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.

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:

ω = j • E = ϭ E²,

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.

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:

Q = ∫ k • I² • R • t,

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.

формула и определение, в чем измеряется, открытие закона

Закон Джоуля-Ленца — часто используемый физический закон при расчетах потерь тепла в доме или при создании таких электроприборов как ламп. Более подробная информация о том, что это такое, какую имеет формулировку, в чем измеряется количественная величина теплового действия электротока, какой формулой выражается закон джоуля ленца далее.

Что это за закон

Закон джоуля ленца определение гласит, что это физический норматив, который определяет количественный вид меры теплового действия электротока. В девятнадцатом столетии, вне зависимости друг от друга Джоуль с российским ученым Ленцем стали изучать, как нагреваются проводники в момент прохождения электротока и нашли некую закономерность. Они узнали, что в момент прохождения электротока по проводниковому элементу получается тепло, которое равно силе тока, времени и проводниковому сопротивлению.

Обратите внимание! Это закономерность была названа законом в честь двух ученых. Стоит указать, что эта закономерность активно используется с момента открытия и по сегодняшний день и помогает решить многие вопросы, связанные с электрикой.

История появления формулировки закона ученых

Формулировка

Закон джоуля ленца формулировка словесно выглядит следующим образом: мощность тепла, которая выделяется в проводниковом элементе в момент протекания в нем электротока имеет пропорциональную зависимость умножения плотности электрополя на напряженность.

Его по-другому можно сформулировать так: энергия, протекая по проводнику, перемещает электрозаряд в электрополе. Так, электрополе совершает работу. Работа производится благодаря проводниковому нагреванию. Энергия превращается в тепло.

Однако, из-за чрезмерного проводникового нагрева при помощи тока и электрооборудования, может повредиться проводка и сами аппараты. Сильное перегревание опасно, когда есть короткое замыкание в проводах. Из-за этого проводники могут иметь большое токовое значение.

Что касается интегральной формы тонких проводников правило или уравнение Джоуля — Ленца звучит так: то тепло, которое выделяется за время в конкретном участке электроцепи, определяется квадратным произведением токовой силы на сопротивление участка.

Обратите внимание! Закон Джоуля-Ленца обладает достаточно общим характером, потому что не имеет зависимости от природы, силу которой генерирует электроток.

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

Упрощенная формулировка

В чем измеряется

Единица теплового измерения это джоуль. Формула состоит из напряжения, измеряемого в вольтах, силы тока, измеряемого в амперах, и времени, измеряемой в секундах. Тогда выходит, что показатели будут измеряться в джоулях или одном вольте, перемноженном на ампер и секунду.

Единица измерения тепла, выделяемого электричеством

Какой формулой выражается

На данный момент существует две формулы по математическому нормативу двух ученых, в дополнение к теме, как найти джоуль формула. Согласно первой, нужно перемножить напряженность с плотностью электрического поля, а согласно второй, нужно сделать интеграл из произведения теплового эквивалента работы, количества выделяемого тепла, величины тока, активного проводникового сопротивления и времени. Величина будет определена, в зависимости от того, какая разрядность у единиц, в которых измеряются значения формулы.

Формула выражения математического и физического закона

Где и как используется

Закон Джоуля-Ленца используется активно в электрике, электродинамике и других сферах физики. Он применяется как в быту, так и в промышленности.

К примеру, благодаря нему создаются лампы накаливания и электронагревательные приборы. В них находится нагревательный элемент, выступающий в роли проводника, имеющего высокое сопротивления. Благодаря этому элементу локализовано выделяется тепло на участке. Оно будет выделяться в момент повышения сопротивления с увеличением проводниковой длины и выбором конкретного сплава.

Обратите внимание! Также используется для просчета снижения энергопотерь. Выделение тепла из тока приводит к тому, что снижается энергия. В момент ее передачи, мощность линейным образом зависит от показателя напряжения с силой тока, а нагревание зависит от токовой силы квадратичным образом. По этой причине при повышении напряжения и понижении силы тока до подачи электрической энергии, это действие будет выгодным. В момент повышения показателя напряжения снизится электробезопасность. Чтобы повысить электробезопасность, нужно повысить сопротивление нагрузки и сетевое напряжение.

Стоит указать, что он влияет на подбор проводников для электроцепей, поскольку из-за неправильного выбора может начать сильно нагреваться проводник, а также начать возгораться. Это происходит при превышении допустимых значений силы тока и выделении небольшого количества энергии. Нагрев проводников вредный, поэтому теряется энергия и передается тепло от источника к пользователю.

Чтобы уменьшить эту потерю, сила тока уменьшается и повышается напряжение источника с остатком передаваемой мощности. Во избежание изоляционного электропробоя, она поднимается на высоту на высоковольтной линии электрической передачи, которая связывает большие электрические станции с городскими и поселочными пунктами.

Сфера применения

В целом, закон Джоуля-Ленца — норма, придуманная двумя учеными, чтобы установить, какое тепло отдает электрический ток. Данное тепло выражается через перемноженное выражение удвоенной силы тока, времени, и сопротивления проводника и измеряется в вольтах, умноженных на ампер и секунду. Используется активно как в быту, так и в промышленности, как при изучении фактора тепловой потери, так и при создании ламп накаливания и электронагревательных установок. Нередко применяется в момент выбора между проводами электроцепи.

Урок 30. закон джоуля-ленца. эдс — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 30. Закон Джоуля — Ленца. ЭДС

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Работа электрического тока;

2) Мощность электрического тока;

3) Закон Джоуля — Ленца;

4) Сторонние силы;

5) Электродвижущая сила.

Глоссарий по теме

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения на этом участке и времени, в течении которого совершалась работа.

Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением электростатических (кулоновских) сил, называются сторонними силами.

Электродвижущая сила (ЭДС) в замкнутом проводящем контуре равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к этому заряду.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

1. Г.Я. Мякишев., Б.Б.Буховцев., Н.Н.Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 343 – 347.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа,2009.- 68 – 74.

Дополнительная литература.

http://kvant.mccme.ru/1972/10/zakon_dzhoulya-lenca.htm

Основное содержание урока

При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу, равную произведению заряда, прошедшего через проводник, и напряжения.

Сила тока равна отношению заряда прошедшего через проводник ко времени прохождения

Выразим заряд из формулы силы тока

через силу тока и время:

после подстановки в формулу (1) получим

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток.

Из закона Ома для участка цепи выразим напряжение через силу тока и напряжение

и подставив в формулу работы получим:

При последовательном соединении проводников для определения работы тока удобнее пользоваться этой формулой, так как сила тока одинакова во всех проводниках.

При параллельном соединении проводников формулой:

так как напряжение на всех проводниках одинаково.

Работа тока показывает, сколько электроэнергии превратилось в другие виды энергии за конкретный период времени. Для электроэнергии справедлив закон сохранения энергии.

Мощность определяется по формуле:

Мощность тока равна отношению работы тока ко времени прохождения тока.

Так же формулу для мощности можно переписать в нескольких эквивалентных формах:

Если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химических действий, то происходит только нагревание проводника.

Электрическое поле действует с силой на свободные электроны, которые начинают упорядоченно двигаться, одновременно участвуя в хаотическом движении, ускоряясь в промежутках между столкновениями с ионами кристаллической решетки. Во время этих столкновений расходуется кинетическая энергия заряженных частиц. Именно эта энергия и становится теплом. Последующие столкновения электронов с другими ионами увеличивают амплитуду их колебаний и соответственно температуру всего проводника.

В неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии:

Количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику:

При последовательном соединении большее количество теплоты выделяется в проводнике с большим сопротивлением, а при параллельном соединении – с меньшим.

Измерения, приводящие к закону Джоуля-Ленца, можно выполнить, поместив в калориметр с водой проводник с известным сопротивлением и пропуская через него ток определенной силы в течение известного времени. Количество выделяющейся при этом теплоты определяют, составив уравнение теплового баланса.

Если соединить проводником два металлических шарика, несущих заряды противоположных знаков, под влиянием электрического поля этих зарядов в проводнике возникает кратковременный электрический ток. Заряды быстро нейтрализуют друг друга, и электрическое поле исчезнет.

Чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство, которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. В таком устройстве на заряды, должны действовать силы неэлектростатического происхождения. Одно лишь электрическое поле заряженных частиц не способно поддерживать постоянный ток в цепи.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (то есть кулоновских), называют сторонними силами. Необходимости сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи объясняет закон сохранения энергии.

Электростатическое поле потенциально. Работа этого поля при перемещении в нем заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — проводник нагревается. Следовательно, в цепи должен быть какой-то источник энергии, поставляющий ее в цепь. Работа этих сил вдоль замкнутого контура отлична от нуля. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во внешней цепи их приводит в движение электрическое поле.

Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной, называемой электродвижущей силой (сокращенно ЭДС).

Электродвижущая сила источника тока равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к величине этого заряда:

Электродвижущую силу выражают в вольтах.

Разбор тренировочных заданий

1. Электрочайник со спиралью нагревательного элемента сопротивлением 30 Ом включен в сеть напряжением 220 В. Какое количество теплоты выделится в нагревательном элемента за 5 мин?

1) 7260000 Дж;

2) 2200 Дж;

3) 484000 Дж.

Дано:

R=30Ом

U=220B

t=5мин=300с

Найти Q-?

Решение. Количество теплоты выделяемой нагревательным элементом определяется законом Джоуля – Ленца:

Правильный ответ 3) 484000 Дж.

2. Определите работу сторонних сил при перемещении по проводнику заряда 10 Кл, если ЭДС равно 9 В. Ответ округлите до десятых.

Дано:

q=10Кл

=9В

Найти: А_ст

Решение. Из формулы ЭДС выражаем

Правильный ответ: 90 Дж.

Закон Джоуля-Ленца | Частная школа. 8 класс

Конспект по физике для 8 класса «Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца». Как можно объяснить нагревание проводников электрическим током. Как вычислить работу электрического тока. В чём заключается закон Джоуля—Ленца.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

---

Работа электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца

Каждый день мы пользуемся электрическими бытовыми приборами и не раз замечали, что во время работы они нагреваются независимо от того, включены ли они в сеть или питаются от аккумулятора. С чем это связано?

ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрический ток, протекая по проводнику, вызывает его нагревание. Причина нагревания проводников электрическим током состоит в том, что свободные электроны в металлах (или ионы в растворах или расплавах электролитов), двигаясь под действием электрических сил, взаимодействуют с ионами (атомами) вещества проводника. В результате этого взаимодействия часть кинетической энергии движущихся электронов или ионов передаётся ионам кристаллической решётки. Это приводит к увеличению внутренней энергии проводника, т. е. увеличению его температуры. Энергию движущихся электрических зарядов принято называть энергией электрического тока или электрической энергией.

РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрические силы в проводнике совершают работу по переносу заряда. Напряжение на участке цепи есть не что иное, как отношение работы А электрических сил по переносу положительного заряда q к значению этого заряда: U = A/q

Зная напряжение между концами проводника и перемещённый заряд, можно записать эту работу как А = qU.

Значение перемещённого заряда q за время t можно получить, зная силу тока в цепи I: q = It.

Следовательно, А = Ult.

Работу электрического поля называют работой тока. Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого протекал ток. Работа электрического тока показывает, сколько электрической энергии превратилось в другие виды энергии.

Например, нагревание металлического проводника, поворот рамки с током — это примеры работы электрического тока, когда электрическая энергия превращается в другой вид энергии (внутреннюю, механическую и т. д.).

Единицей работы является джоуль (1 Дж). 1 Дж = 1 В • 1 А • 1 с.

Электрическая энергия, используемая потребителями тока, измеряется работой тока в этих потребителях. Для учёта совершённой работы служат счётчики — специальные устройства, сочетающие в себе три прибора: амперметр, вольтметр и часы.

Внутри счётчика имеется небольшой электродвигатель, диск которого начинает вращаться, если через счётчик проходит ток. При этом скорость вращения диска пропорциональна силе тока и напряжению. Количество оборотов диска подсчитывается счётным механизмом. Затраты электроэнергии в конечном счёте и определяются числом оборотов диска.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

Если на участке цепи, по которому протекает электрический ток, не совершается механическая работа и не происходят химические превращения вещества, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника, т. е. при протекании тока по проводнику происходит превращение электрической энергии в тепловую. При этом по закону сохранения энергии количество теплоты Q, выделяемое проводником с током, будет равно работе электрического тока А:   Q = А.

Известно, что А = Ult, тогда и Q = Ult. Учитывая закон Ома U = IR, получаем Q = IRIt, или Q = PRt.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени его протекания.

Этот закон был экспериментально установлен английским учёным Джеймсом Джоулем и независимо от него российским учёным Эмилием Ленцем, поэтому носит название закона Джоуля—Ленца.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАКОНА ДЖОУЛЯ—ЛЕНЦА ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ И ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ ПРОВОДНИКОВ

При последовательном соединении сила тока во всех проводниках одинакова, поэтому для вычисления количества теплоты, выделяющейся в отдельных проводниках, удобнее пользоваться формулой Q = I²Rt.

Она показывает, что при последовательном соединении нескольких проводников в каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению проводника.

При параллельном соединении напряжение на концах проводников одинаково, поэтому удобнее пользоваться формулой Q = U²t/R

Она показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника.

Эмилий Христианович Ленц (1804—1865) — российский физик и электротехник, основные работы относятся к области электричества и магнетизма.

 

---

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Просмотров: 2 835

Закон Джоуля-Ленца — формула, применение на практике, вывод

Этот урок посвящён изучению теплового действия электрического тока. Мы проведём ряд опытов, демонстрирующих зависимость количества теплоты от силы тока и сопротивления, а также  рассмотрим закон Джоуля – Ленца

Блок: 1/8 | Кол-во символов: 209
Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/belektricheskie-yavleniyab/nagrevanie-provodnikov-elektricheskim-tokom-zakon-dzhoulya-lentsa-grebenyuk-yu-v?konspekt=

Введение

Мы уже знаем, что при прохождении тока через электрическую лампочку её спираль нагревается и излучает видимый свет. Таким образом, мы наблюдаем тепловое действие электрического тока. Благодаря этому действию, нагреваются, например, утюг или чайник. Но при работе вентилятора или пылесоса практически не наблюдается тепловое действие, также в нормальном состоянии слабо греются провода. На этом уроке, тема которого: «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля – Ленца», мы определим, от чего зависит тепловое действие электрического тока.

Блок: 2/8 | Кол-во символов: 562
Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/belektricheskie-yavleniyab/nagrevanie-provodnikov-elektricheskim-tokom-zakon-dzhoulya-lentsa-grebenyuk-yu-v?konspekt=

Определения

В словесной формулировке звучит следующим образом:

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:

где  — мощность выделения тепла в единице объёма,  — плотность электрического тока,  — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды, а точкой обозначено скалярное произведение.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах:

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

где  — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени ,  — сила тока,  — сопротивление,  — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от до . В случае постоянных силы тока и сопротивления:

Применяя закон Ома, можно получить следующие эквивалентные формулы:

Блок: 2/5 | Кол-во символов: 1115
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%94%D0%B6%D0%BE%D1%83%D0%BB%D1%8F_%E2%80%94_%D0%9B%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B0

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.

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:

Q = ∫ k • I² • R • t,

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.

Блок: 3/4 | Кол-во символов: 1521
Источник: https://pue8.ru/elektrotekhnik/823-zakon-dzhoulya-lentsa-opredelenie-formula-fizicheskij-smysl.html

Формула Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на  всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q=I2Rt

где

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Блок: 3/6 | Кол-во символов: 1135
Источник: https://www.RusElectronic.com/zakon-dzhoulja-ljentsa/

Применение и практический смысл

Непосредственное превращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономически выгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современного человечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборы продолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

• электрочайники;
• утюги;
• фены;
• варочные плиты;
• паяльники;
• сварочные аппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

Закон Джоуля-Ленца без преувеличения можно назвать гениальным. Это один из тех законов, которые повлияли на развитие электротехники.

Блок: 4/4 | Кол-во символов: 1209
Источник: https://www.asutpp.ru/zakon-dzhoulya-lentsa.html

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

Из формулы также следует –  чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление  0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге –  подгорание с последующим пропаданием контакта.

Блок: 4/6 | Кол-во символов: 1255
Источник: https://www.RusElectronic.com/zakon-dzhoulja-ljentsa/

Опыты Ленца

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать  электрические цепи. В 1832 году  Эмилий Ленц “застрял” с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи “источник энергии – проводник – потребитель энергии” сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что  существует некая  зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением  и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало – невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший “нагреватель” – стеклянная ёмкость, в которой находился  спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена  были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося  раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся – тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Блок: 2/6 | Кол-во символов: 2044
Источник: https://www.RusElectronic.com/zakon-dzhoulja-ljentsa/

Итоги урока

На этом уроке мы узнали о том, что прохождение тока в проводнике сопровождается выделением тепла, при этом количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Таким образом, мы сформулировали закон Джоуля – Ленца.

Блок: 5/8 | Кол-во символов: 337
Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/belektricheskie-yavleniyab/nagrevanie-provodnikov-elektricheskim-tokom-zakon-dzhoulya-lentsa-grebenyuk-yu-v?konspekt=

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины – первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна , данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.

Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную  колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали  незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку

Блок: 5/6 | Кол-во символов: 1219
Источник: https://www.RusElectronic.com/zakon-dzhoulja-ljentsa/

Задача из ЕГЭ

По проводнику сопротивлением R течёт ток I. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в проводнике в единицу времени, если его сопротивление увеличить в два раза, а силу тока уменьшить в два раза? Варианты ответа: а) увеличится в два раза; б) уменьшится в два раза; в) не изменится; г) уменьшится в восемь раз.

Решение

Воспользуемся законом Джоуля – Ленца:

 

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике в единицу времени, равно:

 

Так как сопротивление увеличивается в два раза, а сила тока уменьшается в два раза:

 

 

Следовательно, новое значение количества теплоты будет равно:

 

  

Ответ: б) уменьшится в два раза

Блок: 6/8 | Кол-во символов: 651
Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/belektricheskie-yavleniyab/nagrevanie-provodnikov-elektricheskim-tokom-zakon-dzhoulya-lentsa-grebenyuk-yu-v?konspekt=

Заключение

Таки образом, можно сказать что на законе Джоуля-Ленца держится чуть ли не вся электрика и электротехника. Открыв этот закон, появилась возможность уже заранее предсказать  некоторые будущие проблемы в освоении электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери  нужно занизить передаваемый ток, компенсируя это высоким напряжением. А уже на оконечном потребителе, понижать напряжение и получать более высокий ток.

Закон Джоуля-Ленца неотступно следует из одной эпохи технологического развития  в другую. Даже сегодня мы постоянно наблюдаем его в быту – закон проявляется всюду, и не всегда люди ему рады. Сильно греющийся процессор персонального компьютера, пропадание света из-за обгоревшей скрутки  «медь-алюминий»,выбитая вставка-предохранитель, выгоревшая из-за высокой нагрузки электропроводка – всё это тот самый закон Джоуля-Ленца.

Блок: 6/6 | Кол-во символов: 993
Источник: https://www.RusElectronic.com/zakon-dzhoulja-ljentsa/

Решение задач

Задача 1

Определите длину нихромового провода, с площадью сечения 0,25 , из которого изготовлен нагреватель электрического чайника. Чайник питается от сети напряжением 220 В и нагревает 1,5 литра воды от  до  за 10 минут. КПД чайника составляет .

Дано: ; ; ; ; ; ;  – теплоёмкость воды;  – плотность воды;  – удельное сопротивление нихрома;  

Найти:l

Решение

Так как вся электрическая энергия идёт на нагревание воды, то воспользуемся законом Джоуля – Ленца:

 

Отсюда сопротивление проводника (нихромового провода) Rравно:

 

Также сопротивление проводника можно вычислить по формуле:

 

Приравняем сопротивление в обеих формулах и выразим длину проводника (l):

  

  

В этой формуле неизвестно количество теплоты, то есть мощность чайника. Найдём её, зная, что чайник нагревает 1,5 л воды от от  до  за 10 минут.

 

 

Так как не вся теплота идёт на нагревание, то необходимо учитывать КПД чайника, равный:

 

Отсюда общее количество теплоты () будет равно:

 

Подставим значение   в формулу для длины проводника:

 

Проверив единицы измерения, подставляем известные значения:

 

Ответ:  

Задача 2

С какой целью провода в местах соединения не просто скручивают, но ещё и спаивают? Ответ обоснуйте.

Решение

Рис. 4. Иллюстрация к задаче

Сила тока в обоих проводах одинакова, так как проводники соединены последовательно (см. Рис. 4):

 

 

Если место контакта двух проводников не будет спаяно, то его сопротивление будет достаточно большое, по сравнению с сопротивлением самих проводников. Следовательно, в месте контакта будет выделяться наибольшее количество теплоты, что приведёт к расплавлению места контакта и размыканию электрической цепи. Поэтому провода в местах соединения не просто скручивают, но ещё и спаивают с целью уменьшения сопротивления.

Задача 3

Какой длины нихромовый провод нужно взять, чтобы изготовить электрический камин, работающий при напряжении 120 В и выделяющий 1 МДж теплоты в час? Диаметр провода 0,5 мм.

Дано: ; ; ;  ;

Найти:l

Решение

Так как вся электрическая энергия расходуется на нагревание, то согласно закону Джоуля-Ленца:

 

Отсюда сопротивление провода равно:

 

Также сопротивление проводника можно вычислить по формуле:

 

Приравняем сопротивление в обеих формулах и выразим длину проводника (l):

 

 

В этой формуле неизвестна площадь сечения проволоки. Зная диаметр проволоки, вычислим площадь сечения проволоки по формуле площади круга:

  

Подставим значение в формулу для длины проводника:

 

Проверив единицы измерения, подставляем известные значения:

 

Ответ:

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Домашнее задание

1. В чем проявляется тепловое действие тока?
2. Как можно объяснить нагревание проводника с током?
3. Известно, что безопасным для человека является постоянный ток 100 мкА. Какое количество теплоты выделится за 1 мин в теле человека при прохождении тока от конца одной руки до конца другой руки (при сухой коже), если сопротивление этого участка равно 15000 Ом?
4. Участок цепи состоит из двух резисторов сопротивлением 8 Ом каждый, соединенных параллельно. Сила тока в цепи – 0,3 А. Какое количество теплоты выделится в участке за 1 мин?
5. Сколько электроэнергии потребляет электрический утюг за 4 ч работы, если он включен в сеть напряжением 220 В при силе тока 4,55 А?

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Блок: 8/8 | Кол-во символов: 3560
Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/belektricheskie-yavleniyab/nagrevanie-provodnikov-elektricheskim-tokom-zakon-dzhoulya-lentsa-grebenyuk-yu-v?konspekt=

Кол-во блоков: 20 | Общее кол-во символов: 20988
Количество использованных доноров: 5
Информация по каждому донору:

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%94%D0%B6%D0%BE%D1%83%D0%BB%D1%8F_%E2%80%94_%D0%9B%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B0: использовано 2 блоков из 5, кол-во символов 3640 (17%)
2. https://pue8.ru/elektrotekhnik/823-zakon-dzhoulya-lentsa-opredelenie-formula-fizicheskij-smysl.html: использовано 2 блоков из 4, кол-во символов 1809 (9%)
3. https://www.asutpp.ru/zakon-dzhoulya-lentsa.html: использовано 1 блоков из 4, кол-во символов 1209 (6%)
4. https://interneturok.ru/lesson/physics/8-klass/belektricheskie-yavleniyab/nagrevanie-provodnikov-elektricheskim-tokom-zakon-dzhoulya-lentsa-grebenyuk-yu-v?konspekt=: использовано 6 блоков из 8, кол-во символов 7684 (37%)
5. https://www.RusElectronic.com/zakon-dzhoulja-ljentsa/: использовано 5 блоков из 6, кол-во символов 6646 (32%)

4.5. Мощность тока. Закон Джоуля

Рассмотрим произвольный участок цепи постоянного тока, к концам которого приложено напряжение U. За время t через каждое сечение проводника проходит заряд . Это равносильно тому, что заряд q переносится за время t из одного конца проводника в другой.

При этом силы электростатического поля и сторонние силы, действующие на данном участке, совершают работу . Разделив работу на время t, за которое она совершается, получим мощность, развиваемую током на рассматриваемом участке .

Эта мощность может расходоваться на совершение работы над внешними телами; на протекание химических реакций; на нагревание данного участка цепи и др.

В случае, когда проводник неподвижен и химических превращений в нем не совершается, работа тока затрачивается на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается. Принято говорить, что при протекании тока в проводнике выделяется тепло

                                          (4.1)      

Это соотношение называется законом Джоуля — Ленца. Оно было экспериментально установлено английским физиком Д. П. Джоулем и подтверждено точными опытами Э. Х. Ленца.

Если сила тока изменяется со временем, то количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время t, вычисляется по формуле

.

От формулы (4.1), можно перейти к выражению, характеризующему выделение тепла в различных точках проводника. Выделим в проводнике элементарный объем в виде цилиндра. Согласно закону Джоуля — Ленца, за время dt, в этом объеме выделится количество теплоты

,

где — dV элементарный объем. Разделив это выражение на dV и dt, найдем количество теплоты, выделяющееся в единице объема в единицу времени:

.

Величину называют удельной тепловой мощностью тока. Эта формула представляет собой дифференциальную форму закона Джоуля — Ленца.

---

Вопросы

1) В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока
2) Напишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах

7.1. Оборачиваемость электрической и тепловой энергии. Закон Джоуля-Ленца

7.1. Оборачиваемость электрической и тепловой энергии. Закон Джоуля-Ленца

Многочисленные опыты, проведенные в конце XVIII – начале XIX века, позволили не только установить основные свойства и законы электричества, но и сформулировать эпохальный по своей значимости вывод об эквивалентности между теплотой и механической работой: работа, или, как впоследствии стали формулировать, «энергия», никогда не теряется, а лишь переходит из одного вида в другой. Этот вывод, получивший впоследствии название закона сохранения и превращения энергии (см. подраздел 1.2), и заключался в том, что теплоту можно обратить в механическую работу и наоборот и что из определенного количества теплоты можно получить только определенное количество механической работы. Можно привести тысячи примеров, когда с помощью этого закона нашли свое объективное толкование результаты опытов в различных областях естествознания.

Основными положениями закона сохранения энергии воспользовались и электротехники при определении, например, количества тепловой энергии, выделяющегося в гальванической батарее вследствие химической реакции и превращающегося впоследствии в электрическую энергию. Однако особенность электрической энергии состоит в том, что само по себе электричество неприменимо. Человечество не может использовать его непосредственно подобно тому, как оно согревается теплотой, видит благодаря свету и т.п. Можно пользоваться только действием электрического тока, при котором электричество переходит в другие формы энергии.

Одним из первых глубоко исследовал свойства электрического тока в 1801–1802 годах петербургский академик В.В. Петров (1761– 1834), который провел множество экспериментов по изучению неизвестных в то время законов электрического тока. Изучив работы своих предшественников, Петров пришел к выводу, что более полное и всестороннее исследование электрического тока возможно лишь с помощью крупных гальванических батарей, действие которых будет более интенсивным и легче наблюдаемым. Для своих опытов Петров построил самую крупную в мире в те годы батарею из 4200 медных и цинковых кружков, уложенных в четырех деревянных ящиках, и получил от нее электродвижущую силу около 1700 вольт. Благодаря «лежачей» конструкции тяжелые металлические кружки не выдавливали жидкости, которой пропитывались бумажные кружки, разделяющие цинковые и медные элементы. Для изоляции он покрыл внутренние стенки ящиков сургучным лаком. Общая длина батареи составила 12 м. Все это позволило ему построить «огромную наипаче» батарею, которой не знал ещё мир. Уже в 1801 году он нашел зависимость силы тока от поперечного сечения проводника, в то время как немецкий физик Ом, работавший над этими проблемами, опубликовал результаты своих опытов только в 1827 году. Очень скоро им было замечено, что при прохождении электрического тока по проводнику последний нагревается.

В своих работах В.В. Петров описывает опыты по электролизу растительных масел, в результате которых он обнаружил высокие электроизоляционные свойства этих масел. Позднее масла получили широкое применение в качестве электроизоляционного материала. Желая продемонстрировать явление электролиза одновременно в нескольких трубках с водой, Петров впервые применил параллельное соединение приемников электрического тока. Работы этого выдающегося ученого установили возможность практического использования электрического тока для нагревания проводников.

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) – известный российский физик и электротехник, академик Петербургской академии наук, ректор Петербургского университета – родился в Дерпте (ныне Тарту, Эстония) в семье чиновника. После второго курса Дерптского университета отправился в 1823 году в трехлетнее кругосветное плавание. С помощью сконструированных им приборов (глубометра и батометра) занимался физическими исследованиями в водах Берингова пролива, Тихого и Индийского океанов, установил происхождение теплых и холодных морских течений, открыл закон океанических циркуляций. В 1829 г. принял участие в экспедиции на Кавказ, где проводил магнитные, термометрические и барометрические измерения в горных районах Кавказа и на побережье Каспийского моря. В 1830 году был назначен экстраординарным профессором и директором физического кабинета при Петербургской АН, в 1836 г. возглавил кафедру физики в Петербургском университете, а в 1863 г. стал ректором этого университета. Основные его работы посвящены электромагнетизму, вопросам теории и практического применения электричества, исследования в области которого Ленц начал в 1831 году в лаборатории первого русского электротехника – академика В.В. Петрова. Ленц стоял у истоков первой в России школы физиков-электротехников, последователями которой стали А.С. Попов, Ф.Ф. Петрушевский, В.Ф. Миткевич и др.

Зависимость количества выделяемой теплоты от силы тока изучали английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Ленц. Они пропускали ток по спирали, помещенной в калориметр с водой. Через некоторое время вода нагревалась. По её температуре легко было вычислить количество выделившейся теплоты. Из проведенных опытов практически одновременно Джоуль и Ленц пришли к выводу, что при прохождении гальванического тока I по проводнику, обладающему определенным сопротивлением R, в течение времени t совершается работа А :

А = I 2 Rt,

проявляющаяся в виде выделившейся теплоты.

Этот важнейший вывод обратимости электрической и тепловой энергии, теоретически обоснованный Уильямом Томсоном, получил название закона Джоуля–Ленца, а именем Джоуля названа единица механической работы в системе СИ.

Комбинируя проводники различного сопротивления, включенные последовательно в общую цепь, можно добиться концентрированного выделения большого количества теплоты на малом участке проводника с большим сопротивлением. На таком концентрировании выделения теплоты были основаны все первоначальные опыты превращения энергии электрического тока в тепловую и даже в световую энергию.

Всю свою жизнь В.В. Петров – член двух академий – прожил скромно и незаметно. 41 год он проработал в Медико-хирургической академии. За это время он провел много физических опытов, написал три книги и учебник по физике, которым пользовались в гимназиях всей России. Книги и научные статьи Петров писал на русском языке, чтобы их читало как можно больше людей, хотя в то время научные работы было принято писать на латыни. Он писал: «Я надеюсь, что просвещенные и беспристрастные физики по крайней мере некогда согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает».

 

Мощность

— Закон Джоуля – Ленца .. Забытая история?

Закрыт . Этот вопрос основан на мнении. В настоящее время он не принимает ответы.

---

Хотите улучшить этот вопрос? Обновите вопрос, чтобы на него можно было ответить с помощью фактов и цитат, отредактировав это сообщение.

Закрыт 3 года назад.

Мы все или должны быть хорошо знакомы с этим рисунком.

Это, конечно, магический треугольник, используемый для обозначения закона Ома.

Мы все должны быть хорошо знакомы с подобным треугольником власти.

Что мне любопытно, так это то, что все мы сразу узнаем закон Ома и говорим о нем, но мне интересно, сколько именно из нас знает, кто несет ответственность за треугольник власти.

Даже хорошие учебные страницы, подобные этой, бойко рассказывают о законе Ома, а затем блуждают в треугольнике власти, как будто он каким-то образом является его частью. Фактические создатели никогда не упоминаются.

На самом деле закон P = IV является результатом нагрева Джоуля, первого закона Джоуля, также известного как закон Джоуля – Ленца, независимо открытого Джеймсом Прескоттом Джоулем и Эмилем Ленцем в 1842 году.

Почему Георгу Ому уделяется столько внимания, в то время как Джоуль и Ленц с законом, который, на мой взгляд, не менее важен, чем закон Ома, отодвинуты на задний план?

Стоит задаться вопросом, кто с кем спал, чтобы его либо узнали, либо забыли.

Я понимаю, что это похоже на вопрос для обсуждения, но я действительно хочу знать, есть ли какая-то причина не называть это тем, что есть. Я понимаю, что Первый закон Джоуля — это гораздо более обширная работа, чем просто электрическое нагревание. Возможно, в этом проблема.

Без каких-либо оснований для обратного, я собираюсь сделать своей миссией использовать указанное название для формулы в будущем, как, возможно, и все мы.

PS: Интересно, что на закон здесь тоже нет ярлыка.Ленца даже нет, и единственное упоминание, которое получает Джоуль, — это «Джоуль-вор» …. вздох

PPS: Закон Ома был опубликован в 1827 году, интересно, как они вычислили, какого размера резисторы должны быть за прошедшие 15 лет …

(PDF) Квантовые аспекты закона Джоуля-Ленца

С. Ольшевски

период времени T электромагнитной волны, возникшей в результате перехода.

В качестве приложения теории были вычислены и сопоставлены классические и квантовые скорости излучения энергии в двух системах (гармонический осциллятор

и атом водорода), взятых в качестве примеров.

Ссылки

[1] Planck, M. (1910) Acht Vorlesungen ueber Theoretische Physik. Verlag S. Hirzel, Лейпциг.

[2] Эйнштейн, А. (1917) Physikalische Zeitschrift, 18, 121.

[3] Ван дер Варден, Б. (1968) Источники квантовой механики. Дувр, Нью-Йорк.

[4] Шифф Л. И. (1968) Квантовая механика. 3-е издание, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

[5] Слейтер, Дж. К. (1960) Квантовая теория атомной структуры. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

[6] Бете Х.А. и Джекив Р. (1969) Промежуточная квантовая механика. Бенджамин, Нью-Йорк.

[7] Ласс, Х. (1950) Векторный и тензорный анализ. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

[8] Матвеев А. Н. (1964) Электродинамика и теория относительности. Изд. Wyzszaja Szkola, Москва.

[9] Гейзенберг В. (1927) Zeitschrift fuer Physik, 43, 172–198.

http://dx.doi.org/10.1007/BF01397280

[10] Зоммерфельд А. (1939) Atombau und Spektrallinien, Vol. 2.2-е издание, Vieweg, Брауншвейг.

[11] Tomonaga, S.-I. (1962) Квантовая механика. Interscience, Нью-Йорк.

[12] Шоммерс В. (1989) Пространство-время и квантовые явления. В: Schommers, W., Ed., Quantum Theory and Pictures

of Reality, Springer, Berlin, 217-277. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-95570-9_5 ​​

[13] Bunge, M. (1970) Canadian Journal of Physics, 48, 1410-1411. http://dx.doi.org/10.1139/p70-172

[14] Олкок, Г. (1969) Annals of Physics, 53, 253-285.http://dx.doi.org/10.1016/0003-4916(69)

-6

[15] Айзекс А. (1990) Краткий физический словарь. Издательство Оксфордского университета, Оксфорд.

[16] Вайнберг С. (2013) Лекции по квантовой механике. Издательство Кембриджского университета, Кембридж.

[17] Джаммер М. (1966) Концептуальное развитие квантовой механики. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

[18] Ruark, A.E. (1928) Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 14, 322-328.

http://dx.doi.org/10.1073/pnas.14.4.322

[19] Флинт, H.E. (1928) Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 117, 630-

637. http://dx.doi.org/10.1098/rspa.1928.0025

[20] Flint, H.E. и Ричардсон, О. (1928) Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering

Sciences, 117, 637-649. http://dx.doi.org/10.1098/rspa.1928.0026

[21] Ольшевский С. (2011) Journal of Modern Physics, 2, 1305-1309.http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2011.211161

[22] Ольшевский С. (2012) Журнал современной физики, 3, 217-220. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2012.33030

[23] Ольшевский С. (2012) Quantum Matter, 1, 127-133. http://dx.doi.org/10.1166/qm.2012.1010

[24] Ольшевский С. (2014) Journal of Modern Physics, 5, 1264-1271. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2014.514127

[25] Ольшевский С. (2014) Журнал современной физики, 5, 2022-2029. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2014.518198

[26] Ольшевский С. (2014) Журнал современной физики, 5, 2030-2040. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2014.518199

[27] Зоммерфельд А. (1931) Atombau und Spekrallinien. 5-е издание, т. 1, Vieweg, Брауншвейг.

[28] Гриффитс, Д.Дж. (1999) Введение в электродинамику. 3-е издание, Prentice Hall, Upper Saddle River.

[29] Макдональд А.Х. (1989) Квантовый эффект Холла. Перспектива. Клувер, Милан.

http://dx.doi.org/10.1007 / 978-94-010-9709-3

[30] Ольшевский С. (2015) Журнал современной физики, 6, 1277-1288. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2015.69133

[31] Слейтер Дж. К. (1967) Квантовая теория молекул и твердых тел, Vol. 3, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

[32] Роуз М.Е. (1961) Релятивистская электронная теория. Вили, Нью-Йорк.

[33] Айринг, Х., Уолтер, Дж. И Кимбалл, Г.Е. (1957) Квантовая химия. Вили, Нью-Йорк.

[34] Зоммерфельд А. (1949) Mechanik. 4-е издание, Akademische Verlagsgesellschaft, Лейпциг.

[35] Ландау, Л.Д. и Лифшиц Е.М. (1969) Механика. Электродинамика. Изд. Наука, Москва.

[36] Борн, М. (1933) Оптик. Спрингер, Берлин. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-99599-6

[37] Ладенбург Р. (1921) Zeitschrift für Physik, 4, 451-468. http://dx.doi.org/10.1007/BF01331244

Закон нагрева Джоуля | Electrical4U

Когда ток течет по электрической цепи, столкновение между электронами и атомами проволоки вызывает выделение тепла.Сколько тепла выделяется при протекании тока по проводу и от каких условий и параметров зависит выделение тепла? Джеймс Прескотт Джоуль, английский физик, придумал формулу, которая точно объясняет это явление. Это известно как закон Джоуля .

Что такое закон нагрева Джоуля

Тепло, выделяемое за счет протекания тока в электрическом проводе, выражается в джоулях. Теперь математическое представление и объяснение закона Джоуля дается следующим образом.

1. Количество тепла, производимого в токопроводящем проводе, пропорционально квадрату количества тока, протекающего по проводу, когда электрическое сопротивление провода и время протекания тока постоянны.
2. Количество выделяемого тепла пропорционально электрическому сопротивлению провода, когда ток в проводе и время протекания тока постоянны.
3. Тепло, выделяемое из-за протекания тока, пропорционально времени протекания тока, когда электрическое сопротивление и величина тока постоянны.

Когда эти три условия объединяются, результирующая формула выглядит так:

Здесь «H» — это тепло, выделяемое в джоулях, «i» — ток, протекающий по проводящему проводу в амперах, а «t» — это время в секундах. Уравнение состоит из четырех переменных. Когда известны какие-либо три из них, можно вычислить еще один. Здесь «J» — постоянная величина, известная как механический эквивалент тепла Джоуля. Механический эквивалент тепла можно определить как количество рабочих единиц, которые при полном преобразовании в тепло дают одну единицу тепла.Очевидно, значение J будет зависеть от выбора единиц работы и тепла. Было обнаружено, что J = 4,2 джоуля / кал (1 джоуль = 10 ⁷ эрг) = 1400 фут-фунт / CHU = 778 фут-фунт / B ThU. Следует отметить, что приведенные выше значения не очень точны, но достаточно хороши для общих работ.

Теперь, согласно закону Джоуля, I ² Rt = работа, выполненная электрически в джоулях, когда ток в 1 амперах поддерживается через резистор сопротивлением R Ом в течение t секунд.

Удаляя по очереди I и R в приведенном выше выражении с помощью закона Ома, мы получаем альтернативные формы как.

Закон Джоуля — Пояснение к видео

Если вы предпочитаете видеообъяснение, мы подробно обсудим закон Джоуля на видео ниже.

Закон Джоуля-Ленца

Эмиль Христианович Ленц (1804 — 1865) — русский физик. Он один из основоположников электромеханики. Его имя связано с открытием закона, определяющего направление индукционного тока, и закона, определяющего электрическое поле в проводнике с током.

Кроме того, Эмили Ленц и английский физик Джоуль, изучая тепловые эффекты тока независимо друг от друга, обнаружили закон, согласно которому количество тепла, выделяемого в проводнике, будет прямо пропорционально квадрату электрический ток, который проходит через проводник, его сопротивление и время, в течение которого электрический ток в проводнике остается неизменным.

Этот закон получил название закона Джоуля-Ленца, его формула выглядит следующим образом:

Q = kl²Rt, (1)

где Q — количество выделяемого тепла, l — ток, R — сопротивление проводника. , t — время; величина k называется тепловым эквивалентом работы.Числовое значение этой величины зависит от выбора единиц измерения остальных величин в формуле.

Если количество тепла измеряется в калориях, ток — в амперах, сопротивление — в Омах, а время — в секундах, то k численно равно 0,24. Это означает, что ток в 1a обеспечивает в проводнике с сопротивлением 1 Ом в секунду тепловое число, равное 0,24 ккал. Исходя из этого, количество выделяемого в проводнике тепла в калориях можно рассчитать по формуле:

Q = 0.24l²Rt.

В системе единиц СИ энергия, количество тепла и работа измеряются в единицах — джоулях. Следовательно, коэффициент пропорциональности в законе Джоуля-Ленца равен единице. В этой системе формула Джоуля-Ленца имеет вид:

Q = l²Rt. (2)

Закон Джоуля-Ленца можно проверить на опыте. Ток пропускается через проволочную спираль, погруженную в жидкость, налитую в калориметр. Затем подсчитывают количество тепла, выделяемого в калориметре. Сопротивление спирали известно заранее, ток измеряется амперметром, а время — секундомером.Изменяя ток в цепи и используя разные спирали, можно проверить закон Джоуля-Ленца.

На основе закона Ома

I = U / R,

Подставляя ток в формулу (2), получаем новое выражение для закона Джоуля-Ленца:

Q = (U² / R) t.

Удобно использовать формулу Q = l2Rt для расчета количества тепла, выделяемого при последовательном соединении, потому что в этом случае электрический ток во всех проводниках одинаков. Следовательно, когда несколько проводников соединены последовательно, каждому из них будет передано количество тепла, пропорциональное сопротивлению проводника.Если, например, последовательно соединить три провода одинакового размера — медь, железо и никель, то наибольшее количество тепла будет отдавать никель, так как его удельное сопротивление наибольшее, он сильнее и нагревается.

Если жилы соединить параллельно, то электрический ток в них будет разным, а напряжение на концах таких проводников будет одинаковым. Расчет количества тепла, которое будет выделяться при таком подключении, лучше проводить, используя формулу Q = (U² / R) t.

Эта формула показывает, что при параллельном подключении каждый проводник будет выделять столько тепла, сколько будет обратно пропорционально его проводимости.

Если вы соедините три провода одинаковой толщины — медь, железо и никель — параллельно друг другу и пропустите через них ток, то в медном проводе будет выделяться наибольшее количество тепла, и он будет нагреваться больше, чем другие.

Взяв за основу закон Джоуля-Ленца, произведем расчет различных электроосветительных установок, нагревательных и нагревательных электрических приборов.Также широко используется преобразование энергии электричества в тепло.

2 Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

(Вт) Обсуждение всего класса.

Энергия преобразование в электрических цепях.

В электрическая цепь, электрическая энергия преобразуется в другие формы энергия. Почти всегда большая или меньшая часть энергии преобразуется в тепловую (внутреннюю) энергию. В отопительных приборах это преобразование приветствуется, тогда как в других устройствах образовавшаяся тепловая энергия обычно рассматривается как нежелательный побочный эффект.

Электрический энергия

· работа на электрическом токе:

работа, выполняемая током, протекающим через данный элемент электрической цепи равна произведению напряжения на элементе и заряда, который протек через контур.

· Как для расчета работы:

работа, совершаемая электрическим током в данном элементе цепи, равна произведение напряжения на этом элементе, ток, протекающий через элемент и время потока.

(т) Объяснение учителя. Закон Джоуля-Ленца

Джоуля-Ленца закон показывает отношения, существующие между:

· В ток, протекающий по проводу.

· В тепло, выделяемое током, протекающим по проволоке.

· В сопротивление провода и…

· В время, когда ток проходит через провод.

Джоуля формула закона: Q = I ² × R × t

где:

Q — количество тепла в Джоулях (Дж)

я — электрический ток, протекающий по проводу, в амперах (А)

R — значение электрического сопротивления провода, Ом (R)

т — количество времени, в течение которого ток проходит через провод, в секундах (с).

Эффект нагрева

Джоуля закон может быть установлен как количество тепла (Q), генерируемого в проводе с сопротивление (R), когда ток (I) проходит через него в течение определенного периода времени (т).

Это тепло прямо пропорционально:

· В квадрат тока.

· В сопротивление провода.

· В время, когда ток течет по проводу.

(I) Индивидуальная работа.

· Что вызваны ли нагревательные эффекты электрическим током?

Работает например

Рассчитать количество потребляемой энергии от батареи 4,5 В, когда:
(a) через нее проходит заряд 20 C
(b) через нее протекает ток 25 мА, для

3 минуты

Решение:

Энергия = разность потенциалов x

Q = 4,5 x 20 = 90 Дж
(b) Энергия = разность потенциалов x Q =

с.d x текущее x время

Следовательно:
Энергия = 4,5 x 25×10-3 x 180 = 20,25 Дж

(ж) Формирующая оценка.

набор расчетов на электрическую энергию

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ — E-knowledge.in

Если W — это работа, проделанная в системе, а Q — количество сердца, произведенное в результате этой работы, то

Выражение J говорит, что механический эквивалент тепла — это количество единиц работы, которые должны быть выполнены в системе для производства одной единицы тепла.

Эксперимент Джоуля

Для демонстрации его эксперимента мы сначала возьмем цилиндрический калориметр из меди. Мы будем использовать систему лопаточно-лопастной, как показано выше.

Теперь заполним калориметр определенным количеством воды. Теперь мы прикрепим лопаточную систему к заполненному водой калориметру с водонепроницаемой верхней крышкой. Теперь мы прикрепим два груза известной и равной массы, как показано на рисунке выше, с помощью шкивов. Когда ручка системы вращается в любом направлении, оба груза поднимаются или опускаются вертикально в зависимости от направления вращения.

Прикрепляем две вертикальные шкалы для измерения вертикали; движения тяжестей. Мы также установили один термометр на верхней крышке системы, чтобы увидеть повышение температуры воды.

Теперь поднимем груз, вращая ручку. Подняв грузы на высоту h, мы позволяем им свободно опуститься в прежнее положение. Когда грузы падают, потенциальная энергия, накопленная в системе во время подъема грузов, высвобождается в виде кинетической энергии, которая вызывает вращение фургонов в воде.Эта работа, выполняемая в системе, приведет к выделению тепла в воде и повышению температуры воды. После того, как веса опустятся в исходное положение, мы снова поднимем их на ту же высоту h и позволим им свободно опускаться. Мы продолжаем, делая это до тех пор, пока на термометре, установленном в системе, не появится измеримая разница температур. Теперь мы можем измерить проделанную работу, умножив общий вес на высоту движения гирь, количество повторений движений гири.Будем считать, что оба груза имеют одинаковую массу m. Итак, общая масса гирь составляет 2 метра. Таким образом, работа за счет падения груза по вертикали на h метров составляет 2 мгч. Теперь скажем, всего n повторений движений веса, сделанных до повышения температуры воды до ее измеренного значения. Следовательно, общая проделанная работа будет: Здесь все n, m, g и h известны, поэтому общую проделанную работу можно легко рассчитать.

Теперь рассмотрим, M — масса воды в калориметре. W ‘- водный эквивалент калориметра.Таким образом, общее количество тепла, выделяемого из-за повышения температуры воды на θ, составляет Q = (M + W ‘) θ. Теперь, механический эквивалент тепла

После этого эксперимента, поместив все известные значения m, g, h, n, M, W ‘и θ, мы получим. Здесь в этом эксперименте потенциальная энергия падающей массы равна преобразуется в кинетическую энергию и, наконец, в тепловую энергию.

Эксперимент Фарадея

СВЯЗЬ МЕЖДУ ИНДУЦИРОВАННОЙ ЭДС И ПОТОКОМ В этом эксперименте Фарадей берет магнит и катушку и подключает к ней гальванометр.При запуске магнит находится в состоянии покоя, поэтому гальванометр не прогибается, т.е. стрелка гальванометра находится в центральном или нулевом положении. Когда магнит перемещается к катушке, стрелка гальванометра отклоняется в одном направлении. Когда магнит удерживается в неподвижном положении в этом положении, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. Теперь, когда магнит отодвигается от катушки, наблюдается некоторое отклонение стрелки, но в противоположном направлении, и снова, когда магнит становится неподвижным в этой точке относительно катушки, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение.Точно так же, если магнит удерживается неподвижно, а катушка перемещается в сторону магнита, гальванометр показывает отклонение аналогичным образом. Также видно, что чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше будет наведенная ЭДС или напряжение в катушке.

Положение магнита	Отклонение гальванометра
Магнит в состоянии покоя	Отсутствие отклонения гальванометра
Магнит движется по направлению к катушке	Отклонение гальванометра в одном направлении	90 в том же положении (рядом с катушкой)	Отсутствие отклонения гальванометра
Магнит движется от катушки	Отклонение гальванометра, но в противоположном направлении
Магнит удерживается неподвижно в том же положении (вдали от катушки)	В гальванометре нет отклонения

Заключение: Из этого эксперимента Фарадей пришел к выводу, что всякий раз, когда происходит относительное движение между проводником и магнитным полем, магнитная связь с катушкой изменяется, и это изменение потока индуцирует напряжение на катушке.
Майкл Фарадей сформулировал два закона на основе описанных выше экспериментов. Эти законы называются законами электромагнитной индукции Фарадея .

Законы Фарадея

Первый закон Фарадея

Любое изменение магнитного поля катушки с проволокой вызывает индукцию ЭДС в катушке. Эта индуцированная ЭДС называется индуцированной ЭДС, и если цепь проводника замкнута, ток также будет циркулировать по цепи, и этот ток называется индуцированным током.
Метод изменения магнитного поля:

1. Путем перемещения магнита по направлению к катушке или от нее.
2. Путем перемещения катушки в магнитное поле или из него.
3. Путем изменения площади катушки, помещенной в магнитное поле.
4. Путем вращения катушки относительно магнита.

Второй закон Фарадея

Он гласит, что величина ЭДС, индуцированная в катушке, равна скорости изменения магнитного потока, который связывается с катушкой. Магнитная связь катушки — это произведение количества витков в катушке и магнитного потока, связанного с катушкой.

Формула закона Фарадея

Рассмотрим, магнит приближается к катушке. Здесь мы рассматриваем два момента в момент времени T ₁ и времени T ₂ .Потоковая связь с катушкой во время, Потоковая связь с катушкой во время, Изменение в потокосцеплении, Пусть это изменение в потокосцеплении будет, Итак, Изменение в потокосцеплении Теперь скорость изменения потоковой связи Возьмем производную справа, мы будем get
Скорость изменения магнитной связи Но согласно закону электромагнитной индукции Фарадея скорость изменения магнитной индукции равна индуцированной ЭДС. С учетом закона Ленца, где поток Φ в Wb = BA
B = напряженность магнитного поля
A = площадь катушки
КАК УВЕЛИЧИТЬ ЭДС, ИНДУЦИРОВАННУЮ В КАТУШКЕ

• Увеличивая количество витков в катушке i.e N, из приведенных выше формул легко увидеть, что если количество витков в катушке увеличивается, наведенная ЭДС также увеличивается.
• Путем увеличения напряженности магнитного поля, то есть B, окружающего катушку. Математически, если магнитное поле увеличивается, увеличивается поток, а если увеличивается поток, индуцированная ЭДС также увеличивается. Теоретически, если катушка проходит через более сильное магнитное поле, будет больше силовых линий, которые она может разрезать, и, следовательно, будет больше индуцированной ЭДС.
• За счет увеличения скорости относительного движения между катушкой и магнитом — Если относительная скорость между катушкой и магнитом увеличивается по сравнению с ее предыдущим значением, катушка будет обрезать линии потока с большей скоростью, поэтому больше наведенной ЭДС будет произведено.

Применение закона Фарадея

Закон Фарадея — один из самых основных и важных законов электромагнетизма. Этот закон находит свое применение в большинстве электрических машин, промышленности, медицины и т. Д.

• Электрические трансформаторы работают по закону Фарадея
• Основным принципом работы электрического генератора является закон Фарадея о взаимной индукции.
• Индукционная плита — самый быстрый способ готовки. Он также работает по принципу взаимной индукции. Когда ток течет через катушку с медной проволокой, расположенную под посудой, он создает изменяющееся магнитное поле. Это переменное или изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС и, следовательно, ток в проводящем контейнере, и мы знаем, что поток тока всегда выделяет в нем тепло.
• Электромагнитный расходомер используется для измерения скорости определенных жидкостей. Когда магнитное поле прикладывается к электрически изолированной трубе, по которой протекают токопроводящие жидкости, то, согласно закону Фарадея, в ней индуцируется электродвижущая сила. Эта индуцированная ЭДС пропорциональна скорости течения жидкости.
• Идея Фарадея о силовых линиях, являющаяся основой электромагнитной теории, используется в хорошо известных уравнениях Максвелла. Согласно закону Фарадея, изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля, и обратное этому используется в уравнениях Максвелла.
• Он также используется в музыкальных инструментах, таких как электрогитара, электрическая скрипка и т. Д.

Видео-презентация закона Фарадея

Закон Ленца назван в честь немецкого ученого Х.Ф. Ленца в 1834 году. Закон Ленца подчиняется третьему закону Ньютона. движение (т.е. на каждое действие всегда есть равная и противоположная реакция) и сохранение энергии (т.е. энергия не может быть ни создана, ни разрушена, и поэтому сумма всех энергий в системе является постоянной). Закон Ленца основан на законе индукции Фарадея, поэтому до понимания закона Ленца ; нужно знать, что такое закон индукции Фарадея? Когда изменяющееся магнитное поле связано с катушкой, в ней индуцируется ЭДС. Это изменение магнитного поля может быть вызвано изменением напряженности магнитного поля путем перемещения магнита по направлению к катушке или от нее или перемещением катушки в магнитное поле или из него по желанию. Или простыми словами, мы можем сказать, что величина ЭДС, индуцированная в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Закон Ленца

Закон Ленца гласит, что, когда ЭДС создается изменением магнитного потока в соответствии с законом Фарадея, полярность индуцированной ЭДС такова, что создается ток, который магнитное поле противодействует изменению, которое его вызывает. .

Отрицательный знак, используемый в законе электромагнитной индукции Фарадея, указывает на то, что наведенная ЭДС (ε) и изменение магнитного потока (δΦ _B ) имеют противоположные знаки, где
ε = Индуцированная ЭДС
δΦ _B = изменение в магнитном потоке
N = Количество витков в катушке

Причина противодействия, причина индуцированного тока в соответствии с законом Ленца

?

• Как указано выше, закон Ленца подчиняется закону сохранения энергии, и если направление магнитного поля, которое создает ток, и магнитное поле тока в проводнике находятся в одном направлении, то эти два магнитных поля суммируются и производят ток вдвое большей величины, а это, в свою очередь, создает большее магнитное поле, что приводит к увеличению тока, и этот процесс, продолжающийся и продолжающийся, приводит к нарушению закона сохранения энергии.
• Если индуцированный ток создает магнитное поле, которое равно и противоположно направлению магнитного поля, которое его создает, то только он может сопротивляться изменению магнитного поля в этой области, что соответствует третьему закону Ньютона. движение.

Объяснение закона Ленца

Для понимания закона Ленца рассмотрим два случая:
СЛУЧАЙ-I Когда магнит движется к катушке. Когда северный полюс магнита приближается к катушке, магнитный поток связывается с катушка увеличивается.Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, при изменении магнитного потока в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле. Теперь, согласно закону Ленца , это созданное магнитное поле будет противодействовать своему собственному или, можно сказать, противодействовать увеличению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает северной полярности, поскольку мы знаем, что похожие полюса отталкиваются друг от друга. Как только мы узнаем магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки.В этом случае ток течет против часовой стрелки.
CASE-II Когда магнит удаляется от катушки Когда северный полюс магнита удаляется от катушки, магнитный поток, связанный с катушкой, уменьшается. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле. Теперь, согласно закону Ленца , это созданное магнитное поле будет противодействовать своему собственному или, можно сказать, противодействовать уменьшению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает южной полярности, поскольку мы знаем, что разные полюса притягиваются друг к другу.Как только мы узнаем магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки. В этом случае ток течет по часовой стрелке.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для определения направления магнитного поля или тока используйте правило большого пальца правой руки, т.е. если пальцы правой руки расположены вокруг провода так, чтобы большой палец указывал в направлении потока тока, то будет видно изгибание пальцев. направление магнитного поля, создаваемого проволокой.Закон Ленца можно резюмировать следующим образом:

• Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, увеличивается, направление тока в катушке будет таким, что он будет противодействовать увеличению потока, и, следовательно, индуцированный ток будет вызывать его поток в направлении, показанном ниже (с использованием правила для большого пальца правой руки).
• Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, уменьшается, поток, создаваемый током в катушке, таков, что он поддерживает основной поток и, следовательно, направление тока такое, как показано ниже,

Применение закона Ленца

• Закон Ленца можно использовать для понимания концепции накопленной магнитной энергии в индукторе.Когда к индуктору подключен источник ЭДС, через него начинает течь ток. Противоэдс будет противодействовать этому увеличению тока через катушку индуктивности. Чтобы установить ток, внешний источник ЭДС должен проделать некоторую работу, чтобы преодолеть это противодействие. Эта работа может быть выполнена за счет того, что ЭДС сохраняется в катушке индуктивности, и ее можно восстановить после удаления внешнего источника ЭДС из схемы
• Этот закон указывает, что индуцированная ЭДС и изменение потока имеют противоположные знаки, что обеспечивает физическую интерпретацию выбора знака в законе индукции Фарадея.
• Закон Ленца также применяется к электрическим генераторам. Когда в генераторе индуцируется ток, направление этого индуцированного тока таково, что он противодействует и вызывает вращение генератора (как в соответствии с законом Ленца ), и, следовательно, генератору требуется больше механической энергии. Он также обеспечивает обратную ЭДС в случае электродвигателей.

Закон Ленца также используется в электромагнитных тормозных и индукционных плитах.

Законы электролиза Фарадея

Прежде чем понять законы электролиза Фарадея , мы должны вспомнить процесс электролиза сульфата металла.
Когда электролит, такой как сульфат металла, разбавляется водой, его молекулы расщепляются на положительные и отрицательные ионы. Положительные ионы или ионы металлов перемещаются к электродам, соединенным с отрицательной клеммой батареи, где эти положительные ионы отбирают от нее электроны, становятся чистым атомом металла и осаждаются на электроде. В то время как отрицательные ионы или сульфионы перемещаются к электроду, соединенному с положительной клеммой батареи, где эти отрицательные ионы отдают свои лишние электроны и становятся радикалом SO ₄ .Поскольку SO ₄ не может существовать в электрически нейтральном состоянии, он атакует металлический положительный электрод и образует сульфат металла, который снова растворяется в воде. Законы электролиза Фарадея объединяют два закона, а именно:

Первый закон электролиза Фарадея

Из краткого объяснения выше ясно, что протекание тока через цепь внешней батареи полностью зависит от того, сколько электронов передается от отрицательного электрода. или катод на положительный металлический ион или катионы.Если катионы имеют валентность два, как Cu ⁺⁺ , то для каждого катиона будет два электрона, переданных с катода на катион. Мы знаем, что каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд — 1,602 × 10 ^-19 кулонов, и скажем, что это — e. Таким образом, для размещения каждого атома Cu на катоде будет происходить передача заряда с катода на катион. Теперь предположим, что в течение t времени на катоде будет всего n атомов меди, поэтому общий переданный заряд будет равен -2.н.э. Кулоны. Очевидно, масса осажденной меди m зависит от числа нанесенных атомов. Таким образом, можно сделать вывод, что масса осажденной меди прямо пропорциональна количеству электрического заряда, проходящего через электролит. Следовательно, масса осажденной меди m Q количество электрического заряда проходит через электролит.
Первый закон электролиза Фарадея гласит, что только
Согласно этому закону химическое осаждение из-за протекания тока через электролит прямо пропорционально количеству электричества (кулонов), прошедшего через него., то есть масса химического осаждения, где Z — коэффициент пропорциональности, известный как электрохимический эквивалент вещества.
Если мы положим Q = 1 кулон в приведенное выше уравнение, мы получим Z = m, что означает, что электрохимический эквивалент любого вещества — это количество вещества, осажденного при прохождении 1 кулона через его раствор. Эта постоянная прохождения электрохимического эквивалента обычно выражается в миллиграммах на кулон или килограммах на кулон.

Второй закон электролиза Фарадея

До сих пор мы узнали, что масса химического вещества, отложившегося в результате электролиза, пропорциональна количеству электричества, которое проходит через электролит. Масса химического вещества, отложившегося в результате электролиза, не только пропорциональна количеству электричества, проходящего через электролит, но также зависит от некоторых других факторов. У каждого вещества будет свой атомный вес. Таким образом, при одинаковом количестве атомов разные вещества будут иметь разные массы.Опять же, количество атомов, нанесенных на электроды, также зависит от их валентности. Если валентность больше, то для того же количества электричества количество отложенных атомов будет меньше, тогда как если валентность меньше, то для того же количества электричества будет отложено большее количество атомов. Таким образом, при прохождении одного и того же количества электричества или заряда через разные электролиты масса нанесенного химического вещества прямо пропорциональна его атомному весу и обратно пропорциональна его валентности.
Второй закон электролиза Фарадея гласит, что, когда одно и то же количество электричества проходит через несколько электролитов, масса осажденных веществ пропорциональна их соответствующему химическому эквиваленту или эквивалентной массе.

Химический эквивалент или эквивалентный вес

Химический эквивалент или эквивалентный вес вещества может быть определен законами электролиза Фарадея и определяется как вес той субаренды, которая будет сочетаться с водородом или замещать его. Таким образом, химический эквивалент водорода равен единице. Поскольку валентность вещества равна количеству атомов водорода, которые оно может заменить или с которыми оно может объединить, химический эквивалент вещества может быть определен как отношение его атомного веса к его валентности.Два французских физика, Жан Батист Био и Феликс Савар, в 1820 году вывели математическое выражение для плотности магнитного потока в точке из-за близлежащего проводника с током. Наблюдая за отклонением стрелки магического компаса, двое ученых пришли к выводу, что любой элемент тока создает магнитное поле. поле в пространстве.
После наблюдений и расчетов они вывели математическое выражение, которое показывает, что плотность магнитного потока в дБ прямо пропорциональна длине элемента dl, току I, синусу угла и θ между направлением ток и вектор, соединяющий данную точку поля и текущий элемент, обратно пропорционален квадрату расстояния данной точки от текущего элемента, r.Это утверждение закона Био-Савара . Где k является константой, зависит от магнитных свойств среды и системы используемых единиц. В системе единиц СИ, следовательно, окончательный вывод закона Био-Савара : давайте рассмотрим длинный провод, по которому проходит ток I, а также точку p в пространстве. На рисунке ниже провод показан красным цветом. Рассмотрим также бесконечно малую длину провода dl на расстоянии r от точки P, как показано. Здесь r — вектор расстояния, который составляет угол θ с направлением тока в бесконечно малой части провода.

Если вы попытаетесь визуализировать состояние, вы легко сможете понять плотность магнитного поля в точке P, потому что бесконечно малая длина провода dl прямо пропорциональна току, протекающему по этой части провода.
Поскольку ток через эту бесконечно малую длину провода такой же, как ток, протекающий по самому проводу, мы можем написать: также очень естественно думать, что плотность магнитного поля в этой точке P из-за этой бесконечно малой длины провода dl обратно пропорциональна квадрату расстояния по прямой от точки P до центра dl.Математически мы можем записать это как: Наконец, плотность магнитного поля в этой точке P из-за того, что бесконечно малая часть провода также прямо пропорциональна фактической длине бесконечно малой длины провода dl. Поскольку θ — это угол между вектором расстояния r и направлением тока через этот бесконечно малый участок провода, компонент dl, обращенный непосредственно перпендикулярно точке P, равен dlsinθ. Теперь, объединив эти три утверждения, мы можем написать: Это основной форма Закон Био-Савара
Теперь, подставив значение константы k (которое мы уже ввели в начале этой статьи) в приведенное выше выражение, мы получаем Здесь μ ₀ , используемое в выражении константы k, является абсолютным проницаемость воздуха или вакуума и ее значение составляет 4π10 ^-7 W _b / Am в системе единиц СИ.μ _r выражения константы k — относительная проницаемость среды.
Теперь, плотность потока (B) в точке P из-за общей длины токопроводящего проводника или провода можно представить как: Если D — перпендикулярное расстояние точки P от провода, то теперь выражение плотности потока B в точке P можно переписать как, Как показано на рисунке выше, Наконец, выражение B выглядит так: Этот угол θ зависит от длины провода и положения точки P. Скажем, для некоторой ограниченной длины провода, угол θ, как показано на рисунке выше, изменяется от θ ₁ до θ ₂ .Следовательно, плотность магнитного потока в точке P из-за общей длины проводника равна: Предположим, что провод бесконечно длинный, тогда θ будет изменяться от 0 до π, то есть от θ ₁ = 0 до θ ₂ = π. Помещая эти два значения в приведенное выше окончательное выражение закона Био-Савара , мы получаем

. Это не что иное, как выражение закона Ампера. Эта теорема утверждает, что полный электрический поток через любую замкнутую поверхность, окружающую заряд, равен чистому положительному заряду, заключенному на этой поверхности.

Предположим, что заряды Q ₁ , Q ₂ _ _ _ _Q _i , _ _ _ Q _n заключены в поверхность, тогда теорема может быть выражена математически через поверхностный интеграл как Где, D — поток плотность в кулонах / м ² и dS — вектор, направленный наружу.

Объяснение теоремы Гаусса

Для объяснения теоремы Гаусса лучше рассмотреть пример для правильного понимания.
Пусть Q будет зарядом в центре сферы, и поток, исходящий от заряда, перпендикулярен поверхности.Эта теорема утверждает, что полный поток, исходящий от заряда, будет равен Q кулонов, и это также можно доказать математически. Но что насчет того, когда заряд помещен не в центр, а в любую точку, кроме центра (как показано на рисунке). В это время силовые линии не перпендикулярны поверхности, окружающей заряд, тогда этот поток разрешается. на две составляющие, которые перпендикулярны друг другу, горизонтальная — это компонента sinθ, а вертикальная — компонента cosθ.Теперь, когда сумма этих компонентов берется для всех зарядов, тогда чистый результат равен полному заряду системы, что доказывает теорему Гаусса .

Доказательство теоремы Гаусса

Рассмотрим точечный заряд Q, расположенный в однородной изотропной среде с диэлектрической проницаемостью ε. Напряженность электрического поля в любой точке на расстоянии r от заряда равна. через область dSWhere, θ — угол между D и нормалью к dS
Теперь dScosθ — это проекция dS, перпендикулярная радиус-вектору.По определению телесного угла, где dΩ — телесный угол, стягиваемый в Q элементарной поверхностью dS. Итак, полное смещение потока по всей площади поверхности равно Теперь, мы знаем, что телесный угол, образуемый любой замкнутой поверхностью, равен 4π стерадиан, поэтому полный электрический поток через всю поверхность равен Это интегральная форма теоремы Гаусса . И, следовательно, эта теорема доказана: всякий раз, когда проводник с током попадает в магнитное поле, на проводник будет действовать сила, а, с другой стороны, если проводник с силой подвергнуть воздействию магнитного поля, будет индуцированное ток в этом проводнике.В обоих явлениях существует связь между магнитным полем, током и силой. Эта связь направленно определяется правилом левой руки Флеминга и правилом правой руки Флеминга соответственно. Направленный означает, что эти правила не показывают величину, но показывают направление любого из трех параметров (магнитное поле, ток, сила), если направление двух других известно. Правило левой руки Флеминга в основном применимо к электродвигателю, а правило Правило Флеминга в основном применимо к электрическому генератору.В конце 19-го, ^-го, -го века Джон Амброуз Флеминг ввел оба этих правила, и, согласно его имени, правила хорошо известны как правило для левой и правой руки Флеминга .

Правило левой руки Флеминга

Было обнаружено, что всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует сила в направлении, перпендикулярном как направлению тока, так и магнитного поля. На рисунке показано, что часть проводника длиной L, помещенная вертикально в однородное горизонтальное магнитное поле H, создается двумя магнитными полюсами N и S.Если i — ток, протекающий через этот проводник, величина силы, действующей на проводник, равна: Вытяните левую руку указательным, вторым и большим пальцами под прямым углом друг к другу. Если указательный палец представляет направление поля, а второй — направление тока, то большой палец указывает направление силы.
В то время как ток течет по проводнику, вокруг него создается одно магнитное поле. Это можно представить, рассматривая количество замкнутых магнитных силовых линий вокруг проводника.Направление магнитных силовых линий может быть определено правилом штопора Максвелла или правилом правостороннего захвата. Согласно этим правилам, направление магнитных силовых линий (или силовых линий) — по часовой стрелке, если ток течет от наблюдателя, то есть если направление тока через проводник направлено внутрь от плоскости отсчета, как показано на рисунке. фигура.

Теперь, если горизонтальное магнитное поле приложено извне к проводнику, эти два магнитных поля, то есть поле вокруг проводника из-за тока через него, и внешнее приложенное поле будут взаимодействовать друг с другом.На рисунке мы видим, что магнитные силовые линии внешнего магнитного поля проходят от северного к южному полюсу, то есть слева направо. Магнитные силовые линии внешнего магнитного поля и магнитные силовые линии, возникающие из-за тока в проводнике, находятся в одном направлении над проводником и в противоположном направлении под проводником. Следовательно, над проводником будет больше сонаправленных магнитных силовых линий, чем под проводником. Следовательно, в небольшом пространстве над проводником будет большая концентрация магнитных силовых линий.Поскольку магнитные силовые линии больше не являются прямыми линиями, они находятся под натяжением, как натянутые резиновые ленты. В результате возникнет сила, которая будет стремиться переместить проводник из более концентрированного магнитного поля в менее концентрированное магнитное поле, то есть из текущего положения вниз. Теперь, если вы заметите направление тока, силы и магнитного поля в приведенном выше объяснении, вы обнаружите, что направления соответствуют правилу левой руки Флеминга.

Правило правой руки Флеминга

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, всякий раз, когда проводник движется внутри магнитного поля, в нем будет индуцированный ток.Если этот проводник будет принудительно перемещен внутри магнитного поля, возникнет связь между направлением приложенной силы, магнитным полем и током. Это соотношение между этими тремя направлениями определяется правилом для правой руки Флеминга .

Эффект Зеебека

Это было обнаружено немецким физиком Томасом Зеебеком (1770-1831). Зеебек обнаружил это, наблюдая за стрелкой компаса, которая отклоняется, когда между этими двумя разными металлами или полупроводниками образуется замкнутая петля.Первоначально Зеебек считал, что это происходит из-за магнетизма, вызванного разницей температур, и назвал этот эффект термомагнитным эффектом. Однако датский физик Ганс Кристиан Орстед понял, что индуцируется электрический ток, который по закону Ампера отклоняет магнит.

Объяснение эффекта Зеебека

За это ответственны только валентные электроны в более теплой части металла, и причиной этого является тепловая энергия. Также из-за кинетической энергии этих электронов эти валентные электроны мигрируют быстрее к другому (более холодному) концу, по сравнению с более холодной частью электроны мигрируют к более теплой части.Концепция их движения:

• На горячей стороне распределение Ферми мягкое, то есть более высокая концентрация электронов выше энергии Ферми, но на холодной стороне распределение Ферми резкое, то есть у нас меньше электронов с энергией Ферми.
• Электроны идут туда, где энергия ниже, поэтому они будут перемещаться от более теплого конца к более холодному концу, что приводит к переносу энергии и, таким образом, к уравновешиванию температуры в конечном итоге

Или, простыми словами, мы можем прийти к выводу, что электроны на более теплом конце имеют высокий средний импульс по сравнению с более холодным.Следовательно, они будут брать с собой энергию (больше) по сравнению с другим.
Это движение приводит к более отрицательному заряду в более холодной части, чем в более теплой части, что приводит к генерации электрического потенциала. Если эта пара соединена через электрическую цепь. Это приводит к генерации постоянного тока. Однако создаваемое напряжение составляет несколько микровольт (10 ^-6 ) на разницу температур по Кельвину. Теперь мы все знаем, что напряжение увеличивается последовательно, а ток увеличивается параллельно.Помните об этом факте, если мы сможем подключить много таких устройств для увеличения напряжения (в случае последовательного соединения) или для увеличения максимального передаваемого тока (параллельно). Позаботьтесь только об одном, что для этого требуется большой перепад температур. Однако нужно иметь в виду одну вещь: мы должны поддерживать постоянную, но разную температуру, и поэтому распределение энергии на обоих концах будет различным, и, следовательно, это приводит к успешному упомянутому процессу.

Коэффициент Зеебека

Напряжение, возникающее между двумя точками на проводе, когда между ними поддерживается постоянная разница температур в 1 ^° Кельвин, называется коэффициентом Зеебека . Одна такая комбинация медного константана имеет коэффициент Зеебека , составляющий 41 микровольт на Кельвин при комнатной температуре.

Эффект Спина Зеебека

Однако в 2008 году было замечено, что когда тепло подается на намагниченный металл, его электрон перестраивается в соответствии с его спином.Однако эта перестановка не отвечает за выделение тепла. Этот эффект K / w как эффект Зеебека вращения. Этот эффект используется при разработке быстрых и эффективных микропереключателей.

Применение эффекта Зеебека

1. Этот эффект Зеебека обычно используется в термопарах для измерения разницы температур или для срабатывания электронных переключателей, которые могут включать или выключать систему. Обычно используемые комбинации металлов термопар включают константан / медь, константан / железо, константан / хромель и константан / алюмель.
2. Эффект Зеебека используется в термоэлектрическом генераторе, который работает как тепловой двигатель.
3. Они также используются на некоторых электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную энергию.
4. В автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов для повышения топливной экономичности.

Закон Видемана-Франца — это закон, который связывает теплопроводность (κ) и электропроводность (σ) материала, который состоит из несколько свободно движущихся в нем электронов.

• Теплопроводность (κ): Это степень (мера) способности материала проводить тепло.
• Электропроводность (σ): Это степень (мера) способности материала проводить электричество.

Металлы; когда температура увеличивается, скорость свободных электронов увеличивается, что приводит к увеличению теплопередачи, а также увеличивает столкновения между ионами решетки и свободными электронами. Это приводит к падению электропроводности.
Закон определяет отношение электронной роли теплопроводности материала к электропроводности материала (металла) непосредственно по отношению к температуре. Этот закон назван в честь Густава Видемана и Рудольфа Франца в 1853 году. сообщили, что соотношение имеет более или менее аналогичное значение для разнородного металла при той же температуре.

Вывод закона

Для этого мы должны предположить однородный изотропный материал. Затем этот материал подвергается воздействию температурного градиента.Направление теплового потока будет противоположным направлению температурного градиента на всем протяжении проводящей среды.
Тепло, протекающее через материал в единицу времени на единицу площади, является тепловым потоком. Он будет пропорционален градиенту температуры. K → Коэффициент теплопроводности (Вт / мK)
K = K _фонон + K _{электрон} ; так как передача тепла в твердых телах за счет фононов и электронов.
Теперь мы можем вывести выражение для коэффициента теплопроводности.
Для этого мы должны предположить, что поток тепла идет от более высокой температуры к более низкой температуре в металлической плите, которая имеет температурный градиент .c _v → Удельная теплоемкость
n → Количество частиц в единице объема
λ → среднее свободный пробег столкновений
v → скорость электронов
Сравнивая уравнения (1) и (2), мы получаем, что энергия свободных электронов равна. газ при постоянном объеме. Когда мы помещаем уравнение (8) в (6), мы получаем Далее, мы можем рассматривать плотность электрического тока металла с приложением электрического поля, E (рисунок 1)
Дж = σ E; Закон Ома Итак, правильная форма закона Ома дается формулой: существует длина свободного пробега и среднее время между столкновениями.e → Заряд электрона = 1,602 × 10 ^-9 C
τ → Время столкновения или среднее время: это среднее время, за которое электрон движется или перемещается до рассеяния.
v _d → Скорость дрейфа: Это стандартная скорость электрона во время столкновения.
Когда мы помещаем уравнение (11) в (10), мы получаем электрическую проводимость (проводимость Друде), поскольку рассмотрим электроны, которые движутся в металле без какого-либо приложения электрического поля. Тогда теорема о равнораспределении дается формулой Из уравнения (13) мы получаем m as Теперь мы помещаем уравнение (14) в (12) Таким образом, мы получили значения K и σ из уравнений (6) и (15).Теперь мы можем взять соотношение. Мы предполагаем, что v = v _d , тогда уравнение (16) становится Из этого мы можем сказать, что соотношение одинаково для всех металлов. Это также функция температуры. Этот закон известен как Закон Видемана-Франца Лоренца . Можно сделать вывод, что лучший проводник тепла будет лучшим проводником тепла.

Ограничения Закона Видемана Франца

• Значение L не одинаково для всех материалов.
• Этот закон не действует для промежуточной температуры.
• В чистых металлах как σ, так и κ возрастают с понижением температуры.

joule’s_laws

Законы Джоуля — это пара законов, касающихся тепла, выделяемого током, и зависимости энергии идеального газа от давления, объема и температуры соответственно.

Рекомендуемые дополнительные знания

Первый закон Джоуля , также известный как эффект Джоуля , представляет собой физический закон, выражающий соотношение между теплотой, генерируемой током, протекающим через проводник.Он назван в честь Джеймса Прескотта Джоуля, изучавшего это явление в 1840-х годах. Это выражается как:

Где Q — тепло, выделяемое постоянным током I , протекающим через проводник с электрическим сопротивлением R , за время t . Когда ток, сопротивление и время выражаются в амперах, омах и секундах соответственно, единицей измерения Q является джоуль. Первый закон Джоуля иногда называют законом Джоуля-Ленца , поскольку позже он был независимо открыт Генрихом Ленцем.Эффект нагрева проводников, по которым протекает ток, известен как джоулев нагрев.

Первый закон Джоуля тесно связан с законом Ома и, таким образом, легко выводится из него. Ниже приводится краткий обзор того, как связаны эти два закона, для получения подробной информации см. Закон Ома.

Второй закон Джоуля гласит, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от его объема и давления, а зависит только от его температуры.

Связь с законом Ома

Первый закон Джоуля тесно связан с законом Ома и, таким образом, легко выводится из него.Ниже приводится краткий обзор того, как связаны эти два закона.

или

Закон Ома

Мощность, рассеиваемая на резисторе

Объединив два приведенных выше уравнения и представив их в терминах I и R:

Мощность, рассеиваемая в резисторе, выраженная в силе тока [ватт или джоуль / сек]

Для получения дополнительной информации о Power см.