из тех законов, которые повлияли на развитие электротехники.

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

нихромовая нагретая спираль

Из формулы также следует –  чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление  0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге –  подгорание с последующим пропаданием контакта.

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.

Преобразованные формулы Закона Ома и Джоуля-Ленца

Встретил в Интернете картинку в виде круглой таблички, в которой удачно размещены формулы Закона Ома и Джоуля-Ленца и варианты математического преобразования формул. Табличка представляет собой не связанные между собой четыре сектора и очень удобна для практического применения

Закон Ома и Джоуля-Ленца в таблице

По таблице легко выбрать формулу для расчета требуемого параметра электрической цепи по двум другим известным. Например, нужно определить ток потребления изделием по известной мощности и напряжению питающей сети. По таблице в секторе тока видим, что для расчета подойдет формула I=P/U.

А если понадобится определить напряжение питающей сети U по величине потребляемой мощности P и величине тока I, то можно воспользоваться формулой левого нижнего сектора, подойдет формула U=P/I.

Подставляемые в формулы величины должны быть выражены в амперах, вольтах, ваттах или Омах.

Заключение

Таки образом, можно сказать что на законе Джоуля-Ленца держится чуть ли не вся электрика и электротехника. Открыв этот закон, появилась возможность уже заранее предсказать  некоторые будущие проблемы в освоении электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери  нужно занизить передаваемый ток, компенсируя это высоким напряжением. А уже на оконечном потребителе, понижать напряжение и получать более высокий ток.

Закон Джоуля-Ленца неотступно следует из одной эпохи технологического развития  в другую. Даже сегодня мы постоянно наблюдаем его в быту – закон проявляется всюду, и не всегда люди ему рады. Сильно греющийся процессор персонального компьютера, пропадание света из-за обгоревшей скрутки  «медь-алюминий»,выбитая вставка-предохранитель, выгоревшая из-за высокой нагрузки электропроводка – всё это тот самый закон Джоуля-Ленца.

Видео

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-214’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-214’, async: true }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; s = d.createElement(‘script’); s.type = ‘text/javascript’; s.src = ‘//an.yandex.ru/system/context.js’; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, ‘yandexContextAsyncCallbacks’);

«+»ipt>»;cachedBlocksArray[80435] = «

«;cachedBlocksArray[80432] = «

«;cachedBlocksArray[80429] = «

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-181’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-181’, async: true }, function() { var g = document.createElement(‘ins’); g.className = ‘adsbygoogle’; g.style = ‘display:block;text-align:center;width:660px;height:420px;’ g.setAttribute(‘data-ad-client’, ‘ca-pub-5399081021257607’); g.setAttribute(‘data-ad-slot’, ‘6458750303’); g.setAttribute(‘data-ad-format’, ‘Rectangle’); g.setAttribute(‘data-ad-layout’, ‘true’); g.setAttribute(‘data-full-width-responsive’, ‘in-article’); document.getElementById(‘yandex_rtb_R-A-263154-181’).appendChild(g); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; s = d.createElement(‘script’); s.type = ‘text/javascript’; s.src = ‘//an.yandex.ru/system/context.js’; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, ‘yandexContextAsyncCallbacks’);

«+»ipt>»;cachedBlocksArray[80428] = «

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-180’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-180’, async: true }, function() { var g = document.createElement(‘ins’); g.className = ‘adsbygoogle’; g.style = ‘width:580px;height:400px;top:0;right:0;bottom:0;left:0;margin:auto;display:block;’; g.setAttribute(‘data-ad-client’, ‘ca-pub-5399081021257607’); g.setAttribute(‘data-ad-slot’, ‘5810429370’); document.getElementById(‘yandex_rtb_R-A-263154-180’).appendChild(g); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; s = d.createElement(‘script’); s.type = ‘text/javascript’; s.src = ‘//an.yandex.ru/system/context.js’; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, ‘yandexContextAsyncCallbacks’);

«+»ipt>»;cachedBlocksArray[80427] = «

«;cachedBlocksArray[80426] = «

«;cachedBlocksArray[80425] = «

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-162’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-162’, async: true }, function() { var g = document.createElement(‘ins’); g.className = ‘adsbygoogle’; g.style = ‘width:580px;height:400px;top:0;right:0;bottom:0;left:0;margin:auto;display:block;’; g.setAttribute(‘data-ad-client’, ‘ca-pub-5399081021257607’); g.setAttribute(‘data-ad-slot’, ‘2323428743’); document.getElementById(‘yandex_rtb_R-A-263154-162’).appendChild(g); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; s = d.createElement(‘script’); s.type = ‘text/javascript’; s.src = ‘//an.yandex.ru/system/context.js’; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, ‘yandexContextAsyncCallbacks’);

«+»ipt>»;cachedBlocksArray[80424] = «

«;cachedBlocksArray[80423] = «

«;cachedBlocksArray[80422] = «

«;cachedBlocksArray[80441] = «

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-217’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-217’, async: true }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; s = d.createElement(‘script’); s.type = ‘text/javascript’; s.src = ‘//an.yandex.ru/system/context.js’; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, ‘yandexContextAsyncCallbacks’);

«+»ipt>»;cachedBlocksArray[80434] = «

«;cachedBlocksArray[80433] = «

«+»ipt>

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

«+»ipt>»;

Оценка статьи:

loading.gif

Загрузка…

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2. Всего получено оценок: 232.

obrazovaka.ru
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом