Nel 1841 e nel 1842, indipendentemente l'uno dall'altro, i fisici inglesi e russi stabilirono la dipendenza della quantità di calore dal flusso di corrente in un conduttore. Questa dipendenza è stata chiamata la "Legge di Joule-Lenz". L'inglese ha stabilito la dipendenza un anno prima del russo, ma la legge ha preso il nome dai nomi di entrambi gli scienziati, perché la loro ricerca era indipendente. La legge non è teorica, ma è di grande importanza pratica. E allora scopriamo brevemente e chiaramente la definizione della legge di Joule-Lenz e dove viene applicata.
Contenuto:
- La formulazione
- FAQ
- Passiamo alla pratica
- Legge Joule-Lenz per la trasmissione di energia elettrica a distanza
- Fusibili e fusibili
La formulazione
In un vero conduttore, quando la corrente lo attraversa, il lavoro viene eseguito contro le forze di attrito. Gli elettroni si muovono attraverso il filo e si scontrano con altri elettroni, atomi e altre particelle. Di conseguenza, viene generato calore. La legge di Joule-Lenz descrive la quantità di calore generata quando la corrente scorre attraverso un conduttore. È direttamente proporzionale alla forza, alla resistenza e al tempo di flusso correnti.
In forma integrale, la legge di Joule-Lenz si presenta così:
La corrente è indicata dalla lettera I ed è espressa in Ampere, la Resistenza è R in Ohm e il tempo t è in secondi. L'unità di misura del calore Q è Joule; per convertire in calorie, devi moltiplicare il risultato per 0,24. In questo caso, 1 caloria è uguale alla quantità di calore che deve essere fornita all'acqua pulita per aumentare la sua temperatura di 1 grado.
Questa scrittura della formula è valida per una sezione di un circuito quando i conduttori sono collegati in serie, quando un valore di corrente li attraversa, ma una tensione diversa scende ai capi. Il prodotto della corrente al quadrato per la resistenza è uguale alla potenza. Allo stesso tempo, la potenza è direttamente proporzionale al quadrato della tensione e inversamente proporzionale alla resistenza. Quindi, per un circuito elettrico con collegamento in parallelo, la legge di Joule-Lenz può essere scritta nella forma:
In forma differenziale, si presenta così:
Dove j è la densità di corrente A / cm2, E è l'intensità del campo elettrico, sigma è la resistività del conduttore.
Va notato che per una sezione omogenea del circuito, la resistenza degli elementi sarà la stessa. Se il circuito contiene conduttori con resistenze diverse, si verifica una situazione in cui la quantità massima di calore spicca su quella che ha la maggiore resistenza, che si può concludere analizzando la formula della Legge Joule-Lenz.
FAQ
Come trovo il tempo? Questo si riferisce al periodo di flusso di corrente attraverso il conduttore, cioè quando il circuito è chiuso.
Come trovare la resistenza di un conduttore? Per determinare la resistenza viene utilizzata una formula, spesso chiamata "rotaia", ovvero:
Qui la lettera "Ro" indica la resistività, è misurata in Ohm * m / cm2, l e S sono la lunghezza e l'area della sezione trasversale. Durante il calcolo, i metri quadrati e i centimetri vengono ridotti e rimangono gli ohm.
La resistività è un valore tabulare e per ogni metallo ha il suo. Il rame ha ordini di grandezza inferiori alle leghe ad alta resistenza come il tungsteno o il nichelcromo. Per ciò che viene utilizzato, considereremo di seguito.
Passiamo alla pratica
La legge di Joule-Lenz è di grande importanza per i calcoli elettrici. Prima di tutto, puoi applicarlo durante il calcolo dei dispositivi di riscaldamento. Un conduttore viene spesso utilizzato come elemento riscaldante, ma non semplice (come il rame), ma con un'elevata resistenza. Il più delle volte è nicromo o kanthal, fechral.
Hanno un'elevata resistività. Puoi usare il rame, ma poi sprecherai molto cavo (sarcasmo, il rame non viene utilizzato per questo scopo). Per calcolare la potenza del calore per un dispositivo di riscaldamento, è necessario determinare in quale corpo si trova di quali volumi hai bisogno per riscaldare, prendi in considerazione la quantità di calore richiesta e per quanto tempo deve essere trasferita corpo. Dopo calcoli e trasformazioni, riceverai la resistenza e la forza attuale in questo circuito. Sulla base dei dati ottenuti sulla resistività, selezionare il materiale del conduttore, la sua sezione e lunghezza.
Legge Joule-Lenz per la trasmissione di energia elettrica a distanza
In trasmissione di elettricità a distanza sorge un problema significativo: perdite sulle linee di trasmissione (linee elettriche). La legge di Joule-Lenz descrive la quantità di calore generata da un conduttore quando scorre una corrente. Le linee di trasmissione di potenza alimentano intere imprese e città, e ciò richiede molta potenza, a causa di una grande corrente. Poiché la quantità di calore dipende dalla resistenza del conduttore e dalla corrente, in modo che i cavi non si surriscaldino, è necessario ridurre la quantità di calore. Non sempre è possibile aumentare la sezione dei fili, perché ciò è oneroso in termini di costo del rame stesso e di peso del cavo, il che comporta un aumento del costo della struttura portante. Di seguito sono riportate le linee elettriche ad alta tensione. Si tratta di massicce strutture metalliche progettate per sollevare i cavi ad un'altezza sicura dal suolo al fine di evitare scosse elettriche.
Pertanto, è necessario ridurre la corrente per fare ciò, aumentare la tensione. Tra le città, le linee elettriche di solito hanno una tensione di 220 o 110 kV e al consumatore è ridotta al valore richiesto con utilizzando sottostazioni di trasformazione (KTP) o un numero di KTP che si abbassa gradualmente a valori più sicuri per la trasmissione, ad esempio 6 kV.
Pertanto, con lo stesso consumo di energia a una tensione di 380/220 V, la corrente diminuirà di centinaia e migliaia di volte. E secondo la legge Joule-Lenz, la quantità di calore in questo caso è determinata dalla potenza che si perde sul cavo.
Fusibili e fusibili
La legge di Joule-Lenz si applica alle dimensioni dei fusibili. Questi sono elementi che proteggono un dispositivo elettrico o elettronico da correnti eccessive per esso, che possono sorgere a seguito di un aumento della tensione di alimentazione, corto circuito sulla scheda o sugli avvolgimenti (nel caso di motori) per proteggere da ulteriori danni all'impianto elettrico nel suo complesso e incendi. Sono costituiti da un corpo, un isolante e un filo sottile. Il filo è selezionato con una tale sezione trasversale in modo che la corrente nominale lo attraversi e, quando viene superata, la quantità di calore generata lo brucerà.
Come risultato di quanto sopra, concludiamo che la legge Joule-Lenz ha trovato la più ampia applicazione ed è molto importante per l'ingegneria elettrica. Grazie alle informazioni sulla quantità di calore, che dà l'esecuzione di calcoli secondo le formule sopra indicate, possiamo conoscere le modalità funzionamento dei dispositivi, selezionare i materiali e la sezione necessari per aumentare la sicurezza, l'affidabilità e la durata del dispositivo o del circuito in il tutto.
Questo conclude il nostro articolo. Ci auguriamo che le informazioni fornite siano state utili e interessanti per te. Infine, ti consigliamo di guardare il video, che tratta questo problema in modo più dettagliato:
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