Содержание
Закон Джо́уля — Ле́нца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем [1] .
В словесной формулировке звучит следующим образом [2] :
Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании постоянного электрического тока, равна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля.
Математически может быть выражен в следующей форме:
w = j → ⋅ E → = σ E 2 , <displaystyle w=<vec
где w <displaystyle w> — мощность выделения тепла в единице объёма, j → <displaystyle <vec
Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах [3] :
Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка.
В интегральной форме этот закон имеет вид
d Q = I 2 R d t , <displaystyle dQ=I^<2>Rdt,> Q = ∫ t 1 t 2 I 2 R d t , <displaystyle Q=int limits _<1>>^<2>>I^<2>Rdt,> 2>1>
где d Q <displaystyle dQ> — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени d t <displaystyle dt> , I <displaystyle I> — сила тока, R <displaystyle R> — сопротивление, Q <displaystyle Q> — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t 1 <displaystyle t_<1>> до t 2 <displaystyle t_<2>> . В случае постоянных силы тока и сопротивления:
Q = I 2 R t . <displaystyle Q=I^<2>Rt.>
Применяя закон Ома, можно получить следующие эквивалентные формулы:
Q = U 2 t / R = I U t . <displaystyle Q=U^<2>t/R =IUt.>
При передаче электроэнергии тепловое действие тока в проводах является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно, значит ток в сети I <displaystyle I> на проводах и нагрузке одинаков. Мощность нагрузки и сопротивление проводов не должны зависеть от выбора напряжения источника. Выделяемая на проводах и на нагрузке мощность определяется следующими формулами
Q w = R w ⋅ I 2 , <displaystyle Q_
Откуда следует, что Q w = R w ⋅ Q c 2 / U c 2 <displaystyle Q_
Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников.
Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.
За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.
Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.
Закон Джо́уля — Ле́нца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем [1] .
В словесной формулировке звучит следующим образом [2] :
Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании постоянного электрического тока, равна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля.
Математически может быть выражен в следующей форме:
w = j → ⋅ E → = σ E 2 , <displaystyle w=<vec
где w <displaystyle w> — мощность выделения тепла в единице объёма, j → <displaystyle <vec
Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах [3] :
Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка.
В интегральной форме этот закон имеет вид
d Q = I 2 R d t , <displaystyle dQ=I^<2>Rdt,> Q = ∫ t 1 t 2 I 2 R d t , <displaystyle Q=int limits _<1>>^<2>>I^<2>Rdt,> 2>1>
где d Q <displaystyle dQ> — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени d t <displaystyle dt> , I <displaystyle I> — сила тока, R <displaystyle R> — сопротивление, Q <displaystyle Q> — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t 1 <displaystyle t_<1>> до t 2 <displaystyle t_<2>> . В случае постоянных силы тока и сопротивления:
Q = I 2 R t . <displaystyle Q=I^<2>Rt.>
Применяя закон Ома, можно получить следующие эквивалентные формулы:
Q = U 2 t / R = I U t . <displaystyle Q=U^<2>t/R =IUt.>
При передаче электроэнергии тепловое действие тока в проводах является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно, значит ток в сети I <displaystyle I> на проводах и нагрузке одинаков. Мощность нагрузки и сопротивление проводов не должны зависеть от выбора напряжения источника. Выделяемая на проводах и на нагрузке мощность определяется следующими формулами
Q w = R w ⋅ I 2 , <displaystyle Q_
Откуда следует, что Q w = R w ⋅ Q c 2 / U c 2 <displaystyle Q_
Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников.
Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.
За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.
Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.
В случае, когда проводник неподвижен и химических превращений в нем не происходит, то работа тока целиком расходуется на нагревание проводника. Количество теплоты, выделяющееся в проводнике за конечный промежуток времени при прохождении постоянного тока I, рассчитывается по формуле
. (2.7)
Формула (2.7) выражает закон Джоуля-Ленца для участка цепи постоянного тока: количество теплоты, выделяемое постоянным электрическим током на участке цепи, равно произведению квадрата силы тока на время его прохождения и электрическое сопротивление этого участка цепи.
Так как IR = U, то формулу (2.7) можно переписать в виде
. (2.8)
Если сила тока изменяется со временем, то количество теплоты, выделяющееся за время t, вычисляется по формуле
. (2.9)
Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме (для данной точки проводника с током) имеет вид
, (2.10)
где ω − плотность тепловой мощности; σ − удельная электропроводность; Е− напряженность электрического поля в данной точке проводника; Е * − напряженность поля сторонних сил.
Примеры решения задач
Задача 1. За время τ = 20 с при равномерно возраставшей силе тока от нуля до Io в проводнике сопротивлением R = 5 Ом выделилось количество теплоты Q = 4 кДж. Найти Io.
Io – ? | Решение: Так как ток равномерно возрастает, то зависимость силы тока от времени имеет вид . (1) |
τ = 20 с R = 5 Ом Q = 4 кДж |
По закону Джоуля-Ленца за время dt в проводнике выделится количество тепла
.
Полное количество тепла за время от до τ
.
; .
Задача 2. При включении электромотора в сеть с напряжением U = 220 В он потребляет ток I = 5 А. Определить мощность, потребляемую мотором, и его КПД, если сопротивление обмотки мотора R = 6 Ом.
Pп – ? η – ? | Решение: Полная мощность, потребляемая мотором: , Р = 1100 Вт. |
U = 220 В I = 5 А R = 6 Ом |
Мощность, выделяющаяся в виде тепла:
.
Полезная мощность (механическая)
.
;
.
Задача 3. Источник тока с ЭДС замкнут на реостат. При силе тока I1 = 0,2 А и I2 = 2,4 А на реостате выделяется одинаковая мощность. Найти:
1) при какой силе тока на реостате выделяется максимальная мощность?
2) чему равна сила тока короткого замыкания?
I – ? Iкз – ? | Решение: При силе тока I1 на реостате выделяется мощность , при силе тока I2 , |
I1 = 0,2 А | |
I2 = 2,4 А P1 = P2 |
где R1 и R2 – сопротивления реостата в каждом случае. По условию P1 = P2, поэтому
. (1)
По закону Ома для полной цепи
, (2)
. (3)
; ,
подставив их в (1), получаем:
.
Отсюда находим отношение :
;
.
Максимальная мощность выделяется при условии R = r, при этом ток
. (4)
Ток короткого замыкания
. (5)
; .
Задача 4. При изменении внешнего сопротивления с R1 = 6 Ом до R2 = 21 Ом. КПД схемы увеличился вдвое. Чему равно внутреннее сопротивление источника тока r ?
r − ? | Решение: При сопротивлении R1 КПД источника тока , а при сопротивлении R2 |
R1 = 6 Ом R2 = 21 Ом η2 = 2η1 |
.
Так как по условию задачи η2=2η1, то
.
Отсюда выражаем r:
;
.
Ответ: r = 14 Ом.
Задача 5. Две батареи с ЭДС ε1 = 20 В и ε2 = 30 В и внутренними сопротивлениями r1 = 4 Ом и r2 = 60 Ом соединены параллельно и подключены к нагрузке R = 100 Ом. Найти: 1) мощность, которая выделяется в нагрузке; 2) параметры ε и r генератора, которым можно заменить батареи без изменения тока в нагрузке; 3) КПД этого генератора.
P – ? ε, r – ? η – ? | Решение: Рис. 52 |
ε1 = 20 В ε2 = 30 В r1 = 4 Ом r2 = 60 Ом R = 100 Ом |
Используя правила Кирхгофа, найдем токи I1, I2, I в узле A:
. (1)
Для контура a с обходом против часовой стрелки
. (2)
Для контура b с обходом против часовой стрелки
. (3)
Решим систему линейных уравнений (1) – (3) относительно I1, I2, I.
. (4)
. (5)
Умножая уравнение (2) на R, а уравнение (5) – на r1, и складывая их, получаем:
. (6)
Подставляя (6) в выражение (2), находим I1:
.
. (7)
Подставляя выражения (6) и (7) в (4), находим I:
. (8)
В нагрузке выделяется мощность:
;
.
Находим параметры генератора. Если данные в задаче батареи заменить на одну с ЭДС ε и внутренним сопротивлением r, то через сопротивление R потек бы ток
. (9)
Преобразуем выражение (8), поделив числитель и знаменатель дроби на (r1+r2), получим
. (10)
Для того чтобы эти выражения были одинаковыми, необходимо выполнение условий:
;
;
.
КПД этого генератора в данной схеме
;
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Студент – человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10617 – | 7341 – или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно