חוק ג'ול-לנץ: נוסחה, יישום בפועל, מסקנה

בשנים 1841 ו-1842, ללא תלות זה בזה, קבעו פיזיקאים אנגלים ורוסים את התלות של כמות החום בזרימת הזרם במוליך. תלות זו כונתה "חוק ז'ול-לנץ". האנגלי קבע את התלות שנה מוקדם יותר מהרוסי, אבל החוק קיבל את שמו משמות שני המדענים, מכיוון שהמחקר שלהם היה עצמאי. החוק אינו תיאורטי, אך יש לו חשיבות מעשית רבה. וכך נברר בקצרה ובבהירות את ההגדרה של חוק ג'ול-לנץ והיכן הוא מיושם.

הניסוח

במוליך אמיתי, כאשר זורם בו זרם, מתבצעת עבודה כנגד כוחות חיכוך. אלקטרונים נעים דרך החוט ומתנגשים באלקטרונים אחרים, אטומים וחלקיקים אחרים. כתוצאה מכך נוצר חום. חוק ג'ול-לנץ מתאר את כמות החום שנוצרת כאשר זרם זורם דרך מוליך. זה עומד ביחס ישר לחוזק הנוכחי, להתנגדות ולזמן הזרימה.

בצורה אינטגרלית, חוק ג'ול-לנץ נראה כך:

הזרם מסומן באות I והוא מבוטא באמפר, ההתנגדות היא R באוהם, והזמן t הוא בשניות. יחידת המדידה לחום Q היא ג'ול; כדי להמיר לקלוריות, עליך להכפיל את התוצאה ב-0.24. במקרה זה, 1 קלוריה שווה לכמות החום שצריך לספק למים נקיים כדי להעלות את הטמפרטורה שלהם ב-1 מעלה.

כתיבה זו של הנוסחה תקפה לקטע של מעגל כאשר המוליכים מחוברים בסדרה, כאשר ערך זרם אחד זורם דרכם, אך מתח שונה יורד בקצוות. מכפלת הזרם בריבוע בהתנגדות שווה להספק. יחד עם זאת, ההספק עומד ביחס ישר לריבוע המתח וביחס הפוך להתנגדות. לאחר מכן, עבור מעגל חשמלי עם חיבור מקבילי, ניתן לכתוב את חוק Joule-Lenz בצורה:

בצורה דיפרנציאלית, זה נראה כך:

כאשר j היא צפיפות הזרם A/cm², E הוא עוצמת השדה החשמלי, סיגמה היא ההתנגדות של המוליך.

יש לציין כי עבור קטע הומוגני של המעגל, ההתנגדות של האלמנטים תהיה זהה. אם המעגל מכיל מוליכים עם התנגדויות שונות, נוצר מצב כאשר כמות החום המקסימלית בולט על זה שיש לו את ההתנגדות הגדולה ביותר, שניתן להסיק על ידי ניתוח נוסחת החוק ג'ול-לנץ.

שאלות נפוצות

איך אני מוצא את הזמן? זה מתייחס לתקופה של זרימת הזרם דרך המוליך, כלומר, כאשר המעגל סגור.

איך למצוא את ההתנגדות של מוליך? כדי לקבוע את ההתנגדות, משתמשים בנוסחה, המכונה לעתים קרובות "מסילה", כלומר:

כאן האות "Ro" מציינת את ההתנגדות, היא נמדדת באוהם * m/cm2, l ו-S הם האורך ושטח החתך. בעת החישוב, מטרים רבועים וסנטימטרים מצטמצמים ונשאר אוהם.

התנגדות היא ערך טבלאי ולכל מתכת יש לה. לנחושת יש סדרי גודל פחות מסגסוגות בעלות התנגדות גבוהה כגון טונגסטן או ניקרום. למה הוא משמש, נשקול להלן.

בואו נעבור לתרגול

לחוק ג'ול-לנץ חשיבות רבה לחישובי חשמל. קודם כל, אתה יכול ליישם את זה בעת חישוב התקני חימום. מוליך משמש לרוב כגוף חימום, אך לא פשוט (כגון נחושת), אך בעל התנגדות גבוהה. לרוב זה nichrome או kanthal, fechral.

יש להם התנגדות גבוהה. אתה יכול להשתמש בנחושת, אבל אז תבזבז הרבה כבלים (סרקזם, נחושת לא משמשת למטרה זו). כדי לחשב את כוח החום של מכשיר חימום, עליך לקבוע באיזה גוף נמצא אילו נפחים אתה צריך לחמם, קחו בחשבון את כמות החום הנדרש וכמה זמן צריך להעביר אותו גוּף. לאחר חישובים ותמורות, תקבל את ההתנגדות וחוזק הזרם במעגל זה. בהתבסס על הנתונים שהתקבלו על ההתנגדות, בחר את החומר של המוליך, חתך רוחב ואורכו.

חוק ג'ול-לנץ להעברת חשמל למרחקים

בְּ העברת חשמל למרחקים נוצרת בעיה משמעותית - הפסדים בקווי תמסורת (קווי חשמל). חוק ג'ול-לנץ מתאר את כמות החום שנוצרת על ידי מוליך כאשר זרם זורם. קווי הולכת חשמל מניעים מפעלים וערים שלמות, וזה דורש כוח רב, כתוצאה מזרם גדול. מכיוון שכמות החום תלויה בהתנגדות המוליך והזרם, כדי שהכבלים לא יתחממו, צריך להפחית את כמות החום. לא תמיד ניתן להגדיל את החתך של החוטים, כי זה יקר במונחים של עלות הנחושת עצמה ומשקל הכבל, מה שגורר עלייה בעלות המבנה התומך. קווי מתח גבוה מוצגים להלן. מדובר במבני מתכת מאסיביים שנועדו להעלות כבלים לגובה בטוח מעל פני הקרקע על מנת למנוע התחשמלות.

לכן, אתה צריך להפחית את הזרם כדי לעשות זאת, להגדיל את המתח. בין ערים לקווי מתח יש בדרך כלל מתח של 220 או 110 קילו וולט, ואצל הצרכן הוא מופחת לערך הנדרש עם באמצעות תחנות שנאים (KTP) או מספר KTP הנורדות בהדרגה לערכים בטוחים יותר לשידור, למשל 6 קילו וולט.

כך, עם אותה צריכת חשמל במתח של 380/220 וולט, הזרם יקטן במאות ואלפי מונים. ולפי חוק ג'ול-לנץ, כמות החום במקרה זה נקבעת לפי ההספק שאבד על הכבל.

נתיכים ונתיכים

חוק ג'ול-לנץ חל על גדלי נתיכים. מדובר באלמנטים המגינים על מכשיר חשמלי או אלקטרוני מפני זרמים מוגזמים עבורו, העלולים להיווצר כתוצאה מנחשול במתח האספקה, קצר על הלוח או פיתולים (במקרה של מנועים) כדי להגן מפני נזק נוסף למערכת החשמל כולה ושריפה. הם מורכבים מגוף, מבודד וחוט דק. החוט נבחר עם חתך כזה כך שהזרם המדורג זורם דרכו, וכאשר חורגים ממנו, כמות החום שנוצרת תשרוף אותו.

כתוצאה מהאמור לעיל, אנו מסיקים כי חוק ג'ול-לנץ מצא את היישום הרחב ביותר והוא חשוב מאוד להנדסת חשמל. הודות למידע על כמות החום, שנותן את ביצועי החישובים לפי הנוסחאות המצוינות לעיל, נוכל ללמוד על המצבים הפעלת מכשירים, בחר את החומרים הדרושים ואת החתך כדי להגביר את הבטיחות, האמינות והעמידות של המכשיר או המעגל ב הכל.

זה מסיים את המאמר שלנו. אנו מקווים שהמידע שסופק היה שימושי ומעניין עבורך. לבסוף, אנו ממליצים לצפות בסרטון, אשר דן בסוגיה זו ביתר פירוט:

אתה כנראה לא יודע:

• התלות של ההתנגדות של המוליך בטמפרטורה
• כלל הגימלט במילים פשוטות
• מהו אובדן דיאלקטרי
• איך להפוך לחשמלאי מאפס