Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается

Закон Джоуля-Ленца

Электричество — неотъемлемый признак нашей эпохи. Абсолютно всё вокруг завязано на нём. Любой современный человек, даже без технического образования, знает, что электрический ток, текущий по проводам, способен в некоторых случаях нагревать их, зачастую до очень высоких температур. Казалось бы, это заведомо всем известно и не стоит упоминания. Однако, как объяснить это явление? Почему и как происходит нагрев проводника?

Опыты Ленца

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц «застрял» с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи «источник энергии — проводник — потребитель энергии» сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало — невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший «нагреватель» — стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся — тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Закон Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы «трётся», соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

Из формулы также следует — чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом — будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге — подгорание с последующим пропаданием контакта.

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины — первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна , данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.

Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку

Заключение

Таки образом, можно сказать что на законе Джоуля-Ленца держится чуть ли не вся электрика и электротехника. Открыв этот закон, появилась возможность уже заранее предсказать некоторые будущие проблемы в освоении электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери нужно занизить передаваемый ток, компенсируя это высоким напряжением. А уже на оконечном потребителе, понижать напряжение и получать более высокий ток.

Закон Джоуля-Ленца неотступно следует из одной эпохи технологического развития в другую. Даже сегодня мы постоянно наблюдаем его в быту – закон проявляется всюду, и не всегда люди ему рады. Сильно греющийся процессор персонального компьютера, пропадание света из-за обгоревшей скрутки «медь-алюминий»,выбитая вставка-предохранитель, выгоревшая из-за высокой нагрузки электропроводка – всё это тот самый закон Джоуля-Ленца.

Раз уж заговорили про ДжОУля )) Читайте статья про ОУ — Операционный усилитель.

Нагревание проводников током

Так как количество тепла, выделяемое током при прохождении его по проводнику пропорционально времени, то температура проводника должна бы непрерывно возрастать, пока по проводнику идет ток. На самом же деле при продолжительном пропускании тока по проводнику устанавливается некоторая постоянная температура, хотя в этом проводнике продолжается непрерывное выделение тепла.

Объясняется это явление тем, что всякое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, отдает тепловую энергию в окружающую среду благодаря тому, что:

во-первых, само тело и тела, соприкасающиеся с ним, обладают теплопроводностью ;

во-вторых, слои воздуха, прилегающие к телу, нагреваются, подымаются вверх и уступают место более холодным слоям, которые опять нагреваются, и т. д. (конвекция тепла) ;

в-третьих, благодаря тому, что нагретое тело излучает в окружающее пространство темные, а иногда и видимые лучи, затрачивая на это часть своей тепловой энергии (лучеиспускание).

Все перечисленные потери тепла тем больше, чем больше разность температур тела и окружающей среды. Поэтому, когда температура проводника сделается настолько высокою, что все количество тепла, отдаваемое проводником в окружающее пространство в единицу времени, будет равно количеству тепла, выделяемому в проводнике каждую секунду электрическим током, то температура проводника перестанет возрастать и сделается постоянной.

Потеря тепла проводником при прохождении по нем тока слишком сложное явление для того, чтобы зависимость температуры проводника от всех обстоятельств, влияющих на скорость охлаждения тела, может быть получена теоретическим путем.

Некоторые выводы, однако, могут быть сделаны на основании теоретических соображений. Между тем вопрос о температуре проводников имеет большое практическое значение, при всех технических расчетах сети, реостатов, обмоток и т. п. Поэтому в технике пользуются эмпирическими формулами, правилами и таблицами, дающими зависимость между сечениями проводников и допустимой силой тока при различных условиях, в которых находятся проводники. Некоторые качественные соотношения можно предвидеть и легко установить опытным путем.

Очевидно, что всякое обстоятельство, которое уменьшает влияние одной из трех причин охлаждения тела, повышает температуру проводника. Укажем некоторые из таких обстоятельств.

Неизолированный прямолинейный проводник, натянутый горизонтально, имеет более низкую температуру, чем такой же проводник при той же силе тока в вертикальном положении, так как во втором случае нагретый воздух поднимается вдоль проводника, и замена нагретого воздуха холодным происходит более медленно, чем в первом случае.

Проводник, свернутый в спираль, нагревается гораздо больше, чем такой же проводник при той же силе тока, вытянутый в прямую линию.

Проводник, покрытый слоем изоляции, нагревается сильнее, чем не изолированный, так как изоляция всегда дурной проводник тепла, и температура на поверхности изоляции гораздо ниже температуры проводника, поэтому охлаждение этой поверхности потоками воздуха и излучением гораздо меньше.

Если проводник поместить в водород или светильный газ, обладающие большей теплопроводностью, чем воздух, то температура проводника при той же силе тока будет ниже, чем в воздухе. Наоборот, в углекислоте, теплопроводность которой меньше, чем у воздуха, проволока нагревается сильнее.

Если проволоку поместить в пустоту (вакуум), то конвекция тепла совершенно прекратятся, и нагревание проволоки будет значительно больше, чем в воздухе. Этим пользуются при устройстве лампочек накаливания.

Вообще, охлаждение проводников потоками воздуха имеет главное значение среди других факторов охлаждения. Всякое увеличение поверхности охлаждения понижает температуру проводника. Поэтому пучок тонких параллельных проводников, не соприкасающихся друг с другом, охлаждается гораздо лучше, чем толстый проводник такого же сопротивления, сечение которого равно сумме сечений всех проволок пучка.

Чтобы приготовить реостаты сравнительно малого веса, применяют в качестве проводников очень тонкие полоски металла, гофрируя их для уменьшения длины.

Так как количество тепла, выделяемое током в проводнике, пропорционально сопротивлению его, то в случае двух проводников одинакового размера, но различного вещества, тот проводник, удельное сопротивление которого больше, нагревается до более высокой температуры.

Уменьшая сечение проводника, можно увеличить сопротивление его настолько, что температура его достигнет температуры плавления. Этим пользуются для предохранения сети и приборов от порчи токами большей силы, чем та, на которую приборы и сеть рассчитаны.

Для этого в цепь проводов вводят так называемые плавкие предохранители, представляющие собою короткие проводники из легкоплавкого металла (серебра или свинца). Сечение этого проводника рассчитывают так, чтобы при некоторой определенной силе тока этот проводник расплавился.

Данные, которые даются в справочных таблицах относительно поперечного сечения предохранителей на различные силы токов, относятся к предохранителям, длина которых не менее определенных размеров.

Очень короткий предохранитель охлаждается лучше, чем длинный, вследствие хорошей теплопроводности медных зажимов, с которыми он соединен и, следовательно, плавится при несколько большей силе тока. Кроме того длина предохранителя должна быть такова, чтобы при расплавлении его между концами проводов не могла образоваться электрическая дуга. Таким образом наименьшая длина предохранителя определяется в зависимости от напряжения сети.

Как объяснить нагревание проводника электрическим током — закон Джоуля-Ленца

Явление нагревания проводника при подключении его к источнику знакомо каждому.

Дадим объяснение этому явлению, рассмотрев протекание тока по металлическому проводнику.

Физический смысл электрического тока — движение заряженных частиц. Любое движущееся тело имеет кинетическую энергию, пропорциональную его скорости и массе. Проводник состоит из частиц: молекул, атомов, элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов).

До начала возникновения тока в проводнике существует так называемый электронный газ, электроны в котором движутся хаотично. При подключении проводника к источнику возникающее электрическое поле совершает работу, вынуждая электроны двигаться упорядоченно в одном направлении. Результатом работы поля будет кинетическая энергия, которая появится у каждого из электронов.

Двигаясь сквозь кристаллические решетки из атомов внутри проводника электроны постоянно сталкиваются с частицами в узлах решетки. По закону сохранению энергии после столкновения часть кинетической энергии свободного электрона выделяется в пространство в виде теплоты — Q.

В общем случае выделяемая энергия может переходить не только в теплоту, но и затрачиваться на другие виды работы или энергии, например, химические реакции. На данном уроке физики рассматривается случай, когда работа поля определяется суммой кинетической энергии движущихся электронов и количества выделяемой теплоты.

Описанный процесс справедлив для разных классов проводников: твердых, жидких и газообразных.

Электронным газом называют электроны, которые обладают слабой связью с ядром атома, поэтому под действием внешних сил могут преодолеть силу притяжение к ядру. Именно эти электроны, перемещаясь между полюсами источника, создают электрический ток в твердых проводниках. В жидких и газовых проводниках ток вызван движением положительных и отрицательных ионов.

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца – конспект урока – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана) Оборудование компьютер, проектор, экран, презентация к уроку, источник тока, амперметр, вольтметр, низковольтная лампа на подставке, ключ, соединительные провода, три провода из разного металла, настольная лампа. Спрашивайте, я на связи!

Как изменится сопротивление проводника если его длину и площадь поперечного сечения уменьшить в 2 раза? Физика

Закон Джоуля-Ленца. Определение, формула, физический смысл

Количество теплоты, выделяемой при протекании тока, зависит от следующих параметров:

1. Величины силы тока. Сила тока определяет количество заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Следовательно, чем больше сила тока в цепи, тем большее количество свободных электронов столкнется со связанными частицами и тем большее количество теплоты выделится.
2. Напряжения в цепи. Напряжение прямо пропорционально работе поля по перемещению заряда. То есть чем больше напряжение, тем большую работу совершило поле и тем большую кинетическую энергию получили свободные электроны, а значит, и выделяемое количество теплоты будет больше.
3. Сопротивление проводника. Сопротивление характеризует способность проводника пропускать ток. Зависимость количества выделяемой теплоты от сопротивления также прямо пропорциональна. Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем большая работа затрачивается на перемещение зарядов, при этом количество выделенной теплоты увеличится.
4. Время. Количество произошедших ударов свободных и связанных электронов будет расти с увеличением времени, как и количество теплоты.

Описать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи и проводника удалось двум ученым: английскому физику Дж. Джоулю и русскому физику Э. Ленцу. В XIX веке они независимо друг от друга сформулировали закон о тепловом воздействии поля на проводник. Впоследствии закон назвали в честь его первооткрывателей — закон Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца гласит, что количество теплоты, выделяемой при протекании тока через проводник, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени прохождения тока.

Используя закон Ома для участка цепи, преобразуем формулу записи закона Джоуля-Ленца:

Термины

• Полупроводник – вещество с электрическими свойствами, которые характеризируют его как хорошего проводника или изолятора.
• Температурный коэффициент удельного сопротивления – эмпирическая величина (α), описывающая изменение сопротивления или удельного сопротивления с температурным показателем.
• Удельное сопротивление – степень, с которой материал сопротивляется электрическому потоку.

Сопротивление конкретного образца ртути достигает нуля при крайне низком температурном показателе (4.2 К). Если показатель выше этой отметки, то наблюдается внезапный скачек сопротивления, а далее практически линейный рост с температурой

p = p (1 + αΔT), где ρ – исходное удельное сопротивление, а α – температурный коэффициент удельного сопротивления. При серьезных переменах температуры α способно меняться, а для поиска p возможно потребуется нелинейное уравнение. Именно поэтому иногда оставляют суффикс температуры, при которой изменилось вещество (к примеру, α15).

Стоит отметить, что α положительно для металлов, а удельное сопротивление растет вместе с температурным показателем. Обычно температурный коэффициент составляет +3 × 10-3 К-1 до +6 × 10-3 К-1 для металлов с примерно комнатной температурой. Есть сплавы, которые разрабатывают специально, чтобы снизить зависимость от температуры. Например, у манганина α приближено к нулю.

Не забывайте также, что α выступает отрицательным для полупроводников, то есть, их удельное сопротивление уменьшается с ростом температурной отметки. Это отличные проводники при высоких температурах, потому что повышенное температурное смешивание увеличивает количество свободных зарядов, доступных для транспортировки тока.

Сопротивление объекта также основывается на температуре, так как R располагается в прямой пропорциональности p. Мы знаем, что для цилиндра R = ρL/A. Если L и A сильно не изменяются с температурой, то R обладает одинаковой температурной зависимостью с ρ. Выходит:

R = R (1 + αΔT), где R – исходное сопротивление, а R – сопротивление после изменения температуры T.

Давайте рассмотрим сопротивление датчика температуры. Очень многие термометры функционируют по этой схеме. Наиболее распространенный пример – термистор. Это полупроводниковый кристалл с сильной зависимостью от температуры. Устройство небольшое, поэтому быстро переходит в тепловой баланс с человеческой частью, к которой прикасается.

Термометры основаны на автоматическом измерении температурного сопротивления термистора

Батарея
Измерения тока и напряжения в цепях
Микроскопический вид: скорость дрейфа

Закон Ома
Температура и сверхпроводимость
Сопротивление и удельное сопротивление
Зависимость сопротивления от температуры

Производители применяют различные инженерные решения при выпуске продукции этой категории. Для уточнения на стадии сравнения можно изучить официальную сопроводительную документацию либо запросить необходимые данные на сайте компании.

Нагревание ⭐ проводников электрическим током: закон Джоуля-Ленца Классификация по ГОСТ Допустимое отклонение, C Нормированный температурный диапазон для разных видов ТС минимум максимум в C Платиновый проволочный пленочный Медный Никелевый АА 0,1 0,0017 -50 250 -50 150 А 0,15 0,002 -100 450 -30 300 -50 120 В 0,3 0,005 -196 660 -50 500 -50 200 С 0,6 0,01 -196 660 -50 600 -180 200 -60 180. Спрашивайте, я на связи!

При пропускании тока от источника постоянного напряжения через стальной проводник проводник нагревается. как изменится сопротивление проводника и почему? Есть ответ на

• класс точности;
• температурный диапазон, в котором поддерживается допустимое отклонение по установленным нормативам;
• мощность потребления;
• размеры, масса;
• защищенность от электромагнитных колебаний и других внешних воздействий.

Класс допуска

Приведенные ниже данные соответствуют международным и российским стандартам. Допустимо использование уникальных температурных диапазонов, утвержденных в ТУ определенного предприятия производителя.

Как изменится сопротивление проводника если его длину увеличить в 8 раз а площадь поперечного сеченя уменьшить в 2 раза? Поэтому так важно не только изначально правильно подбирать сечение провода, но и следить в дальнейшем за состоянием проводки. Спрашивайте, я на связи!

Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников

Под тепловым действием электрического тока понимают выделение тепловой энергии в процессе прохождения тока по проводнику. Когда через проводник проходит ток, образующие ток свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами проводника, нагревая его.

Выделяемое при этом количество теплоты можно определить с помощью закона Джоуля-Ленца, который формулируется так: количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока через проводник, равно произведению квадрата тока, сопротивления данного проводника и времени прохождения тока через проводник.

Приняв ток в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, получим количество теплоты в джоулях. А учитывая что произведение тока на сопротивление — есть напряжение, а произведение напряжения на ток — мощность, в результате оказывается, что количество выделенной теплоты в данном случае равно количеству электрической энергии, переданной данному проводнику во время прохождения по нему тока. То есть электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Получение тепловой энергии из электрической широко применяется с давних времен в различной технике. Электронагревательные приборы, такие как обогреватели, водонагреватели, электрические плиты, паяльники, электропечи и т. д., а также электросварка, лампы накаливания и многое другое используют именно этот принцип для получения тепла.

Но в большом количестве электрических устройств нагрев, вызываемый током, вреден: электродвигатели, трансформаторы, провода, электромагниты и т. д. – в данных устройствах, не предназначенных для получения тепла, нагрев снижает их КПД, мешает эффективной работе, и даже может привести к аварийным ситуациям.

Для любого проводника, в зависимости от параметров окружающей среды, характерно определенное допустимое значение величины тока, при котором проводник заметно не нагревается.

Так, например, для нахождения допустимой токовой нагрузки на провода, используют параметр «плотность тока», характеризующий ток, приходящийся на 1 кв.мм площади поперечного сечения данного проводника.

Допустимая плотность тока для каждого проводящего материала в определенных условиях своя, она зависит от многих факторов: от вида изоляции, интенсивности охлаждения, температуры окружающей среды, площади поперечного сечения и т. д.

К примеру для электрических машин, где обмотки изготавливают, как правило, из меди, величина предельно допустимой плотности тока не должна превышать 3-6 ампер на кв.мм. Для лампы накаливания, а точнее для ее вольфрамовой нити, – не более 15 ампер на кв.мм.

Для проводов осветительных и силовых сетей предельно допустимая плотность тока принимается исходя из вида их изоляции и площади поперечного сечения.

Если материалом проводника служит медь, а изоляция резиновая, то при площади сечения, например, в 4 кв.мм допускается плотность тока не более 10,2 ампер на кв.мм, а если сечение 50 кв.мм, то допустимая плотность тока будет всего 4,3 ампера на кв.мм. Если же проводники указанной площади не имеют изоляции, то допустимые плотности тока будут соответственно 12,5 и 5,6 ампер на кв.мм.

С чем же связано понижение допустимой плотности тока для проводников большего сечения? Дело в том, что проводники с существенной площадью поперечного сечения, в отличие от проводников малого сечения, имеют больший объем проводящего материала расположенного внутри, и получается что внутренние слои проводника сами окружены нагревающимися слоями, которые мешают отводу тепла изнутри.

Чем больше площадь поверхности проводника по отношению к его объему, – тем большую плотность тока способен выдержать проводник не перегреваясь. Неизолированные проводники допускают нагрев до более высокой температуры, так как от них тепло отводится прямо в окружающую среду, изоляция этому не препятствует, и охлаждение происходит быстрее, поэтому для них допускается более высокая плотность тока чем для проводников в изоляции.

Если превысить допустимый для проводника ток, он начнет перегреваться, и в какой-то момент его температура окажется чрезмерной. Изоляция обмотки электродвигателя, генератора или просто проводки, может в таких условиях обуглиться или загореться, что приведет к короткому замыканию и пожару. Если же говорить о неизолированном проводе, то он при высокой температуре может просто расплавиться и разорвать цепь, в которой служит проводником.

Превышение допустимого тока принято предотвращать. Поэтому в электрических установках обычно принимают специальные меры с целью автоматического отключения от источника питания той части цепи или того электроприемника, в котором случилась перегрузка по току или короткое замыкание. Для этого служат автоматические выключатели, плавкие предохранители и другие устройства, несущие аналогичную функцию — разорвать цепь при перегрузке.

Из закона Джоуля-Ленца следует, что перегрев проводника может произойти не только из-за превышения тока через его поперечное сечение, но и из-за более высокого сопротивления проводника. По этой причине для полноценной и надежной работы любой электрической установки крайне важно сопротивление, особенно в местах соединения друг с другом отдельных проводников.

Если проводники соединены не плотно, если их контакт друг с другом не качественный, то сопротивление в месте соединения (так называемое переходное сопротивление в месте контакта) окажется выше чем для цельного участка проводника той же длины.

В результате прохождения тока через такое некачественное, не достаточно плотное соединение, место данного соединения будет перегреваться, что чревато возгоранием, выгоранием проводников или даже пожаром.

Чтобы этого избежать, концы соединяемых проводников надежно зачищают, облуживают и оснащают кабельными наконечниками (впаивают или прессуют) или гильзами, которые обеспечивают запас на переходное сопротивление в месте контакта. Такие наконечники можно плотно закрепить на клеммах электрической машины при помощи болтов.

К электрическим аппаратам, предназначенным для включения и выключения тока, также применяют меры по уменьшению переходного сопротивления между контактами.

Закон Джоуля-Ленца

Если включить в сеть обычную лампочку или электрочайник, спираль этих приборов начнет нагреваться и выделять тепло. А при работе вентилятора теплового излучения нет, хотя он тоже подключается к сети. Этот феномен объясняет закон Джоуля-Ленца, который широко используется в прикладной электротехнике. В данном материале мы познакомимся с ним, узнаем определение, формулы и физический смысл правила.

О чем эта статья:

8 класс, 10 класс

Закон Джоуля-Ленца

На примере многих бытовых приборов понятно, что если через участок цепи проходит электроток и при этом не совершается какая-либо работа, то происходит нагревание проводника. Иногда оно идет на пользу — например, в лампе накаливания или в аппарате дуговой сварки. Но в других случаях тепловой эффект нежелателен — например, перегрев электрической проводки в здании может вызвать пожар. Поэтому в наших интересах управлять таким эффектом, и правило Джоуля-Ленца определяет, от чего зависит тепловое действие тока.

Правило было сформулировано в результате опытов двух ученых — англичанина Джеймса Прескотта Джоуля и российского физика Эмилия Христиановича Ленца. Поскольку ученые работали независимо друг от друга, новый закон назвали двойным именем.

Закон Джоуля-Ленца кратко: нагревание проводника или полупроводника прямо пропорционально его сопротивлению, времени действия тока и квадрату силы тока.

Поскольку сопротивление проводника определяют такие характеристики, как его длина, площадь и проводимость, верны следующие утверждения:

количество теплоты в проводнике снижается при увеличении площади его сечения;

тепловой эффект снижается при уменьшении длины проводника.

Это легко проиллюстрировать, подключив к источнику питания две лампы с разным сопротивлением вначале последовательно, а после — параллельно. При последовательном подключении лампа с большим сопротивлением будет светить ярче, а при параллельном — наоборот.

Природа тепла в проводниках

Разберемся, как происходит нагрев проводника и каким образом этот процесс отвечает формулировке законе Джоуля-Ленца. Как известно, электрический ток представляет собой направленный поток электронов, если речь идет о металлах, и направленный поток ионов — если о растворах электролитов. Проводником называют такой металл, в котором много свободных электронов.

При подключении проводника к сети электроны начинают двигаться в одном направлении под действием электрического поля. При движении они сталкиваются с атомами проводника и передают им свою кинетическую энергию. Чем выше скорость заряженных частиц, тем чаще происходят такие столкновения и больше выделяется кинетической энергии. Часть этой энергии трансформируется в тепло, поэтому проводник нагревается.

Высокая сила тока означает, что через сечение проводника проходит много свободных электронов и столкновения происходят часто. Соответственно, частицам проводника передается много энергии, и он греется сильнее. Именно поэтому в законе Ленца-Джоуля говорится о том, что количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату силы тока.

Теперь представим, что мы соединили в одну цепь последовательно два проводника, при этом у второго сечение больше, чем у первого. Во втором столкновений частиц будет меньше, а значит — выделится меньше тепла. Вспоминаем, что удельное сопротивление проводника обратно пропорционально его сечению. Чем меньше сечение материала, тем выше его сопротивление и тем сильнее он нагревается. Вот мы и описали тепловое действие тока в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Уравнение Джоуля-Ленца

Посмотрим, как данный закон выражается в математическом виде. Допустим, на некоем участке цепи проходит электрический ток и вызывает нагревание проводника. Если на этом участке нет каких-либо механических процессов или химических реакций, требующих энергозатрат, выделенная проводником теплота Q равна работе тока A.

Q = A

Поскольку А = IUt, где I — сила тока, U — напряжение, а t — время, Q = IUt.

Теперь вспомним, что напряжение можно выразить через сопротивление и силу тока U = IR. Подставим это в формулу:

Q = IUt = I(IR)t = I 2 Rt

Q = I 2 Rt

Мы выразили количество теплоты в проводнике через сопротивление — эта формула для закона Джоуля-Ленца называется интегральной.

Но бывает так, что сила электрического тока неизвестна, зато есть информация о напряжении на участке цепи. В таком случае нужно использовать закон Ома:

I = U/R

Исходя из этого, закон Джоуля-Ленца можно записать в виде дифференциальной формулы:

Напомним, что такое уравнение, как и предыдущее, верно только в том случае, когда вся работа электрического тока уходит на выделение тепла и нет других потребителей энергии.

Итак, у нас есть две формулы для определения количества теплоты, выделяемой проводником при прохождении через него электричества:

При расчетах используют следующие единицы измерения:

количество тепла Q— в джоулях (Дж);

силу тока I — в амперах (А);

сопротивление R — в омах (Ом);

время t — в секундах (с).

Практическое применение

Применение на практике закона Джоуля-Ленца заключается в том, что тепловым действием электрического тока можно управлять, подбирая проводники с нужным сопротивлением. К примеру, для электрических нагревательных приборов, которые должны выделять максимум тепла, выбирают проводники с высоким сопротивлением.

Низкое сопротивление, напротив, позволяет проводнику практически не нагреваться при прохождении тока. Поэтому на промышленных предприятиях с усиленными требованиями к пожаробезопасности для прокладки линий электропередач используется медный кабель. Удельное сопротивление меди сечением 1 мм 2 равно 0,0175 Ом, в то время как у алюминия оно составляет 0,0271 Ом. Медь практически не нагревается, чем снижает риск возгораний.

Примеры задач

Задача 1

Электроплита подключена к сети с напряжением 220 В. Какое количество тепла выделит ее нагревательный элемент за 50 минут, если известно, что сила тока в цепи составляет 10 А.

Решение:

t = 50 мин = 3000 с;

Для того, чтобы рассчитать количество тепла, в данном случае подойдет интегральная формула Джоуля-Ленца Q = I 2 Rt, однако мы не знаем, чему равно сопротивление R. Однако согласно закону Ома R = U/I.

Вычислим сопротивление: R = U/I = 220/10 = 22 Ом.

Подставим имеющиеся данные в формулу:

Q = I 2 Rt = 10 2 × 22 × 3000 = 6 600 000 Дж = 6,6 МДж.

Ответ: плита выделит 6,6 мегаджоулей тепла.

Задача 2

Для обогрева дома требуется, чтобы отопительный прибор выделял 125 кДж тепла в час. Напряжение в электрической сети составляет 220 В. Каким должно быть электрическое сопротивление проводника, чтобы обеспечить данную теплоотдачу?

Почему нагревается проводник с током, и как правильно выбирать проводник?

Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается? Ответ на этот вопрос крайне важен при выборе материалов и сечения проводников, а также в контексте борьбы с последствиями токов короткого замыкания.

Поэтому в нашей статье мы постараемся максимально подробно, но при этом на доступном языке, разобраться с причинами нагрева, его этапами и использовании этого свойства проводников на практике.

Причины нагрева проводников и их этапы

Так почему при прохождении тока проводник нагревается? Ответ на этот вопрос независимо друг от друга дали Джеймс Джоуль в 1841 году, и Эмиль Ленц в 1842 году. В связи с этим. открытый ими закон получил название Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца

Звучит этот закон, как: мощность тепла, выделяемого в единице объема проводника, равна произведению напряженности электрического тока к его плотности. Если из этого определения вам сразу все стало понятно, то наша статья не для вас. Мы поговорим с теми, кто, как и я, когда услышал первый раз это определение, удивленно хлопал глазами.

Поэтому мы будем по минимуму использовать формулы, а постараемся на пальцах объяснить, что значит этот закон:

• Сам проводник имеет определенное сечение, а также сопротивление.
• Значение этого сопротивления обычно не высоко, но оно есть.
• Кроме того, раз у нас по проводнику протекает ток, то он имеет определённый потенциал или напряженность.
• Оперируя этими понятиями мы и определим почему проводник с током нагревается.

Соответственно, чем большее количество времени протекает ток по проводнику, чем большее сопротивление проводника, чем больший ток протекает по проводнику, тем быстрее и больше он нагревается. Вот так характеризует нагревание проводников электрическим током закон Джоуля-Ленца.

Обратите внимание! Электрическая проводимость, а соответственно и сопротивление проводника, напрямую зависит от его температуры. Чем она выше, тем больше сопротивление проводника. Поэтому получается лавинообразный процесс. Проводник греется, его сопротивление растет, и он греется еще больше. В связи с этим, процессу отвода тепла от проводника следует уделять самое пристальное внимание.

Отвод тепла от проводника и этапы нагрева

В связи с приведенным выше свойством, с нагревом проводников нужно бороться. Достигается это за счет выбора оптимального сечения провода, а также материала. То есть, сечение провода должно соответствовать максимально допустимому току, который может протекать в нем, а также нормально выдерживать кратковременные перегрузки.

• Дабы все это правильно рассчитать, мы должны знать не только как закон Джоуля-Ленца нагревание проводников электрическим током рассчитывает, но и как посчитать отдачу тепла проводником. Ведь наш проводник находится не в вакууме, и отдает тепло окружающей среде.

• Сразу давайте определимся, какие параметры влияют на теплоотдачу проводника. Прежде всего, это сечение проводника, ведь вполне логично, что чем большая площадь проводника соприкасается с окружающим воздухом, тем быстрее он ее отдает.

• Следующим важным критерием является так называемый коэффициент теплоотдачи материала, из которого выполнен проводник. Или как этот параметр еще называют — теплопроводность материала. Ведь ни для кого не секрет, что теплопроводность у материалов разная.
• Ну и последним параметром, является разность между температурой окружающей среды и материалом проводника. Ведь как говорит инструкция: чем больше этот перепад, тем быстрее материал отдает тепло.

• Исходя из этих всех параметров, влияющих на теплоотдачу, можно предположить, что для любого проводника и любого тока имеется, так называемая, установившаяся температура. То есть, температура, при которой существует равенство получаемой энергии от протекания тока и отводимого тепла.

• Такую температуру называют установившимся режимом. И она должна быть в пределах рабочей температуры провода. Рабочая температура провода обычно ограничена типом используемой изоляции.

Например, для ПВХ-изоляции она не должна превышать 70⁰С, а разнообразные материалы с пропиткой лаком способны выдерживать температуры до 120⁰С и выше.

Выбор проводников

Как вы можете понять из всего выше написанного, проводники следует выбирать из условий нагрева. Дабы при определённом токе их температура не превышала максимально допустимую. Сделать это можно своими руками, благодаря таблицам в ПУЭ. Но и в этом вопросе сначала необходимо разобраться.

• В ПУЭ приведены таблицы, по которым можно осуществить выбор проводников по нагреву, экономической плотности тока, способу прокладки и другим параметрам. Но для начала мы точно должны знать условия монтажа и работы провода. Давайте разберем, зачем это нужно.

• Но прежде разберемся с током. Ни для кого не секрет, что в течение времени ток в проводнике будет меняться. И какой из них следует рассматривать в качестве результирующего для выбора сечения проводника, непонятно. На этот вопрос нам отвечает п. 1.3.2 ПУЭ, который гласит, что для выбора следует применять средний ток в течении получаса, наиболее нагруженного в течении суток.

• Теперь давайте определимся с температурой. В разных местах монтажа она может достаточно сильно отличаться от рабочей температуры. Это следует учитывать. Поэтому в табл. 1.3.3 ПУЭ приведены поправочные коэффициенты для различной кабельно-проводниковой продукции, если температуры в которых будет работать кабель, отличается от рабочей.
• Выбор проводников по нагреву, плотности тока, обязательно учитывает способ прокладки проводника. Это может быть одиночная прокладка по воздуху, а может быть монтаж в земле или в трубах. Согласитесь, теплоотведение у таких проводников будет существенно отличаться. И это обязательно стоит учитывать.
• Так же следует учитывать количество жил проводника. То ли у нас охлаждается одна жила, то ли три, которые соприкасаются.

Обратите внимание! В табл. 1.3.12 ПУЭ имеется отдельный поправочный коэффициент при монтаже проводников пучками. Ведь если у нас рядом проложено сразу несколько проводников, то они вполне могут нагревать друг друга и заметно хуже остывать. И это так же должно учитываться.

• В итоге мы сможем воспользоваться таблицами 1.3.4. – 1.3.11 ПУЭ, которые предписывают, проводники какого сечения использовать для различных токов, и при использовании проводников с различными типами изоляции.

Обратите внимание! Если вы выбираете проводник для жилого помещения, то сразу должны исключить провода и кабели, выполненные из алюминия. Ведь согласно новых норм ПУЭ от 2001 года, такой материал в электропроводках жилых зданий запрещен.

• Но эти таблицы можно применять для не самых мощных линий. При расчётах межсистемных высоковольтных линий с напряжением в 330кВ и выше, опираться на эти таблицы нельзя. В этом случае используют таблицу 1.3.36 ПУЭ, которая позволяет выбрать сечение проводников, исходя из экономической плотности тока.

Из этого видео Вы узнаете о требованиях к проводникам.

Использование нагрева материалов при прохождении тока на практике

Но далеко не всегда нагрев проводников электрическим током является негативным фактором. Люди научились применять этот закон и себе на пользу. И примеров такого применения масса. Мы приведем лишь некоторые из них.

• Самым первым и самым распространенным, является применение закона Джоуля-Ленца в электрических печах, нагревателях и фенах. Для этого, в качестве проводника, сознательно устанавливается материал с большим сопротивлением. При протекании через него тока выделяется большое количество тепла, которое потом соответствующим образом используется человеком.
• Еще одним способом применения этого закона, являются теплые полы в вашем доме или греющие кабели, которые применяют в строительстве и канализационных системах. Для них так же сознательно применяется проводник с высоким сопротивлением.

• И даже лампочка «Ильича» отчасти использует этот закон. Только тут материал подбирается не только исходя из сопротивления, но и из яркости свечения в нагретом состоянии.
• Но нагревание электрическим током проводников нашло свое применение и в электроэнергетике. Все вы наверняка сталкивались с предохранителями. Суть данного защитного устройства сводится к тому, что в емкость с условно неизменными параметрами помещают проводник определенного сечения. При протекании через этот проводник тока больше допустимого, он перегорает, и тем самым обесточивает защищаемую сеть.

И это только несколько примеров на скорую руку. На самом деле их на порядок больше. Поэтому нагрев проводников при протекании по ним электрического тока это далеко не всегда «зло».

Вывод

Мы очень надеемся, что теперь вы знаете, как можно объяснить нагревание проводника электрическим током, и понимаете сам процесс. Так же вы должны понимать, с чем связаны определенные ограничения при выборе сечения проводников, и не будет ли слишком велика цена игнорирования этих правил.

Ведь все из них основаны на реальных практических и научных обоснованиях, а электротехника очень жестоко наказывает тех, кто их игнорирует.