Закон джоуля ленца его практическое применение. Закон Джоуля — Ленца

Здравствуйте. Закон Джоуля-Ленца вряд ли когда вам потребуется, но он входит в базовый курс электротехники, а потому сейчас я вам об этом законе расскажу.

Закон Джоуля-Ленца открыли два великих ученых независимо друг от друга: в 1841 году Джеймс Прескот Джоуль, английский ученый, который внёс большой вклад в развитие термодинамикии в 1842 году Эмилий Христианович Ленц, русский учёный немецкого происхождения, который внёс большой вклад уже в электротехнику. Поскольку открытие обоих учёных произошло почти одновременно и независимо друг от друга, то закон было решено назвать двойным именем, точнее фамилиями.

Помните, когда , да и не только его, я говорил о том, что электрический ток нагревает проводники, по которым он протекает. Джоуль и Ленц определили формулу, по которой можно вычислить количество выделяемого тепла.

Итак, изначально, формула выглядела следующим образом:

Единицей измерения по этой формуле были калории и за это «отвечал» коэффициент k, который равен 0,24, то есть, формула для получения данных в калориях выглядит так:

Но поскольку в системе измерений СИ в виду большого количества измеряемых величин и избежания путаницы было принято обозначение джоуль, то формула несколько изменилась. k стал равен единице, и поэтому коэффициент больше не стали писать в формуле и она стала выглядеть так:

Здесь: Q – количество выделяемого тепла, измеряемое в Джоулях (обозначение по системе СИ – Дж);

I – ток, измеряемый в Амперах, А;

R – сопротивление, измеряемое в Омах, Ом;

t – время, измеряемое в секундах, с;

и U – напряжение, измеряемое в вольтах, В.

Посмотрите внимательно, не напоминает ли вам чего-нибудь одна часть этой формулы? А конкретно? А ведь это мощность, точнее формула мощности из закона Ома. И если честно, то такого представления закона Джоуля-Ленца я еще не встречал в интернете:

Теперь вспоминаем мнемоническую таблицу и получаем как минимум три формульных выражения закона Джоуля-Ленца, в зависимости от того, какие величины нам известны:

Казалось бы, все очень просто, но так кажется нам, только когда мы уже знаем этот закон, а тогда оба великих учёных открывали его не теоретически, а экспериментальным путём и затем смогли обосновать его теоретически.

Где может пригодиться этот закон Джоуля-Ленца?

В электротехнике есть понятие длительно допустимого тока протекающего по проводам. Это такой ток, который провод способен выдержать длительное время (то есть, бесконечно долго), без разрушения провода (и изоляции, если она есть, потому что провод может быть и без изоляции). Конечно, данные вы теперь можете взять из ПУЭ (Правила устройства электроустановок), но получали эти данные исключительно на основе закона Джоуля-Ленца.

В электротехнике так же используются плавкие предохранители. Их основное качество – надёжность срабатывания. Для этого используется проводник определенного сечения. Зная температуру плавления такого проводника можно вычислить количество теплоты, которое необходимо, чтобы проводник расплавился от протекания через него больших значений тока, а вычислив ток, можно вычислить и сопротивление, которым такой проводник должен обладать. В общем, как вы уже поняли, применяя закон Джоуля-Ленца можно рассчитать сечение или сопротивление (величины взаимозависимы) проводника для плавкого предохранителя.

А ещё, помните, мы говорили про . Там на примере лампочки я рассказывал парадокс, что более мощная лампа в последовательном соединении светит слабее. И наверняка помните почему: падение напряжения на сопротивлении тем сильнее, чем меньше сопротивление. А поскольку мощность — это , а напряжение очень сильно падает, то и выходит, что большое сопротивление выделит большое количество тепла, то есть, току придется больше потрудиться, чтобы преодолеть большое сопротивление. И количество тепла, которое выделит ток при этом можно посчитать с помощью закона Джоуля-Ленца. Если брать последовательное соединение сопротивлений, то использовать лучше выражение через квадрат тока, то есть, изначальный вид формулы:

А для параллельного соединения сопротивлений, поскольку ток в параллельных ветвях зависит от сопротивления, в то время, как напряжение на каждой параллельной ветви одинаковое, то формулу лучше всего представить через напряжение:

Примерами работы закона Джоуля-Ленца вы все пользуетесь в повседневной жизни – в первую очередь это всевозможные нагревательные приборы. Как правило, в них используется нихромовая проволока и толщина (поперечное сечение) и длина проводника подбираются с учётом того, чтобы длительное тепловое воздействие не приводило к стремительному разрушению проволоки. Точно таким же образом добиваются свечения вольфрамовой нити в лампе накаливания. По этому же закону определяют степень возможного нагрева практически любого электротехнического и электронного устройства.

В общем, несмотря на кажущуюся простоту, закон Джоуля-Ленца играет в нашей жизни очень огромную роль. Этот закон дал большой толчок для теоретических расчётов: выделение тепла токами , вычисление конкретной температуры дуги, проводника и любого другого электропроводного материала, потери электрической мощности в тепловом эквиваленте и т.д.

Вы можете спросить, а как перевести Джоули в Ватты и это довольно частый вопрос в интернете. Хотя вопрос несколько неверный, читая далее, вы поймёте почему. Ответ довольно прост: 1 дж = 0.000278 Ватт*час, в то время, как 1 Ватт*час = 3600 Джоулей. Напомню, что в Ваттах измеряется потребляемая мгновенная мощность, то есть непосредственно используемая пока включена цепь. А Джоуль определяет работу электрического тока, то есть мощность тока за промежуток времени. Помните, в законе Ома я приводил аллегорическую ситуацию. Ток – деньги, напряжение – магазин, сопротивление – чувство меры и денег, мощность – количество продуктов, которые вы сможете на себе унести (увезти) за один раз, а вот как далеко, как быстро и сколько раз вы сможете их увезти – это работа. То есть, сравнить работу и мощность никак не получается, но можно выразить в более понятных нам единицам: Ваттах и часах.

Думаю, что теперь вам не составит труда применить закон Джоуля-Ленца в практике и теории, если таковое потребуется и даже сделать перевод Джоулей в Ватты и наоборот. А благодаря пониманию, что закон Джоуля-Ленца это произведение электрической мощности на время, вы сможете более легко его запомнить и даже, если вдруг забыли основную формулу, то помня всего лишь закон Ома можно снова получить закон Джоуля-Ленца. А я на этом с вами прощаюсь.

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка

Закон Джоуля Ленца в интегральной форме в тонких проводах:

Если сила тока изменяется со временем, проводник неподвижен и химических превращений в нем нет, то в проводнике выделяется тепло.

- Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах. Тот же эффект в электрических машинах и аппаратах приводит к непроизвольным затратам энергии (потере энергии и снижении КПД). Тепло, вызывая нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку; при перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокращение срока службы установки.

В формуле мы использовали:

Количество теплоты

Работа тока

Напряжение в проводнике

Сила тока в проводнике

Промежуток времени

 Теория: При прохождении электрического тока через проводник, проводник нагревается (утюг, плойка, паяльник).
Количество теплоты выделяемое проводником с током равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника и на время прохождения электрического тока. Q=I 2 Rt

Или с учетом закона Ома:

Какое количество теплоты выделяется за 10 мин в проволочной спирали сопротивлением 15 Ом, если сила тока в спирали 2 А?
Решение: Q=I 2 Rt, нам все известно I=2А, R=15Ом, t=10мин=600с.
Q=2 2 ·15·600=36000 Дж = 36кДж.
Ответ: 36 кДж

Задание огэ по физике (фипи): Электрический паяльник включён в цепь напряжением 220 В. За 5 мин в нём выделилось количество теплоты 36,3 кДж. Чему равно сопротивление паяльника?
Задание огэ по физике (фипи): Две спирали электроплитки сопротивлением по 10 Ом каждая соединены последовательно и включены в сеть с напряжением 220 В. Через какое время на этой плитке закипит вода массой 1 кг, налитая в алюминиевую кастрюлю массой 300 г, если их начальная температура составляла 20 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь.

Дано:	СИ	Решение:
R 0 = 10 Ом U =220 В t 1 = 20 °С t 2 = 100 °С m 1 = 1 кг m 2 = 300 г с 1 = 4200 Дж/(°С·кг) с 2 = 920 Дж/(°С·кг)	0,3 кг	Q 1 =c 1 m 1 (t 2 -t 1) - количество теплоты которое необходимо передать воде массой 1 кг, что бы нагреть ее с температуры 20 °С до температуры кипения 100 °С. Q 1 =4200·1·(100-20)=336000 Дж Q 2 =c 2 m 2 (t 2 -t 1) - количество теплоты которое необходимо передать алюминиевой кастрюле массой 300 г, что бы нагреть ее с температуры 20 °С до температуры кипения 100 °С. Q 2 =920·0,3·(100-20)=22080 Дж так как потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебрегаем, получим что Q=Q 1 +Q 2 энергия которая выделилась на электроплитки. Q=336000+22080=358080 Дж Две спирали электроплитки сопротивлением по 10 Ом каждая соединены последовательно, общее сопротивление плитки R = R 0 + R 0 , R=10+10=20 Ом По закону Джоуля – Ленца выразим время: получим Ответ: 148 с
t - ?

Задание огэ по физике: Сопротивление R 1 первого кипятильника в 3 раза больше, чем сопротивление R 2 второго кипятильника. При включении в одну и ту же сеть количество теплоты, выделяемое за единицу времени первым кипятильником, по сравнению со вторым
1) в 3 раза больше
2) в 3 резе меньше
3) в 9 раза больше
4) в 9 резе меньше
Решение: При включении в одну и ту же сеть по закону Ома сила тока у второго кипятильника больше так как сопротивление второго в три раза меньше, по закону Джоуля - Ленца Q=I 2 Rt, на первом резистре будет выделяться в три раза меньше тепла.
Ответ: 2.
Задание огэ по физике: Электрическая плитка при силе тока 6 А потребляет 1080 кДж энергии. Чему равно время прохождения тока по спирали плитки, если ее сопротивление 25 Ом?
1) 7200 с
2) 1200 с
3) 7,2 с
4) 1,2 с

Задание огэ по физике: Электрическая плитка, включена в сеть напряжением 220 В. Какую энергию потребляет плитка за 20 мин работы, если сила тока, протекающего через ее спираль, 5 А?
1) 22 кДж
2) 110 кДж
3) 1320 кДж
4) 4840 кДж
Решение: из закона Ома сначала найдем сопротивление , R=220/5=44 Ом, t = 20 мин = 1200 с, по закону Джоуля – Ленца Q=(220·220·1200)/44= 1320000 Дж = 1320 кДж.
Ответ: 3
Задание огэ по физике (фипи): Электрическая плитка при силе тока 6 А за 120 с потребляет 108 кДж энергии. Чему равно сопротивление спирали плитки?
Задание огэ по физике (фипи): Электрическая лампочка, включённая в сеть напряжением 220 В, за 30 мин потребляет 1980 кДж электроэнергии. Чему равна сила тока, протекающего через её спираль?

Задание огэ по физике (фипи): Сколько времени потребуется электрическому нагревателю, чтобы довести до кипения 2,2 кг воды, начальная температура которой 10 °С? Сила тока в нагревателе 7 А, напряжение в сети 220 В, КПД нагревателя равен 45%.
Решение: При протекании электрического тока через нагреватель выделяется энергия, которая идет на нагревание воды m=2,2 кг от температуры t 1 =10°С до t 2 =100°С, удельная теплоемкость воды с=4200 (Дж/кг·°С), из формулы для количества теплоты найдем Q 1 =cm 1 (t 2 -t 1)= 4200·2,2(100-10)=831600 Дж - количество теплоты необходимое для нагревания воды.
Зная, что КПД нагревателя равен 45%, найдем сколько тепла выделяет электрический нагреватель Q=Q 1 /0,45=1848000 Дж.
Из формулы Q=IUt выразим время t=Q/(IU)=1848000/(7·220)=1200 c = 20 минут.
Ответ: 20 минут.
Задание демонстрационного варианта ОГЭ 2019: На рисунке изображена схема электрической цепи, состоящей из трёх резисторов и двух ключей К 1 и К 2 . К точкам А и В приложено постоянное напряжение. Максимальное количество теплоты, выделяемое в цепи за 1 с, может быть получено,

1) если замкнут только ключ К 1
2) если замкнут только ключ К 2
3) если замкнуты оба ключа
4) если оба ключа разомкнуты
Решение: По закону Джоуля – Ленца , если напряжение постоянно, при уменьшении сопротивления, количество теплоты, выделяемое в цепи увеличивается. Следовательно, для того что бы количество теплоты выделяемое в цепи было максимально, необходимо уменьшить сопротивление цепи. При параллельном сопротивлении нескольких резисторов, их общее сопротивление меньше чем сопротивление отдельного резистора. Сопротивление будет минимальным при замыкании обоих ключей. Сопротивление будет минимальным, а количество теплоты выделяемое в цепи максимальным

Способность тела производить работу называется энергией тела . Таким образом, мерой количества энергии является работа. Энергия тела тем больше, чем большую работу может произвести это тело при своем движении. Энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Например, в генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую энергию, а в двигателе – электрическая в механическую. Однако не вся энергия является полезной, т.е. часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов.

Работа электрического тока численно равна произведению напряжения, силы тока в цепи и времени его прохождения. Единица измерения – Джоуль.

Для измерения работы или энергии электрического тока используется электроизмерительный прибор − счетчик электрической энергии.

Электрическая энергия помимо джоулей измеряется в ватт-часах или киловатт-часах :

1 Вт·ч = 3 600 Дж, 1 кВт·ч = 1 000 Вт·ч.

Мощность электрического тока – это работа, производимая (или потребляемая) в единицу времени. Единица измерения – Ватт.

Для измерения мощности электрического тока используется электроизмерительный прибор − ваттметр.

Кратными единицами измерения мощности являются киловатт или мегаватт:

1 кВт = 1 000 Вт, 1 МВт = 1 000 000 Вт.

В табл. 1 приведена мощность ряда устройств.

Таблица 1

Название устройства	Мощность устройства, кВт
Лампа карманного фонаря
Холодильник домашний
Лампы осветительные (бытовые)
Электрический утюг
Стиральная машина
Электрическая плита	0,6; 0,8; 1; 1,25
Электропылесос
Лампы в звездах башен Кремля
Двигатель электровоза ВЛ10
Электродвигатель прокатного стана
Гидрогенератор Братской ГЭС
Турбогенератор	50 000 − 1 200 000

Соотношения между мощностью, током, напряжением и сопротивлением приведены на рис. 1.

P U

I R

R·I

Рис. 1

Скорость, с которой механическая или другая энергия преобразуется в источнике в электрическую называется мощностью источника :

где W и – электрическая энергия источника.

Скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в приемнике в другие виды энергии, в частности в тепловую, называется мощностью приемника :

Мощность, определяющая непроизвольный расход энергии, например, на тепловые потери в источнике или в проводниках, называют мощностью потерь:

По закону сохранения энергии мощность источника равна сумме мощностей потребителей и потерь:

Это выражение представляет собой баланс мощностей .

Эффективность передачи энергии от источника к приемнику характеризует коэффициент полезного действия (КПД) источника:

где Р 1 или Р ист – мощность, отдаваемая источником энергии во внешнюю цепь;

Р 2 – мощность, получаемая извне или потребляемая мощность;

∆P или Р 0 (Р вн ) – мощность, расходуемая на преодоление потерь в источник или приемнике энергии.

Электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц. При столкновении движущихся частиц с молекулами и ионами вещества кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам и молекулам, вследствие чего происходит нагревание проводника. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в тепловую.

В 1844 г. русским академиком Э.Х. Ленцем и английским ученым Джоулем одновременно и независимо друг от друга был открыт закон, описывающий тепловое действие тока.

Закон Джоуля-Ленца : при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекает по проводнику:

где Q – количество теплоты, Дж, I – сила тока, А; R – сопротивление проводника, Ом; t – время, в течение которого электрический ток протекал по проводнику, с.

Закон Джоуля-Ленца используют при расчетах тепловых режимов источников электроэнергии, линий электропередачи, потребителей и других элементов электрической цепи. Преобразование электроэнергии в тепловую имеет очень большое практическое значение. Вместе с тем тепловое действие во многих случаях оказывается вредным (рис. 2).

Эмилий Христианович Ленц (1804 - 1865) - русский знаменитый физик. Он является одним из основоположников электромеханики. С его именем связано открытие закона, определяющего направление и закона, определяющего электрическое поле в проводнике с током.

Кроме того, Эмилий Ленц и английский учёный-физик Джоуль, изучая на опыте независимо один от другого открыли закон, согласно которому количество теплоты, которое выделяется в проводнике, будет прямо пропорционально квадрату электрического тока, который проходит по проводнику, его сопротивлению и времени, в течение которого электрический ток поддерживается неизменным в проводнике.

Данный закон получил название закон Джоуля - Ленца, формула его выражает следующим образом:

где Q - количество выделившейся теплоты, l - ток, R - сопротивление проводника, t - время; величина k называется тепловым эквивалентом работы. Численное значение этой величины зависит от выбора единиц, в которых производятся измерения остальных величин, входящих в формулу.

Если количество теплоты измерять в калориях, ток в амперах, сопротивление в Омах, а время в секундах, то k численно равно 0,24. Это значит, что ток в 1а выделяет в проводнике, который обладает сопротивлением в 1 Ом, за одну секунду число теплоты, которое равно 0,24 ккал. Исходя из этого, количество теплоты в калориях, выделяющееся в проводнике, может быть рассчитано по формуле:

В системе единиц СИ энергия, количество теплоты и работа измеряются единицами - джоулями. Поэтому коэффициент пропорциональности в законе Джоуля - Ленца равен единице. В этой системе формула Джоуля - Ленца имеет вид:

Закон Джоуля - Ленца можно проверить на опыте. По проволочной спиральке, погружённой в жидкость, налитую в калориметр, пропускается некоторое время ток. Затем подсчитывается количество теплоты, выделившейся в калориметре. Сопротивление спиральки известно заранее, ток измеряется амперметром и время секундомером. Меняя ток в цепи и используя различные спиральки, можно проверить закон Джоуля - Ленца.

На основании закона Ома

Подставляя значение тока в формулу (2), получим новое выражение формулы для закона Джоуля - Ленца:

Формулой Q = l²Rt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, выделяемого при последовательном соединении, потому что в этом случае во всех проводниках одинаков. Поэтому, когда происходит нескольких проводников, в каждом из них будет выделено такое количество теплоты, которое пропорционально сопротивлению проводника. Если соединить, например, последовательно три проволочки одинаковых размеров - медную, железную и никелиновую, то наибольшее количество теплоты будет выделяться из никелиновой, так как её наибольшее, она сильнее и нагревается.

Если то электрический ток в них будет различен, а напряжение на концах таких проводников одно и то же. Расчёт количества теплоты, которое будет выделяться при таком соединении, лучше вести, используя формулу Q = (U²/R)t.

Эта формула показывает, что при параллельном соединении каждый проводник выделит такое количество теплоты, которое будет обратно пропорционально его проводимости.

Если соединить три одинаковой толщины проволоки - медную, железную и никелиновую - параллельно между собой и пропустить через них ток, то наибольшее количество теплоты выделится в она и нагреется сильнее остальных.

Беря за основу закон Джоуля - Ленца, производят расчёт различных электроосветительных установок, отопительных и нагревательных электроприборов. Также широко используется преобразование энергии электричества в тепловую.