Закон Джоуля – Ленца – закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Сформулирован этот закон был в 1841 году английским учёным Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 году известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он получил своё двойное название — закон Джоуля – Ленца.

Определение закона и формула

Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность тепла, выделяемого в проводнике при протекании сквозь него , пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:

ω = j E = ϭ E²,

где ω — количество тепла, выделяемого в ед. объема;

E и j – напряжённость и плотность, соответственно, электрического полей;

σ — проводимость среды.

Физический смысл закона Джоуля – Ленца

Закон можно объяснить следующим образом: ток, протекая по проводнику, представляет собой перемещение электрического заряда под воздействием . Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа расходуется на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

Но чрезмерный нагрев проводников с током и электрооборудования допускать нельзя, поскольку это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при проводов, когда по проводниках могут протекать достаточно большие токи.

В интегральной форме для тонких проводников закон Джоуля – Ленца звучит следующим образом: количество теплоты, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока на сопротивление участка.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

Q = ∫ k I² R t,

при этом Q – количество выделившейся теплоты;

I – величина тока;

R — активное сопротивление проводников;

t – время воздействия.

Значение параметра k принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.

Закон Джоуля-Ленца имеет достаточно общий характер, поскольку не имеет зависимости от природы сил, генерирующих ток.

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Область применения

Областей применения в быту закона Джоуля Ленца – огромное количество. К примеру, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электрообогревателе и мн. др. Это наиболее широко распространенный физический закон в повседневной жизни.

Двигаясь в любом проводнике, электрический ток передает ему какую-то энергию, из-за чего проводник нагревается. Энергетическая передача осуществляется на уровне молекул: в результате взаимодействия электронов тока с ионами или атомами проводника часть энергии остается у последнего.

Тепловое действие тока приводит к более быстрому движению частиц проводника. Тогда его возрастает и трансформируется в тепловую.

Формула расчета и ее элементы

Тепловое действие тока может быть подтверждено разными опытами, где работа тока переходит во внутреннюю проводниковую энергию. При этом последняя возрастает. Затем проводник отдает ее окружающим телам, то есть осуществляется теплопередача с нагреванием проводника.

Формула для расчета в этом случае следующая: A=U*I*t.

Количество теплоты можно обозначить через Q. Тогда Q=A или Q=U*I*t. Зная, что U=IR, получается Q=I 2 *R*t, что и было сформулировано в законе Джоуля-Ленца.

Закон теплового действия тока — закон Джоуля-Ленца

Проводник, где протекает изучали многие ученые. Однако, самых заметных результатов удалось добиться из Англии и Эмилию Христиановичу Ленцу из России. Оба ученых работали отдельно и выводы по результатам экспериментов делали независимо один от другого.

Они вывели закон, позволяющий оценить тепло, получаемое в результате действия тока на проводник. Его назвали законом Джоуля-Ленца.

Рассмотрим на практике тепловое действие тока. Примеры возьмем следующие:

1. Обычную лампочку.
2. Нагревательные приборы.
3. Предохранитель в квартире.
4. Электрическую дугу.

Лампочка накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и увеличению возможностей для использования электричества. То, как применяются результаты исследований, можно рассмотреть на примере обычной лампочки накаливания.

Она устроена таким образом, что внутри протягивается нить, изготовленная из вольфрамовой проволоки. Этот металл является тугоплавким с высоким удельным сопротивлением. При проходе через лампочку осуществляется тепловое действие электрического тока.

Энергия проводника трансформируется в тепловую, спираль нагревается и начинает светиться. Недостаток лампочки заключается в больших энергетических потерях, так как лишь за счет незначительной части энергии она начинает светиться. Основная же часть просто нагревается.

Чтобы лучше это понять, вводится который демонстрирует эффективность работы и преобразования в электроэнергию. КПД и тепловое действие тока используются в разных областях, так как имеется множество устройств, изготовленных на основании этого принципа. В большей степени это нагревательные приборы, электрические плиты, кипятильники и другие подобные аппараты.

Устройство обогревательных приборов

Обычно в конструкции всех приборов для нагревания есть металлическая спираль, в функцию которой и входит нагрев. Если нагревается вода, то спираль устанавливается изолированно, и в таких приборах предусматривается соблюдение баланса между энергией из сети и тепловым обменом.

Перед учеными постоянно ставится задача по снижению энергетических потерь и поиску лучших путей и наиболее эффективных схем их внедрения, чтобы уменьшить тепловое действие тока. Используется, например, способ повышения напряжения во время благодаря чему сокращается сила тока. Но такой способ, в то же время, понижает безопасность функционирования линий электропередач.

Другим исследовательским направлением является выбор проводов. Ведь именно от их свойств зависят потери тепла и другие показатели. Кроме того, при работе нагревательных приборов происходит большое выделение энергии. Поэтому спирали изготавливаются из специально предназначенных для этих целей, способных выдержать высокие нагрузки, материалов.

Квартирные предохранители

Чтобы улучшить защиту и обезопасить электрические цепи, используются особые предохранители. В роли главной части выступает проволока из легкоплавкого металла. Она проходит в пробке из фарфора, имеет винтовую нарезку и контакт в центре. Пробку вставляют в патрон, расположенный в фарфоровой коробке.

Свинцовая проволока является частью общей цепи. Если тепловое действие электрического тока резко возрастет, сечение проводника не выдержит, и он начнет плавиться. В результате этого сеть разомкнется, и не случится токовых перегрузок.

Электрическая дуга

Электрическая дуга является довольно эффективным преобразователем электрической энергии. Она используется при сварке металлических конструкций, а также служит мощным световым источником.

В основу устройства входит следующее. Берут два угольных стержня, подсоединяют провода и прикрепляют их в изолирующих держателях. После этого стержни подключают к источнику тока, который дает малое напряжение, но рассчитан на большую силу тока. Подключают реостат. Угли в городскую сеть включать запрещается, так как это может стать причиной пожара. Если коснуться одним углем о другой, то можно заметить, как сильно они раскалятся. Лучше не смотреть на это пламя, потому что оно вредно для зрения. Электрическую дугу используют в печах для плавки металла, а также в таких мощных осветительных приборах, как прожекторы, кинопроекторы и прочее.

В XIX веке независимо друг от друга, англичанин Дж.Джоуль и россиянин Э.Х.Ленц изучали нагревание проводников электрическим током и опытным путём установили закономерность: количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Позднее было выяснено, что это утверждение справедливо для любых проводников: твёрдых, жидких, газообразных. Поэтому открытая закономерность получила название закон Джоуля-Ленца:

На рисунке показана схема установки, при помощи которой можно экспериментально проверить закон Джоуля-Ленца. Разделив силу тока на напряжение, по формуле R=U/I вычисляют сопротивление. Термометром измеряют повышение температуры воды. По формулам Q=I2Rt и Q=cm D t° вычисляют количества теплот, которые по результатам опыта должны совпадать.
Для тех, кто интересуется физикой более глубоко, специально заметим, что закон Джоуля-Ленца можно получить не только экспериментально, но и вывести теоретическим путём. Сделаем это.


Полученная формула A=I2Rt похожа на формулу закона Джоуля-Ленца, однако в левой её части стоит работа тока, а не количество теплоты. Что даёт нам право считать эти величины равными? Запишем первый закон термодинамики (см. § 6-з) и выразим из него работу:
D U = Q + A , следовательно, A = D U - Q .
Вспомним, что D U - это изменение внутренней энергии нагреваемого током проводника; Q - количество теплоты, отданное проводником (на это указывает знак «-» впереди); A - работа, совершённая над проводником. Выясним, что это за работа.
Сам проводник неподвижен, но внутри него движутся электроны, постоянно наталкиваясь на ионы кристаллической решётки и передавая им часть своей кинетической энергии. Чтобы поток электронов не ослабевал, над ними постоянно совершают работу силы электрического поля, создаваемого источником электроэнергии. Поэтому A - работа сил электрического поля по перемещению электронов внутри проводника.
Обсудим теперь величину D U (изменение внутренней энергии) применительно к проводнику, в котором начинает течь ток.
Проводник будет постепенно нагреваться, значит, его внутренняя энергия будет увеличиваться. По мере нагрева будет возрастать разность между температурами проводника и окружающей среды. Согласно закономерности Ньютона (см. § 6-к), будет возрастать мощность теплоотдачи проводника. Через некоторое время это приведёт к тому, что температура проводника перестанет увеличиваться. С этого момента внутренняя энергия проводника перестанет изменяться , то есть величина D U станет равной нулю.
Тогда первый закон термодинамики для этого состояния будет: A = -Q. То есть если внутренняя энергия проводника не меняется, то работа тока полностью превращается в теплоту. Используя этот вывод, запишем все три формулы для вычисления работы тока в другом виде:

Эти формулы мы пока будем считать равноправными. Позднее мы обсудим, что правая формула справедлива всегда (поэтому она и носит название закона), а две левых - только при определённых условиях, которые мы сформулируем при изучении физики в старших классах.

Электричество — неотъемлемый признак нашей эпохи. Абсолютно всё вокруг завязано на нём. Любой современный человек, даже без технического образования, знает, что электрический ток, текущий по проводам, способен в некоторых случаях нагревать их, зачастую до очень высоких температур. Казалось бы, это заведомо всем известно и не стоит упоминания. Однако, как объяснить это явление? Почему и как происходит нагрев проводника?

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц «застрял» с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи «источник энергии — проводник — потребитель энергии» сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало — невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший «нагреватель» — стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся — тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Формула Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока, равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q=I 2 Rt

где

Q - количество выделяемого тепла (Джоули)

I - сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R - сопротивление проводника (Омы)

t - время прохождения тока через проводник (Секунды)

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы «трётся», соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а, как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

Из формулы также следует — чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев. Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом — будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге — подгорание с последующим пропаданием контакта.

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины — первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна, данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.

Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку

Заключение

Таки образом, можно сказать что на законе Джоуля-Ленца держится чуть ли не вся электрика и электротехника. Открыв этот закон, появилась возможность уже заранее предсказать некоторые будущие проблемы в освоении электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери нужно занизить передаваемый ток, компенсируя это высоким напряжением. А уже на оконечном потребителе, понижать напряжение и получать более высокий ток.

Закон Джоуля-Ленца неотступно следует из одной эпохи технологического развития в другую. Даже сегодня мы постоянно наблюдаем его в быту – закон проявляется всюду, и не всегда люди ему рады. Сильно греющийся процессор персонального компьютера, пропадание света из-за обгоревшей скрутки «медь-алюминий»,выбитая вставка-предохранитель, выгоревшая из-за высокой нагрузки электропроводка – всё это тот самый закон Джоуля-Ленца.

Передача электричества во время движения тока в другую энергию происходит на молекулярном уровне. Во время подобного процесса температура проводника повышается на определенную величину. описывает данное явление взаимодействия атомов и ионов токопроводника с электронами тока.

Свойства электроэнергии

Во время движения по проводнику из металла наблюдается сталкивание электронов с множеством хаотично расположенных посторонних частиц. Периодически в результате соприкосновения из нейтральной молекулы выделяются новые электроны. Происходит образование из молекулы положительного иона, а в электроне пропадает кинетическая энергия. Иногда встречается и второй вариант – образование молекулы нейтрального вида благодаря соединению положительного иона и электрона.

Все эти процессы сопровождаются расходованием определенного количества энергии, превращающейся далее в тепло. Преодоление сопротивления в ходе всех этих движений определяет затраты энергии и превращение работы, необходимой для этого, в тепло.

Параметры R идентичны показателям стандартного сопротивления. В той или иной степени в тепло преобразуется какой-то объем энергии при прохождении тока через любой проводник. Именно такое превращение рассматривается законом Джоуля-Ленца.

Формула и ее составляющие

Переход во внутреннюю энергию проводника результатов работы тока подтвержден многочисленными опытами. После накопления критического объема выполняется отдача избытка энергии окружающим телам с нагреванием проводника.

Классическая формула расчетов для данного явления:

Берем Q для обозначения количества выделяемой теплоты и подставляем его вместо А. Теперь в получившемся выражении Q= U*I*t заменяем U=IR и выводим классическую формулу Джоуля-Ленца:

В схемах с последовательным соединением для расчетов использование этой основной формулы будет самым удобным методом. В этом случае во всех проводниках сила тока всегда остается одинаковой. Выделенный объем тепла пропорционален сопротивлению каждого из имеющихся проводников.

А вот при параллельном подключении одинаковым будет напряжение на концах, а номинальное значение электротока в каждом элементе существенно отличается. Можно утверждать, что имеется обратная пропорциональность между количеством теплоты и проводимостью отдельно взятого проводника. Здесь более уместной становится формула:

Q = (U2/R)t

Практические примеры явления теплового действия тока

Многие исследователи и ученые занимались изучением особенностей протекания электричества. Но наиболее впечатляющие результаты получили российский ученый Эмилий Христианович Ленц и англичанин Джеймс Джоуль. Независимо друг от друга был сформулирован закон, с помощью которого производилась оценка получаемого в процессе действия электричества на проводник тепла. Итоговое выражение получило название в честь его авторов.

На нескольких примерах можно уяснить природу и характеристики теплового воздействия тока.

Обогревательные приборы

Функцию нагревания в конструкции подобных устройств выполняет металлическая спираль. При необходимости нагрева воды важно соблюсти баланс между параметрами сетевой энергии и тепловым обменом. Установка спирали выполняется изолировано.

Различными способами решаются задачи по минимизации потерь энергии. Один из вариантов – повышение напряжение, но он чреват снижением уровня эксплуатационной безопасности линий.

Применяется и методика подбора проводов, потери тепла в которых зависят от свойств различных металлов и сплавов. Изготовление спиралей выполняется из предназначенных для работы с высокими нагрузками материалов.

Лампа накаливания

Открытие закона Джоуля-Ленца способствовало быстрому прогрессу электротехники. Особенно показательным остается пример его использования для осветительных элементов.

Внутри подобной лампочки протягивается нить из вольфрама. Весь процесс основан на высоком удельном сопротивлении и тугоплавкости этого металла.

Трансформация энергии в тепловую вызывает эффект нагревания и свечения спирали. Минусом всегда остается расходование основного объема энергии на нагревание, а само свечение выполняется за счет ее небольшой части.

Для более точного понимания данного процесса вводится такое понятие, как коэффициент полезного действия, с помощью которого определяется эффективность рабочего процесса.

Электрическая дуга

В этом случае мы говорим о мощном источнике света и способе сваривания конструкций из металла.

Принцип протекания подобного процесса – подключение к паре угольных стержней источника тока большой мощности и минимального напряжения с последующим контактом этих элементов.

Бытовые предохранители

При использовании электроцепей применяются специальные устройства. Главным элементом в таких предохранителях будет легкоплавкая проволока. Она вкручена в фарфоровом корпусе, который вставляется в патрон.

Являясь частью общей цепи, такой проводник при резком возрастании выделения тепла плавится и размыкает сеть.

Физика 8 класс: закон Джоуля-Ленца

Подробное изучение прохождения электричества по проводнику и происходящего при этом нагревания изложено в школьной программе. На практических примерах показаны все нюансы, влияющие на величину теплового действия тока.

План проведения учебного занятия обычно строится по следующей схеме:

1. Необходимые, для демонстрации зависимости объема тепла от сопротивления и силы тока, опыты.
2. Детальное изучение закона Джоуля-Ленца, его основной формулы и значения всех ее составляющих.
3. Исторические факты, исключающие вероятность плагиата со стороны обоих авторов.
4. Подведение общих итогов урока.
5. Практическое применение для выполнения расчетов.
6. Решение задач на основе полученной информации.

Закрепление материала происходит во время выполнения домашних заданий по оценке количества тепла, выделяемого в ходе протекания тока по проводнику с обозначенными параметрами.