Joule-lenz qanunu nə üçündür? Joule-Lenz qanunu. Tərif, düstur, fiziki məna
Fiziki qanunun qiymətləndirilməsi istilik effekti elektrik cərəyanı. Joule-Lenz qanunu 1841-ci ildə James Joule və 1842-ci ildə tamamilə müstəqil olaraq Emil Lenz tərəfindən kəşf edilmişdir.
artıq bildiyimiz kimi, sərbəst elektronlar keçirici boyunca hərəkət etdikdə, o, materialın müqavimətini aşmalıdır. Yüklərin bu hərəkəti zamanı maddənin atom və molekullarının daimi toqquşması baş verir. Bu zaman hərəkət və müqavimət enerjisi istiliyə çevrilir. Onun hazırkı asılılığını ilk dəfə iki müstəqil alim James Joule və Emil Lenz təsvir etmişdir. Buna görə də qanun ikili ad aldı.
Tərif, elektrik dövrəsinin müəyyən bir hissəsində vaxt vahidi üçün ayrılan istilik miqdarı bu bölmədəki cərəyan gücünün kvadratının hasilinə və onun müqavimətinə birbaşa mütənasibdir.
Riyazi olaraq düstur belə yazıla bilər:
Q \u003d a × I 2 × R × t
harada Q- istehsal olunan istilik miqdarı, a- istilik əmsalı (adətən 1-ə bərabər alınır və nəzərə alınmır), I- cari güc, R materialın müqavimətidir, t- keçiricidən keçən cərəyanın vaxtı. Əgər istilik amili a = 1, sonra Q joul ilə ölçülür. Əgər a = 0,24, sonra Q kiçik kalorilərlə ölçülür.
Hər hansı bir keçirici cərəyan keçirsə, həmişə qızdırılır. Lakin keçiricilərin həddindən artıq istiləşməsi çox təhlükəlidir, çünki bu, təkcə elektron avadanlıqlara deyil, həm də yanğına səbəb ola bilər. Məsələn, qısa qapanma halında, keçirici materialın həddindən artıq istiləşməsi çox böyükdür. Bu səbəblə qarşı qorunmaq üçün qısa qapanmalar və böyük həddindən artıq istiləşmə elektron sxemlər xüsusi radio komponentləri əlavə olunur - qoruyucular. Onların istehsalı üçün cərəyan çatdıqda tez əriyən və təchizatı dövrəsini enerjisizləşdirən bir material istifadə olunur. maksimum dəyərlər. Sigortalar keçiricinin kəsişmə sahəsinə görə seçilməlidir.
Joule-Lenz qanunu həm birbaşa, həm də alternativ cərəyan üçün aktualdır. Buna görə çoxlu müxtəlif istilik cihazları işləyir. Axı, keçirici nə qədər incə olsa, ondan daha uzun müddət ərzində daha çox cərəyan keçirsə, bunun nəticəsində bir o qədər çox istilik ayrılır.
Ümid edirəm ki, cərəyanın gərginlikdən asılı olduğunu xatırlayırsınız. Sual yaranır ki, noutbuk niyə ütü qədər qızmır? Çünki bazada aşağı müqavimətə malik poladdan hazırlanmış spiral məftil var. Üstəlik bir polad altlıq, buna görə də dəmir qədər qızdırılır yüksək temperatur və biz onları sevə bilərik.
A-da 220 voltdan 19 volta endirən bir gərginlik tənzimləyicisi var. Üstəlik, bütün sxemlərin və komponentlərin müqaviməti olduqca yüksəkdir. Bundan əlavə, soyutma üçün soyuducu və mis termal radiatorlar var.
Joule-Lenz qanununun işi praktikada aydın görünür. İstifadəsinin ən məşhur nümunəsi adi bir közərmə lampası və ya içərisindən yüksək gərginlikli bir cərəyanın keçməsi səbəbindən filamentin parladığıdır.
Joule-Lenz qanununa əsasən, o, həmçinin işləyir, burada qaynaqlı birləşmənin yaradılması metalın qızdırılması ilə həyata keçirilir, ondan keçən cərəyan və sıxılma ilə qaynaq ediləcək hissələrin deformasiyası.
Elektrik qövs qaynağı, üzərində də işləyir fiziki prinsiplər Joule-Lenz qanunu. Qaynaq işlərini yerinə yetirmək üçün elektrodlar elə bir vəziyyətə qədər qızdırılır ki, onların arasında bir qaynaq qövsü yaranır. Effekt voltaik qövs rus alimi V.V tərəfindən kəşf edilmişdir. Petrov, Joule-Lenz bağlanması prinsiplərindən istifadə edərək.
Bu qanunun riyazi düsturla yanaşı diferensial forması da var. Tutaq ki, cərəyan sabit keçiricidən keçir və onun bütün işi yalnız qızdırmağa sərf olunur. Onda enerjinin saxlanma qanununa uyğun olaraq aşağıdakı riyazi ifadəni alırıq.
Joule-Lenz Qanununu və onun tətbiqini nəzərdən keçirin.
Elektrik cərəyanı keçiricidən keçdikdə o, qızdırılır. Bunun səbəbi hərəkət altında olanların hərəkətidir elektrik sahəsi metallarda sərbəst elektronlar və elektrolit məhlullarında ionlar keçiricilərin molekulları və ya atomları ilə toqquşur və enerjilərini onlara ötürür. Beləliklə, cərəyan işləyərkən keçiricinin daxili enerjisi artır , içərisində cərəyanın işinə bərabər müəyyən miqdarda istilik ayrılır və keçirici qızdırılır: Q = A və ya Q = IUT .
Bunu nəzərə alaraq U=IR , nəticədə formula alırıq:
Q \u003d I 2 Rt, harada
Q
- buraxılan istilik miqdarı (joul ilə)
I
- cərəyan gücü (Amperlə)
R
- keçirici müqavimət (ohm ilə)
t
- tranzit vaxtı (saniyələrlə)
Joule-Lenz qanunu : cərəyan keçiricinin buraxdığı istilik miqdarı cərəyan gücünün kvadratının, keçiricinin müqavimətinin və cərəyanın keçməsi üçün lazım olan vaxtın məhsuluna bərabərdir.
Joule-Lenz qanunu harada tətbiq olunur?
1. Məsələn, in közərmə lampaları və içində elektrik qızdırıcıları Joule-Lenz qanunu tətbiq edilir. Onlar yüksək müqavimət göstərən bir keçirici olan bir qızdırıcı elementdən istifadə edirlər. Bu element sayəsində müəyyən bir ərazidə lokallaşdırılmış istilik buraxılmasına nail olmaq mümkündür. İstiliyin sərbəst buraxılması müqavimətin artması, dirijorun uzunluğunun artması, müəyyən bir ərinti seçimi ilə görünəcəkdir.
2. Joule-Lenz qanununun tətbiq sahələrindən biri də budur enerji itkilərinin azaldılması . Cərəyanın istilik hərəkəti enerji itkisinə səbəb olur. Elektrik enerjisini ötürərkən ötürülən güc xətti olaraq gərginlik və cərəyan gücündən, istilik gücü isə cərəyanın gücündən kvadrat şəkildə asılıdır, ona görə də elektrik enerjisi verməzdən əvvəl cərəyan gücünü azaldarkən gərginliyi artırsanız, daha sərfəli olar. Lakin gərginliyin artırılması elektrik təhlükəsizliyinin azalmasına gətirib çıxarır. Elektrik təhlükəsizliyi səviyyəsini artırmaq üçün şəbəkədəki gərginliyin artmasına uyğun olaraq yük müqavimətini artırın.
3. Həmçinin, Joule-Lenz qanunu təsir edir sxemlər üçün naqillərin seçilməsi . Çünki tellərin yanlış seçilməsi ilə dirijorun güclü istiləşməsi, eləcə də onun alovlanması mümkündür. Bu, cari güc maksimum icazə verilən dəyərləri aşdıqda və çox enerji buraxıldıqda baş verir.
Elektrik eramızın vacib xüsusiyyətidir. Tamamilə ətrafdakı hər şey onunla bağlıdır. Hər hansı müasir insan, texniki təhsili olmasa belə, naqillərdən keçən elektrik cərəyanının bəzi hallarda onları çox vaxt çox yüksək temperaturlara qədər qızdırmağa qadir olduğunu bilir. Deyəsən, bu hamıya məlumdur və qeyd etməyə dəyməz. Ancaq bu fenomeni necə izah etmək olar? Dirijor niyə və necə qızdırılır?
19-cu əsrə, biliklərin toplanması və 20-ci əsrin texnoloji sıçrayışına hazırlıq dövrünə sürətlə irəliləyin. Dünyada müxtəlif elm adamlarının və sadəcə özünü öyrədən ixtiraçıların demək olar ki, hər gün yeni bir şey kəşf etdikləri, çox vaxt tədqiqata çox vaxt sərf etdikləri və eyni zamanda son nəticəni təqdim etmədikləri bir dövr.
Bu insanlardan biri, rus alimi Emil Xristianoviç Lenz o vaxtkı ibtidai səviyyədə elektrikə həvəs göstərirdi, elektrik dövrələrini hesablamağa çalışırdı. 1832-ci ildə Emilius Lenz hesablamalarla "ilişib" qaldı, çünki onun modelləşdirilmiş dövrəsinin "enerji mənbəyi - keçirici - enerji istehlakçısı" parametrləri təcrübədən təcrübəyə çox müxtəlif idi. 1832-1833-cü ilin qışında alim qeyri-sabitliyin səbəbinin soyuqdan gətirdiyi platin məftil parçası olduğunu aşkar etdi. Dirijorun istiləşməsi və ya soyudulması, Lenz ayrıca keçiricinin cari gücü, elektrik və temperatur arasında müəyyən bir əlaqə olduğunu qeyd etdi.
Elektrik dövrəsinin müəyyən parametrləri altında dirijor tez bir zamanda əriyir və hətta bir qədər qızdırılır. O dövrlərdə praktiki olaraq heç bir ölçü aləti yox idi - nə cari gücü, nə də müqaviməti dəqiq ölçmək mümkün deyildi. Amma bu, rus fiziki idi və o, ixtiraçılıq nümayiş etdirdi. Əgər bu bir asılılıqdırsa, niyə geri çevrilməməlidir?
Dirijorun yaratdığı istilik miqdarını ölçmək üçün alim ən sadə "qızdırıcı" - spirt tərkibli məhlul olan şüşə qab və ona batırılmış platin spiral keçirici dizayn etdi. Lenz naqilə müxtəlif miqdarda elektrik cərəyanı tətbiq etməklə məhlulun müəyyən bir temperatura qədər qızması üçün lazım olan vaxtı ölçdü. O dövrdə bulaqlar məhlulu ciddi bir temperatura qədər qızdırmaq üçün çox zəif idi, buna görə də buxarlanmış məhlulun miqdarını vizual olaraq təyin etmək mümkün deyildi. Buna görə tədqiqat prosesi çox uzun idi - enerji mənbəyinin, dirijorun parametrlərini seçmək üçün minlərlə variant, uzun ölçmələr və sonrakı təhlillər.
Joule-Lenz düsturu
Nəticədə, on il sonra, 1843-cü ildə Emilius Lenz təcrübələrinin nəticəsini qanun şəklində ictimaiyyətə təqdim etdi. Ancaq məlum oldu ki, o, ondan öndədir! Bir neçə il əvvəl ingilis fiziki James Prescott Joule artıq oxşar təcrübələr keçirib və nəticələrini də ictimaiyyətə təqdim edib. Lakin Ceyms Coulun bütün əsərlərini diqqətlə yoxlayan rus alimi bunu bildi öz təcrübələriçox daha dəqiq daha böyük həcm tədqiqat, buna görə də, rus elminin İngilis kəşfini tamamlayacaq bir şey var.
Elmi ictimaiyyət hər iki tədqiqat nəticələrini nəzərdən keçirdi və onları bir yerə birləşdirdi və bununla da Joule qanununun adını Joule-Lenz qanunu adlandırdı. Qanunda belə deyilir keçiricidən elektrik cərəyanı keçdikdə onun buraxdığı istilik miqdarı bu cərəyanın gücünün kvadratına, keçiricinin müqavimətinə və cərəyanın keçiricidən keçdiyi müddətə hasilinə bərabərdir. Və ya formula:
Q=I 2 Rt
harada
Q - ayrılan istilik miqdarı (Joule)
I - keçiricidən keçən cərəyanın gücü (Amper)
R - keçirici müqavimət (Ohm)
t - cərəyanın keçiricidən keçmə vaxtı (Saniyə)
Dirijor niyə qızdırılır
Konduktorun istiləşməsi necə izah olunur? Niyə istilənir və neytral və ya sərin qalmır? İstilik, elektrik sahəsinin təsiri altında keçiricidə hərəkət edən sərbəst elektronların metal molekulların atomlarını bombalaması və bununla da öz enerjisini onlara ötürməsi və istiliyə çevrilməsi səbəbindən baş verir. Sadə dillə desək: dirijorun materialını aşaraq, elektrik cərəyanı, sanki "sürüşür", dirijorun molekullarına qarşı elektronlarla toqquşur. Yaxşı, bildiyiniz kimi, hər hansı bir sürtünmə istiliklə müşayiət olunur. Buna görə də, elektrik cərəyanı keçərkən keçirici qızdırılacaq.
Formuladan da belə çıxır - dirijorun müqaviməti nə qədər yüksəkdirsə və ondan keçən cərəyan nə qədər yüksəkdirsə, istilik daha yüksək olacaqdır. Məsələn, bir mis keçirici (müqavimət 0,018 Ohm mm² / m) və bir alüminium keçirici (0,027 Ohm mm² / m) ardıcıl olaraq birləşdirsəniz, dövrədən elektrik cərəyanı keçdikdə, alüminium misdən daha çox istilənəcəkdir. onun daha yüksək müqavimətidir. Buna görə də, yeri gəlmişkən, gündəlik həyatda mis və alüminium telləri bir-biri ilə bükmək tövsiyə edilmir - bükülmə yerində qeyri-bərabər istilik olacaq. Nəticədə - sonrakı əlaqə itkisi ilə yanma.
Joule-Lenz qanununun həyatda tətbiqi
Joule-Lenz qanununun kəşfi üçün çox böyük nəticələr oldu praktik tətbiq elektrik cərəyanı. Artıq 19-cu əsrdə, müəyyən bir dəyərin axan cərəyanı ilə qızdırıldığı zaman tel spiralının büzülməsinə əsaslanan daha dəqiq ölçmə vasitələrini yaratmaq mümkün oldu - ilk göstərici voltmetrlər və ampermetrlər. Elektrik qızdırıcılarının, tosterlərin, əritmə sobalarının ilk prototipləri ortaya çıxdı - yüksək dirijor. müqavimət, bu, kifayət qədər yüksək temperatur əldə etməyə imkan verdi.
Sigortalar icad edilmişdir, bimetalik elektrik kəsiciləri (müasir istilik qoruyucu relelərin analoqları), müxtəlif müqaviməti olan keçiricilərin qızdırılması fərqinə əsaslanaraq. Və əlbəttə ki, müəyyən bir cərəyan gücündə yüksək müqaviməti olan bir dirijorun qırmızı-isti qızdırmağa qadir olduğunu aşkar edərək, bu təsir işıq mənbəyi kimi istifadə olunur. İlk işıq lampaları göründü.
Şüşə kolbaya keçirici (kömür çubuq, bambuk sap, platin məftil və s.) yerləşdirilib, oksidləşmə prosesini ləngitmək üçün hava çıxarılıb və solmayan, təmiz və dayanıqlı işıq mənbəyi - elektrik lampası əldə edilib.
Nəticə
Beləliklə, demək olar ki, bütün elektrik və elektrik mühəndisliyi Joule-Lenz qanununa əsaslanır. Bu qanunu kəşf edərək, elektrik enerjisinin inkişafında gələcək bəzi problemləri əvvəlcədən proqnozlaşdırmaq mümkün oldu. Məsələn, dirijorun istiləşməsi səbəbindən elektrik cərəyanının uzun məsafəyə ötürülməsi istilik üçün bu cərəyanın itkiləri ilə müşayiət olunur. Müvafiq olaraq, bu itkiləri kompensasiya etmək üçün yüksək gərginliklə kompensasiya edərək ötürülən cərəyanı qiymətləndirmək lazımdır. Və artıq son istehlakçıda, gərginliyi azaldın və daha yüksək bir cərəyan əldə edin.
Joule-Lenz qanunu texnoloji inkişafın bir dövründən digərinə amansızcasına davam edir. Bu gün də biz bunu gündəlik həyatda daim müşahidə edirik - qanun hər yerdə özünü göstərir və insanlar bundan heç də həmişə razı deyillər. Fərdi kompüterin çox isti prosessoru, yanmış mis-alüminium bükülməsi səbəbindən işığın itirilməsi, sökülən qoruyucu əlavə, yüksək yük səbəbindən elektrik naqillərinin yanması - bütün bunlar eyni Joule-Lenz qanunudur.
Ensiklopedik YouTube
1 / 3
Dərs 254 Elektrik cərəyanının işi və gücü
Joule-Lenz qanunu. 1-ci hissə
Dərs 255
Altyazılar
Təriflər
AT şifahi formalaşdırılması belə səslənir
Birbaşa elektrik cərəyanının axını zamanı mühitin vahid həcminə ayrılan istilik gücü elektrik cərəyanının sıxlığı və elektrik sahəsinin gücünə mütənasibdir.
Riyazi olaraq onu aşağıdakı formada ifadə etmək olar:
w = j → ⋅ E → = σ E 2 (\displaystyle w=(\vec (j))\cdot (\vec (E))=\sigma E^(2))harada w (\displaystyle w)- vahid həcmdə istilik buraxma gücü, j → (\displaystyle (\vec (j)))- sıxlıq elektrik cərəyanı, E → (\displaystyle (\vec (E)))- intensivlik elektrik sahəsi, σ mühitin keçiriciliyidir, nöqtə isə skalyar məhsulu bildirir.
Qanun nazik naqillərdə cərəyan axını halında da inteqral formada tərtib edilə bilər:
İnteqral formada bu qanunun forması var
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 \limitlər _(t_(1))^(t_(2))I^(2)Rdt)harada dQ- müəyyən müddət ərzində ayrılan istilik miqdarı dt, I- cari güc, R- müqavimət, Q-dən keçən müddət ərzində ayrılan istilik miqdarının ümumi miqdarıdır t1əvvəl t2. Sabit cərəyan və müqavimət halında:
Q = I 2 R t (\displaystyle Q=I^(2)Rt)Ohm qanununu tətbiq edərək, aşağıdakı ekvivalent düsturları əldə edə bilərsiniz:
Q = V 2 t / R = I V t (\displaystyle Q=V^(2)t/R\ =IVt)Praktik dəyər
Enerji itkilərinin azaldılması
Elektrik enerjisini ötürərkən naqillərdə cərəyanın istilik təsiri arzuolunmazdır, çünki bu, enerji itkisinə səbəb olur. Təchizat telləri və yük ardıcıl olaraq bağlanır, yəni şəbəkədəki cərəyan I (\displaystyle I) naqillərdə və yükdə eynidir. Yük gücü və telin müqaviməti mənbə gərginliyinin seçimindən asılı olmamalıdır. Naqillərə və yükə sərf olunan güc aşağıdakı düsturlarla müəyyən edilir
Q w = R w ⋅ I 2 (\displaystyle Q_(w)=R_(w)\cdot I^(2)) Q c = V c ⋅ I (\displaystyle Q_(c)=V_(c)\cdot I)Bu, haradan gəlir Q w = R w ⋅ Q c 2 / V c 2 (\displaystyle Q_(w)=R_(w)\cdot Q_(c)^(2)/V_(c)^(2)). Hər bir halda yük gücü və naqil müqaviməti dəyişməz qalır və ifadə R w ⋅ Q c 2 (\displaystyle R_(w)\cdot Q_(c)^(2)) sabitdir, onda naqildə yaranan istilik istehlakçıdakı gərginliyin kvadratına tərs mütənasibdir. Gərginliyi artırmaqla naqillərdə istilik itkilərini azaldırıq. Lakin bu, ötürücü xətlərin elektrik təhlükəsizliyini azaldır.
Sxemlər üçün naqillərin seçilməsi
Cərəyan keçirən bir keçiricinin yaratdığı istilik bu və ya digər dərəcədə sərbəst buraxılır mühit. Seçilmiş dirijordakı cərəyan gücü müəyyən bir maksimum icazə verilən dəyəri aşdığı təqdirdə, belə bir güclü istilik mümkündür ki, dirijor onun yaxınlığındakı obyektlərdə yanğına səbəb ola bilər və ya özünü əridə bilər. Bir qayda olaraq, elektrik dövrələrinin yığılması üçün nəzərdə tutulmuş naqilləri seçərkən, qəbul edilmiş qaydalara əməl etmək kifayətdir. normativ sənədlər, keçiricilərin kəsişməsinin seçimini tənzimləyən.
Elektrik qızdırıcıları
Əgər cərəyan gücü bütün elektrik dövrəsində eyni olarsa, hər hansı bir seçilmiş sahədə, daha çox istilik buraxılacaq, bu bölmənin müqaviməti bir o qədər yüksəkdir.
Bir dövrə bölməsinin müqavimətini qəsdən artırmaqla, bu bölmədə lokallaşdırılmış istilik istehsalına nail olmaq olar. Bu prinsip işləyir elektrik qızdırıcıları. İstifadə edirlər qızdırıcı element- yüksək müqavimətə malik dirijor. Müqavimətin artması (birgə və ya ayrı-ayrılıqda) yüksək müqavimətli bir ərinti seçməklə (məsələn, nikrom, konstantan), keçiricinin uzunluğunu artıraraq və kəsiyini azaltmaqla əldə edilir. Qurğuşun məftilləri adətən aşağı müqavimət göstərir və buna görə də onların istiləşməsi adətən hiss olunmur.
Sigortalar
Elektrik dövrələrini həddindən artıq böyük cərəyanların axınından qorumaq üçün dirijor parçası ilə xüsusi xüsusiyyətlər. Bu, nisbətən kiçik kəsikli bir keçiricidir və elə bir ərintidən hazırlanmışdır ki, icazə verilən cərəyanlarda dirijorun qızdırılması onu çox qızdırmır və həddindən artıq böyük dirijorun həddindən artıq istiləşməsi o qədər əhəmiyyətlidir ki, dirijor əriyir və dövrəni açır.
Yüklənmiş hissəciklərin istiqamətlənmiş hərəkətinin enerjisi keçiricinin kristal qəfəsinin qızdırılmasına sərf olunur.2. İstiqamətlə hərəkət edən yüklü hissəciklərdən keçiricinin kristal qəfəsi tərəfindən alınan istilik miqdarı nə qədərdir?
Kristal qəfəsin aldığı istilik miqdarı elektrik cərəyanının işinə bərabərdir.3. Joule-Lenz qanununu tərtib edin. Onun riyazi ifadəsini yazın.
Keçiricidə buraxılan istilik miqdarı cərəyanın kvadratına, keçiricinin müqavimətinə və müqavimətinə düz mütənasibdir.cərəyanın keçiricidən keçmə vaxtı.
