Legea Joule-Lenz

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 31 octombrie 2021; verificările necesită 2 modificări .

Legea Joule-Lenz este o lege fizică care cuantifică efectul termic al unui curent electric . Instalat în 1841 de James Joule și independent în 1842 de Emil Lenz [1] .

Definiții

În formularea verbală sună astfel [2] :

Puterea de căldură degajată pe unitatea de volum a mediului în timpul curgerii unui curent electric continuu este egală cu produsul dintre densitatea curentului electric și valoarea intensității câmpului electric .

Matematic poate fi exprimat sub următoarea formă:

w={\vec {j}}\cdot {\vec {E}}=\sigma E^{2},

unde este puterea de eliberare a căldurii pe unitatea de volum, este densitatea curentului electric , este puterea câmpului electric , σ este conductivitatea mediului și punctul denotă produsul scalar. $w$ $\vec j$ $\vec E$

Legea poate fi formulată și în formă integrală pentru cazul curgerii curentului în fire subțiri [3] :

Cantitatea de căldură degajată pe unitatea de timp în secțiunea considerată a circuitului este proporțională cu produsul dintre pătratul curentului din această secțiune și rezistența secțiunii.

În formă integrală, această lege are forma

dQ=I^{2}Rdt,

Q=\int \limits _{t_{1}}^{t_{2}}I^{2}Rdt,

unde este cantitatea de căldură eliberată într-o perioadă de timp , este puterea curentului, este rezistența, este cantitatea totală de căldură eliberată într-o perioadă de timp de la până la . În cazul curentului și rezistenței constante: $dQ$ $dt$ $eu$ $R$ $Q$ $t_{1}$ $t_{2}$

Q=I^{2}Rt.

Aplicând legea lui Ohm se pot obține următoarele formule echivalente:

Q=U^{2}t/R\ =IUt.

Valoare practică

Reducerea pierderilor de energie

La transmiterea energiei electrice, efectul termic al curentului din fire este nedorit, deoarece duce la pierderi de energie. Firele de alimentare și sarcina sunt conectate în serie , ceea ce înseamnă că curentul din rețea pe fire și sarcina este același. Puterea de încărcare și rezistența firului nu ar trebui să depindă de alegerea sursei de tensiune. Puterea disipată pe fire și pe sarcină este determinată de următoarele formule $eu$

Q_{w}=R_{w}\cdot I^{2},

Q_{c}=U_{c}\cdot I.

De unde rezultă că . Deoarece în fiecare caz puterea de sarcină și rezistența firului rămân neschimbate și expresia este o constantă, căldura generată pe fir este invers proporțională cu pătratul tensiunii de pe consumator. Prin creșterea tensiunii, reducem pierderile de căldură în fire. Totuși, acest lucru reduce siguranța electrică a liniilor de transport . $Q_{w}=R_{w}\cdot Q_{c}^{2}/U_{c}^{2)$ $R_{w}\cdot Q_{c}^{2}$

Selectarea firelor pentru circuite

Căldura generată de un conductor purtător de curent este, într-o măsură sau alta, eliberată în mediu. În cazul în care puterea curentului în conductorul selectat depășește o anumită valoare maximă admisă, este posibilă o încălzire atât de puternică încât conductorul să provoace un incendiu în obiectele din apropiere sau să se topească. De regulă, atunci când alegeți fire destinate asamblarii circuitelor electrice, este suficient să urmați documentele de reglementare acceptate care reglementează alegerea secțiunii transversale a conductorilor.

Din acest motiv, pentru a transmite puterea necesară prin liniile electrice aeriene principale moderne , acestea sunt proiectate pentru tensiune ultra-înaltă (până la 1150 kV) pentru a furniza curenți ultra-scăzuți în liniile electrice.

Încălzitoare electrice

Dacă puterea curentului este aceeași în întregul circuit electric, atunci în orice zonă selectată, cu cât se va elibera mai multă căldură, cu atât rezistența acestei secțiuni este mai mare.

Prin creșterea deliberată a rezistenței unei secțiuni de circuit, se poate obține generarea de căldură localizată în această secțiune. Încălzitoarele electrice funcționează pe acest principiu . Ei folosesc un element de încălzire - un conductor cu rezistență ridicată. O creștere a rezistenței se realizează (în comun sau separat) prin alegerea unui aliaj cu rezistivitate ridicată (de exemplu , nicrom , constantan ), creșterea lungimii conductorului și scăderea secțiunii transversale a acestuia. Firele de plumb au de obicei rezistență scăzută și, prin urmare, încălzirea lor este de obicei imperceptibilă.

Siguranțe

Pentru a proteja circuitele electrice de curgerea curenților excesiv de mari, se folosește o bucată de conductor cu caracteristici speciale. Acesta este un conductor de secțiune transversală relativ mică și realizat dintr-un aliaj care, la curenții admisibili, încălzirea conductorului nu îl supraîncălzi, iar la supraîncălzirea excesivă a conductorului este atât de semnificativă încât conductorul se topește și deschide circuitul.

Vezi și

Legea lui Ohm

Note

↑ Joule - Legea Lenz // Debitor - Eucalipt. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1972. - ( Marea Enciclopedie Sovietică : [în 30 de volume] / redactor-șef A. M. Prokhorov ; 1969-1978, vol. 8).
↑ Sivukhin D.V. Curs general de fizică. - M . : Nauka , 1977. - T. III. Electricitate. - S. 186. - 688 p.
↑ Sivukhin D.V. Curs general de fizică. - M . : Nauka , 1977. - T. III. Electricitate. - S. 197-198. — 688 p.