Закон Джоуля-Ленца
Теорія та формули закону Джоуля-Ленца |
як ми вже знаємо, під час руху вільних електронів по провіднику, електричний струм має подолати опір матеріалу. Під час цього руху зарядів відбуваються постійні зіткнення атомів та молекул речовини. При цьому енергія руху та опору перетворюється на теплову. Її залежність від струму була вперше описана двома незалежними вченими Джеймсом Джоулем та Емілем Ленцем. Тому закон і отримав подвійну назву.
Визначення, кількість теплоти, що виділилося за одиницю часу на конкретній ділянці електричного кола прямо пропорційно добутку квадрата сили струму на даній ділянці та його опору.
Математично, формулу можна записати так:
Будь-який провідник завжди нагрівається, якщо через нього тече струм. Але перегрів провідників дуже небезпечний, тому що може пошкодити не тільки електронну апаратуру, а й стати причиною пожежі. Так, наприклад, у разі короткого замикання перегрів матеріалу провідника величезний. Тому для захисту від коротких замикань та великих перегрівів в електронні схеми додаються спеціальні радіокомпоненти -плавкі запобіжники. Для їх виготовлення використовується матеріалу, який швидко плавляться і знеструмлюють ланцюг живлення при досягненні струмом максимальних значень. Плавкі запобіжники необхідно вибирати в залежності від площі перерізу провідника.
Закон Джоуля-Ленца актуальний як постійного, так змінного струму. Відповідно до нього працює безліч різних нагрівальних пристроїв. Адже, чим тонший провідник, тим більший струм по ньому проходить за більший проміжок часу, тим більша кількість тепла виділиться внаслідок цього.
Я сподіваюся ви пам'ятаєтепам'ятати, що сила струму залежить від напруги. Постає питання, чому ноутбук не нагрівається так сильно як праска? Тому, що в підставі прасування є спіральний дріт виготовлений зі сталі, яка відрізняється низькою опірністю. Плюс сталева підошва, тому праска розігрівається до високих температур і ми можемо їм гладити.
А схема будь-якого ноутбука має стабілізатор напруги, що знижує 220 вольт до 19 вольт. Плюс опір всіх схем та компонентів досить високий. Додатково для охолодження є кулер та мідні теплові радіатори.
Робота закону Джоуля-Ленца добре проглядається практично. Найвідоміший приклад його застосування – звичайна лампа розжарювання або галогенна лампа, в якій свічення нитки здійснюється завдяки проходженню струму під високою напругою.
На підставі закону Джоуля-Ленца працює і контактне зварювання, де створення зварного з'єднання здійснюється шляхом нагрівання металу, за рахунок струму, що проходить через нього, і деформації частин, що зварюються шляхом стиснення.
Електродугове зварювання також працює на фізичних принципах закон Джоуля-Ленца. Для виконання зварювальних робіт електроди розігрівають до такого стану, щоб між ними виникла зварювальна дуга. Ефектвольтової дугивідкрив український вчений В.В. Петров, використовуючи принципи закрна Джоуля-Ленца.
Крім математичної формули, цей закон має диференційну форму. Припустимо, що з нерухомому провіднику тече струм і його робота витрачається лише з нагрівання. Тоді, згідно із законом збереження енергії, отримуємо наступний математичний вираз: