Sibprompost.ru

Стройка и ремонт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Закон Джоуля — Ленца

Закон Джоуля — Ленца

Закон Джоуля — Ленца (по имени английского физика Джеймса Джоуля и русского физика Эмилия Ленца , одновременно, но независимо друг от друга открывших его в 1840г) — закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока.

При протекании тока по проводнику происходит превращение электрической энергии в тепловую, причём количество выделенного тепла будет равно работе электрических сил:

Закон Джоуля — Ленца: количество тепла, выделяемого в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени его прохождения.

Содержание

  • 1 Практическое значение
    • 1.1 Снижение потерь энергии
    • 1.2 Выбор проводов для цепей
    • 1.3 Электронагревательные приборы
    • 1.4 Плавкие предохранители

Практическое значение

Снижение потерь энергии

При передаче электроэнергии тепловое действие тока является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Поскольку передаваемая мощность линейно зависит как от напряжения, так и от силы тока, а мощность нагрева зависит от силы тока квадратично, то выгодно повышать напряжение перед передачей электроэнергии , понижая в результате силу тока. Повышение напряжения снижает электробезопасность линий электропередачи . В случае применения высокого напряжения в цепи для сохранения прежней мощности потребителя придется увеличить сопротивление потребителя (квадратичная зависимость. 10В , 1 Ом = 20В, 4 Ом). Подводящие провода и потребитель соединены последовательно. Сопротивление проводов () постоянное. А вот сопротивление потребителя () растет при выборе более высокого напряжения в сети. Также растет соотношение сопротивления потребителя и сопротивления проводов. При последовательном включении сопротивлений (провод — потребитель — провод) распределение выделяемой мощности () пропорционально сопротивлению подключенных сопротивлений. ; ; ; ток в сети для всех сопротивлений постоянен. Следовательно имеем соотношение ; и это константы (для каждой конкретной задачи). Определим, что . Следовательно, мощность выделяемая на проводах обратно пропорциональна сопротивлению потребителя, то есть уменьшается с ростом напряжения. так как . ( — константа); Объеденим две последние формулы и выведем, что ; для каждой конкретной задачи — это константа. Следовательно, тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе.Ток проходит равномерно.

Выбор проводов для цепей

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 сборке электрических цепей достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют, в частности, выбор сечения проводников.

Электронагревательные приборы

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.

Плавкие предохранители

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.

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Закон Джоуля — Ленца. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

Читайте так же:
Электрический ток как теплоноситель

Тепло выделенное электрическим током

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Начиная с 1794 г. Вольта многократно проводил такой опыт: он помещал лягушку, препарированную по методу Гальвани, таким образом, чтобы ее задние лапки были опущены в воду одной банки, а спинка и позвоночный столб погружались в другую банку с водой. Если цепь замыкалась железной проволокой, один конец которой опускался на несколько минут в кипящую воду, то наблюдались сильные конвульсии лягушки, продолжавшиеся до тех пор, пока конец проволоки не остывал.

Этот опыт прошел незамеченным, и о нем, вероятно, ничего не знал также Томас Зеебек (1770—1831), выступивший в 1821 г. с докладами в Берлинской Академии наук. На основе этих докладов Зеебеком впоследствии была напитана известная работа, вышедшая лишь в 1825 г. Открытое им явление теперь хорошо известно. Сам Зеебек описывает один из своих многочисленных опытов следующим образом. Небольшой кусок висмута был припаян с обоих концов к медной спирали. Если один конец нагревался с помощью лампы, а другой оставался холодным, то магнитная стрелка, заключенная внутри спирали, поворачивалась, указывая на прохождение тока, который в холодном спае шел от меди к висмуту.

Это явление стало известно в 1823 г. благодаря Эрстеду, который и дал ему название, укоренившееся до наших дней. В том же 1823 г. Фурье и Эрстед доказали, что термоэлектрический эффект обладает свойством суперпозиции, и построили первую термоэлектрическую батарею, состоявшую из трех пластин сурьмы, чередовавшихся с тремя пластинами висмута и спаянных на концах так, что они образовывали шестиугольник. Эта батарея была значительно усовершенствована в 1829 г. Нобили, который расположил биметаллические палочки, соединив их не торцами, а плоскостями, в наклонном положении, почти вертикально, по краям цилиндрической поверхности и поместил в сосуд, залитый камедью, так что одна группа спаев была погружена в камедь, а другая выступала наружу. Дальнейшее усовершенствование было внесено через год Меллони, сконструировавшим призматическую модель, используемую и сейчас. На основе батареи Меллони и гальванометра своей конструкции Нобили построил в том же 1830 г. термомультипликатор такой чувствительности, что он реагировал на тепло человеческого тела на расстоянии 18—20 локтей.

В 1834 г. в ходе экспериментальных исследований проводимости сурьмы и висмута Жан Шарль Пельтье (1785—1845) намеревался определить, как изменяется температура вдоль однородного или разнородного проводника, по которому проходит ток. В связи с этим Пельтье исследовал температуру в разных точках термоэлектрической цепи с помощью термопары, соединенной с гальванометром, причем обнаружил, что в местах спаев разных металлов температура резко меняется, имеются даже случаи охлаждения. Наибольшего эффекта ему удалось добиться с парой висмут — сурьма. Таким образом, электроток может вызывать и охлаждение. Беккерель, Де ла Рив и другие физики отнеслись с недоверием к опытам Пельтье, отчасти, вероятно, потому, что он был в науке, так сказать, случайным человеком — до тридцати лет Пельтье был часовщиком. Чтобы исключить всякие сомнения, Пельтье подтвердил открытое им явление непосредственно с помощью воздушного термометра. Именно этот метод и сейчас описывается в учебниках. В других своих опытах Пельтье спаивал накрест два куска металла, затем, подключив гальванометр, пропускал через два последовательных конца креста и через гальванометр термоэлектрический ток, а спустя некоторое время цепь разъединял и подсоединял тот же гальванометр, но к другим двум концам креста — и гальванометр показывал ток, вызывавшийся либо нагреванием, либо охлаждением спая креста. В каких случаях получается нагревание, а в каких охлаждение в месте спая, точно определил в 1838 г. Поггендорф и независимо от него в 1840 г. Луиджи Пачинотти (1807—1889), отец Антонио Пачинотти, изобретателя динамо-машины постоянного тока.

Читайте так же:
Теплота выделенная в проводнике при переменном токе

ЗАКОН ДЖОУЛЯ

В течение первых сорока лет после изобретения батареи предпринималось множество попыток, частью неудачных, а частью незавершенных, выяснить, какому закону подчиняется выделение тепла электрическим током. Неудачи этих попыток можно объяснить недостаточной ясностью понятий силы тока и электрического сопротивления и как следствие — отсутствием точно определенных единиц измерения. К тому же из-за незнания закона Ома исследователи подключали в цепь последовательно провода с разным сопротивлением, считая, что они тем самым изменяют только сопротивление, а не силу тока. Этим объясняется неудача некоторых исследований, таких, как исследования Уильяма Харриса (1791 — 1867), которые, как стало ясно теперь, вполне могли привести к желаемой цели.

В 1841 г. Джоуль начал экспериментальное исследование теплоты, выделяемой проводником. Ему пришла удачная мысль прокалибровать сначала свою тангенс-буссоль в цепи с вольтаметром, как это предлагал делать Фарадей. Нагревающее приспособление состояло из исследуемого проводника, обмотанного спиралью вокруг тонкой стеклянной трубки, погруженной в стеклянный резервуар с определенным количеством воды, и чувствительного термометра. В трех проводившихся опытах, в каждом из которых последовательно соединялись два сопротивления, погруженные в одинаковые калориметры, Джоуль установил, что при одной и той же силе тока количество выделяемой теплоты пропорционально сопротивлениям проводников.

Этот первый результат привел его к формулировке гипотезы о влиянии силы тока. Он выразил ее в таком не очень ясном рассуждении: «Размышляя над вышеуказанным законом, я подумал, что действие тока должно изменяться при увеличении силы электрического тока как квадрат силы тока, потому что ясно, что в таком случае сопротивление должно изменяться в двойном отношении: из-за увеличения количества проходящего электричества в данный промежуток времени, а также из-за увеличения самой его скорости».

Джоуль, вероятно, хотел сказать, что теплота, выделяемая током, вызывается ударами частиц электрического флюида о частицы проводника. Поэтому, если увеличивается сила тока, увеличивается скорость частиц электрического флюида и удары получаются более сильными, а также более частыми вследствие увеличения количества электрического флюида, проходящего за данный промежуток времени через сечение проводника.

Но как бы там ни было, Джоуль подверг свою гипотезу опытной проверке и обнаружил, что количество тепла, измеренное калориметром, в который была погружена медная спираль, столь мало отличалось от расчетного, что можно было признать закон вполне подтвержденным, по крайней мере для металлических проводников.

Гораздо более оригинальными были опыты, проведенные Джоулем для проверки этого закона для токов в электролитах и для токов индукции. Результаты этих исследований были изложены в работе 1843 г. В этой работе устанавливается, что в любом случае, с любым проводником, при любом токе выделяемое тепло пропорционально сопротивлению проводника и квадрату силы тока.

Естественно, что многие ученые повторили опыты Джоуля, видоизменяя их, и подтвердили полученные Джоулем результаты, выведя из них первые следствия. Среди этих следствий мы упомянем лишь результат, полученный в 1844 г. в Петербурге Ленцем и независимо от него в 1845 г. профессором физики в Турине Доменико Ботто (1791—1865). Эти исследователи установили, что генератор может отдать во внешнюю цепь максимальное количество тепла, если сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению генератора. Именно в этой связи Ленц начал нелегкую работу по определению зависимости температуры нагрева проводника от проходящего по нему тока и от среды, в которой он находится.

Читайте так же:
В чем проявляется тепловое химическое магнитное действие тока

Составила к.т.н. Савельева Ф.Н.

Open Library — открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

  • Главная

Категории

  • Астрономия
  • Биология
  • Биотехнологии
  • География
  • Государство
  • Демография
  • Журналистика и СМИ
  • История
  • Лингвистика
  • Литература
  • Маркетинг
  • Менеджмент
  • Механика
  • Науковедение
  • Образование
  • Охрана труда
  • Педагогика
  • Политика
  • Право
  • Психология
  • Социология
  • Физика
  • Химия
  • Экология
  • Электроника
  • Электротехника
  • Энергетика
  • Юриспруденция
  • Этика и деловое общение

Электротехника Билет 39 Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленса.

Тепловое действие электрического тока

Тепловое действие электрического тока. При передаче электрической энергии по проводнику часть ее расходуется на преодоление сопротивления проводника. Проводник при этом нагревается, т. е. часть электрической энергии превращается в тепловую. Количество выделœенного тепла зависит от величины тока, напряжения на зажимах потребителя и времени действия тока.

Явление электромагнетизма. При прохождении тока по проводнику вокруг проводника возникает магнитное поле. В случае если, свернуть проводник в виде катушки и пропустить по нему постоянный электрический ток, то магнитные поля отдельных витков сложатся друг с другом и усилят магнитное поле внутри катушки. Помещенный внутрь такой катушки стальной сердечник намагничивается и, становясь сам магнитом, усиливает магнитное поле катушки. Такое устройство получило название электромагнита. Электромагниты нашли применение в генераторах, релœе-регуляторах, звуковых сигналах и т. п.

Электромагнитная индукция. При перемещении проводника в магнитном поле или перемещении магнитного поля относительно проводника проводник будет пересекать магнитные силовые линии и в нем будет наводиться эдс. В случае если проводник замкнуть в нем появится электрический ток.

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 электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля

Математически может быть выражен в следующей форме:

где — мощность выделœения тепла в единице объёма, — плотность электрического тока, — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды.

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 математической форме данный закон имеет вид

где dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделœенное за промежуток времени от t1 до t2. В случае постоянных силы тока и сопротивления:

Закон Джоуля – Ленца. Определение, формула, физический смысл

Закон Джоуля – Ленца – закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Сформулирован этот закон был в 1841 году английским учёным Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 году известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он получил своё двойное название — закон Джоуля – Ленца.

  1. Определение закона и формула
  2. Физический смысл закона Джоуля – Ленца
  3. Область применения

Определение закона и формула

Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность тепла, выделяемого в проводнике при протекании сквозь него электрического тока, пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:

где ω — количество тепла, выделяемого в ед. объема;

E и j – напряжённость и плотность, соответственно, электрического полей;

σ — проводимость среды.

Физический смысл закона Джоуля – Ленца

Закон можно объяснить следующим образом: ток, протекая по проводнику, представляет собой перемещение электрического заряда под воздействием электрического поля. Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа расходуется на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

Но чрезмерный нагрев проводников с током и электрооборудования допускать нельзя, поскольку это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при коротких замыканиях проводов, когда по проводниках могут протекать достаточно большие токи.

Читайте так же:
Действие электрического тока тепловое магнитное химическое таблица

В интегральной форме для тонких проводников закон Джоуля – Ленца звучит следующим образом: количество теплоты, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока на сопротивление участка.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

при этом Q – количество выделившейся теплоты;

I – величина тока;

R — активное сопротивление проводников;

t – время воздействия.

Значение параметра k принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.

Закон Джоуля-Ленца имеет достаточно общий характер, поскольку не имеет зависимости от природы сил, генерирующих ток.

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Область применения

Областей применения в быту закона Джоуля Ленца – огромное количество. К примеру, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электрообогревателе и мн. др. Это наиболее широко распространенный физический закон в повседневной жизни.

Тепло выделенное электрическим током

Под тепловым действием электрического тока понимают выделение тепловой энергии в процессе прохождения тока по проводнику. Когда через проводник проходит ток, образующие ток свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами проводника, нагревая его.

Выделяемое при этом количество теплоты можно определить с помощью закона Джоуля-Ленца, который формулируется так: количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока через проводник, равно произведению квадрата тока, сопротивления данного проводника и времени прохождения тока через проводник.

Приняв ток в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, получим количество теплоты в джоулях. А учитывая что произведение тока на сопротивление — есть напряжение, а произведение напряжения на ток — мощность, в результате оказывается, что количество выделенной теплоты в данном случае равно количеству электрической энергии, переданной данному проводнику во время прохождения по нему тока. То есть электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Получение тепловой энергии из электрической широко применяется с давних времен в различной технике. Электронагревательные приборы, такие как обогреватели, водонагреватели, электрические плиты, паяльники, электропечи и т. д., а также электросварка, лампы накаливания и многое другое используют именно этот принцип для получения тепла.

Но в большом количестве электрических устройств нагрев, вызываемый током, вреден: электродвигатели, трансформаторы, провода, электромагниты и т. д. — в данных устройствах, не предназначенных для получения тепла, нагрев снижает их КПД, мешает эффективной работе, и даже может привести к аварийным ситуациям.

Для любого проводника, в зависимости от параметров окружающей среды, характерно определенное допустимое значение величины тока, при котором проводник заметно не нагревается.

Так, например, для нахождения допустимой токовой нагрузки на провода, используют параметр «плотность тока», характеризующий ток, приходящийся на 1 кв.мм площади поперечного сечения данного проводника.

Допустимая плотность тока для каждого проводящего материала в определенных условиях своя, она зависит от многих факторов: от вида изоляции, интенсивности охлаждения, температуры окружающей среды, площади поперечного сечения и т. д.

К примеру для электрических машин, где обмотки изготавливают, как правило, из меди, величина предельно допустимой плотности тока не должна превышать 3-6 ампер на кв.мм. Для лампы накаливания, а точнее для ее вольфрамовой нити, — не более 15 ампер на кв.мм.

Читайте так же:
Тепловое действие электрического тока используется в генераторах электродвигателях электроутюгах

Для проводов осветительных и силовых сетей предельно допустимая плотность тока принимается исходя из вида их изоляции и площади поперечного сечения.

Если материалом проводника служит медь, а изоляция резиновая, то при площади сечения, например, в 4 кв.мм допускается плотность тока не более 10,2 ампер на кв.мм, а если сечение 50 кв.мм, то допустимая плотность тока будет всего 4,3 ампера на кв.мм. Если же проводники указанной площади не имеют изоляции, то допустимые плотности тока будут соответственно 12,5 и 5,6 ампер на кв.мм.

С чем же связано понижение допустимой плотности тока для проводников большего сечения? Дело в том, что проводники с существенной площадью поперечного сечения, в отличие от проводников малого сечения, имеют больший объем проводящего материала расположенного внутри, и получается что внутренние слои проводника сами окружены нагревающимися слоями, которые мешают отводу тепла изнутри.

Чем больше площадь поверхности проводника по отношению к его объему, — тем большую плотность тока способен выдержать проводник не перегреваясь. Неизолированные проводники допускают нагрев до более высокой температуры, так как от них тепло отводится прямо в окружающую среду, изоляция этому не препятствует, и охлаждение происходит быстрее, поэтому для них допускается более высокая плотность тока чем для проводников в изоляции.

Если превысить допустимый для проводника ток, он начнет перегреваться, и в какой-то момент его температура окажется чрезмерной. Изоляция обмотки электродвигателя, генератора или просто проводки, может в таких условиях обуглиться или загореться, что приведет к короткому замыканию и пожару. Если же говорить о неизолированном проводе, то он при высокой температуре может просто расплавиться и разорвать цепь, в которой служит проводником.

Превышение допустимого тока принято предотвращать. Поэтому в электрических установках обычно принимают специальные меры с целью автоматического отключения от источника питания той части цепи или того электроприемника, в котором случилась перегрузка по току или короткое замыкание. Для этого служат автоматические выключатели, плавкие предохранители и другие устройства, несущие аналогичную функцию — разорвать цепь при перегрузке.

Из закона Джоуля-Ленца следует, что перегрев проводника может произойти не только из-за превышения тока через его поперечное сечение, но и из-за более высокого сопротивления проводника. По этой причине для полноценной и надежной работы любой электрической установки крайне важно сопротивление, особенно в местах соединения друг с другом отдельных проводников.

Если проводники соединены не плотно, если их контакт друг с другом не качественный, то сопротивление в месте соединения (так называемое переходное сопротивление в месте контакта) окажется выше чем для цельного участка проводника той же длины.

В результате прохождения тока через такое некачественное, не достаточно плотное соединение, место данного соединения будет перегреваться, что чревато возгоранием, выгоранием проводников или даже пожаром.

Чтобы этого избежать, концы соединяемых проводников надежно зачищают, облуживают и оснащают кабельными наконечниками (впаивают или прессуют) или гильзами, которые обеспечивают запас на переходное сопротивление в месте контакта. Такие наконечники можно плотно закрепить на клеммах электрической машины при помощи болтов.

К электрическим аппаратам, предназначенным для включения и выключения тока, также применяют меры по уменьшению переходного сопротивления между контактами.

Ранее ЭлектроВести писали, что л уганские энергетики объявиляли амнистию своим сотрудникам, которые воруют электроэнергию.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector