Joule'a-Lenza: określenie, wzór

Każdego dnia używamy grzejników elektrycznych bez zastanowienia, skąd ciepło. Oczywiście wiesz, że energia cieplna wytwarza energię elektryczną. Ale jak to się dzieje, a nawet więcej, jak oszacować ilość ciepła, nie wiem wszystkiego. Na to pytanie odpowiada Joule'a-Lenza, odsłonięty w wieku przed ostatnim.

W 1841 roku, wysiłki brytyjskiego fizyka Joule, aw 1842 Rosyjski naukowiec badania doprowadziły do ​​odkrycia w prawo Lenz, których stosowanie pozwala oszacować wyniki działania termicznego prądu elektrycznego [ 1 ]. Ponieważ wynalazł wiele urządzeń, które są oparte na efekt cieplny prądu. Niektóre z nich są pokazane na rys. 1.

Definicja i wzór

Podgrzać prawo może zostać sformułowane i zapisane w następującym brzmieniu: „ilość ciepła wytwarzanego przez prąd proporcjonalny do kwadratu zastosowane do danej części obwodu prądu, rezystancji przewodu i długość czasu, w którym energia elektryczna jest działał na Explorer ".

Oznaczenia ilości ciepła Q i symbolami I, R i At - prądu, rezystancji i odstępu czasu, odpowiednio. Następnie formuła prawem Joule będzie: P = I²* R * Dt

Zgodnie z prawem Ohma I = U / R, gdzie R = U / I. Podstawiając wyrażenia w Joule otrzymujemy: P = U²/ R * Dt ⇒ P = U * I * Dt.

Wyprowadziliśmy wzór - różne formy prawa zapisu Joule. Znając parametry, takie jak napięcie lub prąd, można łatwo obliczyć ilość ciepła generowanego na części obwodu ma rezystancję R.

forma różnica

Aby przejść do formularza różnicowego prawa, będziemy analizować oświadczenia Joule zastosowany do teorii elektronów. Przyrost energii elektronów ΔW ze względu na działanie siły pola elektrycznego jest równa różnicy energii pomiędzy elektronu na końcu przebiegu (M / 2) * (U = υ_max)²i we wczesnym okresie (ul²)/2, Czyli

tutaj u – ocenić ruch chaotyczny (ilość wektora) i υ_max- maksymalna prędkość z ładunkiem elektrycznymi w danym czasie.

Ponieważ okazało się, że szybkość przypadkowy ruch równych prawdopodobieństw zbiega się z maksymalną (w kierunku, w przeciwnym kierunku), przy czym ekspresja 2*u * υ_max średnio równa zeru. Następnie, całkowita energia uwolniona w wyniku zderzeń elektronów z atomów stanowiących węzły sieci krystalicznej jest:

To jest prawo Joule, napisany w formie różniczkowej. Tutaj γ - współczynnik dopasowania, E - Natężenie pola.

Formularz integralną

Załóżmy, że przewód ma kształt cylindryczny, o przekroju poprzecznym S. Niech długość przewodu jest L. Następnie moc P, wydany w objętości V = lS przedstawia się następująco:

gdzieR - całkowity opór przewodu.

Biorąc pod uwagę, żeU = I x R ostatnia formuła, mamy:

• P = U x I;
• P = I²R;
• P = U²/R.

Jeżeli z upływem czasu wartość prądu zmienia się ilość ciepła oblicza się według wzoru:

To wyrażenie, a także, że powyższy wzór można zapisać w tej samej formie, zwany forma integralną prawo Joule'a.

Wzory są bardzo wygodne przy obliczaniu aktualnej mocy w elementach grzewczych. Jeśli taki znany element oporowy, wiedząc, że napięcie sieci domowej łatwo określić moc urządzenia, na przykład, kotła lub lutowania.

Sens fizyczny

Przypomnijmy, jak elektryczność Przepływa przez przewodników metalicznych. Raz to zamyka obwód elektryczny, siła elektromotoryczna pod wpływem ruchu swobodnych elektronów jest uporządkowane, a pędzą do dodatniego bieguna źródła zasilania. Jednak na ich drodze do spełnienia szczupłe szeregi sieci krystalicznej, atomów, które utrudniają prawidłowego ruchu, czyli oprzeć.

Na pokonanie oporu części ruchomej pozostawia energię elektronów. Zgodnie z podstawowym prawem zachowania energii, nie może zniknąć bez śladu. To ona przekształcana na ciepło, powodując przewodnikiem ciepła. Nagromadzone ciepło promieniowane do otaczającej przestrzeni lub podgrzewa innych przedmiotów, które stykają się z przewodem.

Figura 2 przedstawia schemat badania wykazującego prawo Joule'a efekcie, rozgrzewanie części przewodu w obwodzie elektrycznym.

Zjawisko przewodach ogrzewania jest znany niemal od otrzymania prądu elektrycznego, ale Następnie naukowcy nie mogli wyjaśnić jego charakter, a nawet więcej, tak, aby zaoferować sposób oszacować liczbę generowane ciepło. Ten problem został rozwiązany przez prawo Joule, których używamy do dziś.

Praktyczne wykorzystanie prawa Joule'a

Kiedy. silne ogrzewanie można zaobserwować promieniowania w widzialnym spektrum światło. Występuje on, na przykład, w żarówki. Słabo ogrzewa ciała emitują także. energii cieplnej, ale w zakresie podczerwieni, których nie możemy zobaczyć, ale może czuć się receptory ciepła.

Zapobieganie przewody wysokiego ciepła jest niemożliwe, ponieważ nadmierne ciepło niszczy struktury metalu, prościej - topi. Może to prowadzić do zawarcia układu wyposażenia elektrycznego, a także spowodować pożar. W celu uniknięcia krytycznej ogrzewanie parametry niezbędne do obliczenia elementów termicznych, przy użyciu formuły opisujące prawo Joule.

Po przeanalizowaniu wypowiedzi U²/ R widzimy, że gdy rezystancja spadnie do zera, ilość ciepła generowane dąży do nieskończoności. Taka sytuacja powstaje, gdy zwarcia. Głównym zagrożeniem jest zwarcie.

W walce z zwarciami używać:

• Wyłączniki:
• Elektroniczne zamki bezpieczeństwa;
• bezpieczniki;
• inne urządzenia zabezpieczające.

Zastosowanie i praktyczny zmysł

Bezpośrednio. konwersji energii elektrycznej w energię cieplną nie można nazwać ekonomicznym. opłacalne. Jednak pod względem wygody i dostępności nowoczesnych. ludzkość do zasilania różnych urządzeń grzewczych. nadal masowo wykorzystywane zarówno w domu jak iw pracy.

Oto niektóre z nich:

• czajniki elektryczne;
• żelazka;
• suszarki do włosów;
• kuchenki;
• żelazka lutowania;
• spawanie. telefonów komórkowych i innych.

Rysunek 3 przedstawia domowe urządzenia grzewcze, które często używamy.

Używanie pojemność cieplną z przemysłu chemicznego, metalurgicznego, a drugi jest ściśle związane z wykorzystaniem energii elektrycznej.

Bez znajomości praw fizyki Joule byłoby niemożliwe do skonstruowania bezpiecznego grzejnik. Wymaga to obliczenia, które nie mogą być wykonane bez użycia wzorów uznawanych przez nas. Na podstawie obliczeń wykorzystywane są podczas wyboru materiałów o wymaganej oporności, wpływa na zdolność do urządzeń grzewczych.

Joule'a-Lenza bez przesady nazwać geniuszem. Jest to jeden z tych przepisów, które wpłynęły na rozwój elektroniki.