În 1841 și 1842, independent unul de celălalt, fizicienii englezi și ruși au stabilit dependența cantității de căldură de fluxul de curent într-un conductor. Această dependență a fost numită „Legea Joule-Lenz”. Englezul a stabilit dependența cu un an mai devreme decât rusul, dar legea și-a luat numele de la numele ambilor oameni de știință, deoarece cercetarea lor a fost independentă. Legea nu este teoretică, dar are o mare importanță practică. Așadar, să aflăm pe scurt și clar definiția legii Joule-Lenz și unde este aplicată.
Conţinut:
- Formularea
- FAQ
- Să trecem la practică
- Legea Joule-Lenz pentru transportul energiei electrice la distanță
- Siguranțe și siguranțe
Formularea
Într-un conductor real, atunci când curentul trece prin el, se lucrează împotriva forțelor de frecare. Electronii se deplasează prin fir și se ciocnesc cu alți electroni, atomi și alte particule. Ca rezultat, se generează căldură. Legea Joule-Lenz descrie cantitatea de căldură generată atunci când curentul trece printr-un conductor. Este direct proporțională cu puterea curentului, rezistența și timpul de curgere.
În formă integrală, Legea Joule-Lenz arată astfel:
Curentul este indicat prin litera I și este exprimat în Amperi, Rezistența este R în Ohmi, iar timpul t este în secunde. Unitatea de măsură pentru căldură Q este Joule; pentru a converti în calorii, trebuie să înmulțiți rezultatul cu 0,24. În acest caz, 1 calorie este egală cu cantitatea de căldură care trebuie furnizată apei curate pentru a-i crește temperatura cu 1 grad.
Această scriere a formulei este valabilă pentru o secțiune a unui circuit când conductoarele sunt conectate în serie, când o valoare de curent trece prin ei, dar o tensiune diferită scade la capete. Produsul curentului pătrat de rezistență este egal cu puterea. În același timp, puterea este direct proporțională cu pătratul tensiunii și invers proporțională cu rezistența. Atunci, pentru un circuit electric cu conexiune paralelă, legea Joule-Lenz poate fi scrisă sub forma:
În formă diferențială, arată astfel:
Unde j este densitatea de curent A/cm2, E este intensitatea câmpului electric, sigma este rezistivitatea conductorului.
Trebuie remarcat faptul că pentru o secțiune omogenă a circuitului, rezistența elementelor va fi aceeași. Dacă circuitul conține conductori cu rezistențe diferite, apare o situație când cantitatea maximă de căldură se evidențiază pe cea care are cea mai mare rezistență, ceea ce poate fi concluzionat analizând formula Legii Joule-Lenz.
FAQ
Cum găsesc timpul? Aceasta se referă la perioada de curgere a curentului prin conductor, adică atunci când circuitul este închis.
Cum se găsește rezistența unui conductor? Pentru a determina rezistența, se utilizează o formulă, care este adesea numită „șină”, adică:
Aici litera „Ro” denotă rezistivitatea, se măsoară în Ohm * m / cm2, l și S sunt lungimea și aria secțiunii transversale. La calcul, metri pătrați și centimetri sunt reduse și rămân ohmii.
Rezistivitatea este o valoare tabelară și pentru fiecare metal are propria sa. Cuprul are ordine de mărime mai puțin decât aliajele de înaltă rezistență, cum ar fi wolfram sau nicromul. Pentru ce este folosit, vom lua în considerare mai jos.
Să trecem la practică
Legea Joule-Lenz este de mare importanță pentru calculele electrice. În primul rând, îl puteți aplica atunci când calculați dispozitivele de încălzire. Un conductor este folosit cel mai adesea ca element de încălzire, dar nu unul simplu (cum ar fi cuprul), dar cu o rezistență ridicată. Cel mai adesea este nichrom sau kanthal, fechral.
Au rezistivitate mare. Puteți folosi cuprul, dar atunci veți irosi mult cablu (sarcasm, cuprul nu este folosit în acest scop). Pentru a calcula puterea căldurii pentru un dispozitiv de încălzire, trebuie să determinați în ce corp se află ce volume trebuie să încălziți, luați în considerare cantitatea de căldură necesară și cât timp trebuie transferată corp. După calcule și transformări, veți primi rezistența și puterea curentului în acest circuit. Pe baza datelor obținute cu privire la rezistivitate, selectați materialul conductorului, secțiunea transversală și lungimea acestuia.
Legea Joule-Lenz pentru transportul energiei electrice la distanță
La transportul energiei electrice pe distanțe apare o problemă semnificativă - pierderi pe liniile de transport (linii electrice). Legea Joule-Lenz descrie cantitatea de căldură generată de un conductor pe măsură ce curge un curent. Liniile de transport electric alimentează întreprinderi și orașe întregi, iar acest lucru necesită multă putere, ca urmare a unui curent mare. Deoarece cantitatea de căldură depinde de rezistența conductorului și a curentului, astfel încât cablurile să nu se încălzească, trebuie să reduceți cantitatea de căldură. Nu este întotdeauna posibilă creșterea secțiunii transversale a firelor, deoarece acest lucru este costisitor în ceea ce privește costul cuprului în sine și greutatea cablului, ceea ce implică o creștere a costului structurii de susținere. Liniile de înaltă tensiune sunt prezentate mai jos. Acestea sunt structuri metalice masive concepute pentru a ridica cablurile la o înălțime sigură deasupra solului pentru a evita șocurile electrice.
Prin urmare, trebuie să reduceți curentul pentru a face acest lucru, să creșteți tensiunea. Între orașe, liniile electrice au de obicei o tensiune de 220 sau 110 kV, iar la consumator se reduce la valoarea cerută cu folosind substații de transformare (KTP) sau un număr de KTP care scad treptat la valori care sunt mai sigure pentru transmisie, de exemplu 6 kV.
Astfel, cu același consum de putere la o tensiune de 380/220 V, curentul va scădea de sute și de mii de ori mai mic. Și conform legii Joule-Lenz, cantitatea de căldură în acest caz este determinată de puterea care se pierde pe cablu.
Siguranțe și siguranțe
Legea Joule-Lenz se aplică dimensiunilor siguranțelor. Acestea sunt elemente care protejează un dispozitiv electric sau electronic de curenții excesivi pentru acesta, care pot apărea ca urmare a unei creșteri a tensiunii de alimentare, scurt circuit pe placă sau înfășurări (în cazul motoarelor) pentru a proteja împotriva deteriorării ulterioare a sistemului electric în ansamblu și a incendiului. Ele constau dintr-un corp, un izolator și un fir subțire. Firul este selectat cu o astfel de secțiune transversală, astfel încât curentul nominal să curgă prin el și, atunci când este depășit, cantitatea de căldură generată o va arde.
Ca urmare a celor de mai sus, concluzionăm că Legea Joule-Lenz a găsit cea mai largă aplicație și este foarte importantă pentru inginerie electrică. Datorită informațiilor despre cantitatea de căldură, care oferă performanța calculelor conform formulelor indicate mai sus, putem afla despre modurile funcționarea dispozitivelor, selectați materialele și secțiunea transversală necesare pentru a crește siguranța, fiabilitatea și durabilitatea dispozitivului sau a circuitului în întregul.
Aceasta încheie articolul nostru. Sperăm că informațiile furnizate au fost utile și interesante pentru dvs. În cele din urmă, vă recomandăm să vizionați videoclipul, care discută această problemă mai detaliat:
Probabil că nu știi:
- Dependența rezistenței conductorului de temperatură
- Regula gimlet-ului în cuvinte simple
- Ce este pierderea dielectrică
- Cum să devii electrician de la zero
