Закон Джоуля-Ленца – это фундаментальный закон электродинамики, который утверждает, что при прохождении переменного тока через проводник возникает индуцированная ЭДС, которая создает в проводнике индукционные токи.
Этот явления приводит к тому, что при прохождении тока через проводник он нагревается.
Суть закона Джоуля-Ленца заключается в том, что индуцированные токи создаются в результате изменяющегося магнитного поля в проводнике, что приводит к его нагреванию.
Правило формулируется следующим образом: возникшая в закрытом проводнике индукционная ЭДС (Электродвижущая сила) всегда направлена так, чтобы создать ток, противодействующий изменениям магнитного потока.
Закон индукции или «Правило Ленца», согласно которому направление индукционного тока всегда таково, что он препятствует тому действию (например движению), которым он вызывается.
Количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника.
Другими словами, индуцированный ток создает магнитное поле, которое противодействует изменениям источника тока. Практическое применение закона Джоуля-Ленца широко используется в различных областях, таких как индукционная нагревательная техника, электрические машины, трансформаторы и даже электродвигатели, электропечи, лампы накаливания (в ней нить накаливания, выделяет тепло и свет).
Мощность тепла, выделяемая при протекании постоянного тока в проводнике, равна умноженную плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля.
Формулы
В математическом виде можно записать в так:
w=j \bullet E =a \bullet E^2
w – мощность тепла;
j – плотность тока;
E – напряжение электрического поля;
a – проводимость.
Ниже приведены формулы:
Q=I^2 \bullet R \bullet t
Q — количество тепла, выделенного при прохождении тока;
I — сила тока;
R — сопротивление проводника;
t — время.
Также закон Джоуля-Ленца можно записать так:
P=I^2 \bullet R
P — мощность, выделяемая в виде тепла при прохождении тока.
Применив закон Ома, можно записать так:
Q=U^2 \bullet t/R=I \bullet U \bullet t
На практике его применяют для снижения потерь энергии, то есть: при передаче электроэнергии на большое расстояние, нам не нужно что б провода, по которым идет ток нагревались, так как это может привести к перегреву, соответственно к возгоранию.
Для защиты проводов используют электрические предохранители (они разрывают цепь), автоматы, которые срабатывают при перегреве проводки или короткого замыкания.
Выделяемая на проводах и на нагрузке мощность определяется следующими формулами:
Q_w=R_w \bullet I^2
Q_c=U_c \bullet I
Откуда следует:
Q_w=R_w \bullet Q^2_c/U^2_c
Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными в выражение ниже:
R_w \bullet Q^2_c
является константой, то тепло, выделяемое на проводе, обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе.
Повышая напряжение, мы снижаем тепловые потери в проводах. Это, снижает электробезопасность линий электропередачи.
Расчета выделением тепла за 20 минут времени обогревателем
Условие:
Обогреватель подключен к сети с напряжением переменного тока 220 В.
Какое количество тепла обогреватель отдаст за 20 минут?
Нам известно, сила тока в цепи составляет 5 А.
Решение:
Дано:
I = 5 A;
t = 20 мин = 1200 с (20*60=1200 секунд);
U = 220 Вольт.
Для расчета количество тепла, в данном случае нам нужна такая формула Q=I2Rt , у нас нет данных о сопротивлении R. Согласно закону Ома, который мы уже знаем R=U/I.
Вычислим сопротивление: R = U/I = 220/5 = 44 Ом.
Подставим имеющиеся данные в формулу:
Q=I^2 \bullet R \bullet t =5^2 *44*1200=1320 (Мдж)
Установка Джоуля
Для измерения механического эквивалента тепла (1847). Груз, расположенный справа, заставлял лопасти, погруженные в воду, вращаться, в результате чего вода нагревалась.
Этот закон имеет большое значение для понимания физических явлений, связанных с тепловыделением в электрических системах.
Таким образом, закон Джоуля-Ленца играет ключевую роль в понимании поведения электрических систем и помогает оптимизировать их работу для различных целей.
