Prawo Joule-Lenza: formuła, zastosowanie w praktyce, wniosek

W latach 1841 i 1842 niezależnie od siebie fizycy angielscy i rosyjscy ustalili zależność ilości ciepła od przepływu prądu w przewodniku. Ten związek został nazwany „Prawem Joule-Lenza”. Anglik założył zależność rok wcześniej niż Rosjanin, ale prawo wzięło swoją nazwę od nazwisk obu naukowców, ponieważ ich badania były niezależne. Prawo nie jest teoretyczne, ale ma ogromne znaczenie praktyczne. Przyjrzyjmy się więc krótko i jasno, jaka jest definicja prawa Joule-Lenza i gdzie jest ono stosowane.

Treść

W prawdziwym przewodniku, gdy przepływa przez niego prąd, praca jest wykonywana przeciw siłom tarcia. Elektrony przemieszczają się przez drut i zderzają się z innymi elektronami, atomami i innymi cząsteczkami. W rezultacie powstaje ciepło. Prawo Joule'a-Lenza opisuje ilość ciepła wytwarzanego podczas przepływu prądu przez przewodnik. Jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu, oporu i czasu przepływu.

W formie integralnej prawo Joule-Lenza wygląda tak:

Prąd jest oznaczony literą I i jest wyrażony w amperach, opór to R w omach, a czas t jest w sekundach. Jednostką miary ciepła Q jest dżul; aby przeliczyć na kalorie, należy pomnożyć wynik przez 0,24. W tym przypadku 1 kaloria jest równa ilości ciepła, którą należy dostarczyć do czystej wody, aby podnieść jej temperaturę o 1 stopień.

Ten zapis wzoru obowiązuje dla odcinka obwodu, w którym przewody są połączone szeregowo, gdy płynie w nich jedna wartość prądu, ale na końcach spada inne napięcie. Iloczyn prądu do kwadratu przez opór jest równy mocy. Jednocześnie moc jest wprost proporcjonalna do kwadratu napięcia i odwrotnie proporcjonalna do rezystancji. Następnie dla obwodu elektrycznego z połączeniem równoległym prawo Joule-Lenza można zapisać w postaci:

W postaci różniczkowej wygląda to tak:

Gdzie j jest gęstością prądu A / cm², E to natężenie pola elektrycznego, sigma to rezystywność przewodnika.

Należy zauważyć, że dla jednorodnego odcinka obwodu rezystancja elementów będzie taka sama. Jeśli obwód zawiera przewodniki o różnych rezystancjach, powstaje sytuacja, gdy maksymalna ilość ciepła wyróżnia się na tym, który ma największy opór, co można wywnioskować analizując formułę Prawa Joule-Lenz.

FAQ

Jak znajdę czas? Odnosi się to do okresu przepływu prądu przez przewodnik, to znaczy, kiedy obwód jest zamknięty.

Jak znaleźć opór przewodnika? Do określenia oporu używa się formuły, która często nazywana jest „szyną”, czyli:

Tutaj litera „Ro” oznacza rezystywność, mierzoną w Ohm * m / cm2, l i S to długość i pole przekroju. Podczas obliczania metry kwadratowe i centymetry są zmniejszane, a omy pozostają.

Rezystywność jest wartością tabelaryczną i dla każdego metalu ma swoją własną. Miedź ma rzędy wielkości mniej niż stopy o wysokiej odporności, takie jak wolfram lub nichrom. Do czego jest używany, rozważymy poniżej.

Chodźmy poćwiczyć

Prawo Joule'a-Lenza ma ogromne znaczenie dla obliczeń elektrycznych. Przede wszystkim możesz go zastosować przy obliczaniu urządzeń grzewczych. Jako element grzejny najczęściej stosuje się przewodnik, ale nie prosty (np. miedź), ale o dużej rezystancji. Najczęściej jest to nichrom lub kanthal, fechral.

Mają wysoką rezystywność. Możesz użyć miedzi, ale wtedy zmarnujesz dużo kabla (sarkazm, miedź nie jest używana do tego celu). Aby obliczyć moc cieplną urządzenia grzewczego, musisz określić, w którym ciele znajduje się jakie objętości potrzebujesz do ogrzania, weź pod uwagę ilość wymaganego ciepła i jak długo ma być przekazywane ciało. Po obliczeniach i przekształceniach otrzymasz rezystancję i natężenie prądu w tym obwodzie. Na podstawie uzyskanych danych dotyczących rezystywności wybierz materiał przewodnika, jego przekrój i długość.

Prawo Joule'a-Lenza dotyczące przesyłania energii elektrycznej na odległość

Na przesyłanie energii elektrycznej na odległość powstaje poważny problem - straty na liniach przesyłowych (liniach energetycznych). Prawo Joule'a-Lenza opisuje ilość ciepła wytworzonego przez przewodnik w postaci przepływu prądu. Linie elektroenergetyczne zasilają całe przedsiębiorstwa i miasta, a to wymaga dużej mocy ze względu na duży prąd. Ponieważ ilość ciepła zależy od rezystancji przewodnika i prądu, aby kable się nie nagrzewały, należy zmniejszyć ilość ciepła. Nie zawsze jest możliwe zwiększenie przekroju przewodów, ponieważ jest to kosztowne pod względem kosztu samej miedzi i ciężaru kabla, co pociąga za sobą wzrost kosztu konstrukcji nośnej. Linie wysokiego napięcia przedstawiono poniżej. Są to masywne metalowe konstrukcje zaprojektowane do podnoszenia kabli na bezpieczną wysokość nad ziemią, aby uniknąć porażenia prądem.

Dlatego musisz zmniejszyć prąd, aby to zrobić, zwiększ napięcie. Między miastami linie energetyczne mają zwykle napięcie 220 lub 110 kV, a u konsumenta zmniejsza się do wymaganej wartości za pomocą zastosowanie podstacji transformatorowych (KTP) lub szeregu KTP stopniowo obniżających się do wartości bezpieczniejszych dla przesyłu, na przykład 6 kV.

Tak więc przy takim samym poborze mocy przy napięciu 380/220 V prąd zmniejszy się setki i tysiące razy mniej. A zgodnie z prawem Joule-Lenza ilość ciepła w tym przypadku zależy od mocy traconej na kablu.

Bezpieczniki i bezpieczniki

Prawo Joule'a-Lenza dotyczy rozmiarów bezpieczników. Są to elementy chroniące urządzenie elektryczne lub elektroniczne przed nadmiernymi dla niego prądami, które mogą powstać w wyniku skoku napięcia zasilającego, zwarcie na płycie lub uzwojeniach (w przypadku silników) w celu zabezpieczenia przed dalszym uszkodzeniem instalacji elektrycznej jako całości i pożarem. Składają się z obudowy, izolatora i cienkiego drutu. Drut dobiera się o takim przekroju, aby przepływał przez niego prąd znamionowy, a po jego przekroczeniu ilość wytworzonego ciepła spali go.

W wyniku powyższego dochodzimy do wniosku, że prawo Joule-Lenza znalazło najszersze zastosowanie i jest bardzo ważne dla elektrotechniki. Dzięki informacjom o ilości ciepła, która daje wykonanie obliczeń wg wzorów wskazanych powyżej, możemy poznać tryby eksploatacji urządzeń, dobrać niezbędne materiały i przekroje w celu zwiększenia bezpieczeństwa, niezawodności i trwałości urządzenia lub obwodu w całość.

To kończy nasz artykuł. Mamy nadzieję, że podane informacje były dla Ciebie przydatne i interesujące. Na koniec polecamy obejrzenie filmu, który bardziej szczegółowo omawia ten problem:

Prawdopodobnie nie wiesz:

• Zależność rezystancji przewodnika od temperatury
• Zasada świderka w prostych słowach
• Co to jest strata dielektryczna?
• Jak zostać elektrykiem od podstaw