Закон Джоуля — Ленца

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Закон Джо́уля — Ле́нцафізичний закон, що дає кількісну оцінку теплової дії електричного струму. Закон був експериментально встановлений у 1840 році англійським фізиком Джеймсом Прескоттом Джоулем і незалежно від нього російським вченим Еміліем Ленцом в 1842 році[1].

Фізичною природою виділення тепла при проходженні струму через провідник є те, що потенціальна енергія носіїв заряду, які подолали ділянку кола зменшується, а кінетична енергія залишається в середньому однаковою на початку й у кінці шляху. Втрачена носіями заряду енергія дисипує, тобто передається коливанням атомів провідника і переходить у тепло.

Визначення[ред.ред. код]

Формулювання закону звучить наступним чином:

Кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом, пропорційна силі струму, напрузі і часу проходження струму через провідник.

Математичний запис закону:

Q = I U t ,

де Iсила струму, U — падіння напруги на ділянці кола, t — час проходження струму.

У межах застосованості закону Ома закон Джоуля-Ленца можна записати як

Q = I^2 R t ,

де R — опір.

Закон Джоуля-Ленца в диференційній формі[ред.ред. код]

Закон Джоуля-Ленца можна записати також для елементарного об'єму провідника \! dV = ds \cdot dl, в якому за час  dt виділятиметься теплота:

\!  dQ = (dI)^2 R_{dV} {dt}

де \! R_{dV} — опір елементарного об'єму, а  dI  — сила струму через площу  ds

\! R_{dV} = \rho \frac{dl}{ds},

де  \rho  — питомий опір.

З закону Ома \! j = \sigma E. З другого боку,

\! dI = j ds = \sigma E ds,

де  \sigma  — електропровідність, а \! E — напруженість електричного поля.

\! \rho = \frac{1}{\sigma}
\! dQ = \sigma^2 E^2 {ds}^2 \rho \frac{dl}{ds} dt
\! dQ = \sigma E^2 dV dt

Введячи поняття елементарної питомої потужності струму — кількості теплоти, що виділяється в одиниці об'єму за одиницю часу, можна записати:

\! \omega = \frac{dQ}{dV dt} .

Тоді

\! \omega =\sigma E^2.

Питома теплова потужність струму дорівнює добутку провідності на квадрат напруженості.

Практичне значення[ред.ред. код]

Зниження втрат енергії[ред.ред. код]

При передаванні електроенергії теплова дія струму є небажаною, оскільки це призводить до втрат енергії. Оскільки потужність, що передається, лінійно залежить як від напруги, так і від сили струму, а потужність нагріву залежить від сили струму квадратично, то вигідно підвищувати напругу перед передачею електроенергії, знижуючи при цьому силу струму. Однак, підвищення напруги знижує електробезпеку ліній електропередачі.

Електронагрівальні прилади[ред.ред. код]

В основі роботи багатьох електронагрівальних приладів лежить закон Джоуля — Ленца. Такі прилади використовують нагрівальний елемент, що є провідником з високим опором. Підвищення опору досягається вибором сплаву з високим питомим опором (наприклад, ніхрому, константану), збільшенням довжини провідника і зменшенням його поперечного перерізу.

Плавкі запобіжники[ред.ред. код]

Для захисту електричних кіл від протікання надмірно великих струмів використовується відрізок провідника зі спеціальними характеристиками. Це провідник малого перерізу і виготовлений з такого сплаву, що при допустимому струмі нагрів провідника не перегреваає його, а при надмірно великих струмах перегрів провідника стає настільки значним, що провідник розплавлюється і розмикає коло.

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  1. Закон Джоуля — Ленца // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1972. — Т. 8 : Дебитор — Евкалипт. — 592 с. (рос.)


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.