Para saan ang batas ng joule-lenz? Batas ng Joule-Lenz. Kahulugan, pormula, pisikal na kahulugan
Pagsusuri ng pisikal na batas thermal effect agos ng kuryente. Ang batas ng Joule-Lenz ay natuklasan noong 1841 ni James Joule at noong 1842, medyo nag-iisa ni Emil Lenz.
tulad ng alam na natin, kapag ang mga libreng electron ay gumagalaw sa isang konduktor, dapat nitong malampasan ang paglaban ng materyal. Sa panahon ng paggalaw na ito ng mga singil, nangyayari ang patuloy na banggaan ng mga atomo at molekula ng bagay. Sa kasong ito, ang enerhiya ng paggalaw at paglaban ay na-convert sa init. Ang kasalukuyang pag-asa nito ay unang inilarawan ng dalawang independiyenteng siyentipiko, sina James Joule at Emil Lenz. Samakatuwid, ang batas ay nakatanggap ng dobleng pangalan.
Kahulugan, ang dami ng init na inilabas sa bawat yunit ng oras sa isang partikular na seksyon ng electrical circuit ay direktang proporsyonal sa produkto ng parisukat ng kasalukuyang lakas sa seksyong ito at ang paglaban nito.
Sa matematika, ang formula ay maaaring isulat bilang:
Q \u003d a × I 2 × R × t
saan Q- ang dami ng init na ginawa, a- koepisyent ng init (karaniwang ito ay kinuha katumbas ng 1 at hindi isinasaalang-alang), ako- kasalukuyang lakas, R ay ang paglaban ng materyal, t- ang oras ng kasalukuyang daloy sa pamamagitan ng konduktor. Kung ang heat factor a = 1, pagkatapos Q sinusukat sa joules. Kung a = 0.24, pagkatapos Q sinusukat sa maliliit na calorie.
Ang anumang konduktor ay palaging umiinit kung ang daloy ay dumadaloy dito. Ngunit ang sobrang pag-init ng mga konduktor ay lubhang mapanganib, dahil maaari itong makapinsala hindi lamang sa mga elektronikong kagamitan, kundi maging sanhi ng sunog. Halimbawa, sa kaganapan ng isang maikling circuit, ang sobrang pag-init ng materyal ng konduktor ay napakalaking. Samakatuwid, upang maprotektahan laban sa mga short circuit at malaking overheating mga electronic circuit ang mga espesyal na bahagi ng radyo ay idinagdag - mga piyus. Para sa kanilang paggawa, isang materyal ang ginagamit na mabilis na natutunaw at nagpapa-de-energize sa supply circuit kapag umabot ang kasalukuyang maximum na mga halaga. Ang mga piyus ay dapat piliin ayon sa cross-sectional area ng konduktor.
Ang batas ng Joule-Lenz ay may kaugnayan para sa parehong direktang at alternating current. Ayon dito, maraming iba't ibang mga kagamitan sa pag-init ang gumagana. Pagkatapos ng lahat, mas payat ang konduktor, mas maraming kasalukuyang dumadaan dito sa mas mahabang panahon, mas maraming init ang inilabas bilang resulta nito.
Sana ay tandaan mo na ang kasalukuyang ay depende sa boltahe. Ang tanong ay lumitaw kung bakit ang laptop ay hindi umiinit ng kasing dami ng isang bakal? Dahil sa base mayroong isang spiral wire na gawa sa bakal, na may mababang pagtutol. Dagdag pa ng bakal na soleplate, kaya uminit ang bakal mataas na temperatura at pwede natin silang alagaan.
Ang A ay may voltage regulator na nagpapababa ng 220 volts hanggang 19 volts. Dagdag pa, ang paglaban ng lahat ng mga circuit at mga bahagi ay medyo mataas. Bukod pa rito, para sa paglamig mayroong isang mas malamig at tanso na mga thermal radiator.
Ang gawain ng batas ng Joule-Lenz ay malinaw na nakikita sa pagsasanay. Ang pinakatanyag na halimbawa ng paggamit nito ay isang ordinaryong lamp na maliwanag na maliwanag o, kung saan ang filament ay kumikinang dahil sa pagpasa ng isang mataas na boltahe na kasalukuyang sa pamamagitan nito.
Batay sa batas ng Joule-Lenz, gumagana din ito, kung saan ang paglikha ng isang welded joint ay isinasagawa sa pamamagitan ng pag-init ng metal, dahil sa kasalukuyang dumadaan dito at pagpapapangit ng mga welded na bahagi sa pamamagitan ng compression.
Ang electric arc welding, gumagana din pisikal na mga prinsipyo Batas ng Joule-Lenz. Upang maisagawa ang welding work, ang mga electrodes ay pinainit sa isang estado na ang isang welding arc ay lilitaw sa pagitan nila. Epekto voltaic arc natuklasan ng siyentipikong Ruso na si V.V. Petrov, gamit ang mga prinsipyo ng pagsasara ng Joule-Lenz.
Bilang karagdagan sa mathematical formula, ang batas na ito ay mayroon ding differential form. Ipagpalagay na ang isang kasalukuyang dumadaloy sa isang nakapirming konduktor at ang lahat ng gawain nito ay ginugol lamang sa pagpainit. Pagkatapos, ayon sa batas ng konserbasyon ng enerhiya, nakukuha natin ang sumusunod na pagpapahayag ng matematika.
Isaalang-alang ang Joule-Lenz Law at ang aplikasyon nito.
Kapag ang isang electric current ay dumaan sa isang konduktor, ito ay umiinit. Ito ay dahil ang mga gumagalaw sa ilalim ng aksyon electric field Ang mga libreng electron sa mga metal at mga ion sa mga solusyon sa electrolyte ay bumabangga sa mga molekula o atomo ng mga konduktor at inililipat ang kanilang enerhiya sa kanila. Kaya, kapag ang kasalukuyang ay gumagawa ng trabaho tumataas ang panloob na enerhiya ng konduktor , ang isang tiyak na halaga ng init ay inilabas dito, katumbas ng gawain ng kasalukuyang, at ang konduktor ay uminit: Q = A o Q = IUT .
Kung ganoon U=IR , bilang isang resulta nakuha namin ang formula:
Q \u003d I 2 Rt, saan
Q
- ang dami ng init na inilabas (sa Joules)
ako
- kasalukuyang lakas (sa Amperes)
R
- resistensya ng konduktor (sa ohms)
t
- oras ng pagbibiyahe (sa mga segundo)
Batas ng Joule–Lenz : ang dami ng init na inilabas ng isang conductor na nagdadala ng kasalukuyang ay katumbas ng produkto ng parisukat ng kasalukuyang lakas, ang paglaban ng konduktor at ang oras na kinakailangan para sa kasalukuyang upang pumasa.
Saan nalalapat ang batas ng Joule-Lenz?
1. Halimbawa, sa mga maliwanag na lampara at sa mga electric heater naaangkop ang batas ng Joule-Lenz. Gumagamit sila ng elemento ng pag-init, na isang konduktor na may mataas na pagtutol. Dahil sa elementong ito, posible na makamit ang naisalokal na paglabas ng init sa isang tiyak na lugar. Ang pagpapalabas ng init ay lilitaw na may pagtaas sa paglaban, isang pagtaas sa haba ng konduktor, ang pagpili ng isang tiyak na haluang metal.
2. Isa sa mga lugar ng aplikasyon ng batas ng Joule-Lenz ay pagbawas ng pagkawala ng enerhiya . Ang thermal action ng kasalukuyang ay humahantong sa pagkawala ng enerhiya. Kapag nagpapadala ng kuryente, ang ipinadalang kapangyarihan ay linearly na nakasalalay sa boltahe at kasalukuyang, at ang kapangyarihan ng pag-init ay nakasalalay sa kasalukuyang quadratically, kaya kung tataas mo ang boltahe habang binababa ang kasalukuyang bago mag-apply ng kuryente, ito ay magiging mas kumikita. Ngunit ang pagtaas ng boltahe ay humahantong sa pagbaba sa kaligtasan ng kuryente. Upang mapataas ang antas ng kaligtasan ng kuryente, dagdagan ang paglaban ng pagkarga alinsunod sa pagtaas ng boltahe sa network.
3. Gayundin, ang batas ng Joule-Lenz ay nakakaapekto pagpili ng mga wire para sa mga circuit . Dahil sa maling pagpili ng mga wire, posible ang isang malakas na pag-init ng konduktor, pati na rin ang pag-aapoy nito. Nangyayari ito kapag ang kasalukuyang lakas ay lumampas sa maximum na pinapayagang mga halaga at masyadong maraming enerhiya ang inilabas.
Ang kuryente ay isang mahalagang katangian ng ating panahon. Ganap na lahat ng bagay sa paligid ay nakatali dito. Anuman modernong tao, kahit na walang teknikal na edukasyon, alam na ang electric current na dumadaloy sa mga wire ay may kakayahang magpainit sa kanila sa ilang mga kaso, kadalasan sa napakataas na temperatura. Mukhang alam na ito ng lahat at hindi dapat banggitin. Gayunpaman, paano ipaliwanag ang hindi pangkaraniwang bagay na ito? Bakit at paano uminit ang konduktor?
Fast forward sa ika-19 na siglo, ang panahon ng akumulasyon ng kaalaman at paghahanda para sa teknolohikal na paglukso ng ika-20 siglo. Isang panahon kung saan sa buong mundo ang iba't ibang mga siyentipiko at mga imbentor lamang na tinuturuan sa sarili ay halos araw-araw ay nakakatuklas ng isang bagong bagay, madalas na gumugugol ng isang malaking halaga ng oras sa pananaliksik at, sa parehong oras, nang hindi inilalahad ang huling resulta.
Ang isa sa mga taong ito, ang siyentipikong Ruso na si Emil Khristianovich Lenz, ay mahilig sa kuryente, sa primitive na antas noon, sinusubukang kalkulahin ang mga de-koryenteng circuit. Noong 1832, si Emilius Lenz ay "natigil" sa mga kalkulasyon, dahil ang mga parameter ng kanyang modelong circuit na "pinagmulan ng enerhiya - konduktor - consumer ng enerhiya" ay lubhang nag-iiba mula sa karanasan hanggang sa karanasan. Noong taglamig ng 1832-1833, natuklasan ng siyentipiko na ang sanhi ng kawalang-tatag ay isang piraso ng platinum wire na dinala niya mula sa lamig. Ang pag-init o pagpapalamig ng konduktor, napansin din ni Lenz na mayroong isang tiyak na kaugnayan sa pagitan ng kasalukuyang lakas, kuryente at temperatura ng konduktor.
Sa ilalim ng ilang mga parameter ng electrical circuit, ang konduktor ay mabilis na natunaw at kahit na bahagyang pinainit. Halos walang mga instrumento sa pagsukat noong mga panahong iyon - imposibleng tumpak na masukat ang alinman sa kasalukuyang lakas o paglaban. Ngunit ito ay isang Russian physicist, at nagpakita siya ng katalinuhan. Kung ito ay isang pagkagumon, bakit hindi ito mababalik?
Upang sukatin ang dami ng init na nabuo ng konduktor, idinisenyo ng siyentipiko ang pinakasimpleng "pampainit" - isang lalagyan ng salamin kung saan mayroong isang solusyon na naglalaman ng alkohol at isang konduktor ng spiral na platinum na nahuhulog dito. Sa pamamagitan ng paglalagay ng iba't ibang dami ng electric current sa wire, sinukat ni Lenz ang tagal ng pag-init ng solusyon sa isang tiyak na temperatura. Ang mga bukal sa oras na iyon ay masyadong mahina upang painitin ang solusyon sa isang seryosong temperatura, kaya hindi posible na biswal na matukoy ang dami ng evaporated na solusyon. Dahil dito, ang proseso ng pananaliksik ay napakahaba - libu-libong mga opsyon para sa pagpili ng mga parameter ng pinagmumulan ng kapangyarihan, konduktor, mahabang sukat at kasunod na pagsusuri.
Formula ng Joule-Lenz
Bilang resulta, makalipas ang isang dekada, noong 1843, ipinakita ni Emilius Lenz sa publiko ang resulta ng kanyang mga eksperimento sa anyo ng isang batas. Gayunpaman, nauna pala siya sa kanya! Ilang taon na ang nakalipas English physicist Si James Prescott Joule ay nagsagawa na ng mga katulad na eksperimento at ipinakita rin ang kanyang mga resulta sa publiko. Ngunit, nang maingat na suriin ang lahat ng mga gawa ni James Joule, nalaman iyon ng siyentipikong Ruso sariling karanasan mas tumpak mas malaking volume pananaliksik, samakatuwid, ang agham ng Russia ay may isang bagay upang madagdagan ang pagtuklas sa Ingles.
Isinaalang-alang ng siyentipikong komunidad ang parehong mga resulta ng pananaliksik at pinagsama ang mga ito sa isa, sa gayon ay pinalitan ng pangalan ang batas ng Joule sa batas ng Joule-Lenz. Nakasaad yan sa batas ang dami ng init na inilabas ng isang konduktor kapag ang isang electric current ay dumadaloy dito ay katumbas ng produkto ng lakas ng kasalukuyang squared na ito, ang paglaban ng konduktor at ang oras kung kailan ang kasalukuyang dumadaloy sa konduktor. O ang formula:
Q=I 2 Rt
saan
Q - dami ng init na inilabas (Joules)
I - ang lakas ng kasalukuyang dumadaloy sa konduktor (Amperes)
R - resistensya ng konduktor (Ohms)
t - oras para sa kasalukuyang dumaan sa conductor (Second)
Bakit umiinit ang konduktor
Paano ipinaliwanag ang pag-init ng konduktor? Bakit ito umiinit, at hindi nananatiling neutral o malamig? Ang pag-init ay nangyayari dahil sa ang katunayan na ang mga libreng electron na gumagalaw sa konduktor sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field ay binomba ang mga atomo ng mga molekulang metal, sa gayon ay inililipat ang kanilang sariling enerhiya sa kanila, na nagiging init. Upang ilagay ito nang simple: pagtagumpayan ang materyal ng konduktor, ang electric current, bilang ito ay, "rubs", ay bumangga sa mga electron laban sa mga molekula ng konduktor. Buweno, tulad ng alam mo, ang anumang alitan ay sinamahan ng pag-init. Samakatuwid, ang konduktor ay mag-iinit habang may kuryenteng dumadaloy dito.
Sumusunod din ito mula sa formula - mas mataas ang resistivity ng konduktor at mas mataas ang kasalukuyang dumadaloy dito, mas mataas ang pag-init. Halimbawa, kung ikinonekta mo ang isang konduktor ng tanso (resistivity 0.018 Ohm mm² / m) at isang konduktor ng aluminyo (0.027 Ohm mm² / m) sa serye, kung gayon kapag ang isang electric current ay dumadaloy sa circuit, ang aluminyo ay magpapainit ng higit sa tanso dahil sa mas mataas na resistensya nito. Samakatuwid, sa pamamagitan ng paraan, hindi inirerekomenda na i-twist ang mga wire ng tanso at aluminyo sa bawat isa sa pang-araw-araw na buhay - magkakaroon ng hindi pantay na pag-init sa lugar ng pag-twist. Bilang isang resulta - nasusunog na may kasunod na pagkawala ng contact.
Paglalapat ng batas Joule-Lenz sa buhay
Ang pagkatuklas ng batas ng Joule-Lenz ay nagkaroon ng napakalaking kahihinatnan para sa praktikal na aplikasyon agos ng kuryente. Nasa ika-19 na siglo, naging posible na lumikha ng mas tumpak na mga instrumento sa pagsukat batay sa pag-urong ng isang wire spiral kapag pinainit ito ng isang dumadaloy na kasalukuyang ng isang tiyak na halaga - ang unang pointer voltmeters at ammeters. Ang mga unang prototype ng mga electric heater, toaster, melting furnace ay lumitaw - isang konduktor na may mataas na resistivity, na naging posible upang makakuha ng medyo mataas na temperatura.
Ang mga piyus ay naimbento, mga bimetallic circuit breaker (mga analogue ng modernong thermal protection relay), batay sa pagkakaiba sa pag-init ng mga conductor na may iba't ibang resistivity. At, siyempre, nang matuklasan na sa isang tiyak na kasalukuyang lakas, ang isang konduktor na may mataas na resistivity ay maaaring magpainit ng sobrang init, epektong ito ginamit bilang ilaw na pinagmumulan. Lumitaw ang unang mga bombilya.
Ang isang conductor (charcoal stick, bamboo thread, platinum wire, atbp.) ay inilagay sa isang glass flask, ang hangin ay pumped out upang pabagalin ang proseso ng oksihenasyon, at isang hindi kupas, malinis at matatag na pinagmumulan ng ilaw - isang electric light bulb
Konklusyon
Kaya, masasabi nating halos lahat ng electrical at electrical engineering ay nakabatay sa batas ng Joule-Lenz. Nang matuklasan ang batas na ito, naging posible na mahulaan nang maaga ang ilang mga problema sa hinaharap sa pagbuo ng kuryente. Halimbawa, dahil sa pag-init ng konduktor, ang paghahatid ng electric current sa mahabang distansya ay sinamahan ng pagkawala ng kasalukuyang ito para sa init. Alinsunod dito, upang mabayaran ang mga pagkalugi na ito, kinakailangang maliitin ang ipinadala na kasalukuyang, na binabayaran ito ng mataas na boltahe. At nasa dulo ng consumer, babaan ang boltahe at makakuha ng mas mataas na kasalukuyang.
Ang batas ng Joule-Lenz ay walang humpay na sumusunod mula sa isang panahon ng pag-unlad ng teknolohiya patungo sa isa pa. Kahit ngayon ay patuloy nating sinusunod ito sa pang-araw-araw na buhay - ang batas ay nagpapakita mismo sa lahat ng dako, at ang mga tao ay hindi palaging nasisiyahan dito. Isang napakainit na processor ng isang personal na computer, pagkawala ng ilaw dahil sa isang nasunog na tanso-aluminum twist, isang knock-out fuse insert, mga de-koryenteng mga kable na nasunog dahil sa isang mataas na load - lahat ng ito ay ang parehong batas ng Joule-Lenz.
Encyclopedic YouTube
1 / 3
Aralin 254 Trabaho at kapangyarihan ng electric current
Batas ng Joule-Lenz. Bahagi 1
Aralin 255
Mga subtitle
Mga Kahulugan
AT pandiwang pagbabalangkas parang ganito
Ang kapangyarihan ng init na inilabas sa bawat yunit ng dami ng daluyan sa panahon ng daloy ng isang direktang electric current ay proporsyonal sa produkto ng densidad ng electric current at ang lakas ng electric field.
Sa matematika maaari itong ipahayag sa sumusunod na anyo:
w = j → ⋅ E → = σ E 2 (\displaystyle w=(\vec (j))\cdot (\vec (E))=\sigma E^(2))saan w (\displaystyle w)- ang lakas ng paglabas ng init sa bawat dami ng yunit, j → (\displaystyle (\vec (j)))- density electric current , E → (\displaystyle (\vec (E)))- intensity electric field , σ ay ang conductivity ng medium, at ang tuldok ay tumutukoy sa scalar product.
Ang batas ay maaari ding bumalangkas sa integral form para sa kaso ng kasalukuyang daloy sa manipis na mga wire:
Sa integral form, ang batas na ito ay may anyo
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 _(t_(1))^(t_(2))I^(2)Rdt)saan dQ- ang dami ng init na inilabas sa loob ng isang yugto ng panahon dt, ako- kasalukuyang lakas, R- paglaban, Q ay ang kabuuang dami ng init na inilabas sa pagitan ng oras mula sa t1 dati t2. Sa kaso ng pare-pareho ang kasalukuyang at paglaban:
Q = I 2 R t (\displaystyle Q=I^(2)Rt)At ang paglalapat ng batas ng Ohm, maaari mong makuha ang mga sumusunod na katumbas na formula:
Q = V 2 t / R = I V t (\displaystyle Q=V^(2)t/R\ =IVt)Praktikal na halaga
Pagbawas ng pagkawala ng enerhiya
Kapag nagpapadala ng kuryente, ang thermal effect ng kasalukuyang sa mga wire ay hindi kanais-nais, dahil ito ay humahantong sa pagkawala ng enerhiya. Ang mga supply wire at ang load ay konektado sa serye, na nangangahulugan na ang kasalukuyang sa network Ako (\displaystyle I) sa mga wire at load ay pareho. Ang kapangyarihan ng pag-load at resistensya ng kawad ay hindi dapat nakasalalay sa pagpili ng boltahe ng pinagmulan. Ang kapangyarihan na nawala sa mga wire at sa load ay tinutukoy ng mga sumusunod na formula
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)Kung saan sinusundan iyon Q w = R w ⋅ Q c 2 / V c 2 (\displaystyle Q_(w)=R_(w)\cdot Q_(c)^(2)/V_(c)^(2)). Dahil sa bawat kaso ang load power at wire resistance ay nananatiling hindi nagbabago at ang expression R w ⋅ Q c 2 (\displaystyle R_(w)\cdot Q_(c)^(2)) ay pare-pareho, kung gayon ang init na nabuo sa wire ay inversely proportional sa square ng boltahe sa consumer. Sa pamamagitan ng pagtaas ng boltahe, binabawasan namin ang pagkawala ng init sa mga wire. Gayunpaman, binabawasan nito ang kaligtasan ng kuryente ng mga linya ng paghahatid.
Pagpili ng mga wire para sa mga circuit
Ang init na nalilikha ng isang kasalukuyang nagdadala ng konduktor ay, sa isang antas o iba pa, na inilabas kapaligiran. Kung ang kasalukuyang lakas sa napiling konduktor ay lumampas sa isang tiyak na pinakamataas na pinahihintulutang halaga, ang gayong malakas na pag-init ay posible na ang konduktor ay maaaring makapukaw ng apoy sa mga bagay na malapit dito o matunaw mismo. Bilang isang patakaran, kapag pumipili ng mga wire na inilaan para sa pag-assemble ng mga de-koryenteng circuit, sapat na upang sundin ang tinanggap mga dokumento ng regulasyon, na kumokontrol sa pagpili ng cross section ng mga conductor.
Mga electric heater
Kung ang kasalukuyang lakas ay pareho sa buong electrical circuit, pagkatapos ay sa anumang napiling lugar, mas maraming init ang ilalabas, mas mataas ang paglaban ng seksyong ito.
Sa pamamagitan ng sadyang pagtaas ng paglaban ng isang seksyon ng circuit, ang naisalokal na henerasyon ng init sa seksyong ito ay maaaring makamit. Gumagana ang prinsipyong ito mga electric heater. Ginagamit nila elemento ng pag-init- konduktor na may mataas na pagtutol. Ang pagtaas ng resistensya ay nakakamit (magkasama o magkahiwalay) sa pamamagitan ng pagpili ng isang haluang metal na may mataas na resistivity (hal. nichrome, constantan), pagtaas ng haba ng konduktor, at pagpapababa ng cross section nito. Ang mga lead wire ay karaniwang mababa ang resistensya at samakatuwid ang kanilang pag-init ay karaniwang hindi mahahalata.
Mga piyus
Upang protektahan ang mga de-koryenteng circuit mula sa daloy ng labis na malalaking alon, isang piraso ng konduktor na may espesyal na katangian. Ito ay isang konduktor ng medyo maliit na cross section at gawa sa isang haluang metal na, sa pinahihintulutang mga alon, ang pag-init ng konduktor ay hindi nagpapainit dito, at sa labis na malaking overheating ng konduktor ay napakahalaga na ang konduktor ay natutunaw at nagbubukas ng circuit.
Ang enerhiya ng nakadirekta na paggalaw ng mga sisingilin na particle ay ginugol sa pagpainit ng kristal na sala-sala ng konduktor.2. Ano ang dami ng init na natatanggap ng kristal na sala-sala ng konduktor mula sa direksyong gumagalaw na mga particle na may charge?
Ang dami ng init na natanggap ng kristal na sala-sala ay katumbas ng gawain ng electric current.3. Bumuo ng batas ng Joule-Lenz. Isulat ang mathematical expression nito.
Ang dami ng init na inilabas sa konduktor ay direktang proporsyonal sa parisukat ng kasalukuyang, ang paglaban ng konduktor atoras ng pagpasa ng kasalukuyang sa pamamagitan ng konduktor.
