V letech 1841 a 1842 nezávisle na sobě angličtí a ruští fyzici stanovili závislost množství tepla na toku proudu ve vodiči. Tato závislost se nazývala „zákon Joule-Lenz“. Angličan založil závislost o rok dříve než Rus, ale zákon dostal jméno podle jmen obou vědců, protože jejich výzkum byl nezávislý. Zákon není teoretický, ale má velký praktický význam. A tak si pojďme stručně a jasně zjistit definici Joule-Lenzova zákona a kde se uplatňuje.
Obsah:
- Znění
- FAQ
- Pojďme k praxi
- Joule-Lenzův zákon pro přenos elektřiny na dálku
- Pojistky a pojistky
Znění
Ve skutečném vodiči, když jím protéká proud, se pracuje proti třecím silám. Elektrony se pohybují drátem a srážejí se s jinými elektrony, atomy a jinými částicemi. V důsledku toho vzniká teplo. Joule-Lenzův zákon popisuje množství tepla generovaného při průchodu proudu vodičem. Je přímo úměrná síle proudu, odporu a době průtoku.
V integrální formě vypadá Joule-Lenzův zákon takto:
Proud je označen písmenem I a je vyjádřen v ampérech, odpor je R v ohmech a čas t je v sekundách. Jednotkou měření tepla Q je Joule; pro převod na kalorie je třeba výsledek vynásobit 0,24. V tomto případě se 1 kalorie rovná množství tepla, které je potřeba dodat čisté vodě, aby se její teplota zvýšila o 1 stupeň.
Tento zápis vzorce platí pro úsek obvodu, kdy jsou vodiče zapojeny do série, kdy jimi protéká jedna hodnota proudu, ale na koncích klesá jiné napětí. Součin proudu na druhou a odporu se rovná výkonu. Výkon je přitom přímo úměrný druhé mocnině napětí a nepřímo úměrný odporu. Pak pro elektrický obvod s paralelním zapojením lze Joule-Lenzův zákon zapsat ve tvaru:
V diferenciální formě to vypadá takto:
Kde j je proudová hustota A / cm2, E je síla elektrického pole, sigma je měrný odpor vodiče.
Je třeba poznamenat, že pro homogenní část obvodu bude odpor prvků stejný. Pokud obvod obsahuje vodiče s různými odpory, nastává situace, kdy maximální množství tepla vyniká na tom, který má největší odpor, což lze uzavřít analýzou vzorce zákona Joule-Lenz.
FAQ
Jak najdu čas? To se týká periody toku proudu vodičem, to znamená, když je obvod uzavřen.
Jak zjistit odpor vodiče? K určení odporu se používá vzorec, který se často nazývá "kolejnice", to znamená:
Zde písmeno "Ro" označuje měrný odpor, měří se v Ohm * m / cm2, l a S jsou délka a plocha průřezu. Při výpočtu se metry čtvereční a centimetry snižují a zůstávají ohmy.
Odpor je tabulková hodnota a pro každý kov má svou. Měď má řádově méně než vysoce odolné slitiny, jako je wolfram nebo nichrom. K čemu se používá, budeme zvažovat níže.
Pojďme k praxi
Pro elektrické výpočty má velký význam Joule-Lenzův zákon. Nejprve jej můžete použít při výpočtu topných zařízení. Jako topný článek se nejčastěji používá vodič, ale ne jednoduchý (např. měď), ale s vysokým odporem. Nejčastěji je to nichrom nebo kanthal, fechral.
Mají vysoký odpor. Můžete použít měď, ale pak budete zbytečně plýtvat kabelem (sarkasmus, měď se k tomuto účelu nepoužívá). Chcete-li vypočítat výkon tepla pro topné zařízení, musíte určit, které těleso je uvnitř jaké objemy potřebujete topit, vezměte v úvahu množství potřebného tepla a jak dlouho je potřeba ho předat tělo. Po výpočtech a transformacích obdržíte sílu odporu a proudu v tomto obvodu. Na základě získaných údajů o měrném odporu vyberte materiál vodiče, jeho průřez a délku.
Joule-Lenzův zákon pro přenos elektřiny na dálku
Na přenos elektřiny na vzdálenosti vzniká významný problém - ztráty na přenosových vedeních (elektrických vedeních). Joule-Lenzův zákon popisuje množství tepla generovaného vodičem při protékání proudu. Přenosové elektrické vedení pohání celé podniky a města, a to vyžaduje hodně energie v důsledku velkého proudu. Protože množství tepla závisí na odporu vodiče a proudu, aby se kabely nezahřívaly, musíte množství tepla snížit. Ne vždy je možné zvětšit průřez vodičů, protože to je nákladné z hlediska ceny samotné mědi a hmotnosti kabelu, což s sebou nese zvýšení nákladů na nosnou konstrukci. Vedení vysokého napětí jsou zobrazena níže. Jedná se o masivní kovové konstrukce určené ke zvednutí kabelů do bezpečné výšky nad zemí, aby nedošlo k úrazu elektrickým proudem.
Proto musíte snížit proud, abyste to udělali, zvyšte napětí. Mezi městy má elektrické vedení obvykle napětí 220 nebo 110 kV a u spotřebitele se snižuje na požadovanou hodnotu s pomocí trafostanic (KTP) nebo počtu KTP postupně snižujících se na hodnoty, které jsou pro přenos bezpečnější, například 6 kV.
Tedy při stejném příkonu při napětí 380/220 V klesne proud stovky a tisíckrát níže. A podle zákona Joule-Lenz je množství tepla v tomto případě určeno výkonem, který se na kabelu ztrácí.
Pojistky a pojistky
Pro velikosti pojistek platí Joule-Lenzův zákon. Jedná se o prvky, které chrání elektrické nebo elektronické zařízení před nadměrnými proudy, které mohou vzniknout v důsledku přepětí napájecího napětí, zkrat na desce nebo vinutí (v případě motorů) k ochraně před dalším poškozením elektrického systému jako celku a požárem. Skládají se z těla, izolátoru a tenkého drátu. Drát se volí s takovým průřezem, aby jím protékal jmenovitý proud a při jeho překročení ho množství vzniklého tepla spálí.
V důsledku výše uvedeného docházíme k závěru, že Joule-Lenzův zákon našel nejširší uplatnění a je velmi důležitý pro elektrotechniku. Díky informacím o množství tepla, které poskytují výkon výpočtů podle výše uvedených vzorců, se můžeme dozvědět o režimech provozu zařízení, vybrat potřebné materiály a průřez pro zvýšení bezpečnosti, spolehlivosti a životnosti zařízení nebo obvodu v celý.
Tím náš článek končí. Doufáme, že poskytnuté informace byly pro vás užitečné a zajímavé. Na závěr doporučujeme zhlédnout video, které tuto problematiku rozebírá podrobněji:
Asi nevíš:
- Závislost odporu vodiče na teplotě
- Pravidlo gimletu jednoduchými slovy
- Co je dielektrická ztráta
- Jak se stát elektrikářem od nuly