Godine 1841. i 1842., neovisno jedan o drugom, engleski i ruski fizičari ustanovili su ovisnost količine topline o protoku struje u vodiču. Ova ovisnost nazvana je "Joule-Lenzov zakon". Englez je utvrdio ovisnost godinu dana ranije od Rusa, ali je zakon dobio ime po imenima oba znanstvenika, jer su njihova istraživanja bila neovisna. Zakon nije teoretski, ali je od velike praktične važnosti. I zato ukratko i jasno doznajmo definiciju Joule-Lenzovog zakona i gdje se primjenjuje.
Sadržaj:
- Formulacija
- Pitanja
- Idemo dalje na praksu
- Joule-Lenzov zakon za prijenos električne energije na daljinu
- Osigurači i osigurači
Formulacija
U stvarnom vodiču, kada kroz njega teče struja, vrši se rad protiv sila trenja. Elektroni se kreću kroz žicu i sudaraju se s drugim elektronima, atomima i drugim česticama. Kao rezultat, stvara se toplina. Joule-Lenzov zakon opisuje količinu topline koja nastaje kada struja teče kroz vodič. Ona je izravno proporcionalna jakosti struje, otporu i vremenu protoka.
U integralnom obliku Joule-Lenzov zakon izgleda ovako:
Struja je označena slovom I i izražena je u amperima, otpor je R u Ohmima, a vrijeme t je u sekundama. Mjerna jedinica za toplinu Q je Joule; da biste pretvorili u kalorije, morate rezultat pomnožiti s 0,24. U ovom slučaju, 1 kalorija je jednaka količini topline koju je potrebno dostaviti čistoj vodi kako bi se njezina temperatura povećala za 1 stupanj.
Ovo pisanje formule vrijedi za dio strujnog kruga kada su vodiči spojeni serijski, kada kroz njih teče jedna vrijednost struje, ali na krajevima pada drugačiji napon. Umnožak struje na kvadrat otpora jednak je snazi. Istodobno, snaga je izravno proporcionalna kvadratu napona i obrnuto proporcionalna otporu. Tada se za električni krug s paralelnom vezom Joule-Lenzov zakon može zapisati u obliku:
U diferencijalnom obliku to izgleda ovako:
Gdje je j gustoća struje A / cm2, E je jakost električnog polja, sigma je otpor vodiča.
Treba napomenuti da će za homogeni dio kruga otpor elemenata biti isti. Ako krug sadrži vodiče s različitim otporima, nastaje situacija kada je maksimalna količina topline ističe se na onom koji ima najveći otpor, što se može zaključiti analizom formule Zakona Joule-Lenz.
Pitanja
Kako da nađem vrijeme? To se odnosi na period protoka struje kroz vodič, odnosno kada je krug zatvoren.
Kako pronaći otpor vodiča? Za određivanje otpora koristi se formula, koja se često naziva "tračnica", odnosno:
Ovdje slovo "Ro" označava otpornost, mjeri se u Ohm * m / cm2, l i S su duljina i površina poprečnog presjeka. Pri izračunu se kvadratni metri i centimetri smanjuju, a ohmi ostaju.
Otpor je tablična vrijednost i za svaki metal ima svoju. Bakar ima redove veličine manje od legura visoke otpornosti kao što su volfram ili nikrom. Za što se koristi, razmotrit ćemo u nastavku.
Idemo dalje na praksu
Joule-Lenzov zakon je od velike važnosti za električne proračune. Prije svega, možete ga primijeniti pri izračunu uređaja za grijanje. Kao grijaći element najčešće se koristi vodič, ali ne jednostavan (kao što je bakar), već s visokim otporom. Najčešće je to nichrome ili kanthal, fechral.
Imaju visoku otpornost. Možete koristiti bakar, ali ćete tada potrošiti puno kabela (sarkazam, bakar se ne koristi u tu svrhu). Da biste izračunali snagu topline za uređaj za grijanje, morate odrediti u kojem se tijelu nalazi koje volumene trebate zagrijati, uzmite u obzir količinu potrebne topline i koliko dugo je potrebno prenijeti tijelo. Nakon izračuna i transformacija, dobit ćete otpor i jačinu struje u ovom krugu. Na temelju dobivenih podataka o otpornosti odaberite materijal vodiča, njegov presjek i duljinu.
Joule-Lenzov zakon za prijenos električne energije na daljinu
Na prijenos električne energije na udaljenosti javlja se značajan problem – gubici na dalekovodima (elektrovodima). Joule-Lenzov zakon opisuje količinu topline koju generira vodič dok struja teče. Električni dalekovodi napajaju cijela poduzeća i gradove, a za to je potrebna velika snaga, kao rezultat velike struje. Budući da količina topline ovisi o otporu vodiča i struje, kako se kabeli ne bi zagrijali, potrebno je smanjiti količinu topline. Nije uvijek moguće povećati presjek žica, jer to je skupo u smislu cijene samog bakra i težine kabela, što podrazumijeva povećanje cijene nosive konstrukcije. Visokonaponski dalekovodi su prikazani u nastavku. To su masivne metalne konstrukcije dizajnirane za podizanje kabela na sigurnu visinu iznad tla kako bi se izbjegao strujni udar.
Stoga morate smanjiti struju da biste to učinili, povećajte napon. Između gradova dalekovodi obično imaju napon od 220 ili 110 kV, a kod potrošača se smanjuje na potrebnu vrijednost s korištenjem transformatorskih podstanica (KTP) ili niza KTP-a koji se postupno spuštaju na vrijednosti koje su sigurnije za prijenos, na primjer 6 kV.
Dakle, uz istu potrošnju energije pri naponu od 380/220 V, struja će se smanjiti stotine i tisuće puta niže. A prema Joule-Lenzovom zakonu, količina topline u ovom slučaju određena je snagom koja se gubi na kabelu.
Osigurači i osigurači
Joule-Lenzov zakon primjenjuje se na veličine osigurača. To su elementi koji štite električni ili elektronički uređaj od prekomjernih struja za njega, koje mogu nastati kao posljedica prenapona napajanja, kratki spoj na ploči ili namotima (u slučaju motora) radi zaštite od daljnjeg oštećenja električnog sustava u cjelini i požara. Sastoje se od tijela, izolatora i tanke žice. Žica je odabrana s takvim poprečnim presjekom tako da nazivna struja teče kroz nju, a kada se ona prekorači, količina proizvedene topline će je izgorjeti.
Slijedom navedenog zaključujemo da je Joule-Lenzov zakon našao najširu primjenu i vrlo je važan za elektrotehniku. Zahvaljujući informacijama o količini topline, koja daje izvedbu izračuna prema gore navedenim formulama, možemo naučiti o načinima rada uređaja, odabrati potrebne materijale i presjek kako bi se povećala sigurnost, pouzdanost i trajnost uređaja ili strujnog kruga u cjelina.
Ovim je naš članak završen. Nadamo se da su vam pružene informacije bile korisne i zanimljive. Na kraju, preporučujemo da pogledate video, koji detaljnije govori o ovom pitanju:
Vjerojatno ne znate:
- Ovisnost otpora vodiča o temperaturi
- Pravilo gimleta jednostavnim riječima
- Što je dielektrični gubitak
- Kako postati električar od nule