Em 1841 e 1842, independentemente um do outro, físicos ingleses e russos estabeleceram a dependência da quantidade de calor do fluxo de corrente em um condutor. Essa dependência foi chamada de "Lei Joule-Lenz". O inglês estabeleceu a dependência um ano antes do russo, mas a lei tirou o nome dos nomes dos dois cientistas, porque suas pesquisas eram independentes. A lei não é teórica, mas é de grande importância prática. Portanto, vamos descobrir de forma breve e clara a definição da lei de Joule-Lenz e onde ela é aplicada.
Contente:
- A redação
- Perguntas frequentes
- Vamos prosseguir para a prática
- Lei Joule-Lenz para a transmissão de eletricidade à distância
- Fusíveis e fusíveis
A redação
Em um condutor real, quando a corrente flui por ele, o trabalho é realizado contra as forças de fricção. Os elétrons se movem através do fio e colidem com outros elétrons, átomos e outras partículas. Como resultado, o calor é gerado. A Lei de Joule-Lenz descreve a quantidade de calor gerada quando a corrente flui por um condutor. É diretamente proporcional à intensidade da corrente, resistência e tempo de fluxo.
Na forma integral, a Lei de Joule-Lenz é assim:
A corrente é indicada pela letra I e é expressa em Amperes, a Resistência é R em Ohms e o tempo t é em segundos. A unidade de medida para o calor Q é Joule; para converter em calorias, você precisa multiplicar o resultado por 0,24. Nesse caso, 1 caloria é igual à quantidade de calor que precisa ser fornecida à água limpa para aumentar sua temperatura em 1 grau.
Esta escrita da fórmula é válida para uma seção de um circuito quando os condutores estão conectados em série, quando um valor de corrente flui por eles, mas uma tensão diferente cai nas extremidades. O produto da corrente ao quadrado pela resistência é igual à potência. Ao mesmo tempo, a potência é diretamente proporcional ao quadrado da tensão e inversamente proporcional à resistência. Então, para um circuito elétrico com conexão paralela, a lei de Joule-Lenz pode ser escrita na forma:
Na forma diferencial, tem a seguinte aparência:
Onde j é a densidade de corrente A / cm2, E é a intensidade do campo elétrico, sigma é a resistividade do condutor.
Deve-se notar que para uma seção homogênea do circuito, a resistência dos elementos será a mesma. Se o circuito contém condutores com resistências diferentes, surge uma situação em que a quantidade máxima de calor destaca-se aquele que apresenta maior resistência, o que se pode concluir pela análise da fórmula da Lei Joule-Lenz.
Perguntas frequentes
Como encontro tempo? Refere-se ao período de passagem da corrente pelo condutor, ou seja, quando o circuito é fechado.
Como encontrar a resistência de um condutor? Para determinar a resistência, é usada uma fórmula, muitas vezes chamada de "trilho", ou seja:
Aqui, a letra "Ro" denota a resistividade, ela é medida em Ohm * m / cm2, le S são o comprimento e a área da seção transversal. Ao calcular, metros quadrados e centímetros são reduzidos e os ohms permanecem.
A resistividade é um valor tabular e para cada metal tem o seu próprio. O cobre tem ordens de magnitude menores do que ligas de alta resistência, como tungstênio ou nicromo. Para o que é usado, consideraremos a seguir.
Vamos prosseguir para a prática
A lei de Joule-Lenz é de grande importância para cálculos elétricos. Em primeiro lugar, você pode aplicá-lo ao calcular dispositivos de aquecimento. Um condutor é mais frequentemente usado como um elemento de aquecimento, mas não um simples (como o cobre), mas com uma alta resistência. Na maioria das vezes é nicrômico ou kanthal, fechral.
Eles têm alta resistividade. Você pode usar cobre, mas então irá desperdiçar muito cabo (sarcasmo, cobre não é usado para este propósito). Para calcular a potência do calor para um dispositivo de aquecimento, você precisa determinar em qual corpo está quais volumes você precisa para aquecer, leve em consideração a quantidade de calor necessária e por quanto tempo ele precisa ser transferido corpo. Após cálculos e transformações, você receberá a resistência e a força da corrente neste circuito. Com base nos dados obtidos sobre a resistividade, selecione o material do condutor, sua seção transversal e comprimento.
Lei Joule-Lenz para a transmissão de eletricidade à distância
No transmissão de eletricidade em distâncias surge um problema significativo - perdas nas linhas de transmissão (linhas de energia). A lei de Joule-Lenz descreve a quantidade de calor gerada por um condutor conforme a corrente flui. Linhas de transmissão de energia abastecem empresas e cidades inteiras, e isso requer muita energia, como resultado de uma grande corrente. Como a quantidade de calor depende da resistência do condutor e da corrente, para que os cabos não aqueçam, é necessário reduzir a quantidade de calor. Nem sempre é possível aumentar a seção transversal dos fios, pois isso é caro em termos do custo do próprio cobre e do peso do cabo, o que acarreta um aumento no custo da estrutura de suporte. As linhas de alta tensão são mostradas abaixo. Estas são estruturas de metal maciças projetadas para elevar os cabos a uma altura segura acima do solo, a fim de evitar choque elétrico.
Portanto, você precisa reduzir a corrente para fazer isso, aumente a tensão. Entre as cidades, as linhas de transmissão costumam ter tensão de 220 ou 110 kV, e no consumidor ela é reduzida ao valor exigido com usando subestações transformadoras (KTP) ou uma série de KTP diminuindo gradualmente para valores que são mais seguros para transmissão, por exemplo 6 kV.
Assim, com o mesmo consumo de energia na tensão de 380/220 V, a corrente diminuirá centenas e milhares de vezes mais. E de acordo com a lei de Joule-Lenz, a quantidade de calor neste caso é determinada pela energia perdida no cabo.
Fusíveis e fusíveis
A Lei Joule-Lenz se aplica aos tamanhos dos fusíveis. Estes são os elementos que protegem um dispositivo elétrico ou eletrônico de correntes excessivas para ele, que podem surgir como resultado de um surto na tensão de alimentação, curto circuito na placa ou enrolamentos (no caso de motores) para proteger contra maiores danos ao sistema elétrico como um todo e incêndio. Eles consistem em um corpo, um isolante e um fio fino. O fio é selecionado com tal seção transversal de forma que a corrente nominal flua através dele e, quando for excedida, a quantidade de calor gerada irá queimá-lo.
Como resultado do exposto, concluímos que a Lei Joule-Lenz encontrou a aplicação mais ampla e é muito importante para a engenharia elétrica. Graças às informações sobre a quantidade de calor, que dá a realização de cálculos de acordo com as fórmulas indicadas acima, podemos aprender sobre os modos operação de dispositivos, selecione os materiais necessários e seção transversal para aumentar a segurança, confiabilidade e durabilidade do dispositivo ou circuito em o todo.
Isso conclui nosso artigo. Esperamos que as informações fornecidas tenham sido úteis e interessantes para você. Por fim, recomendamos assistir ao vídeo, que discute esse problema com mais detalhes:
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