Joule-Lenz lag: formel, tillämpning i praktiken, slutsats

År 1841 och 1842, oberoende av varandra, fastställde engelska och ryska fysiker beroendet av mängden värme på strömflödet i en ledare. Detta beroende kallades "Joule-Lenz-lagen". Engelsmannen etablerade beroendet ett år tidigare än den ryska, men lagen fick sitt namn från namnen på båda forskarna, eftersom deras forskning var oberoende. Lagen är inte teoretisk, men den har stor praktisk betydelse. Och så låt oss kort och tydligt ta reda på definitionen av Joule-Lenz-lagen och var den tillämpas.

Ordvalet

I en riktig ledare, när ström flyter genom den, utförs arbete mot friktionskrafter. Elektroner rör sig genom tråden och kolliderar med andra elektroner, atomer och andra partiklar. Som ett resultat genereras värme. Joule-Lenz-lagen beskriver mängden värme som genereras när ström flyter genom en ledare. Den är direkt proportionell mot strömstyrkan, motståndet och flödestiden.

I integrerad form ser Joule-Lenz-lagen ut så här:

Strömmen indikeras med bokstaven I och uttrycks i ampere, motståndet är R i ohm och tiden t är i sekunder. Måttenheten för värme Q är Joule; för att omvandla till kalorier måste du multiplicera resultatet med 0,24. I det här fallet är 1 kalori lika med mängden värme som måste tillföras rent vatten för att höja dess temperatur med 1 grad.

Denna skrivning av formeln är giltig för en sektion av en krets när ledarna är seriekopplade, när ett strömvärde flyter genom dem, men en annan spänning faller i ändarna. Produkten av strömmen i kvadrat med motståndet är lika med effekten. Samtidigt är effekten direkt proportionell mot kvadraten på spänningen och omvänt proportionell mot resistansen. Sedan, för en elektrisk krets med parallell anslutning, kan Joule-Lenz-lagen skrivas i formen:

I differentialform ser det ut så här:

Där j är strömtätheten A/cm², E är den elektriska fältstyrkan, sigma är ledarens resistivitet.

Det är värt att notera att för en homogen sektion av kretsen kommer elementens motstånd att vara detsamma. Om kretsen innehåller ledare med olika resistanser uppstår en situation när den maximala mängden värme utmärker sig på den som har störst motstånd, vilket kan avslutas genom att analysera lagens formel Joule-Lenz.

FAQ

Hur hittar jag tiden? Detta hänvisar till perioden för strömflödet genom ledaren, det vill säga när kretsen är sluten.

Hur hittar man resistansen hos en ledare? För att bestämma motståndet används en formel, som ofta kallas "räls", det vill säga:

Här betecknar bokstaven "Ro" resistiviteten, den mäts i Ohm * m / cm2, l och S är längden och tvärsnittsarean. Vid beräkning reduceras kvadratmeter och centimeter och ohm kvarstår.

Resistivitet är ett tabellvärde och för varje metall har det sin egen. Koppar har storleksordningar mindre än högresistanslegeringar som volfram eller nikrom. För vad det används kommer vi att överväga nedan.

Låt oss gå vidare till praktiken

Joule-Lenz-lagen är av stor betydelse för elektriska beräkningar. Först och främst kan du använda det när du beräknar värmeanordningar. En ledare används oftast som ett värmeelement, men inte ett enkelt sådant (som koppar), men med ett högt motstånd. Oftast är det nikrom eller kanthal, fechral.

De har hög resistivitet. Du kan använda koppar, men då kommer du att slösa mycket kabel (sarkasm, koppar används inte för detta ändamål). För att beräkna effekten av värme för en värmeanordning måste du bestämma vilken kropp som är i vilka volymer behöver du för att värma, ta hänsyn till mängden erforderlig värme och hur länge den behöver överföras kropp. Efter beräkningar och transformationer får du resistansen och strömstyrkan i denna krets. Baserat på de data som erhållits om resistiviteten, välj materialet för ledaren, dess tvärsnitt och längd.

Joule-Lenz lag för överföring av elektricitet över avstånd

På överföring av el över avstånd ett betydande problem uppstår - förluster på transmissionsledningar (kraftledningar). Joule-Lenz-lagen beskriver mängden värme som genereras av en ledare när en ström flyter. Kraftöverföringsledningar driver hela företag och städer, och detta kräver mycket kraft, till följd av en stor ström. Eftersom mängden värme beror på ledarens resistans och strömmen, så att kablarna inte värms upp, måste du minska mängden värme. Det är inte alltid möjligt att öka ledningarnas tvärsnitt, eftersom detta är dyrt i termer av kostnaden för själva kopparn och vikten av kabeln, vilket medför en ökning av kostnaden för den bärande strukturen. Högspänningsledningar visas nedan. Dessa är massiva metallkonstruktioner utformade för att höja kablar till en säker höjd över marken för att undvika elektriska stötar.

Därför måste du minska strömmen för att göra detta, öka spänningen. Mellan städer har kraftledningar vanligtvis en spänning på 220 eller 110 kV, och hos konsumenten reduceras den till erforderligt värde med använda transformatorstationer (KTP) eller ett antal KTP som gradvis sänks till värden som är säkrare för överföring, till exempel 6 kV.

Således, med samma strömförbrukning vid en spänning på 380/220 V, kommer strömmen att minska hundratals och tusentals gånger lägre. Och enligt Joule-Lenz-lagen bestäms mängden värme i det här fallet av kraften som går förlorad på kabeln.

Säkringar och säkringar

Joule-Lenz-lagen gäller för säkringsstorlekar. Dessa är element som skyddar en elektrisk eller elektronisk enhet från överdrivna strömmar för den, som kan uppstå som ett resultat av en ökning av matningsspänningen, kortslutning på kortet eller lindningar (när det gäller motorer) för att skydda mot ytterligare skador på det elektriska systemet som helhet och brand. De består av ett hus, en isolator och en tunn tråd. Tråden väljs med ett sådant tvärsnitt så att märkströmmen flyter genom den, och när den överskrids kommer mängden värme som genereras att bränna ut den.

Som ett resultat av ovanstående drar vi slutsatsen att Joule-Lenz-lagen har funnit den bredaste tillämpningen och är mycket viktig för elektroteknik. Tack vare informationen om mängden värme, som ger prestanda för beräkningar enligt formlerna som anges ovan, kan vi lära oss om lägena drift av enheter, välj nödvändiga material och tvärsnitt för att öka säkerheten, tillförlitligheten och hållbarheten för enheten eller kretsen i hela.

Detta avslutar vår artikel. Vi hoppas att informationen var användbar och intressant för dig. Slutligen rekommenderar vi att du tittar på videon, som diskuterar denna fråga mer i detalj:

Du vet förmodligen inte:

• Ledarens motstånds beroende av temperatur
• Gimlets regel i enkla ord
• Vad är dielektrisk förlust
• Hur man blir elektriker från grunden