ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА - Основные законы электротехники и их использование
Электротехника закон цепь ток электролиз
Получим Закон Джоуля-Ленца теоретическим путем. Используя закон Ома, запишем формулу для вычисления работы тока A=IUt в двух других формах.
В левых частях нижних равенств стоит работа тока. Выясним, как она связана с количеством теплоты, выделяющимся в проводнике с током. Для этого запишем первый закон термодинамики и выразим из него работу, совершенную над проводником:
Вспомним, что DU - это изменение внутренней энергии тела (проводника), Q - количество теплоты, отданное проводником (на это указывает "минус"), A' - работа, совершенная над проводником.
Какая же работа совершается над проводником? Вы помните, что тепловое действие тока мы объясняем ударами электронов об ионы кристаллической решетки, в результате чего часть кинетической энергии электронов передается ионам, и их колебания усиливаются. А поскольку направленное движение электронов возникает за счет энергии электрического поля, то Работу в проводнике с током совершают силы электрического поля.
Выясним теперь, что происходит с внутренней энергией проводника. Если ток в цепи только что включили, то проводник будет постепенно нагреваться, а его внутренняя энергия - увеличиваться. По мере роста температуры будет возрастать величина Dt° - разность между температурой проводника и температурой окружающей среды. Согласно закономерности Ньютона, будет возрастать и мощность теплоотдачи проводника в окружающую среду. Через некоторое время это приведет к тому, что температура проводника перестанет увеличиваться.
С этого момента внутренняя энергия проводника перестанет изменяться, то есть величина DU станет равной нулю. Тогда первый закон термодинамики для этого состояния проводника запишется так: A' = - Q.
То есть Если внутренняя энергия проводника не меняется, то работа тока полностью превращается в теплоту.
Используя этот вывод, запишем все три формулы для вычисления работы тока в другом виде.
Формула, заключенная в рамку, и была получена Джоулем и Ленцем опытным путем, а рисунке показана схема установки, при помощи которой можно экспериментально проверить справедливость закона Джоуля-Ленца. Силу тока измеряют амперметром, сопротивление проводника - вычисляют, используя показания вольтметра.
Термометром измеряют повышение температуры жидкости в калориметре. По формулам Q=I2Rt и Q=cmDt° подсчитывают количества теплоты. Теоретически оба значения должны совпадать. Это и проверяют на опыте.
Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах
Количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении постоянного электрического тока, определяется выражением:
,
Где I - сила тока в проводнике, R - сопротивление проводника, T - время, в течение которого проходит электрический ток.
Если сила тока в проводнике изменяется со временем I = I(T), то количество теплоты, которое выделяется за бесконечно малый интервал времени, равно:
,
А количество теплоты, выделяемое за интервал времени равно:
Закон Джоуля-Ленца в интегральной форме.
За счет чего происходит нагревание проводника?
Рассмотрим однородный проводник, к концам которого приложено напряжение U. За время Dt через каждое сечение проходит заряд
.
Работа по перемещению заряда
Учитывая, что U = RI (в соответствии с законом Ома), получим
,
А работа
,
Т. е. нагревание проводника происходит за счет работы, совершаемой силами поля над носителями тока.
Для выражения закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме, представим следующие величины в виде:
, ,
Где Dl - длина выделенного проводника, Ds - площадь поперечного сечения проводника, через которую проходит ток, плотность которого J. Тогда получим
,
Откуда.
Выражение - называется Удельной мощностью тока РУд..
Таким образом, получим:
Или
"Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме", т. е. удельная мощность тока пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Коэффициентом пропорциональности является удельная электропроводность проводника.
Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме носит совершенно общий характер, т. е. не зависит от природы сил, возбуждающих электрический ток. Закон Джоуля-Ленца, как показывает опыт, справедлив и для электролитов и для полупроводников.
В качестве примера технической реализации явления Джоуля-Ленца изображена лампочка накаливания.
Лампочка накаливания
Применение эффекта.
Тепловое действие тока находит широкое применение в технике. В 1873 г. русский инженер А. Н. Лодыгин (1847-1923) впервые использовал тепловое действие тока для устройства электрического освещения (лампа накаливания). На нагревании проводников электрическим током основано действие электрических муфельных печей, электрической дуги (открыта в 1802 русским инженером В. В. Петровым (1761-1834)), контактной электросварки, бытовых электронагревательных приборов и т. д.
Похожие статьи
-
ЗАКОН ОМА - Основные законы электротехники и их использование
Закон Ома устанавливает зависимость между силой тока I в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) U между двумя фиксированными точками...
-
ЗАКОН ПОЛНОГО ТОКА - Основные законы электротехники и их использование
Закон полного тока очень важен. Закон полного тока связывает ток и напряженность магнитного поля. Прямо сейчас изучим закон полного тока. На картинке...
-
ВВЕДЕНИЕ - Основные законы электротехники и их использование
Электротехника - это наука о процессах, связанных с практическим применением электрических и магнитных явлений. Так же называют отрасль техники, которая...
-
ЗАКОН ЛЕНЦА - Основные законы электротехники и их использование
Индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле...
-
ЗАКОН КУЛОНА - Основные законы электротехники и их использование
Одним из ведущих первоисследователей электричества явился Шарль Огюстен де Кулон. Тщательно исследовав силы взаимодействия между телами, несущими на себе...
-
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА ФАРАДЕЯ - Основные законы электротехники и их использование
При электролизе масса превращенного вещества прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролитическую ячейку. При прохождении...
-
Пример 1 Далеко не во всех случаях цепь представляет собой совокупность лишь последовательно и параллельно соединенных ветвей. В качестве примера...
-
Опытным путем, задолго до появления молекулярно-кинетической теории, был открыт целый ряд законов, описывающих равновесные изопроцессы в идеальном газе....
-
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ - Основные законы электротехники и их использование
Как известно, электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. Связь магнитного поля с током привела к многочисленным попыткам возбудить ток в...
-
Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Атомно-молекулярное учение этот закон объясняет следующим...
-
Теоретические основы масс-спектрометрии Масс-спектрометрия представляет собой метод исследования веществ, основанный на определении массы (точнее,...
-
Составление химических уравнений, Расчеты по химическим уравнениям - Основные понятия и законы химии
Включает три этапа: 1. Запись формул веществ, вступивших в реакцию (слева) и продуктов реакции (справа), соединив их по смыслу знаками "+" и "®" : HgO ®...
-
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ, Атомно-молекулярное учение - Основные понятия и законы химии
Химия - наука о веществах, закономерностях их превращений (физических и химических свойствах) и применении. В настоящее время известно более 100 тыс....
-
Уравнение Клайперона-Менделеева - Основные понятия и законы химии
Если записать объединенный газовый закон для любой массы любого газа, то получается уравнение Клайперона-Менделеева: PV= (m / M) RT Где m - масса газа; M...
-
Адсорбционные методы исследования свойств поверхности позволяют количественно охарактеризовать происходящие при адсорбции межмолекулярные взаимодействия,...
-
Межотраслевой баланс в прогнозировании Развития экономики Экономика стран на современном этапе представляет собой сложный многоотраслевой комплекс с...
-
Описание процессов, происходящих на поверхности, изобилует специальными терминами, и при рассмотрении адсорбционных явлений приходится говорить на языке,...
-
Закон Авогадро ди Кваренья (1811 г.) - Основные понятия и законы химии
В равных объемах различных газов при одинаковых условиях (температура, давление и т. д.) содержится одинаковое число молекул. Закон справедлив только для...
-
Пусть { , , ..., } - множество возможных состояний некоторой физической системы. В любой момент времени система может находиться только в одном...
-
Закон постоянства состава - Основные понятия и законы химии
Впервые сформулировал Ж. Пруст (1808 г). Все индивидуальные химические вещества имеют постоянный качественный и количественный состав и определенное...
-
Электротехника и ювелирное дело Так как обладает наибольшей электропроводностью, теплопроводностью и стойкостью к окислению кислородом при обычных...
-
Периодический закон - Химия сегодня
Рассматривая историю химии я не могу не упамяуть об открытии периодического закона. Уже на ранних этапах развития химии было обнаружено, что различным...
-
Чтобы осуществлялось химическое взаимодействие веществ А и В, их молекулы (частицы) должны столкнуться. Чем больше столкновений, тем быстрее протекает...
-
Все разнообразие видов и способов наблюдения осуществляется на практике посредством двух основных организационных форм: отчетности и специально...
-
Реакторами идеального (полного) смешения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется турбулентный гидродинамический режим. В них...
-
Св-ва хим. эл-тов, а так же формы и св-ва соединений эл-тов нах-ся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов. Возрастание + зарядов атомных...
-
Экспоненциальное распределение - Законы надежности
Известное выражение для вероятности безотказной работы при = const превращается в зависимость, соответствующую экспоненциальному закону распределения ,...
-
Термодинамика - наука о взаимопревращениях различных форм энергии и законах этих превращений. Термодинамика базируется только на экспериментально...
-
Если два химических элемента дают несколько соединений, то весовые доли одного и того же элемента в этих соединениях, приходящиеся на одну и ту же...
-
Внутренняя энергия термодинамическая функцция состояния системы, ее энергия, определяемая внутренним состоянием. Внутренняя энергия складывается в...
-
Разбавленные Растворы неэлектролитов (веществ, растворы или расплавы которых не проводят электрический ток) обладают рядом свойств, количественное...
-
Стандартные излучения и источники света - Основные колориметрические системы
Цвета несветящихся тел зависят от спектрального состава падающего на них света. Существует множество источников света как естественных, так и...
-
Цепи Маркова служат хорошим введением в теорию случайных процессов, т. е. теорию простых последовательностей семейств случайных величин, обычно зависящих...
-
В последнее десятилетие в нашей стране очень сильно возросло потребление парфюмерно-косметических товаров. На российском рынке постоянно появляются новые...
-
Идея электроспрея, хоть и не нова, была возрождена в связи с ее настоящим применением к биомолекулам. Первые эксперименты с электроспреем были проведены...
-
Кривые сложения . Диаграмма цветности ху - Основные колориметрические системы
Как было сказано ранее, при разработке колориметрической системы XYZ было поставлено условие, что реальные цвета не должны иметь отрицательных координат....
-
Настоящий Федеральный закон определяет правовые и экономические основы инвестиционной деятельности, осуществляемой в форме капитальных вложений, на...
-
Классификация СМО и их основные элементы - Задачи линейного програмирования
СМО классифицируются на разные группы в зависимости от состава и от времени пребывания в очереди до начала обслуживания, и от дисциплины обслуживания...
-
ТЕМПЕРАТУРА - Основные положения молекулярно-кинетической теории, ее опытные обоснования
Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел называется термодинамической системой. Тепловое или термодинамическое равновесие - такое...
-
Возьмем данные об инвестициях в основной капитал (млрд. руб.) Год Квартал Номер квартала Значение 2003 I 1 330 II 2 470,4 III 3 608,8 IV 4 773,7 2004 I 5...
ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА - Основные законы электротехники и их использование