Joule-Lenz lov: formel, anvendelse i praksis, konklusion

I 1841 og 1842, uafhængigt af hinanden, etablerede engelske og russiske fysikere afhængigheden af ​​mængden af ​​varme på strømstrømmen i en leder. Denne afhængighed blev kaldt "Joule-Lenz-loven". Englænderen etablerede afhængigheden et år tidligere end russeren, men loven fik sit navn fra navnene på begge videnskabsmænd, fordi deres forskning var uafhængig. Loven er ikke teoretisk, men den har stor praktisk betydning. Og så lad os kort og tydeligt finde ud af definitionen af ​​Joule-Lenz-loven, og hvor den anvendes.

Formuleringen

I en rigtig leder udføres der arbejde mod friktionskræfter, når strøm løber gennem den. Elektroner bevæger sig gennem ledningen og kolliderer med andre elektroner, atomer og andre partikler. Som et resultat genereres der varme. Joule-Lenz-loven beskriver mængden af ​​varme, der genereres, når strømmen løber gennem en leder. Den er direkte proportional med strømstyrken, modstanden og flowtiden.

I integreret form ser Joule-Lenz-loven således ud:

Strømmen er angivet med bogstavet I og er udtrykt i ampere, modstanden er R i ohm, og tiden t er i sekunder. Måleenheden for varme Q er Joule; for at konvertere til kalorier skal du gange resultatet med 0,24. I dette tilfælde er 1 kalorie lig med mængden af ​​varme, der skal tilføres rent vand for at øge dets temperatur med 1 grad.

Denne skrivning af formlen er gyldig for en sektion af et kredsløb, når lederne er forbundet i serie, når en strømværdi løber i dem, men en anden spænding falder i enderne. Produktet af strømmen i anden kvadrat med modstanden er lig med effekten. Samtidig er effekten direkte proportional med kvadratet af spændingen og omvendt proportional med modstanden. Derefter, for et elektrisk kredsløb med parallelforbindelse, kan Joule-Lenz-loven skrives på følgende måde:

I differentialform ser det sådan ud:

Hvor j er strømtætheden A/cm², E er den elektriske feltstyrke, sigma er lederens resistivitet.

Det skal bemærkes, at for en homogen sektion af kredsløbet vil modstanden af ​​elementerne være den samme. Hvis kredsløbet indeholder ledere med forskellige modstande, opstår der en situation, når den maksimale mængde varme skiller sig ud på den, der har den største modstand, hvilket kan konkluderes ved at analysere lovens formel Joule-Lenz.

FAQ

Hvordan finder jeg tiden? Dette refererer til perioden med strømgennemstrømning gennem lederen, det vil sige når kredsløbet er lukket.

Hvordan finder man modstanden af ​​en leder? For at bestemme modstanden bruges en formel, som ofte kaldes "skinne", det vil sige:

Her betegner bogstavet "Ro" resistiviteten, den måles i Ohm * m / cm2, l og S er længden og tværsnitsarealet. Ved beregning reduceres kvadratmeter og centimeter, og ohm forbliver.

Resistivitet er en tabelværdi, og for hvert metal har den sin egen. Kobber har størrelsesordener mindre end højmodstandslegeringer såsom wolfram eller nichrom. Hvad det bruges til, vil vi overveje nedenfor.

Lad os gå videre til praksis

Joule-Lenz-loven er af stor betydning for elektriske beregninger. Først og fremmest kan du anvende det, når du beregner varmeanordninger. En leder bruges oftest som et varmeelement, men ikke et simpelt (såsom kobber), men med en høj modstand. Oftest er det nichrome eller kanthal, fechral.

De har høj resistivitet. Du kan bruge kobber, men så spilder du meget kabel (sarkasme, kobber bruges ikke til dette formål). For at beregne effekten af ​​varme til en varmeenhed skal du bestemme, hvilken krop der er i hvilke mængder skal du opvarme, tag højde for mængden af ​​varme, der kræves, og hvor lang tid den skal overføres legeme. Efter beregninger og transformationer vil du modtage modstanden og strømstyrken i dette kredsløb. Baseret på de opnåede data om den specifikke modstand, vælg lederens materiale, dets tværsnit og længde.

Joule-Lenz lov for transmission af elektricitet over en afstand

På transmission af elektricitet over afstande der opstår et væsentligt problem - tab på transmissionsledninger (kraftledninger). Joule-Lenz-loven beskriver mængden af ​​varme, der genereres af en leder, når en strøm løber. Eltransmissionsledninger driver hele virksomheder og byer, og det kræver meget strøm som følge af en stor strøm. Da varmemængden afhænger af lederens modstand og strømmen, så kablerne ikke bliver varme, skal du reducere mængden af ​​varme. Det er ikke altid muligt at øge ledningernes tværsnit, pga dette er dyrt i forhold til omkostningerne til selve kobberet og vægten af ​​kablet, hvilket medfører en stigning i omkostningerne til den bærende struktur. Højspændingsledninger er vist nedenfor. Disse er massive metalstrukturer designet til at hæve kabler til en sikker højde over jorden for at undgå elektrisk stød.

Derfor skal du reducere strømmen for at gøre dette, øge spændingen. Mellem byer har elledninger normalt en spænding på 220 eller 110 kV, og hos forbrugeren reduceres den til den nødvendige værdi med ved hjælp af transformerstationer (KTP) eller et antal KTP, der gradvist sænkes til værdier, der er sikrere for transmission, for eksempel 6 kV.

Således, med det samme strømforbrug ved en spænding på 380/220 V, vil strømmen falde hundredvis og tusindvis af gange lavere. Og ifølge Joule-Lenz-loven bestemmes mængden af ​​varme i dette tilfælde af den effekt, der går tabt på kablet.

Sikringer og sikringer

Joule-Lenz-loven gælder for sikringsstørrelser. Disse er elementer, der beskytter en elektrisk eller elektronisk enhed mod for store strømme for den, som kan opstå som følge af en stigning i forsyningsspændingen, kortslutning på brættet eller viklinger (i tilfælde af motorer) for at beskytte mod yderligere skade på det elektriske system som helhed og brand. De består af en krop, en isolator og en tynd ledning. Tråden er valgt med et sådant tværsnit, så den nominelle strøm løber gennem den, og når den overskrides, vil mængden af ​​genereret varme brænde den ud.

Som et resultat af ovenstående konkluderer vi, at Joule-Lenz-loven har fundet den bredeste anvendelse og er meget vigtig for elektroteknik. Takket være oplysningerne om mængden af ​​varme, som giver udførelsen af ​​beregninger i henhold til formlerne angivet ovenfor, kan vi lære om tilstandene betjening af enheder, vælg de nødvendige materialer og tværsnit for at øge sikkerheden, pålideligheden og holdbarheden af ​​enheden eller kredsløbet i det hele.

Dette afslutter vores artikel. Vi håber, at oplysningerne var nyttige og interessante for dig. Endelig anbefaler vi at se videoen, som diskuterer dette spørgsmål mere detaljeret:

Du ved sikkert ikke:

• Lederens modstands afhængighed af temperaturen
• Gimlets regel i enkle ord
• Hvad er dielektrisk tab
• Sådan bliver du elektriker fra bunden