Закон Джоуля-Ленца
Тепло в проводниках с током. Откуда?
Для начала стоит вспомнить, что такое проводник.
Проводник — вещество/среда/материал, хорошо проводящие электрический ток вследствие наличия свободных носителей заряда
С проводниками тока мы сталкиваемся каждый день. Провода на улице, провода в стенах квартиры, да даже зарядка телефона — внутри каждого из них есть металл, который является проводником.
Однако не каждый металл подойдёт. Следует выбирать тот, у которого между атомами беспорядочно носятся неприкаянные электроны. Ведь стоит только подтолкнуть их сторонней силой, и они побегут в одну сторону, создавая электрический ток.
Электрический ток — направленное движение свободных электронов в проводнике
Нет свободных электронов — нет тока.
Итак, с проводниками разобрались. Однако до сих пор неясно, откуда в них может появиться тепло.
Смотри, есть масса приборов, которые получают тепло напрямую за счёт электрического тока. Чайник, обогреватель, плита — лишь малая часть этого списка.
А есть те, для которых тепло — это побочный эффект. Например, лампочка накаливания. Вроде её главная задача — светить, а поторопишься, попробуешь выкрутить сразу после выключения света — ожог гарантирован.
Почему же так происходит? Все дело в строении проводника!
Электрон — просто заряженная частица. У неё нет мозга, и движется она только потому, что ее кто-то толкает.
А теперь представь: начинает электрон движение, а на его пути встают атомы проводника.
Электрон — не твой маневренный одноклассник, он не может уклониться от атома, и врезается в него на всей скорости. При столкновении электрон передает атому проводника часть своей кинетической энергии (способность находящегося в движении тела совершать работу). Атомы колеблются быстрее → температура проводника растёт.
Уточнение: электрический ток — не всегда поток свободных электронов. Это утверждение справедливо только для металлов. В растворах электролитов роль свободных электронов берут на себя ионы, однако принцип остаётся тем же
Получается, что абсолютно любой проводник греется, если через него пропустить электрический ток. Такова их природа. Однако провода от розеток идут прямо внутри стены, и никто не боится пожара. Почему люди так уверены в своей безопасности? Нет, не потому, что стены из бетона. Все дело в законе Джоуля-Ленца!
Закон Джоуля-Ленца. Определение и формула
Жили как-то в одно время два физика — англичанин Джеймс Джоуль и русский Эмиль Ленц. Друг друга лично они не знали. Так уж получилось, что примерно в одно время они решили провести одинаковый эксперимент и получили одинаковый результат. Такие вот потерянные близнецы от мира физики. Открытому закону дали название по двум фамилиям — чтобы никого не обидеть.
Закон Джоуля-Денца гласит: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени
Q = I2×R×t [Дж]
Разберём формулу на составляющие:
Q — это количество теплоты, которое выделится из проводника — то, насколько сильно он нагреется. Чем меньше количество теплоты — тем меньше нагревается проводник. Измеряется в джоулях.
Сила тока (I) — это скорость прохождения электронов через точку в проводнике за одну секунду.
Чем больше электронов пролетает через одну точку за секунду — тем выше сила тока. Тут все логично: больше электронов — больше столкновений с атомами проводника. Больше столкновений — больше тепла.
Электрическое сопротивление (R ) — физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.
Чем выше сопротивление, тем сложнее электронам проходить через проводник, тем больше тепла выделяется в итоге. В природе нет проводников без сопротивления, поэтому учитывать его обязательно.
t — время, в течении которого идёт электрический ток
Обрати внимание: I2×R — это мощность электрического тока. Ты уже знаешь, что умножая мощность на время, получается работа. Таким образом, можно утверждать следующее:
Количество теплоты, выделяемое проводником, определяет работу, которую совершает электрический ток Q=A
Данное определение поможет тебе в решении усложненных задач, где могут быть не даны сила тока или сопротивление. В этом случае просто вспомни формулы мощности электрического тока с расчетом через напряжение:
P=IU=U2/R
Q=IU×t=U2/R×t
Теперь становится ясно, почему провода, которые спрятаны в стенах квартир, не сгорают при подключении в сеть. Имея низкое сопротивление, провод выделяет настолько незначительное количество тепла, что оно без проблем рассеивается в окружающее пространство. Однако пожары по вине проводки иногда все таки случаются, и виной тому — перегруз.
Перегрузка сети. Предохранители
Перегрузка сети — превышение разрешенной мощности (допустимого тока).
Перегрузка может возникнуть, если подключить сразу много приборов к одному проводу. Их суммарная мощность при одновременном запуске резко поднимет силу тока, что грозит быстрым нагревом проводов, оплавлением изоляции и последующим пожаром. Особенно опасны в этом отношении все электронагревательные приборы, так как мощность, требуемая для их питания, изначально высокая. Для предотвращения подобных скачков были изобретены предохранители.
Электрический предохранитель – это устройство, которое предназначено для защиты элементов электроустановок от перегрузок и коротких замыканий путем размыкания электрической цепи.
Изначально предохранители были одноразовые. Они соединяли провода, идущие по всему дому, с проводами отдельной квартиры, и состояли из стеклянной капсулы с тонкой проволокой внутри. В случае, если жильцы пренебрегали правилами техники безопасности и одновременно включали плиту, фен и чайник, то от скачка силы тока проволочка внутри капсулы перегорала, тем самым спасая квартиру от пожара.
Сегодня почти везде стоят автоматические предохранители. Их главный плюс: они не перегорают, а просто разрывают цепь при скачке тока, тем самым становясь многоразовыми. Теперь не приходится менять предохранитель вручную, залезая в электрический щиток. Достаточно щелкнуть переключателем.
Проверь себя
Закон Джоуля-Ленца описывает:
- …количество теплоты, выделяемое электрическим проводником
- …объем работы электрического тока
- …количество теплоты, выделяемое во время прохождения тока по проводнику
Почему чайник может создать проблемы?
- Из-за его большой мощности может сгореть провод, которым он подключен в сеть
- При включении чайника одновременно с другими приборами в сеть можно превысить допустимую мощность, из-за чего сработает предохранитель
- При включении чайника в сеть падает сила тока в других приборах, и они могут перестать работать
Работа тока связана с теплотой, выделяемой проводником:
- Через время
- Через мощность
- Работа тока и есть теплота