Закон Джоуля-Ленца, Практична електроніка
Електрика - невід'ємна ознака нашої ери. Абсолютно все довкола зав'язано на ньому. Будь-яка сучасна людина, навіть без технічної освіти, знає, що електричний струм, що тече по проводах, здатний у деяких випадках нагрівати їх, найчастіше до дуже високих температур. Здавалося б, це свідомо всім відомо і не варте згадки. Однак, як пояснити це явище? Чому і як відбувається нагрівання провідника?
Досліди Ленца
Перенесемося в 19 століття-епоху накопичення знань та підготовки до технологічного стрибка 20 століття. Епоха, коли по всьому світу різні вчені і просто винахідники-самоучки майже щодня відкривають щось нове, часто витрачаючи величезну кількість часу на дослідження і, при цьому, не представляючи кінцевий результат.
Один із таких людей, український вчений Емілій Християнович Ленц, захоплювався електрикою на тодішньому примітивному рівні, намагаючись розраховувати електричні ланцюги. У 1832 році Емілій Ленц «застряг» з розрахунками, оскільки параметри його змодельованого ланцюга «джерело енергії – провідник – споживач енергії» сильно відрізнялися від досвіду до досвіду. Взимку 1832-1833 вчений виявив, що причиною нестабільності є шматочок платинового дроту, принесений ним з холоду. Відігріючи або охолоджуючи провідник, Ленц також помітив, що існує певна залежність між силою струму, електричним опором і температурою провідника.
При певних параметрах електричного кола провідник швидко відтавав і навіть трохи нагрівався. Вимірювальних приладів на той час практично ніяких не існувало — неможливо було точно виміряти ні силу струму, ні опір. Але це був український фізик, і він виявив кмітливість. Якщо це залежність, то чому б їй не бутиоборотний?
Для того щоб виміряти кількість тепла, що виділяється провідником, учений сконструював найпростіший «нагрівач» - скляна ємність, в якій знаходився розчин, що містить спирт, і занурений в нього платиновий провідник-спіраль. Подаючи різні величини електричного струму на дріт, Ленц заміряв час, протягом якого розчин нагрівався до певної температури. Джерела електричного струму в ті часи були занадто слабкі, щоб розігріти розчин до серйозної температури, тому візуально визначити кількість розчину, що випарувався, не уявлялося можливим. Через це процес дослідження дуже затягнувся – тисячі варіантів підбору параметрів джерела живлення, провідника, довгі виміри та подальший аналіз.
Формула Джоуля-Ленца
Через війну, десятиліття, 1843 року Емілій Ленц виставив на загальний огляд наукового співтовариства результат своїх дослідів як закону. Однак виявилося, що його випередили! Кілька років тому англійський фізик Джеймс Прескотт Джоуль вже проводив аналогічні досліди та також представив громадськості свої результати. Але, ретельно перевіривши всі роботи Джеймса Джоуля, український учений з'ясував, що власні досвіди набагато точніше, напрацьовано більший обсяг досліджень, тому українській науці є чим доповнити англійське відкриття.
Наукове співтовариство розглянуло обидва результати досліджень і об'єднало їх в одне, тим самим закон Джоуля перейменували на закон Джоуля-Ленца. Закон стверджує, що кількість теплоти, що виділяється провідником при протіканні по ньому електричного струму, дорівнює добутку сили цього струму в квадраті, опору провідника і часу, за який по провіднику тече струм. Або формулою:
Q — кількість тепла, що виділяється (Джоулі)
I - сила струму,протікає через провідник (Ампери)
R - опір провідника (Оми)
t - час проходження струму через провідник (Секунди)
Чому гріється провідник
Як пояснюється нагрівання провідника? Чому він саме гріється, а не залишається нейтральним чи охолоджується? Нагрів відбувається через те, що вільні електрони, що переміщуються у провіднику під дією електричного поля, бомбардують атоми молекул металу, тим самим передаючи їм власну енергію, яка переходить у теплову. Якщо говорити дуже просто: долаючи матеріал провідника, електричний струм хіба що «треться», соударяется електронами про молекули провідника. Ну, як відомо, будь-яке тертя супроводжується нагріванням. Отже, провідник буде нагріватися доки ним біжить електричний струм.
З формули також випливає — що вищий питомий опір провідника і що вище сила струму, що протікає по ньому, то вище буде нагрівання . Наприклад, якщо послідовно з'єднати провідник-мідь (питомий опір 0,018 Ом·мм²/м) та провідник-алюміній (0,027 Ом·мм²/м), то при протіканні через ланцюг електричного струму алюміній буде нагріватися сильніше ніж мідь через більш високий опір . Тому, до речі, не рекомендується в побуті робити скручування мідних та алюмінієвих проводів один з одним — буде нерівномірне нагрівання у місці скручування. У результаті - підгоряння з подальшим зникненням контакту.
Застосування закону Джоуля-Ленца у житті
Відкриття закону Джоуля-Ленца мало величезні наслідки практичного застосування електричного струму. Вже в 19 столітті стало можливим створити більш точні вимірювальні прилади, засновані на скороченні дротяної спіралі при її нагріванні струмом певної величини, що протікає, — перші стрілочні вольтметри іамперметри. З'явилися перші прототипи електричних обігрівачів, тостерів, плавильних печей – використовувався провідник із високим питомим опором, що дозволяло отримати досить високу температуру.
Були винайдені плавкі запобіжники, біметалічні переривники ланцюга (аналоги сучасних теплових реле захисту), що ґрунтуються на різниці нагріву провідників з різним питомим опором. Ну і, звичайно ж, виявивши, що при певній силі струму провідник з високим питомим опором здатний нагрітися до червона, даний ефект використовували як джерело світла. З'явилися перші лампочки.
Провідник (вугільна паличка, бамбукова нитка, платинова дріт і т.д.) поміщали в скляну колбу, відкачували повітря для уповільнення процесу окислення і отримували незатухане, чисте та стабільне джерело світла – електричну лампочку.
Висновок
Таким чином, можна сказати, що на законі Джоуля-Ленца тримається чи не вся електрика та електротехніка. Відкривши цей закон, з'явилася можливість заздалегідь передбачити деякі майбутні проблеми в освоєнні електрики. Наприклад, через нагрівання провідника передача електричного струму на відстань супроводжується втратами цього струму на тепло. Відповідно, щоб компенсувати ці втрати потрібно занизити струм, що передається, компенсуючи це високою напругою. А вже на кінцевому споживачі, знижувати напругу і отримувати вищий струм.
Закон Джоуля-Ленца невідступно випливає з однієї епохи технологічного розвитку до іншої. Навіть сьогодні ми постійно спостерігаємо його у побуті – закон проявляється усюди, і не завжди люди йому раді. Процесор персонального комп'ютера, що сильно гріється, пропадання світла через обгоріле скручування «мідь-алюміній», вибитавставка-запобіжник, що вигоріла через високе навантаження електропроводка - все це той самий закон Джоуля-Ленца.