Закон джоуля ленца как найти t: Урок 30. закон джоуля-ленца. эдс — Физика — 10 класс

Закон Джоуля-Ленца

При прохождении электрического тока через металлический проводник электроны сталкиваются то с нейтральными молекулами, то с молекулами, потерявшими электроны.
Движущийся электрон либо отщепляет от нейтральной молекулы новый электрон, теряя свою кинетическую энергию и образуя новый положительный ион, либо соединяется с молекулой, потерявшей электрон (с положительным ионом), образуя нейтральную молекулу.
При столкновении электронов с молекулами расходуется энергия, которая превращается в тепло.
Любое движение, при котором преодолевается сопротивление, требует эатраты определенной энергии.

Так, например, для перемещения какого -либо тела преодолевается сопротивление трения, и работа, затраченная на это, превращается в тепло.
Электрическое сопротивление проводника играет ту же роль, что и сопротивление трения.

Таким образом, для проведения тока через проводник источник тока затрачивает некоторую энергию, которая превращается в тепло.

Переход электрической энергии в тепловую отражает закон Ленца — Джоуля
или закон теплового действия тока.

Русский ученый Ленц и английский физик Джоуль одновременно и независимо один от другого установили, что

при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику.

Это положение называется законом Ленца — Джоуля.
Если обозначить количество теплоты, создаваемое током, буквой Q (Дж),  ток, протекающий по проводнику — I, сопротивление проводника — R и время, в течение которого ток протекал по проводнику — t, то закону Ленца — Джоуля можно придать следующее выражение:

Q = I²Rt.
Так как I = U/R и R = U/I, то Q = (U²/R) t = UIt.

Значение мощности, при выделении определённого количества тепла

Скачать можно здесь

(Подробно и доходчиво в видеокурсе «В мир электричества — как в первый раз!»)

Задачи на применение закона Джоуля-Ленца с решением

Закон Джоуля-Ленца описывает тепловое действие электрического тока и находит широкое применение в электротехнике. В сегодняшней статье разберем несколько задач на закон Джоуля-Ленца.

Лень решать задачи? Зайдите на наш телеграм-канал: там найдется много интересного для всех учащихся. А если вы решили обратиться к нам за помощью, не упустите выгоду и обязательно прочекайте приятные скидки и акции на нашем втором канале.

Закон Джоуля-Ленца: задачи с решением

Для решения любой физической задачи существует алгоритм: сначала записываются все известные данные, затем определяются величины, которые нужно найти. Подробнее о решении физических задач читайте в нашей памятке для студентов. Также советуем держать под рукой формулы, это существенно облегчит процесс решения.

Кстати, если вы интересуетесь задачами на закон Джоуля-Ленца, вам также может быть полезно ознакомиться с задачами на мощность тока.

Задача на закон Джоуля-Ленца №1

Условие

Какое количество теплоты выделяет за 5 минут нагреватель электрочайника, если его сопротивление равно 30 Ом, а сила тока в цепи 1,5 А?

Решение

Это простейшая задача на закон Джоуля-Ленца для участка цепи. Запишем сам закон:

Q=I2Rt

Подставив значения из условия в формулу, найдем:

Q=1,52·30·300=20250 Дж

Ответ: 20,25 кДж.

Задача на закон Джоуля-Ленца №2

Условие

Какое количество теплоты выделит за 40 минут спираль электроплитки, если сила тока в цепи 3 А, а напряжение 220 В?

Решение

Эта также простейшая задача на закон Джоуля-Ленца, но, в отличие от первой задачи, при ее решении используется другая формулировка закона. Сначала запишем закон Джоуля-Ленца:

Q=I2Rt

Теперь перепишем его с учетом закона Ома:

I=URR=UIQ=I2UIt=IUt

Осталось подставить значения и вычислить:

Q=3·220·2400=1,584 МДж

Ответ: 1,584 МДж.

Задача на закон Джоуля-Ленца №3

Условие

Сколько минут ток шел по проводнику сопротивлением 25 Ом, если при силе тока 1 А проводник вылелил 6 кДж теплоты.

Решение

Запишем закон Джоуля-Ленца и выразим время:

Q=I2Rtt=QI2R

Найдем:

t=600012·25=240 c=4 мин

Ответ: 4 минуты.

При расчетах не забывайте переводить все величины из условия в систему СИ.

Задача на закон Джоуля-Ленца №4

Условие

Электрическая плитка при силе тока 4 А за 20 минут потребляет 1000 кДж энергии. Рассчитайте сопротивление плитки.

Решение

Выразим сопротивление из закона Джоуля-Ленца:

Q=I2RtR=QI2t

Подставим значения и вычислим:

R=1000·10316·1200=52 Ом

Ответ: 52 Ом.

Задача на закон Джоуля-Ленца №5

Условие

По проводнику с сопротивлением 6 Ом пропускали постоянный ток в течение 9 c. Какое количество теплоты выделилось в проводнике за это время, если через его сечение прошел заряд 3 Кл?

Решение

Заряд можно определить, зная время и силу тока. А зная заряд и врямя, за которое он прошел по проводнику, найдем силу тока:

I=qt

Запишем закон Джоуля-Ленца для количества теплоты:

Q=I2RtQ=q2t2Rt=q2Rt

Подставим значения и вычислим:

Q=32·69=6 Дж

Ответ: 6 Дж.

Вопросы на закон Джоуля-Ленца

Вопрос 1. Как звучит закон Джоуля-Ленца?

Ответ. Закон Джоуля-Ленца гласит:

Количество теплоты, выделившейся в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Q=I2Rt

Вопрос 2. Почему проводник с током нагревается?

Ответ. При прохождении тока по проводнику положительные ионы в узлах кристаллических решеток проводника за счет энергии тока начинают сильнее колебаться. Это сопровождается увеличением внутренней энергии проводника, т.е. его нагреванием. При этом энергия тока выделяется в виде теплоты, которую называют джоулевым теплом.

Вопрос 3. Как был открыт закон Джоуля-Ленца?

Ответ.  По спирали, помещенной в калориметр с водой, пропускали электрический ток. Через некоторое время вода нагревалась. По температуре воды можно было вычислить количество выделившейся теплоты. Эмпирическим путем было доказано, что при прохождении тока по проводнику, обладающему определенным сопротивлением, в течение времени током совершается работа, проявляющаяся в виде выделившейся теплоты.

Английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Ленц изучали зависимость количества выделяемой теплоты от силы тока одновременно. Они пришли к одному и тому же выводу независимо друг от друга.

Вопрос 4. Как еще можно записать закон Джоуля-Ленца?

Ответ. Воспользовавшись законом Ома для участа цепи, закон Джоуля-Ленца можно переписать следующим образом:

Q=UIt=U2Rt

Вопрос 5. Каково практическое применение закона Джоуля-Ленца?

Ответ. Закон Джоуля-Ленца находит широкое применение на практике:

1. На нем основан принцип действия многих нагревательных приборов (чайник, электроплитка, фен, утюг, паяльник и т.д).
2. На принципе закона Джоуля-Ленца основана контактная сварка, где создание неразъемного сварного соединения достигается путем нагрева металла за счет проходящего через него электрического тока и пластической деформации свариваемых деталей путем сжатия. Электродуговая сварка также использует закон Джоуля-Ленца.
3. Расчеты на основе закона Джоуля-Ленца позволяют стабилизировать и минимизировать тепловые потери в линиях электропередач.

Нужна помощь в решении задач и выполнении других заданий по учебе? Обращайтесь в профессиональный сервис для учащихся в любое время.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током — урок. Физика, 8 класс.

Проходя по проводнику, ток может оказывать некоторые действия: тепловое, химическое и магнитное.

 

Тепловое действие тока обусловлено тем, что свободные электроны, двигаясь с большой скорость, взаимодействуют с ионами металлов, ионами солей в растворах кислот и щелочей. Ионы начинают усиленно колебаться, двигаться, вращаться, то есть их энергия тоже повышается. Проводник или электролит нагревается.

Например, спираль лампочки раскаляется до такой температуры, что начинает излучать свет.

 

 

Нагретый проводник отдаёт полученную энергию окружающим телам путём теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течёт ток, равно работе тока, т.е. Q = A, где \(А\) — работа тока, \(Q\) — количество теплоты.
Работу тока рассчитывают по формуле: A = U⋅I⋅t. Тогда количество теплоты, исходя из закона сохранения энергии, также будет равно: Q = U⋅I⋅t.

Согласно закону Ома U = IR. Подставляя эту формулу в предыдущую, получим: Q = I2⋅R⋅t.

Количество теплоты, которое выделяется в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока.

К такому же выводу на основании опытов пришли независимо друг от друга английский учёный Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля—Ленца.

 

 

Джоуль Джеймс Прескотт (\(1818—1889\)) — английский физик, член Лондонского королевского общества. Он внёс значительный вклад в исследование электромагнетизма и тепловых явлений, в создание физики низких температур, в обоснование закона сохранения и превращения энергии. Именем Джоуля назвали единицу измерения работы и энергии в системе СИ.

 

 

Эмилий Христианович Ленц (\(1804—1865\)) — российский физик и электротехник, академик Петербургской АН (\(1830\)), ректор Санкт-Петербургского университета (с \(1863\)) — один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.

 

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах.

 

Состояние сети, когда по проводам и приборам проходит ток больше допустимого значения, называется перегрузкой. Опасность этого явления в тепловом действии тока, ведь при большой перегрузке изоляция проводников легко воспламеняется. Перегрузка может возникнуть при подключении устройств большой мощности через удлинитель (смотри рисунок и никогда так не делай!).

 

 

Для примера, перегрузка проводов на \(25\)% приводит к сокращению срока их службы где-то с \(20\) лет до \(3—5\) месяцев, а перегрузка проводов на \(50\)% — до нескольких часов.

работа тока равна количеству теплоты

 

Абсолютно каждому человеку знаком самый распространенный в мире электрический прибор – лампочка. Невозможно представить себе современный мир без этого изобретения.

Но не каждый знает, как ее изобрели, за счет чего появляется в ней свет, как свет в лампе связан с электричеством. Интересно? Разберемся.

Как связаны свет и электричество?

Правильно лампочку называть лампой накаливания. Внутри в стеклянном корпусе расположена спираль из вольфрама. Электрический ток, проходя через эту спираль, раскаляет ее добела, и она начинает светиться. Вольфрам используется потому, что он обладает таким свойством – ярко светиться при нагревании. Металлическая нить сворачивается в спираль для того, чтобы увеличить длину нити, и, соответственно, количество получаемого света. Что касается устройства лампочки – разобрались. Все довольно просто. А вот почему вообще раскаляется спираль лампочки, и кто первым додумался это использовать?

Первые эксперименты с электричеством показали, что ток обладает тепловым действием. Он нагревает проводник, по которому идет. Величина нагревания зависит от вещества, из которого изготовлен проводник. Но какой-то нагрев происходит в любом случае. Обусловлено это тем, что отрицательно заряженные электроны, которые и представляют собой ток, при своем движении взаимодействуют с положительно заряженными ядрами кристаллической решетки, из которой состоит вещество проводника.

От этого взаимодействия уменьшается энергия электронов и увеличивается внутренняя энергия проводника. А от величины внутренней энергии и зависит температура вещества. Ток обладает еще магнитным и химическим действием. Если наш проводник неподвижен, и химического действия тока не происходит, то вся энергия, расходуемая током, идет на нагрев проводника. Энергия, израсходованная током, равна совершаемой током работе.

Закон Джоуля-Ленца

Тогда работа тока будет равна количеству теплоты, которое выделит нагревшийся проводник. На основании этого независимо друг от друга в одно время два ученых вывели закон, который и назвали в их честь законом Джоуля-Ленца.

2 )*R*t ,

где Q — количество теплоты, I — сила тока, R — сопротивление тока, t — время.

Открытие этого закона позволило существенно умножить области применения электричества в быту и промышленности. Были созданы различные электронагревательные приборы. А когда обнаружили свойство некоторых веществ ярко светиться при нагревании, изобрели лампу накаливания. Фактически, это изобретение русского ученого Александра Лодыгина, хотя подобные изобретения делались и Томасом Эдисоном и некоторыми другими учеными. Причем спирали делали из разных материалов, например, из платины или угольные спирали.

Самым дешевым и простым оказался вариант с применением вольфрама, который получил огромнейшее распространение и живет до нашего времени. И хотя активно применяют и другие виды лампочек, например, наполняя их газом, который светится при прохождении через него тока, вряд ли когда-нибудь удастся полностью вытеснить из применения лампы накаливания.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Работа и мощность тока
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspМагнитное поле: силовые линии магнитного поля

Определение и формула закона Джоуля-Ленца: работа и мощность тока

Основные понятия

Базовое определение можно сформулировать следующим образом: количество тепла, которое выделяет проводник, пропорционально проходящему через него току и электрическому сопротивлению контрольного участка. С учетом классических отношений, установленных законом Ома, можно выражать эту зависимость через проводимость и разницу потенциалов, которая провоцирует движение заряженных частиц.

Что это за закон

Закон джоуля ленца определение гласит, что это физический норматив, который определяет количественный вид меры теплового действия электротока. В девятнадцатом столетии, вне зависимости друг от друга Джоуль с российским ученым Ленцем стали изучать, как нагреваются проводники в момент прохождения электротока и нашли некую закономерность. Они узнали, что в момент прохождения электротока по проводниковому элементу получается тепло, которое равно силе тока, времени и проводниковому сопротивлению.

Обратите внимание! Это закономерность была названа законом в честь двух ученых. Стоит указать, что эта закономерность активно используется с момента открытия и по сегодняшний день и помогает решить многие вопросы, связанные с электрикой.

История появления формулировки закона ученых

Немного истории

Многочисленные опыты, проведенные в конце XVIII – начале XIX века, позволили не только установить основные свойства и законы электричества, но и сформулировать эпохальный по своей значимости вывод об эквивалентности между теплотой и механической работой: работа, или, как впоследствии стали формулировать, «энергия», никогда не теряется, а лишь переходит из одного вида в другой. Этот вывод, получивший впоследствии название закона сохранения и превращения энергии (см. подраздел 1.2), и заключался в том, что теплоту можно обратить в механическую работу и наоборот и что из определенного количества теплоты можно получить только определенное количество механической работы. Можно привести тысячи примеров, когда с помощью этого закона нашли свое объективное толкование результаты опытов в различных областях естествознания.

Закон Джоуля Ленца кратко

Основными положениями закона сохранения энергии воспользовались и электротехники при определении, например, количества тепловой энергии, выделяющегося в гальванической батарее вследствие химической реакции и превращающегося впоследствии в электрическую энергию. Однако особенность электрической энергии состоит в том, что само по себе электричество неприменимо. Человечество не может использовать его непосредственно подобно тому, как оно согревается теплотой, видит благодаря свету и т.п. Можно пользоваться только действием электрического тока, при котором электричество переходит в другие формы энергии.

Одним из первых глубоко исследовал свойства электрического тока в 1801–1802 годах петербургский академик В.В. Петров (1761– 1834), который провел множество экспериментов по изучению неизвестных в то время законов электрического тока. Изучив работы своих предшественников, Петров пришел к выводу, что более полное и всестороннее исследование электрического тока возможно лишь с помощью крупных гальванических батарей, действие которых будет более интенсивным и легче наблюдаемым. Для своих опытов Петров построил самую крупную в мире в те годы батарею из 4200 медных и цинковых кружков, уложенных в четырех деревянных ящиках, и получил от нее электродвижущую силу около 1700 вольт. Благодаря «лежачей» конструкции тяжелые металлические кружки не выдавливали жидкости, которой пропитывались бумажные кружки, разделяющие цинковые и медные элементы. Для изоляции он покрыл внутренние стенки ящиков сургучным лаком. Общая длина батареи составила 12 м. Все это позволило ему построить «огромную наипаче» батарею, которой не знал ещё мир. Уже в 1801 году он нашел зависимость силы тока от поперечного сечения проводника, в то время как немецкий физик Ом, работавший над этими проблемами, опубликовал результаты своих опытов только в 1827 году. Очень скоро им было замечено, что при прохождении электрического тока по проводнику последний нагревается.

В своих работах В.В. Петров описывает опыты по электролизу растительных масел, в результате которых он обнаружил высокие электроизоляционные свойства этих масел. Позднее масла получили широкое применение в качестве электроизоляционного материала. Желая продемонстрировать явление электролиза одновременно в нескольких трубках с водой, Петров впервые применил параллельное соединение приемников электрического тока. Работы этого выдающегося ученого установили возможность практического использования электрического тока для нагревания проводников.

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) – известный российский физик и электротехник, академик Петербургской академии наук, ректор Петербургского университета – родился в Дерпте (ныне Тарту, Эстония) в семье чиновника. После второго курса Дерптского университета отправился в 1823 году в трехлетнее кругосветное плавание. С помощью сконструированных им приборов (глубометра и батометра) занимался физическими исследованиями в водах Берингова пролива, Тихого и Индийского океанов, установил происхождение теплых и холодных морских течений, открыл закон океанических циркуляций. В 1829 г. принял участие в экспедиции на Кавказ, где проводил магнитные, термометрические и барометрические измерения в горных районах Кавказа и на побережье Каспийского моря. В 1830 году был назначен экстраординарным профессором и директором физического кабинета при Петербургской АН, в 1836 г. возглавил кафедру физики в Петербургском университете, а в 1863 г. стал ректором этого университета. Основные его работы посвящены электромагнетизму, вопросам теории и практического применения электричества, исследования в области которого Ленц начал в 1831 году в лаборатории первого русского электротехника – академика В.В. Петрова. Ленц стоял у истоков первой в России школы физиков-электротехников, последователями которой стали А. С. Попов, Ф.Ф. Петрушевский, В.Ф. Миткевич и др.

Зависимость количества выделяемой теплоты от силы тока изучали английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Ленц. Они пропускали ток по спирали, помещенной в калориметр с водой. Через некоторое время вода нагревалась. По её температуре легко было вычислить количество выделившейся теплоты. Из проведенных опытов практически одновременно Джоуль и Ленц пришли к выводу, что при прохождении гальванического тока I по проводнику, обладающему определенным сопротивлением R, в течение времени t совершается работа А :

А = I 2 Rt,

проявляющаяся в виде выделившейся теплоты.

Этот важнейший вывод обратимости электрической и тепловой энергии, теоретически обоснованный Уильямом Томсоном, получил название закона Джоуля–Ленца, а именем Джоуля названа единица механической работы в системе СИ.

Комбинируя проводники различного сопротивления, включенные последовательно в общую цепь, можно добиться концентрированного выделения большого количества теплоты на малом участке проводника с большим сопротивлением. На таком концентрировании выделения теплоты были основаны все первоначальные опыты превращения энергии электрического тока в тепловую и даже в световую энергию.

Суть данного закона

Всю свою жизнь В.В. Петров – член двух академий – прожил скромно и незаметно. 41 год он проработал в Медико-хирургической академии. За это время он провел много физических опытов, написал три книги и учебник по физике, которым пользовались в гимназиях всей России. Книги и научные статьи Петров писал на русском языке, чтобы их читало как можно больше людей, хотя в то время научные работы было принято писать на латыни. Он писал: «Я надеюсь, что просвещенные и беспристрастные физики по крайней мере некогда согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает».

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 последовательное и параллельное соединение сопротивлений. 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 произведение силы тока и напряжения, 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:

Ну и наконец, если мы хотим посчитать, сколько тепла выделяет вся цепь, включая даже сопротивление проводов, нам достаточно взять напряжение цепи и ток цепи и формула будет выглядеть так:

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 короткого замыкания, 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.

Тепловое действие электрического тока

Еще в девятнадцатом веке опыты по изучению проводимости свидетельствовали, что ток, проходящий по нагрузке, нагревает ее. Исследования показали, что нагревается не только нагрузка, но и проводники.

Рис. 1. Тепловое действие электрического тока.

Данный факт легко объясним, если вспомнить, что электрический ток – это перемещение зарядов в веществе нагрузки. При движении заряды взаимодействуют с ионами кристаллической решетки, и отдают им часть энергии, которая и переходит в тепло.

Свойства электрического тока

Когда электрический ток проходит через металлический проводник, его электроны постоянно сталкиваются с различными посторонними частицами. Это могут быть обычные нейтральные молекулы или молекулы, потерявшие электроны. Электрон в процессе движения может отщепить от нейтральной молекулы еще один электрон. В результате, его кинетическая энергия теряется, а вместо молекулы происходит образование положительного иона. В других случаях электрон, наоборот, соединиться с положительным ионом и образовать нейтральную молекулу.

В процессе столкновений электронов и молекул происходит расход энергии, в дальнейшем превращающейся в тепло. Затраты определенного количества энергии связаны со всеми движениями, во время которых приходится преодолевать сопротивление. В это время происходит превращение работы, затраченной на преодоление сопротивления трения, в тепловую энергию.

Сопротивление в электрических проводниках обладает теми же качествами, как и у обычного сопротивления. Для того чтобы провести ток через проводник, источником тока затрачивается определенное количество энергии, превращающейся в тепло. Данное превращение как раз и отражает закон Джоуля – Ленца, известного также, как закон теплового действия тока.

Формулировка

Закон джоуля ленца формулировка словесно выглядит следующим образом: мощность тепла, которая выделяется в проводниковом элементе в момент протекания в нем электротока имеет пропорциональную зависимость умножения плотности электрополя на напряженность.

Его по-другому можно сформулировать так: энергия, протекая по проводнику, перемещает электрозаряд в электрополе. Так, электрополе совершает работу. Работа производится благодаря проводниковому нагреванию. Энергия превращается в тепло.

Однако, из-за чрезмерного проводникового нагрева при помощи тока и электрооборудования, может повредиться проводка и сами аппараты. Сильное перегревание опасно, когда есть короткое замыкание в проводах. Из-за этого проводники могут иметь большое токовое значение.

Что касается интегральной формы тонких проводников правило или уравнение Джоуля — Ленца звучит так: то тепло, которое выделяется за время в конкретном участке электроцепи, определяется квадратным произведением токовой силы на сопротивление участка.

Обратите внимание! Закон Джоуля-Ленца обладает достаточно общим характером, потому что не имеет зависимости от природы, силу которой генерирует электроток.

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Упрощенная формулировка

Частые вопросы

Как найти время? Здесь имеется в виду период протекания тока через проводник, то есть когда цепь замкнута.

Как найти сопротивление проводника? Для определения сопротивления используют формулу, которую часто называют “рельс”, то есть:

Здесь буквой «Ро» обозначается удельное сопротивление, оно измеряется в Ом*м/см2, l и S это длина и площадь поперечного сечения. При вычислениях метры и сантиметры квадратные сокращаются и остаются Омы.

Удельное сопротивление — это табличная величина и для каждого металла она своя. У меди на порядки меньше, чем у высокоомных сплавов типа вольфрама или нихрома. Для чего это применяется мы рассмотрим ниже.

О законе Джоуля Ленца

Рассмотрим произвольный участок цепи постоянного тока, к концам которого приложено напряжение U. За время t через каждое сечение проводника проходит заряд  . Это равносильно тому, что заряд q переносится за время t из одного конца проводника в другой.

Интересный материал:Все о законе Ома

При этом силы электростатического поля и сторонние силы, действующие на данном участке, совершают работу  . Разделив работу на время t, за которое она совершается, получим мощность, развиваемую током на рассматриваемом участке  .

Эмилий Ленц

Эта мощность может расходоваться на совершение работы над внешними телами; на протекание химических реакций; на нагревание данного участка цепи и др.

В случае, когда проводник неподвижен и химических превращений в нем не совершается, работа тока затрачивается на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается. Принято говорить, что при протекании тока в проводнике выделяется тепло

Это соотношение называется законом Джоуля – Ленца. Оно было экспериментально установлено английским физиком Д. П. Джоулем и подтверждено точными опытами Э. Х. Ленца.

Если сила тока изменяется со временем, то количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время t, вычисляется по формуле

От формулы (4. 1), можно перейти к выражению, характеризующему выделение тепла в различных точках проводника. Выделим в проводнике элементарный объем в виде цилиндра. Согласно закону Джоуля – Ленца, за время dt, в этом объеме выделится количество теплоты

где – dV элементарный объем. Разделив это выражение на dV и dt, найдем количество теплоты, выделяющееся в единице объема в единицу времени:

Величину   называют удельной тепловой мощностью тока. Эта формула представляет собой дифференциальную форму закона Джоуля – Ленца.

Вопросы

• В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока
  2) Напишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах

В чем измеряется

Единица теплового измерения это джоуль. Формула состоит из напряжения, измеряемого в вольтах, силы тока, измеряемого в амперах, и времени, измеряемой в секундах. Тогда выходит, что показатели будут измеряться в джоулях или одном вольте, перемноженном на ампер и секунду.

Единица измерения тепла, выделяемого электричеством

Использование теплового действия электричества

Тепловое действие электрического тока находит широкое применение, в первую очередь, в нагревательных приборах.

Еще одним важным направлением использования теплового действия являются плавкие предохранители. Если необходимо отключить электрическую цепь при превышение допустимого тока, то в цепь можно включить плавкий предохранитель.

Рис. 3. Устройство плавкого предохранителя.

Это небольшая колба из негорючего материала, внутри которой проходит плавкая проволочка или лента, сопротивление которой рассчитано так, чтобы при превышении предельного тока она расплавилась, тем самым разорвав электрическую цепь.

Квартирные предохранители

Чтобы улучшить защиту и обезопасить электрические цепи, используются особые предохранители. В роли главной части выступает проволока из легкоплавкого металла. Она проходит в пробке из фарфора, имеет винтовую нарезку и контакт в центре. Пробку вставляют в патрон, расположенный в фарфоровой коробке.

Свинцовая проволока является частью общей цепи. Если тепловое действие электрического тока резко возрастет, сечение проводника не выдержит, и он начнет плавиться. В результате этого сеть разомкнется, и не случится токовых перегрузок.

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.

Интегральная и дифференциальная формулы закона

Если обратить внимание на величину, представляющую разность внутренней энергии проводника за время прохождения по нему тока, можно заметить, что постепенно при нагревании эта энергия будет увеличиваться. Следуя закону Ньютона, можно предположить, что увеличится и мощность отдачи тепла q проводником. Через определенный промежуток времени температура полупроводника зафиксируется и перестанет расти. В это время внутренняя энергия перестанет меняться, и значение «дельта U» станет равно нулю. В таком равновесии формулировка 1-го термодинамического закона будет следующей:

A = – Q, т.е. работа тока полностью переходит в тепло.

Основываясь на этом выводе, можно представить тепловую закономерность Джоуля Ленца в несколько другом виде, а именно в ее интегральном и дифференциальном видах.

Закон Джоуля Ленца в интегральной и дифференциальной формах

Формула интегрального закона Джоуля-Ленца справедлива при любых данных, поэтому она считается законом. Другие же формулировки типа:

q=I*Ut и q=u2/R*t

работают лишь при определенных условиях, и их нельзя считать законом.

Дополнительная информация. Если углубляться в теорию и проводить дальнейшие расчеты, то можно вывести и другие формы данного теплового закона.

Применение и практический смысл

Непосредственноепревращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономическивыгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современногочеловечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборыпродолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

• электрочайники;
• утюги;
• фены;
• варочные плиты;
• паяльники;
• сварочныеаппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

Закон Джоуля-Ленца без преувеличения можно назвать гениальным. Это один из тех законов, которые повлияли на развитие электротехники.

Лампочка накаливания

Тепловое действие тока и открытие закона способствовали развитию электротехники и увеличению возможностей для использования электричества. То, как применяются результаты исследований, можно рассмотреть на примере обычной лампочки накаливания.

Она устроена таким образом, что внутри протягивается нить, изготовленная из вольфрамовой проволоки. Этот металл является тугоплавким с высоким удельным сопротивлением. При проходе через лампочку осуществляется тепловое действие электрического тока.

Энергия проводника трансформируется в тепловую, спираль нагревается и начинает светиться. Недостаток лампочки заключается в больших энергетических потерях, так как лишь за счет незначительной части энергии она начинает светиться. Основная же часть просто нагревается.

Чтобы лучше это понять, вводится коэффициент полезного действия, который демонстрирует эффективность работы и преобразования в электроэнергию. КПД и тепловое действие тока используются в разных областях, так как имеется множество устройств, изготовленных на основании этого принципа. В большей степени это нагревательные приборы, электрические плиты, кипятильники и другие подобные аппараты.

Задача из ЕГЭ

По проводнику сопротивлением R течёт ток I. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в проводнике в единицу времени, если его сопротивление увеличить в два раза, а силу тока уменьшить в два раза? Варианты ответа: а) увеличится в два раза; б) уменьшится в два раза; в) не изменится; г) уменьшится в восемь раз.

Решение

Воспользуемся законом Джоуля – Ленца:

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике в единицу времени, равно:

Так как сопротивление увеличивается в два раза, а сила тока уменьшается в два раза:

Следовательно, новое значение количества теплоты будет равно:

Ответ: б) уменьшится в два раза

Плагиат или нет?

Ещё в 1832-1833-х годах Эмилий Христианович Ленц обратил внимание на то, что проводимость проводника сильно зависит от его нагревания, это осложняло расчёты электрических цепей, так как не представлялось возможным вычислить зависимость тока от теплоты, которую он выделяет.

Рис. 3. Опыт Ленца

Ленц сконструировал специальный прибор-сосуд, служивший для измерения количества тепла, выделявшегося в проволоке. В сосуд учёный заливал разбавленный спирт (спирт обладает меньшей электропроводностью, чем вода, которую использовал в своих опытах Джеймс Джоуль). В раствор спирта помещалась платиновая проволока, через которую пропускался электрический ток (см. Рис. 3). Была произведена большая серия опытов, в которых Ленц замерял время, затраченное на нагревание раствора на . Получив достаточное количество убедительных данных, в 1843 году учёный опубликовал закон: «нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока». Однако аналогичный закон уже был опубликован Джоулем в 1841 году, но Ленц вполне обоснованно обратил внимание на то, что англичанин провёл свои эксперименты с большим количеством погрешностей. Именно поэтому закон о тепловом действии тока был назван в честь двух выдающихся учёных.

Суть теплового закона

Тепловое действие тока

Упомянутые выше ученые (Джоуль Ленц) практически одновременно (1841-1842 гг. ) установили зависимость нагрева от силы тока. Для наглядного эксперимента можно использовать следующий комплект:

• проводник размещают в емкости с водой;
• термометром будет измеряться изменение температуры жидкости при подключении цепи к источнику электропитания;
• с помощью вольтметра и амперметра уточняют напряжение и ток в контрольных точках.

Аналогичный опыт можно воспроизвести в емкости с раствором соли, который обладает определенной проводимостью

По закону Ома ток (I) можно определить через напряжение (U) и электрическое сопротивление (R):

I= U/R.

Выполняемую работу (A) записать следующим образом:

A = I * U * t = I * (I*R) * t = (U/R) * U * t = I2*R*t = (U2/R) * t.

Здесь t обозначает соответствующий интервал времени.

На этом этапе следует вспомнить первый закон термодинамики, который определяет сохранение энергии в замкнутой системе. Этот постулат позволяет описывать рассматриваемое явление с помощью созданной формулы. Подразумевается равенство количества тепла (Q) выполненной работе (A). Итоговое выражение (закон Ленца):

Q = I2*R*t = (U2/R) * t = I * U * t.

Суть явления объясняется столкновением заряженных частиц с молекулами проводника. Если образец – твердый материал, речь идет об электронах и компонентах кристаллической решетки, соответственно.

( 2 оценки, среднее 5 из 5 )

Закон Кулона, конденсатор, сила тока, закон Ома, закон Джоуля – Ленца | ЕГЭ по физике

Закон Кулона

Закон Кулона — это один из основных законов электростатики. Он определяет величину и направление силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.

Под точечным зарядом понимают заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного воздействия на другие тела. В таком случае ни форма, ни размеры заряженных тел не влияют практически на взаимодействие между ними. 2}$

где $|q_1|$ и $|q_2|$ — модули зарядов; $r$ — расстояние между ними; $k$ — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Сила взаимодействия направлена по прямой, соединяющей заряды, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Сила взаимодействия между зарядами зависит также от среды между заряженными телами.

В воздухе сила взаимодействия почти не отличается от таковой в вакууме. Закон Кулона выражает взаимодействие зарядов в вакууме.

Кулон — единица электрического заряда. Кулон (Кл) — единица СИ количества электричества (электрического заряда). Она является производной единицей и определяется через единицу силы тока 1 ампер (А), которая входит в число основных единиц СИ.

За единицу электрического заряда принимают заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока $1$А за $1$с.

То есть $1$ Кл$= 1А·с$.

Заряд в $1$ Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по $1$ Кл каждый, расположенных на расстоянии $1$ км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой $1$ т. 2$ — электрическая постоянная.

Электрическая емкость конденсатора

Электроемкость

Электроемкостью проводника $С$ называют численную величину заряда, которую нужно сообщить проводнику, чтобы изменить его потенциал на единицу:

$C={q}/{φ}$

Емкость характеризует способность проводника накапливать заряд. Она зависит от формы проводника, его линейных размеров и свойств среды, окружающей проводник.

Единицей емкости в СИ является фарада ($Ф$) — емкость проводника, в котором изменение заряда на $1$ кулон меняет его потенциал на $1$ вольт.

Электрический конденсатор

Электрический конденсатор (от лат. condensare, буквально сгущать, уплотнять) — устройство, предназначенное для получения электрической емкости заданной величины, способное накапливать и отдавать (перераспределять) электрические заряды.

Конденсатор — это система из двух или нескольких равномерно заряженных проводников с равными по величине зарядами, разделенных слоем диэлектрика. 2}/{2}$

где $ε$ — диэлектрическая проницаемость среды, $ε_0$ — электрическая постоянная.

Сила тока

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Сила электрического тока — это величина ($I$), характеризующая упорядоченное движение электрических зарядов и численно равная количеству заряда $∆q$, протекающего через определенную поверхность $S$ (поперечное сечение проводника) за единицу времени:

$I={∆q}/{∆t}$

Итак, чтобы найти силу тока $I$, надо электрический заряд $∆q$, прошедший через поперечное сечение проводника за время $∆t$, разделить на это время.

Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника.

Рассмотрим проводник с площадью поперечного сечения $S$. Заряд каждой частицы $q_0$. В объеме проводника, ограниченном сечениями $1$ и $2$, содержится $nS∆l$ частиц, где $n$ — концентрация частиц. 2$, дает весьма незначительную величину — $∼0.1$ мм/с.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на этом участке к его сопротивлению.

Закон Ома выражает связь между тремя величинами, характеризующими протекание электрического тока в цепи: силой тока $I$, напряжением $U$ и сопротивлением $R$.

Закон этот был установлен в 1827 г. немецким ученым Г. Омом и поэтому носит его имя. В приведенной формулировке он называется также законом Ома для участка цепи. Математически закон Ома записывается в виде следующей формулы:

$I={U}/{R}$

Зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) проводника.

Для любого проводника (твердого, жидкого или газообразного) существует своя ВАХ. Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристика металлических проводников, заданная законом Ома $I={U}/{R}$, и растворов электролитов. Знание ВАХ играет большую роль при изучении тока.

Закон Ома — это основа всей электротехники. Из закона Ома $I={U}/{R}$ следует:

1. сила тока на участке цепи с постоянным сопротивлением пропорциональна напряжению на концах участка;
2. сила тока на участке цепи с неизменным напряжением обратно пропорциональна сопротивлению.

Эти зависимости легко проверить экспериментально. Полученные с использованием схемы, графики зависимости силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении и силы тока от сопротивления представлены на рисунке. В первом случае использован источник тока с регулируемым выходным напряжением и постоянное сопротивление $R$, во втором — аккумулятор и переменное сопротивление (магазин сопротивлений).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление — это физическая величина, характеризующая противодействие проводника или электрической цепи электрическому току.

Электрическое сопротивление определяется как коэффициент пропорциональности $R$ между напряжением $U$ и силой постоянного тока $I$ в законе Ома для участка цепи.

Единица сопротивления называется омом (Ом) в честь немецкого ученого Г. Ома, который ввел это понятие в физику. Один ом ($1$ Ом) — это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении $1$ В сила тока равна $1$ А.

Удельное сопротивление

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от материла проводника, его длины $l$ и поперечного сечения $S$ и может быть определено по формуле:

$R=ρ{l}/{S}$

где $ρ$ — удельное сопротивление вещества, из которого изготовлен проводник.

Удельное сопротивление вещества — это физическая величина, показывающая, каким сопротивлением обладает изготовленный из этого вещества проводник единичной длины и единичной площади поперечного сечения.

Из формулы $R=ρ{l}/{S}$ следует, что

$ρ={RS}/{l}$

Величина, обратная $ρ$, называется удельной проводимостью $σ$:

$σ={1}/{ρ}$

Так как в СИ единицей сопротивления является $1$ Ом, единицей площади $1м^2$, а единицей длины $1$ м, то единицей удельного сопротивления в СИ будет $1$ Ом$·м^2$/м, или $1$ Ом$·$м. {-1}$. Для растворов электролитов $α

Зависимость сопротивления проводника от температуры используется в термометрах сопротивления.

Параллельное и последовательное соединение проводников

Для параллельного соединения проводников справедливы следующие соотношения:

1) электрический ток, поступающий в точку $А$ разветвления проводников (она называется также узлом), равен сумме токов в каждом из элементов цепи:

$I=I_1+I_2;$

2) напряжение $U$ на концах проводников, соединенных параллельно, одно и то же:

$U=U_1=U_2;$

3) при параллельном соединении проводников складываются их обратные сопротивления:

${1}/{R}={1}/{R_1}+{1}/{R_2}, R={R_1·R_2}/{R_1+R_2};$

4) сила тока и сопротивление в проводниках связаны соотношением:

${I_1}/{I_2}={R_2}/{R_1}$

Для последовательного соединения проводников в цепи справедливы следующие соотношения:

1) для общего тока $I$:

$I=I_1=I_2,$

где $I_1$ и $I_2$ — ток в проводниках $1$ и $2$ соответственно; т. е. при последовательном соединении проводников сила тока на отдельных участках цепи одинакова;

2) общее напряжение $U$ на концах всего рассматриваемого участка равно сумме напряжений на отдельных его участках:

$U=U_1+U_2;$

3) полное сопротивление $R$ всего участка цепи равно сумме последовательно соединенных сопротивлений:

$R=R_1+R_2;$

4) также справедливо соотношение:

${U_1}/{U_2}={R_1}/{R_2}$

Работа электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

Работа, совершаемая током, проходящим по некоторому участку цепи, согласно ($U=φ_1-φ_2={A}/{q}$) равна:

$A=qU$

где $А$ — работа тока; $q$ — электрический заряд, прошедший за данное время через рассматриваемый участок цепи. Подставляя в последнее равенство формулу $q=It$, получаем:

$A=IUt$

Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа.

Закон Джоуля-Ленца

Закон Джоуля — Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое в проводнике на участке электрической цепи с сопротивлением $R$ при протекании по нему постоянного тока $I$ в течение времени $t$ равно произведению квадрата тока на сопротивление и время:

$Q=I^2Rt$

Закон был установлен в 1841 г. 2}/{R}$

Из соотношения для ЭДС легко получить мощность источника тока:

$P_ε=εI$

В СИ работу выражают в джоулях (Дж), мощность — в ваттах (Вт), а время -в секундах (с). При этом

$1$Вт$=1$Дж/с, $1$Дж$=1$Вт$·$с.

Рассчитаем наибольшую допустимую мощность потребителей электроэнергии, которые могут одновременно работать в квартире. Так как в жилых зданиях сила тока в проводке не должна превышать $I=10$А, то при напряжении $U=220$В соответствующая электрическая мощность оказывается равной:

$Р=10А·220В=2200Вт=2.2кВт.$

Одновременное включение в сеть приборов с большей суммарной мощностью приведет к увеличению силы тока, и потому недопустимо.

В быту работу тока (или израсходованную на совершение этой работы электроэнергию) измеряют с помощью специального прибора, называемого электрическим счетчиком (счетчиком электроэнергии). При прохождении тока через этот счетчик внутри его начинает вращаться легкий алюминиевый диск. Скорость его вращения прямо пропорциональна силе тока и напряжению. Поэтому по числу оборотов, сделанных им за данное время, можно судить о работе, совершенной током за это время. Работа тока при этом выражается обычно в киловатт-часах ($кВт·ч$).

$1кВт·ч$ — это работа, совершаемая электрическим током мощностью $1кВт$ в течение $1ч$. Так как $1кВт=1000Вт$, а $1ч=3600с$, то $1кВт·ч=1000Вт·3600с=3600000 Дж$.

Закон Джоуля-Ленца. Физика, 8 класс: уроки, тесты, задания.

1.	Приборы на основе теплового действия тока Сложность: лёгкое	1
2.	Закон Джоуля—Ленца— формула Сложность: лёгкое	1
3.	Закон Джоуля—Ленца — определение Сложность: лёгкое	1
4.	Закон Джоуля—Ленца — физические величины Сложность: лёгкое	1
5.	Анализ величин, входящих в закон Джоуля — Ленца. Сложность: среднее	2
6.	Сравнение количества теплоты, выделяемого в последовательно соединенных проводниках Сложность: среднее	1
7.	Расчет количества теплоты в нагревательном элементе чайника Сложность: среднее	2
8.	Расчет количества теплоты в нити накаливания лампы Сложность: среднее	2
9.	Расчет количества теплоты, выделяемой реостатом Сложность: среднее	2
10.	Время работы чайника Сложность: среднее	1
11.	Сила тока в подводящих проводах Сложность: среднее	1
12.	Сопротивление паяльника Сложность: среднее	1
13.	Сила тока в спирали электроплитки Сложность: среднее	1
14.	Сопротивление нагревательного элемента мультиварки Сложность: среднее	1
15.	Напряжение, к которому подключен фен Сложность: среднее	1
16.	Время работы электровафельницы Сложность: среднее	2
17.	Количество теплоты, выделяемое нагревательными элементами Сложность: сложное	1
18.	Различные схемы соединения резисторов Сложность: сложное	2
19.	Количество теплоты, выделяемое нагревательными элементами Сложность: сложное	1
20.	Реостат в цепи Сложность: сложное	5
21.	Коэффициент полезного действия утюга Сложность: сложное	1
22.	Сила тока в спирали плитки Сложность: сложное	1
23.	Коэффициент полезного действия Сложность: сложное	1
24.	Работа с формулой закона Джоуля — Ленца Сложность: лёгкое	4

термодинамика — Вывод закона Джоуля-Ленца

Давайте поговорим о законе джоулева нагрева. Проводник — это материал (например, проводник из металла), который имеет свою собственную структуру, а это означает, что в нем есть атомы. Эти атомы связаны между собой связями. Под током понимается жидкость (жидкость или газ), движущаяся внутри проводника вдоль оси. В моем случае жидкость — это поток электронов (электронный газ). Это то, что я должен был понять.Тогда идея становится ясной; и станет понятнее после прочтения закона в Википедии. Я считаю, что мне следует собрать больше благодарностей по этой теме с точки зрения квантовой физики.

Вопросы:

1. Есть ли термодинамическая система?
2. $ dU = 0 $?
3. Как вывести формулу?

Чтобы ответить на все эти вопросы, нужно понимать, что происходит внутри проводника. Естественно сказать, что электроны движутся под действием силы $ \ vec {E} $, порождаемой разностью потенциалов.Применение второго закона Ньютона дает нам некоторую информацию: $$ q \ cdot \ vec {E} = m \ cdot \ vec {a} \ Rightarrow a = \ frac {q \ cdot E} {m} \ ne 0 $$ Следовательно, все электроны ускоряются силой. Это означает, что скорость жидкости должна увеличиваться и, следовательно, вызывать изменение кинетической энергии — это было бы полезно. Теперь мы должны понять, от чего и где генерируется тепло. Ключ кроется в законах сохранения (энергии и импульса). Почему? Потому что электроны могут сталкиваться с атомами проводника; после этого возникают изменения кинетических энергий.2 \ cdot \ tau} {2m} $$ Последнее, что нужно сделать, это положить $ q = e $, потому что жидкость представляет собой поток электронов. Теперь осталось учесть передачу энергии. Когда электрон сталкивается с атомом, он передает ему некоторую энергию; эта энергия равна $ T $. Итак, тепло передается путем диффузии: электроны получают кинетическую энергию и отдают ее проводнику — вот что произошло с проводником.

Ответим на первый вопрос. Как мы наблюдали, электроны движутся внутри проводника с ускорением, полученным от электрического поля $ E $, от которого они также получают кинетическую энергию.Энергия передается проводнику в виде джоулева нагрева. Что такое термодинамическая система? Это система (закрытая, изолированная, открытая), в которой происходит процесс (например, изотермический процесс). Система может состоять из нескольких объектов, которые взаимодействуют между собой. В результате он излучает некоторую энергию (рассмотрим двигатель автомобиля, где посредством сжигания нефти тепловая энергия газа преобразуется в движущую силу, чтобы автомобиль мог двигаться). Работа этого процесса определяется $ A = \ nu \ cdot R \ cdot T \ cdot \ ln \ left (\ frac {V_2} {V_1} \ right) $.Теперь вернемся к процессу передачи кинетической энергии атомам от электронов. Исходя из сказанного, процесс, происходящий внутри проволоки, должен быть термодинамическим. Рассмотрим еще одну идею, как вывести формулу. Перед выводом запишем уравнения сохранения импульса и энергии, учитывая три типа столкновений. Первый — элластический: электрон движется с $ u_0 $, а атом перед столкновением находится в состоянии покоя; после этого электрон приобретает скорость $ u $, а атом $ v $.2} {2} $$ Теперь мы подходим к другому подходу. Мы предполагаем, что внутри проводника находятся движущиеся атомы и электроны, и рассматриваем сталкивающиеся жидкости. Идея здесь в том, что электрическое поле снабжает электронный газ энергией. 2 $, которое можно переписать в векторной форме как $$ w = \ left (\ sigma \ cdot \ vec {E} \ right) \ cdot \ vec {E} = \ vec {j} \ cdot \ vec {E} $$, что верно согласно закону Ома (дифференциальную форму можно получить из исходной формы, используя $ R = \ rho \ cdot \ frac { l} {A} $ и взятие дифференциалов).Отсюда нетрудно получить $ P = V \ cdot I $, потому что мы знаем, что $$ V = — \ Delta \ varphi = \ vec {E} \ cdot \ vec {dl}, \\ j = \ frac {dI} {dS} $$ Итак, величина $ w $ — это мощность на единицу объема! Далее, $ Q = I \ cdot V \ cdot \ Delta t $, потому что $ w $ — это мощность выделения тепла. Тогда согласно первому закону термодинамики получаем $$ dU = \ delta Q — \ delta W = 0 $$ потому что $ \ delta A = dK = -q d \ varphi $, где K обозначает кинетическую энергию. Так, $$ Q = A = I \ cdot V \ cdot \ Delta t $$

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ — Электронные знания.в

Если W — это работа, выполненная в системе, а Q — это количество сердца, произведенное в результате этой работы, то

Выражение J говорит, что механический эквивалент тепла — это количество единиц работы, которые должны быть сделано в системе, чтобы произвести единую единицу тепла.

Эксперимент Джоуля

Для демонстрации его эксперимента мы сначала возьмем цилиндрический калориметр из меди. Мы будем использовать систему лопасть-лопасть, как показано выше.

Теперь заполним калориметр определенным количеством воды.Теперь мы прикрепим лопаточную лопаточную систему к заполненному водой калориметру с водонепроницаемой верхней крышкой. Теперь мы прикрепим два груза известной и равной массы, как показано на рисунке выше, с помощью шкивов. Когда ручка системы вращается в любом направлении, оба груза поднимаются или опускаются вертикально в зависимости от направления вращения.

Прикрепляем две вертикальные шкалы для измерения вертикали; движения тяжестей. Мы также установили один термометр на верхней крышке системы, чтобы увидеть повышение температуры воды.

Теперь поднимем груз, вращая ручку. Подняв грузы на высоту h, мы позволяем им свободно опуститься в прежнее положение. Когда грузы падают, потенциальная энергия, накопленная в системе во время подъема грузов, высвобождается в виде кинетической энергии, которая вызывает вращение фургонов в воде. Эта работа, выполняемая в системе, приведет к выделению тепла в воде и повышению температуры воды. После того, как веса опустятся в исходное положение, мы снова поднимем их на ту же высоту h и позволим им свободно опускаться.Мы продолжаем делать это до тех пор, пока на термометре, установленном в системе, не появится измеримая разница температур. Теперь мы можем измерить проделанную работу, умножив общий вес на высоту движения гирь, количество повторений движений гири. Будем считать, что оба груза имеют одинаковую массу m. Итак, общая масса гирь составляет 2 метра. Таким образом, работа за счет падения груза по вертикали на h метров составляет 2 мгч. Теперь скажем, всего n повторений движений веса, сделанных до повышения температуры воды до ее измеренного значения.Следовательно, общая проделанная работа будет: Здесь все n, m, g и h известны, поэтому общую проделанную работу можно легко рассчитать.

Теперь рассмотрим, M — масса воды в калориметре. W ‘- водный эквивалент калориметра. Таким образом, общее количество тепла, выделяемого из-за повышения температуры воды на θ, составляет Q = (M + W ‘) θ. Теперь, механический эквивалент тепла

После этого эксперимента, поместив все известные значения m, g, h, n, M, W ‘и θ, мы получим. Здесь в этом эксперименте потенциальная энергия падающей массы равна преобразуется в кинетическую энергию и, наконец, в тепловую энергию.

Эксперимент Фарадея

СВЯЗЬ МЕЖДУ ИНДУЦИРОВАННОЙ ЭДС И ПОТОКОМ В этом эксперименте Фарадей берет магнит и катушку и подключает гальванометр через катушку. При запуске магнит находится в состоянии покоя, поэтому гальванометр не прогибается, т.е. стрелка гальванометра находится в центральном или нулевом положении. Когда магнит перемещается к катушке, стрелка гальванометра отклоняется в одном направлении.Когда магнит удерживается в неподвижном положении в этом положении, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. Теперь, когда магнит отодвигается от катушки, наблюдается некоторое отклонение стрелки, но в противоположном направлении, и снова, когда магнит становится неподвижным, в этой точке относительно катушки стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. Точно так же, если магнит удерживается в неподвижном состоянии, а катушка перемещается в сторону магнита, гальванометр показывает отклонение аналогичным образом.Также видно, что чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше будет наведенная ЭДС или напряжение в катушке.

Положение магнита	Отклонение гальванометра
Магнит в состоянии покоя	Отсутствие отклонения гальванометра
Магнит движется по направлению к катушке	Отклонение гальванометра в одном направлении
Магнит остается неподвижным в том же положении (рядом с катушкой)	Отсутствие отклонения гальванометра
Магнит движется от катушки	Отклонение гальванометра, но в противоположном направлении
Магнит удерживается неподвижно в том же положении (вдали от катушки)	В гальванометре нет отклонения

Заключение: Из этого эксперимента Фарадей пришел к выводу, что всякий раз, когда происходит относительное движение между проводником и магнитным полем, магнитная связь с катушкой изменяется, и это изменение потока индуцирует напряжение на катушке.
Майкл Фарадей сформулировал два закона на основе описанных выше экспериментов. Эти законы называются законами электромагнитной индукции Фарадея .

Законы Фарадея

Первый закон Фарадея

Любое изменение магнитного поля катушки с проволокой вызовет индукцию ЭДС в катушке. Эта индуцированная ЭДС называется индуцированной ЭДС, и если цепь проводника замкнута, ток также будет циркулировать по цепи, и этот ток называется индуцированным током.
Метод изменения магнитного поля:

1. Перемещая магнит по направлению к катушке или от нее.
2. Перемещая катушку в магнитное поле или из него.
3. Путем изменения площади катушки, помещенной в магнитное поле.
4. Путем вращения катушки относительно магнита.

Второй закон Фарадея

Он гласит, что величина ЭДС, индуцированная в катушке, равна скорости изменения магнитного потока, который связывается с катушкой. Потоковая связь катушки — это произведение количества витков в катушке и магнитного потока, связанного с катушкой.

Формула закона Фарадея

Рассмотрим, магнит приближается к катушке. Здесь мы рассматриваем два момента времени T ₁ и время T ₂ .Потоковая связь с катушкой во время, Потоковая связь с катушкой во время, Изменение в потокосцеплении, Пусть это изменение в потокосцеплении будет, Итак, Изменение в потокосцеплении Теперь скорость изменения потоковой связи Возьмите производную справа, мы будем получить
Скорость изменения магнитной связи Но согласно закону электромагнитной индукции Фарадея скорость изменения магнитной индукции равна индуцированной ЭДС. С учетом закона Ленца. Где, поток Φ в Wb = BA
B = напряженность магнитного поля
A = площадь катушки
КАК УВЕЛИЧИТЬ ЭДС, ИНДУЦИРОВАННУЮ В КАТУШКЕ

• Увеличивая количество витков в катушке i.e N, из приведенных выше формул легко увидеть, что если количество витков в катушке увеличивается, наведенная ЭДС также увеличивается.
• Путем увеличения напряженности магнитного поля, то есть B, окружающего катушку. Математически, если магнитное поле увеличивается, увеличивается поток, а если увеличивается поток, индуцированная ЭДС также увеличивается. Теоретически, если катушка проходит через более сильное магнитное поле, будет больше силовых линий, которые она может разрезать, и, следовательно, будет больше индуцированной ЭДС.
• За счет увеличения скорости относительного движения между катушкой и магнитом — Если относительная скорость между катушкой и магнитом увеличивается по сравнению с ее предыдущим значением, катушка будет обрезать линии потока с большей скоростью, поэтому больше индуцированной ЭДС будет произведено.

Применение закона Фарадея

Закон Фарадея — один из самых основных и важных законов электромагнетизма. Этот закон находит свое применение в большинстве электрических машин, промышленности, медицины и т. Д.

• Электрические трансформаторы работают по закону Фарадея
• Основным принципом работы электрического генератора является закон взаимной индукции Фарадея.
• Индукционная плита — самый быстрый способ готовки. Он также работает по принципу взаимной индукции. Когда ток течет через катушку с медной проволокой, расположенную под посудой, он создает изменяющееся магнитное поле. Это переменное или изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС и, следовательно, ток в проводящем контейнере, и мы знаем, что поток тока всегда выделяет в нем тепло.
• Электромагнитный расходомер используется для измерения скорости определенных жидкостей. Когда магнитное поле прикладывается к электрически изолированной трубе, по которой протекают токопроводящие жидкости, то, согласно закону Фарадея, в ней индуцируется электродвижущая сила. Эта индуцированная ЭДС пропорциональна скорости течения жидкости.
• В основе теории электромагнетизма идея Фарадея о силовых линиях используется в хорошо известных уравнениях Максвелла. Согласно закону Фарадея, изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля, и обратное этому используется в уравнениях Максвелла.
• Он также используется в музыкальных инструментах, таких как электрогитара, электрическая скрипка и т. Д.

Видео-презентация закона Фарадея

Закон Ленца назван в честь немецкого ученого Х.Ф. Ленца в 1834 году. Закон Ленца подчиняется третьему закону Ньютона. движение (т.е. на каждое действие всегда есть равная и противоположная реакция) и сохранение энергии (т.е. энергия не может быть ни создана, ни разрушена, и поэтому сумма всех энергий в системе является постоянной). Закон Ленца основан на законе индукции Фарадея, поэтому до понимания закона Ленца ; нужно знать, что такое закон индукции Фарадея? Когда изменяющееся магнитное поле связано с катушкой, в ней индуцируется ЭДС. Это изменение магнитного поля может быть вызвано изменением напряженности магнитного поля путем перемещения магнита по направлению к катушке или от нее или перемещением катушки в магнитное поле или из него по желанию. Или простыми словами, мы можем сказать, что величина ЭДС, индуцированная в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Закон Ленца

Закон Ленца гласит, что, когда ЭДС создается изменением магнитного потока в соответствии с законом Фарадея, полярность индуцированной ЭДС такова, что она производит ток, магнитное поле которого противодействует изменению, которое его вызывает. .

Отрицательный знак, используемый в законе электромагнитной индукции Фарадея, указывает на то, что наведенная ЭДС (ε) и изменение магнитного потока (δΦ _B ) имеют противоположные знаки, где
ε = Индуцированная ЭДС
δΦ _B = изменение в магнитном потоке
N = Количество витков в катушке

Причина противодействия, причина индуцированного тока в

Закон Ленца ?

• Как указано выше, закон Ленца подчиняется закону сохранения энергии, и если направление магнитного поля, которое создает ток, и магнитное поле тока в проводнике совпадают, то эти два магнитных поля суммируются и производят ток вдвое большей величины, а это, в свою очередь, создает большее магнитное поле, что приводит к увеличению тока, и этот процесс, продолжающийся и продолжающийся, приводит к нарушению закона сохранения энергии.
• Если индуцированный ток создает магнитное поле, которое равно и противоположно направлению магнитного поля, которое его создает, то только он может сопротивляться изменению магнитного поля в этой области, что соответствует третьему закону Ньютона. движение.

Объяснение закона Ленца

Для понимания закона Ленца рассмотрим два случая:
CASE-I Когда магнит движется к катушке. Когда северный полюс магнита приближается к катушке, магнитный поток связывается с катушка увеличивается.Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, при изменении магнитного потока в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле. Теперь, согласно закону Ленца , это созданное магнитное поле будет противодействовать своему собственному или, можно сказать, противодействовать увеличению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает северной полярности, поскольку мы знаем, что подобные полюса отталкиваются друг от друга. Как только мы узнаем магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки.В этом случае ток течет против часовой стрелки.
CASE-II Когда магнит удаляется от катушки Когда северный полюс магнита удаляется от катушки, магнитный поток, связанный с катушкой, уменьшается. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле. Теперь, согласно закону Ленца , это созданное магнитное поле будет противодействовать своему собственному или, можно сказать, противодействовать уменьшению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает южной полярности, поскольку мы знаем, что разные полюса притягиваются друг к другу.Как только мы узнаем магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки. В этом случае ток течет по часовой стрелке.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для определения направления магнитного поля или тока используйте правило большого пальца правой руки, т.е. если пальцы правой руки расположены вокруг провода так, чтобы большой палец указывал в направлении потока тока, то будет видно изгибание пальцев. направление магнитного поля, создаваемого проволокой.Закон Ленца можно резюмировать следующим образом:

• Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, увеличивается, направление тока в катушке будет таким, что он будет противодействовать увеличению потока, и, следовательно, индуцированный ток будет вызывать его поток в направлении, как показано ниже (с использованием правила для большого пальца правой руки).
• Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, уменьшается, поток, создаваемый током в катушке, таков, что он поддерживает основной поток и, следовательно, направление тока такое, как показано ниже,

Применение закона Ленца

• Закон Ленца можно использовать для понимания концепции накопленной магнитной энергии в индукторе.Когда к индуктору подключен источник ЭДС, через него начинает течь ток. Этому увеличению тока через катушку индуктивности препятствует обратная ЭДС. Чтобы установить ток, внешний источник ЭДС должен проделать некоторую работу, чтобы преодолеть это противодействие. Эта работа может быть выполнена за счет того, что ЭДС сохраняется в катушке индуктивности, и ее можно восстановить после удаления внешнего источника ЭДС из цепи.
• Этот закон указывает, что индуцированная ЭДС и изменение потока имеют противоположные знаки, что обеспечивает физическую интерпретацию. выбора знака в законе индукции Фарадея.
• Закон Ленца также применяется к электрическим генераторам. Когда в генераторе индуцируется ток, направление этого индуцированного тока таково, что он противодействует и вызывает вращение генератора (как в соответствии с законом Ленца ), и, следовательно, генератору требуется больше механической энергии. Он также обеспечивает обратную ЭДС в случае электродвигателей.

Закон Ленца также используется в электромагнитных тормозных и индукционных плитах.

Законы электролиза Фарадея

Прежде чем понять законы электролиза Фарадея , мы должны вспомнить процесс электролиза сульфата металла.
Когда электролит, такой как сульфат металла, разбавляется водой, его молекулы расщепляются на положительные и отрицательные ионы. Положительные ионы или ионы металлов перемещаются к электродам, соединенным с отрицательной клеммой батареи, где эти положительные ионы отбирают от нее электроны, становятся чистым атомом металла и осаждаются на электроде. В то время как отрицательные ионы или сульфионы перемещаются к электроду, соединенному с положительной клеммой батареи, где эти отрицательные ионы отдают свои лишние электроны и становятся радикалом SO ₄ .Поскольку SO ₄ не может существовать в электрически нейтральном состоянии, он атакует металлический положительный электрод и образует сульфат металла, который снова растворяется в воде. Законы электролиза Фарадея объединяют два закона, а именно:

Первый закон электролиза Фарадея

Из краткого объяснения выше ясно, что протекание тока через цепь внешней батареи полностью зависит от того, сколько электронов передается от отрицательного электрода. или катод на положительный металлический ион или катионы.Если катионы имеют валентность два, как Cu ⁺⁺ , то для каждого катиона будет два электрона, перенесенных с катода на катион. Мы знаем, что каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд — 1,602 × 10 ^-19 кулонов, и скажем, что это — e. Таким образом, для размещения каждого атома Cu на катоде будет происходить передача заряда с катода на катион. Теперь предположим, что в течение t времени на катоде будет всего n атомов меди, поэтому общий переданный заряд будет равен -2.н.э. Кулоны. Очевидно, масса осажденной меди m зависит от числа нанесенных атомов. Таким образом, можно сделать вывод, что масса осажденной меди прямо пропорциональна количеству электрического заряда, проходящего через электролит. Следовательно, масса осажденной меди m Q количество электрического заряда проходит через электролит.
Первый закон электролиза Фарадея утверждает, что только
Согласно этому закону химическое осаждение из-за протекания тока через электролит прямо пропорционально количеству электричества (кулонов), прошедшего через него., то есть масса химического осаждения, где Z — коэффициент пропорциональности, известный как электрохимический эквивалент вещества.
Если мы положим Q = 1 кулон в приведенное выше уравнение, мы получим Z = m, что означает, что электрохимический эквивалент любого вещества — это количество вещества, осажденного при прохождении 1 кулона через его раствор. Эта постоянная прохождения электрохимического эквивалента обычно выражается в миллиграммах на кулон или килограммах на кулон.

Второй закон электролиза Фарадея

До сих пор мы узнали, что масса химического вещества, отложившегося в результате электролиза, пропорциональна количеству электричества, которое проходит через электролит. Масса химического вещества, отложившегося в результате электролиза, не только пропорциональна количеству электричества, проходящего через электролит, но также зависит от некоторых других факторов. У каждого вещества будет свой атомный вес. Таким образом, при одинаковом количестве атомов разные вещества будут иметь разные массы.Опять же, количество атомов, нанесенных на электроды, также зависит от их валентности. Если валентность больше, то для того же количества электричества количество отложенных атомов будет меньше, тогда как если валентность меньше, то для того же количества электричества будет отложено большее количество атомов. Таким образом, при прохождении одного и того же количества электричества или заряда через разные электролиты масса нанесенного химического вещества прямо пропорциональна его атомному весу и обратно пропорциональна его валентности.
Второй закон электролиза Фарадея гласит, что, когда одно и то же количество электричества проходит через несколько электролитов, масса осажденных веществ пропорциональна их соответствующему химическому эквиваленту или эквивалентной массе.

Химический эквивалент или эквивалентный вес

Химический эквивалент или эквивалентный вес вещества может быть определен согласно законам электролиза Фарадея , и он определяется как вес той субаренды, которая будет объединяться с или замещать единицу веса водорода. Таким образом, химический эквивалент водорода равен единице. Поскольку валентность вещества равна количеству атомов водорода, которые оно может заменить или с которыми оно может объединить, химический эквивалент вещества может быть определен как отношение его атомного веса к его валентности.Два французских физика, Жан Батист Био и Феликс Савар, в 1820 году вывели математическое выражение для плотности магнитного потока в точке из-за близлежащего проводника с током. Наблюдая за отклонением стрелки магнитного компаса, два ученых пришли к выводу, что любой элемент тока создает магнитное поле в пространстве.
После наблюдений и расчетов они вывели математическое выражение, которое показывает, что плотность магнитного потока в дБ прямо пропорциональна длине элемента dl, току I, синусу угла и θ между направлением ток и вектор, соединяющий данную точку поля и текущий элемент, обратно пропорционален квадрату расстояния данной точки от текущего элемента, r.Это утверждение закона Био-Савара . Где k является константой, зависит от магнитных свойств среды и системы используемых единиц. В системе единиц СИ, следовательно, окончательный вывод закона Био-Савара : давайте рассмотрим длинный провод, по которому проходит ток I, а также точку p в пространстве. На рисунке ниже провод показан красным цветом. Рассмотрим также бесконечно малую длину провода dl на расстоянии r от точки P, как показано. Здесь r — вектор расстояния, который составляет угол θ с направлением тока в бесконечно малой части провода.

Если вы попытаетесь визуализировать состояние, вы легко сможете понять плотность магнитного поля в точке P, потому что бесконечно малая длина провода dl прямо пропорциональна току, протекающему по этой части провода.
Поскольку ток через эту бесконечно малую длину провода такой же, как ток, протекающий по самому проводу, мы можем написать: также очень естественно думать, что плотность магнитного поля в этой точке P из-за этой бесконечно малой длины провода dl обратно пропорциональна квадрату расстояния по прямой от точки P до центра dl.Математически мы можем записать это как: Наконец, плотность магнитного поля в этой точке P из-за того, что бесконечно малая часть провода также прямо пропорциональна фактической длине бесконечно малой длины провода dl. Поскольку θ — это угол между вектором расстояния r и направлением тока через этот бесконечно малый участок провода, компонент dl, обращенный непосредственно перпендикулярно точке P, равен dlsinθ. Теперь, объединив эти три утверждения, мы можем написать: Это основной форма Закон Био-Савара
Теперь, подставив значение константы k (которое мы уже ввели в начале этой статьи) в приведенное выше выражение, мы получаем Здесь μ ₀ , используемое в выражении константы k, является абсолютным проницаемость воздуха или вакуума и ее значение составляет 4π10 ^-7 W _b / Am в системе единиц СИ.μ _r выражения константы k — относительная проницаемость среды.
Теперь, плотность потока (B) в точке P из-за общей длины токопроводящего проводника или провода может быть представлена ​​как: Если D — перпендикулярное расстояние точки P от провода, то теперь выражение плотности потока B в точке P можно переписать как: В соответствии с рисунком выше. Наконец, выражение B выглядит следующим образом: Этот угол θ зависит от длины провода и положения точки P. Скажем, для некоторой ограниченной длины провода, угол θ, как показано на рисунке выше, изменяется от θ ₁ до θ ₂ .Следовательно, плотность магнитного потока в точке P из-за общей длины проводника равна. Давайте представим, что провод бесконечно длинный, тогда θ будет изменяться от 0 до π, то есть от θ ₁ = 0 до θ ₂ = π. Помещая эти два значения в приведенное выше окончательное выражение закона Био-Савара , мы получаем

. Это не что иное, как выражение закона Ампера. Эта теорема утверждает, что полный электрический поток через любую замкнутую поверхность, окружающую заряд, равен чистому положительному заряду, заключенному на этой поверхности.

Предположим, что заряды Q ₁ , Q ₂ _ _ _ _Q _i , _ _ _ Q _n заключены в поверхность, тогда теорема может быть выражена математически через поверхностный интеграл как Где, D — поток плотность в кулонах / м ² и dS — вектор, направленный наружу.

Объяснение теоремы Гаусса

Для объяснения теоремы Гаусса лучше рассмотреть пример для правильного понимания.
Пусть Q будет зарядом в центре сферы, и поток, исходящий от заряда, перпендикулярен поверхности.Эта теорема утверждает, что полный поток, исходящий от заряда, будет равен Q кулонов, и это также можно доказать математически. Но что насчет того, когда заряд помещен не в центр, а в любую точку, кроме центра (как показано на рисунке). В это время силовые линии не перпендикулярны поверхности, окружающей заряд, тогда этот поток разрешается. на две составляющие, которые перпендикулярны друг другу, горизонтальная — это компонента sinθ, а вертикальная — компонента cosθ.Теперь, когда сумма этих компонентов берется для всех зарядов, тогда чистый результат равен полному заряду системы, что доказывает теорему Гаусса .

Доказательство теоремы Гаусса

Рассмотрим точечный заряд Q, расположенный в однородной изотропной среде с диэлектрической проницаемостью ε. Напряженность электрического поля в любой точке на расстоянии r от заряда равна. Плотность потока задается как, Теперь из рисунка поток через область dSWhere, θ — угол между D и нормалью к dS
Теперь dScosθ — это проекция dS, перпендикулярная радиус-вектору.По определению телесного угла, где dΩ — телесный угол, стягиваемый в Q элементарной поверхностью dS. Итак, полное смещение потока по всей площади поверхности равно. Теперь мы знаем, что телесный угол, образуемый любой замкнутой поверхностью, составляет 4π стерадиана, поэтому полный электрический поток через всю поверхность равен. Это интегральная форма теоремы Гаусса . И, следовательно, эта теорема доказана: всякий раз, когда проводник с током попадает в магнитное поле, на проводник будет действовать сила, а, с другой стороны, если проводник с силой подвергнуть воздействию магнитного поля, будет индуцированное воздействие. ток в этом проводнике.В обоих явлениях существует связь между магнитным полем, током и силой. Эта связь направленно определяется правилом левой руки Флеминга и правилом правой руки Флеминга соответственно. Направленный означает, что эти правила не показывают величину, но показывают направление любого из трех параметров (магнитное поле, ток, сила), если направление двух других известно. Правило левой руки Флеминга в основном применимо к электродвигателю, а правило Флеминга для правой руки в основном применимо к электрическому генератору.В конце 19 ^{-х годов} века Джон Амброуз Флеминг ввел оба этих правила, и, согласно его имени, правила хорошо известны как правило для левой и правой руки Флеминга .

Правило левой руки Флеминга

Было обнаружено, что всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует сила в направлении, перпендикулярном как направлению тока, так и магнитного поля. На рисунке показано, что часть проводника длиной L, помещенная вертикально в однородное горизонтальное магнитное поле H, создается двумя магнитными полюсами N и S.Если i — ток, протекающий через этот проводник, величина силы, действующей на проводник, равна: Вытяните левую руку указательным, вторым и большим пальцами под прямым углом друг к другу. Если указательный палец представляет направление поля, а второй — направление тока, то большой палец указывает направление силы.
В то время как ток течет по проводнику, вокруг него наводится одно магнитное поле. Это можно представить, рассматривая количество замкнутых магнитных силовых линий вокруг проводника.Направление магнитных силовых линий может быть определено правилом штопора Максвелла или правилом правостороннего захвата. Согласно этим правилам направление магнитных силовых линий (или силовых линий) — по часовой стрелке, если ток течет от наблюдателя, то есть если направление тока через проводник направлено внутрь от плоскости отсчета, как показано на рисунке. фигура.

Теперь, если горизонтальное магнитное поле приложено извне к проводнику, эти два магнитных поля, то есть поле вокруг проводника из-за тока через него, и внешнее приложенное поле будут взаимодействовать друг с другом.На рисунке мы видим, что силовые линии внешнего магнитного поля проходят от северного к южному полюсу, то есть слева направо. Магнитные силовые линии внешнего магнитного поля и магнитные силовые линии, возникающие из-за тока в проводнике, находятся в одном направлении над проводником и в противоположном направлении под проводником. Следовательно, над проводником будет больше сонаправленных магнитных силовых линий, чем под проводником. Следовательно, в небольшом пространстве над проводником будет большая концентрация магнитных силовых линий.Поскольку магнитные силовые линии больше не являются прямыми линиями, они находятся под натяжением, как натянутые резиновые ленты. В результате возникнет сила, которая будет стремиться переместить проводник из более концентрированного магнитного поля в менее концентрированное магнитное поле, то есть из текущего положения вниз. Теперь, если вы заметите направление тока, силы и магнитного поля в приведенном выше объяснении, вы обнаружите, что направления соответствуют правилу левой руки Флеминга.

Правило правой руки Флеминга

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, всякий раз, когда проводник движется внутри магнитного поля, в нем будет индуцированный ток.Если этот проводник будет принудительно перемещен внутри магнитного поля, возникнет связь между направлением приложенной силы, магнитным полем и током. Это соотношение между этими тремя направлениями определяется правилом для правой руки Флеминга .

Эффект Зеебека

Это было обнаружено немецким физиком Томасом Зеебеком (1770-1831). Зеебек обнаружил это, наблюдая за стрелкой компаса, которая отклоняется, когда между этими двумя разными металлами или полупроводниками образуется замкнутая петля.Первоначально Зеебек считал, что это происходит из-за магнетизма, вызванного разницей температур, и назвал этот эффект термомагнитным эффектом. Однако датский физик Ганс Кристиан Орстед понял, что индуцируется электрический ток, который по закону Ампера отклоняет магнит.

Объяснение эффекта Зеебека

За это ответственны только валентные электроны в более теплой части металла, и причиной этого является тепловая энергия. Также из-за кинетической энергии этих электронов эти валентные электроны мигрируют быстрее к другому (более холодному) концу, по сравнению с более холодной частью электроны мигрируют к более теплой части.Концепция их движения:

• На горячей стороне распределение Ферми мягкое, то есть более высокая концентрация электронов выше энергии Ферми, но на холодной стороне распределение Ферми резкое, то есть у нас меньше электронов с энергией Ферми.
• Электроны идут туда, где энергия ниже, поэтому они будут двигаться от более теплого конца к более холодному концу, что приводит к переносу энергии и, таким образом, к уравновешиванию температуры в конечном итоге

Или, простыми словами, мы можем прийти к выводу, что электроны на более теплом конце имеют высокий средний импульс по сравнению с более холодным.Следовательно, они будут брать с собой энергию (больше) по сравнению с другим.
Это движение приводит к образованию более отрицательного заряда в более холодной части, чем в более теплой части, что приводит к генерации электрического потенциала. Если эта пара соединена через электрическую цепь. Это приводит к генерации постоянного тока. Однако создаваемое напряжение составляет несколько микровольт (10 ^-6 ) на разницу температур по Кельвину. Теперь мы все знаем, что напряжение увеличивается последовательно, а ток увеличивается параллельно.Помните об этом факте, если мы сможем подключить много таких устройств для увеличения напряжения (в случае последовательного соединения) или для увеличения максимального передаваемого тока (параллельно). Позаботьтесь только об одном, что для этого требуется большой перепад температур. Однако нужно иметь в виду одну вещь: мы должны поддерживать постоянную, но разную температуру, и поэтому распределение энергии на обоих концах будет различным, и, следовательно, это приводит к успешному упомянутому процессу.

Коэффициент Зеебека

Напряжение, возникающее между двумя точками на проводе, когда между ними поддерживается постоянная разница температур в 1 ^— Кельвина, называется коэффициентом Зеебека . Одна такая комбинация медного константана имеет коэффициент Зеебека , составляющий 41 микровольт на Кельвин при комнатной температуре.

Эффект Спина Зеебека

Однако в 2008 году было замечено, что когда тепло подается на намагниченный металл, его электрон перестраивается в соответствии с его спином.Однако эта перестановка не отвечает за выделение тепла. Этот эффект K / w как эффект Зеебека вращения. Этот эффект используется при разработке быстрых и эффективных микропереключателей.

Применение эффекта Зеебека

1. Эффект Зеебека обычно используется в термопарах для измерения разницы температур или срабатывания электронных переключателей, которые могут включать или выключать систему. Обычно используемые комбинации металлов для термопар включают константан / медь, константан / железо, константан / хромель и константан / алюмель.
2. Эффект Зеебека используется в термоэлектрическом генераторе, который работает как тепловой двигатель.
3. Они также используются на некоторых электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную энергию.
4. В автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов для повышения топливной экономичности.

Закон Видемана-Франца — это закон, который связывает теплопроводность (κ) и электропроводность (σ) материала, который состоит из несколько свободно движущихся в нем электронов.

• Теплопроводность (κ): Это степень (мера) способности материала проводить тепло.
• Электропроводность (σ): Это степень (мера) способности материала проводить электричество.

Металлы; когда температура увеличивается, скорость свободных электронов увеличивается, что приводит к увеличению теплопередачи, а также увеличивает столкновения между ионами решетки и свободными электронами. Это приводит к падению электропроводности.
Закон определяет отношение электронной роли теплопроводности материала к электропроводности материала (металла) непосредственно по отношению к температуре. Этот закон назван в честь Густава Видемана и Рудольфа Франца в 1853 году. сообщили, что соотношение имеет более или менее аналогичное значение для разнородного металла при той же температуре.

Вывод закона

Для этого мы должны предположить однородный изотропный материал. Затем этот материал подвергается воздействию температурного градиента.Направление теплового потока будет противоположным направлению температурного градиента на всем протяжении проводящей среды.
Тепло, протекающее через материал в единицу времени на единицу площади, является тепловым потоком. Он будет пропорционален градиенту температуры. K → Коэффициент теплопроводности (Вт / мK)
K = K _фонон + K _{электрон} ; так как передача тепла в твердых телах за счет фононов и электронов.
Теперь мы можем вывести выражение для коэффициента теплопроводности.
Для этого мы должны предположить, что поток тепла идет от более высокой температуры к более низкой температуре в металлической плите, которая имеет температурный градиент .c _v → Удельная теплоемкость
n → Количество частиц в единице объема
λ → среднее свободный пробег столкновений
v → скорость электронов
Сравнивая уравнения (1) и (2), мы получаем, что энергия свободных электронов равна. газ при постоянном объеме. Когда мы помещаем уравнение (8) в (6), мы получаем Далее, мы можем рассматривать плотность электрического тока металла с приложением электрического поля, E (рисунок 1)
J = σ E; Закон Ома Итак, правильная форма закона Ома дается формулой: существует длина свободного пробега и среднее время между столкновениями.e → Заряд электрона = 1,602 × 10 ^-9 C
τ → Время столкновения или среднее время: это среднее время движения электрона до рассеяния.
v _d → Скорость дрейфа: Это стандартная скорость электрона во время столкновения.
Когда мы помещаем уравнение (11) в (10), мы получаем электрическую проводимость (проводимость Друде), поскольку рассмотрим электроны, которые движутся в металле без какого-либо приложения электрического поля. Тогда теорема о равнораспределении дается формулой Из уравнения (13) мы получаем m as Теперь мы помещаем уравнение (14) в (12) Таким образом, мы получили значения K и σ из уравнений (6) и (15).Теперь мы можем взять соотношение. Мы предполагаем, что v = v _d , тогда уравнение (16) становится Из этого мы можем сказать, что соотношение одинаково для всех металлов. Это также функция температуры. Этот закон известен как Закон Видемана-Франца Лоренца . Можно сделать вывод, что лучший проводник тепла будет лучшим проводником тепла.

Ограничения Закона Видемана Франца

• Значение L не одинаково для всех материалов.
• Этот закон не действует для промежуточной температуры.
• В чистых металлах как σ, так и κ возрастают с понижением температуры.

(PDF) Квантовые аспекты закона Джоуля-Ленца

С. Ольшевский

период времени T электромагнитной волны, возникшей в результате перехода.

В качестве приложения теории были вычислены и сопоставлены классические и квантовые скорости излучения энергии в двух системах (гармонический осциллятор

и атом водорода), взятых в качестве примеров.

Список литературы

[1] Planck, M.(1910) Acht Vorlesungen ueber Theoretische Physik. Verlag S. Hirzel, Лейпциг.

[2] Эйнштейн, А. (1917) Physikalische Zeitschrift, 18, 121.

[3] Ван дер Варден, Б. (1968) Источники квантовой механики. Дувр, Нью-Йорк.

[4] Шифф Л. И. (1968) Квантовая механика. 3-е издание, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

[5] Слейтер, Дж. К. (1960) Квантовая теория атомной структуры. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

[6] Бете Х. А. и Джеки Р. (1969) Промежуточная квантовая механика.Бенджамин, Нью-Йорк.

[7] Ласс, Х. (1950) Векторный и тензорный анализ. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

[8] Матвеев А. Н. (1964) Электродинамика и теория относительности. Изд. Wyzszaja Szkola, Москва.

[9] Гейзенберг В. (1927) Zeitschrift fuer Physik, 43, 172–198.

http://dx.doi.org/10.1007/BF01397280

[10] Зоммерфельд А. (1939) Atombau und Spektrallinien, Vol. 2. 2-е издание, Vieweg, Брауншвейг.

[11] Томонага, С.-Я. (1962) Квантовая механика. Interscience, Нью-Йорк.

[12] Шоммерс В. (1989) Пространство-время и квантовые явления. В: Schommers, W., Ed., Quantum Theory and Pictures

of Reality, Springer, Berlin, 217-277. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-95570-9_5 ​​

[13] Bunge, M. (1970) Canadian Journal of Physics, 48, 1410-1411. http://dx.doi.org/10.1139/p70-172

[14] Олкок, Г. (1969) Annals of Physics, 53, 253-285. http://dx.doi.org/10.1016/0003-4916(69)-6

[15] Айзекс, А.(1990) Краткий физический словарь. Издательство Оксфордского университета, Оксфорд.

[16] Вайнберг С. (2013) Лекции по квантовой механике. Издательство Кембриджского университета, Кембридж.

[17] Джаммер М. (1966) Концептуальное развитие квантовой механики. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

[18] Ruark, A.E. (1928) Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 14, 322-328.

http://dx.doi.org/10.1073/pnas.14.4.322

[19] Флинт, Х.E. (1928) Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 117, 630-

637. http://dx.doi.org/10.1098/rspa.1928.0025

[20] Flint, H.E. и Ричардсон, О. (1928) Труды Королевского общества A: математика, физика и инженерия

Sciences, 117, 637-649. http://dx.doi.org/10.1098/rspa.1928.0026

[21] Ольшевский С. (2011) Journal of Modern Physics, 2, 1305-1309. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2011.211161

[22] Ольшевский, С.(2012) Журнал современной физики, 3, 217-220. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2012.33030

[23] Ольшевский С. (2012) Quantum Matter, 1, 127-133. http://dx.doi.org/10.1166/qm.2012.1010

[24] Ольшевский С. (2014) Журнал современной физики, 5, 1264-1271. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2014.514127

[25] Ольшевский С. (2014) Журнал современной физики, 5, 2022-2029. http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2014.518198

[26] Ольшевский С. (2014) Журнал современной физики, 5, 2030-2040.http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2014.518199

[27] Зоммерфельд А. (1931) Atombau und Spekrallinien. 5-е издание, т. 1, Vieweg, Брауншвейг.

[28] Гриффитс, Д.Дж. (1999) Введение в электродинамику. 3-е издание, Prentice Hall, Upper Saddle River.

[29] Макдональд А.Х. (1989) Квантовый эффект Холла. Перспектива. Клувер, Милан.

http://dx.doi.org/10.1007/978-94-010-9709-3

[30] Ольшевский С. (2015) Журнал современной физики, 6, 1277-1288.http://dx.doi.org/10.4236/jmp.2015.69133

[31] Слейтер Дж. К. (1967) Квантовая теория молекул и твердых тел, Vol. 3, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк.

[32] Роуз М.Е. (1961) Релятивистская электронная теория. Вили, Нью-Йорк.

[33] Айринг, Х., Уолтер, Дж. И Кимбалл, Г.Е. (1957) Квантовая химия. Вили, Нью-Йорк.

[34] Зоммерфельд А. (1949) Mechanik. 4-е издание, Akademische Verlagsgesellschaft, Лейпциг.

[35] Ландау, Л.Д. и Лифшиц Е.М. (1969) Механика.Электродинамика. Изд. Наука, Москва.

[36] Борн, М. (1933) Оптик. Спрингер, Берлин. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-99599-6

[37] Ладенбург Р. (1921) Zeitschrift für Physik, 4, 451-468. http://dx.doi.org/10.1007/BF01331244

Закон Джоуля — эффект Джоуля или эффект нагрева тока

Закон Джоуля — эффект Джоуля или эффект нагрева тока и его приложения

Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль открыл закон Джоуля (также известный как эффект Джоэля, закон Джоуля-Ленца или первый закон Джоуля) в 1840-43 гг., который показывает связь между током, теплотой и сопротивлением в определенное время i.е. когда через материал протекает ток, он выделяет в нем тепло.

Закон Джоуля

Закон Джоуля гласит, что «если через резистор« R »протекает ток« I »в течение« t »секунд, то объем выполненной работы (преобразование электрической энергии в тепловую) равен равно

Выполненная работа = Нагрев = I ² Rt… Джоулей

или

WD = Тепло = VIt… Джоули… (∴ R = V / I)

или

WD = Нагрев = Wt… Джоули… (∴ W = VI)

или

WD = Тепло = V ² т / R… Джоули… (∴ I = V / R)

Выполненная работа — это количество тепловой энергии, преобразованной из электричества, которое рассеивается в воздухе.В этом случае количество произведенного тепла можно рассчитать, используя следующие формулы и уравнения.

Количество произведенного тепла = H = выполненная работа / Механический эквивалент тепла = WD / J

Где:

• Дж = 4187 джоулей / ккал = 4200 джоулей / ккал (прибл.)
• ∴ H = I ² Rt / 4200 ккал = VIt / 4200 ккал = Wt / 4200 ккал = V ² t / 4200 ккал

Одна килокалория (ккал) — это количество тепла, необходимое для повышения температуры на один килограмм (кг ) воды на один градус по Цельсию (1 ° C).

Похожие сообщения

Эффект нагрева от тока

Почти все мы испытали, что когда ток течет по проводнику или кабелю и проводу, он позже нагревается. Причина этой сцены в том, что когда ток течет через проводник, приложенная электрическая энергия преобразуется в тепловую, что увеличивает температуру проводника.

Мы знаем, что поток электронов в веществе известен как электрический ток. Дрейфующие электроны в веществе сталкиваются друг с другом и с электронами атомов молекул вещества.Столкновение электронов производит тепло. Вот почему при прохождении электрического тока в веществе выделяется тепло. Этот эффект известен как эффект нагрева от тока.

Тепло, выделяемое электрическим током, зависит от силы тока и материала этого вещества. Например,

Электрический ток производит больше тепла в изоляторах (тех материалах, которые сильно препятствуют протеканию в нем тока, например, вольфрам, нихром), в то время как количество тепла, генерируемого протекающим током в проводниках (тех материалах, в которых ток течет очень легко из-за к меньшему или почти незначительному сопротивлению e.грамм. золото, медь, алюминий) меньше, чем у изоляторов).

Похожие сообщения:

Почему от тепла светится элемент обогревателя, а не шнур обогревателя?

Как правило, нагревательный элемент нагревателей состоит из нихрома, который имеет очень высокое сопротивление. Когда к нагревательному элементу через провод подается напряжение питания, материал сильно противодействует потоку электронов в нем. Из-за дрейфа электронов внутри нагревающего материала электроны сталкиваются с электронами в атомах материала.Это непрерывное столкновение электронов нагревает и зажигает нагревательный элемент, который дополнительно обеспечивает тепловую энергию. Проще говоря, нагревательный элемент из нихрома преобразует электрическую энергию в тепловую. Весь этот процесс известен как эффект нагрева от тока.

С другой стороны, шнур, подключенный к нагревателю, сделан из проводника, по которому легко протекает ток без заметного сопротивления. Поэтому светится только нагревательный элемент, а не кабель нагревателя.

Похожие сообщения:

Решенный пример закона Джоуля для нагрева Эффект тока

Пример:

Электрический нагреватель содержит 1,6 кг воды при 20 ° C. Для повышения температуры до 100 ° C требуется 12 минут. Предположим, что потери из-за излучения и нагрева чайника составляют 10 кг калорий. Найдите номинальную мощность обогревателя.

Раствор

Тепло, необходимое для повышения температуры 1,6 кг воды до точки кипения = 1,6 x 100 x 1 x (100-20) кал.

= 128000 кал.

Потери тепла = 10 x 1000 = 10000 кал.

Всего тепла = 128000) + 10000 = 138000 кал.

Итак, произведенное тепло = Wt = (W x 12 x 60) / 4,2 кал.

Выработанное тепло = тепло, забираемое нагревателем, т.е.

= (W x 12 x 60) /4,2 = 138000

W = (138000 x 4,2) /) 12 x 60)

W = 805W = 0,8 кВт

Применение эффекта Джоуля или эффекта нагрева тока

Закон Джоуля или эффект нагрева электрического тока используются во многих домашних и промышленных приложениях.Ниже представлены приборы и устройства, использующие воздействие электрического тока.

• Электрические обогреватели, плиты, водонагреватели и нагревательные элементы
• Электрический утюг для одежды
• Электрическая плита
• Электросварка
• Пищевая промышленность
• Нить накаливания и лампочки
• Инфракрасное тепловидение (инфракрасная термография (IRT) ) лампочки
• Катушки сопротивления, обогреватель помещения (электрический радиатор), погружные обогреватели PTC обогреватели, патронные обогреватели и тепловентиляторы
• Фены
• Паяльник
• Предохранители и плавкие элементы

Помимо этих полезных приложений Из-за теплового воздействия тока, есть некоторые недостатки, такие как потеря электроэнергии (I ² R) в линиях электропередачи и передачи HVAC (переменный ток высокого напряжения) из-за того, что существует некоторое сопротивление линий электропередачи материал.Более того, это приводит к серьезным проблемам с нагревом в электрических машинах и устройствах, таких как трансформатор, генератор, двигатели и т. Д.

Кроме того, термический КПД или эффективность нагрева тока вообще не могут быть использованы, потому что есть некоторые потери тепла из-за излучение (передача тепла в виде волн нагрева) и конвекция (движение молекул в материале, используемом для передачи тепла).

Похожие сообщения:

Electric Power — Summary — The Physics Hypertextbook

• … electric-сопротивления
• electric-power
• circuit-r…

The Physics Hypertextbook
© 1998–2021 Glenn Elert
Автор, иллюстратор, Webmaster

Нет постоянных условий.

1. Механика
   1. Кинематика
      1. Движение
      2. Расстояние и перемещение
      3. Скорость и скорость
      4. Разгон
      5. Уравнения движения
      6. Свободное падение
      7. Графики движения
      8. Кинематика и расчет
      9. Кинематика в двух измерениях
      10. Снарядов
      11. Параметрические уравнения
   2. Динамика I: Сила
      1. Силы
      2. Сила и масса
      3. Действие-реакция
      4. Масса
      5. Динамика
      6. Статика
      7. Трение
      8. Силы в двух измерениях
      9. Центростремительная сила
      10. Кадры справки
   3. Энергия
      1. Работа
      2. Энергия
      3. Кинетическая энергия
      4. Потенциальная энергия
      5. Сохранение энергии
      6. Мощность
      7. Простые машины
   4. Dynamics II: Импульс
      1. Импульс и импульс
      2. Сохранение импульса
      3. Импульс и энергия
      4. Импульс в двух измерениях
   5. Вращательное движение
      1. Кинематика вращения
      2. Инерция вращения
      3. Вращательная динамика
      4. Статика вращения
      5. Угловой момент
      6. Энергия вращения
      7. Прокатный
      8. Вращение в двух измерениях
      9. Сила Кориолиса
   6. Планетарное движение
      1. Геоцентризм
      2. Гелиоцентризм
      3. Вселенская гравитация
      4. Орбитальная механика I
      5. Гравитационная потенциальная энергия
      6. Орбитальная механика II
      7. Плотность вытянутых тел
   7. Периодическое движение
      1. Пружины
      2. Генератор простых гармоник
      3. Маятники
      4. Резонанс
      5. Эластичность
   8. Жидкости
      1. Плотность
      2. Давление
      3. Плавучесть
      4. Расход жидкости
      5. Вязкость
      6. Аэродинамическое сопротивление
      7. Режимы потока
2. Теплофизика
   1. Тепло и температура
      1. Температура
      2. Тепловое расширение
      3. Атомная природа вещества
      4. Закон о газе
      5. Кинетико-молекулярная теория
      6. Фазы
   2. Калориметрия
      1. Явное тепло
      2. Скрытое тепло
      3. Химическая потенциальная энергия
   3. Теплопередача
      1. Проводимость
      2. Конвекция
      3. Радиация
   4. Термодинамика
      1. Тепло и работа
      2. Диаграммы давление-объем
      3. Двигатели
      4. Холодильники
      5. Энергия и энтропия
      6. Абсолютный ноль
3. Волны и оптика
   1. Волновые явления
      1. Природа волн
      2. Периодические волны
      3. Интерференция и суперпозиция
      4. Интерфейсы и барьеры
   2. Звук
      1. Природа звука
      2. Интенсивность
      3. Эффект Доплера (звук)
      4. Ударные волны
      5. Дифракция и интерференция (звук)
      6. Стоячие волны
      7. ударов
      8. Музыка и шум
   3. Физическая оптика
      1. Природа света
      2. Поляризация
      3. Эффект Доплера (световой)
      4. Черенковское излучение
      5. Дифракция и интерференция (свет)
      6. Тонкопленочная интерференция
      7. Цвет
   4. Геометрическая оптика
      1. Отражение
      2. Преломление
      3. Зеркала сферические
      4. Сферические линзы
      5. Аберрация
4. Электричество и магнетизм
   1. Электростатика
      1. Электрический заряд
      2. Закон Кулона
      3. Электрическое поле
      4. Электрический потенциал
      5. Закон Гаусса
      6. Проводников
   2. Электростатические приложения
      1. Конденсаторы
      2. Диэлектрики
      3. Батареи
   3. Электрический ток
      1. Электрический ток
      2. Электрическое сопротивление
      3. Электроэнергия
   4. цепей постоянного тока
      1. Резисторы в цепях
      2. Батареи в цепях
      3. Конденсаторы в цепях
      4. Правила Кирхгофа
   5. Магнитостатика
      1. Магнетизм
      2. Электромагнетизм
      3. Закон Ампера
      4. Электромагнитная сила
   6. Магнитодинамика
      1. Электромагнитная индукция
      2. Закон Фарадея
      3. Закон Ленца
      4. Индуктивность
   7. цепей переменного тока
      1. Переменный ток
      2. RC цепи
      3. Цепи РЛ
      4. Цепи LC
   8. Электромагнитные волны
      1. Уравнения Максвелла
      2. Электромагнитные волны
      3. Электромагнитный спектр
5. Современная физика
   1. Относительность
      1. Пространство-время
      2. Масса-энергия
      3. Общая теория относительности
   2. Quanta
      1. Излучение черного тела
      2. Фотоэффект
      3. Рентгеновские снимки
      4. Антиматерия
   3. Волновая механика
      1. Волны материи
      2. Атомарные модели
      3. Полупроводники
      4. Конденсированные вещества
   4. Ядерная физика
      1. Изотопы
      2. Радиоактивный распад
      3. Период полураспада
      4. Энергия связи
      5. Деление
      6. Fusion
      7. Нуклеосинтез
      8. Ядерное оружие
      9. Радиобиология
   5. Физика элементарных частиц
      1. Квантовая электродинамика
      2. Квантовая хромодинамика
      3. Квантовая динамика вкусов
      4. Стандартная модель
      5. Помимо стандартной модели
6. Фонды
   1. квартир
      1. Международная система единиц
      2. Гауссова система единиц
      3. Британо-американская система единиц
      4. Разные единицы
      5. Время
      6. Преобразование единиц
   2. Измерение
      1. Значащие цифры
      2. По порядку величины
   3. Графики
      1. Графическое представление данных
      2. Линейная регрессия
      3. Подгонка кривой
      4. Исчисление
   4. Векторы
      1. Тригонометрия
      2. Сложение и вычитание векторов
      3. Векторное разрешение и компоненты
      4. Умножение векторов
   5. ссылку
      1. Специальные символы
      2. Часто используемые уравнения
      3. Физические константы
      4. Астрономические данные
      5. Периодическая таблица элементов
      6. Люди в физике
7. Назад дело
   1. Предисловие
      1. Об этой книге
   2. Связаться с автором
      1. гленнелерт.нас
      2. Behance
      3. Instagram
      4. Твиттер
      5. YouTube
   3. Аффилированные сайты
      1. hypertextbook.com
      2. midwoodscience.org

Как найти количество тепла в электрической цепи. Закон Джоуля Ленза. Выбор проволоки для цепей

Джеймс Прескотт Джоуль (слева) и Эмили Христианович Ленц (справа)

Все виды электрических обогревателей используются человечеством веками благодаря свойству электрического тока Выбирать тепло при прохождении через проводник.У этого явления есть отрицательный фактор — перегрев проводки из-за слишком большого тока часто приводил к короткому замыканию и возгоранию. Выделение тепла от срабатывания электрического тока изучалось в школьном курсе физики, но многие забыли эти знания.

Впервые зависимость выделения тепла от мощности электрического тока была сформулирована и математически определена Джеймсом Джоулем в 1841 году, а чуть позже, в 1842 году, независимо от него, Эмилем Ленцем.В честь этих физиков был назван закон Джоуля-Ленца, согласно которому мощность электронагревателей и потери тепла на рассеяние в линиях электропередачи.

Определение закона Джоуля — Ленца

В словесном определении, согласно исследованию Джоуля и Ленца, закон звучит так:

Количество тепла, выделяемого в определенном количестве проводника, когда электрический ток прямо пропорционален произведению плотности электрического тока и величины напряженности электрического поля

По формуле этот закон выглядит так:

Выражение закона Джоуля — Ленза

Поскольку параметры, описанные выше, редко используются в повседневной жизни, и, учитывая, что почти все бытовые расчеты по выделению тепла при работе электрического тока касаются тонких проводников (кабели, провода, нити накаливания, шнуры питания, токопроводящие дорожки на плате и т. д.), Используя закон Джоуля Ленца с формулой, представленной в интегрированном виде:

Интегральная форма закона

В словесном определении закон Джоуля Ленца звучит так:

Словесное определение Закона Джоуля — Ленза

Если мы примем, что ток и сопротивление проводника не изменяются с течением времени, то закон Джоуля — Ленза можно записать в упрощенной форме:

Применяя Ома и алгебраические преобразования, получаем эквивалентные формулы ниже:

Эквивалентные выражения для нагрева согласно закону Ома

Применение и практическое значение закона Джоуля — Ленза

Исследования Джоуля и Ленца по рассеиванию тепла при работе с электрическим током значительно продвинули научное понимание физических процессов, а выведенные основные формулы не изменились и используются по сей день в различных областях науки и техники.В области электротехники можно выделить несколько технических задач, в которых количество тепла, выделяемого при протекании, является критическим значение При расчете таких параметров:

• тепловых линий в ЛЭП;
• характеристики проводов электрических сетей;
• тепловая мощность (количество тепла) электронагревателей;
• температура срабатывания выключателей;
• температура плавления предохранителя;
• теплоотвод различных элементов электроаппаратуры и радиотехники.

Электроприборы, использующие тепловой режим тока

Тепловое воздействие электрического тока в проводах линий электропередачи (ЛП) нежелательно из-за значительных потерь электроэнергии на отвод тепла.

По разным данным в линиях электропередач теряется до 40% всей производимой в мире электроэнергии. Чтобы уменьшить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, поднимите напряжение в ЛАМ, производя расчеты по производным формулам закона Джоуля — Ленза.

Диаграмма всех видов потерь электроэнергии, среди которых львиную долю (64%) составляют потери тепла в воздушных линиях. время столкнулось с ними, почему их тепловые колебания становятся более интенсивными. Наглядная демонстрация теплового тока и ассоциативные объяснения процессов показаны на видео ниже:

Расчет потерь электроэнергии в ЛЭП

В качестве примера вы можете взять гипотетический участок линии электропередачи от электростанции до трансформаторной подстанции.Так как провода ЛАП и потребителя энергии (трансформаторной подстанции) соединены последовательность Через них протекал один и тот же ток I. Согласно рассматриваемому закону Джоуля, закон Ленца — количество тепла, выделяемого на проводах q Вт (тепловые потери), рассчитывается по формуле:

Мощность, производимая электрическим током (Q c) в нагрузке, рассчитывается по закону Ома:

Таким образом, при равенстве токов, в первую формулу можно вставить вместо выражения Q C / U C, так как i = Q C / U C:

Если не учитывать зависимость сопротивления проводников от изменения температуры, то R w можно считать неизменным (постоянным).Таким образом, при стабильном энергопотреблении потребителя (трансформаторной подстанции) тепловыделение в проводах LAP будет равно обратно пропорционально Квадратному напряжению в конечной точке линии. Другими словами, чем больше напряжение питания, тем меньше потери электроэнергии.

Для передачи электроэнергии высокого напряжения Большие опоры LAP

Действие закона Джоуля — Ленза в повседневной жизни

Эти расчеты справедливы и в повседневной жизни при передаче электроэнергии на небольшие расстояния — например, от ветрогенератора к инвертору.При автономном энергоснабжении оценивается каждый ватт, производимый низковольтной ветряной турбиной, и может быть более выгодно поднять напряжение трансформатором непосредственно от ветрогенератора, чем тратить большое поперечное сечение кабеля для снижения потерь электроэнергии во время передачи. .

При значительном удалении низковольтного ветрогенератора переменного тока Для снижения потерь электроэнергии будет выгодно подключение Через повышающий трансформатор

В бытовых сетях расстояния электропроводки крайне малы для снижения тепловых потерь на подъемное напряжение, поэтому при расчете В проводке учитывается тепловой режим работы по току, согласно закону Джоуля — Ленца при выборе сечения проводов до нагрев не приводил к оплавлению и возгоранию изоляции и окружающих материалов.Выбор силового кабеля и электропроводки осуществляется согласно таблицам и нормативным документам ПУЭ, и подробно описаны на других страницах этого ресурса.

Коэффициенты силы тока и сечения проводников

При расчете температуры нагрева радиотехнических элементов биметаллическая пластина автоматического выключателя или предохранителя используется по закону Ленцы Ленза в интегральной форме, так как при повышении температуры сопротивление эти материалы меняются.При этих сложных расчетах учитывается также теплопередача, нагрев от других источников тепла, собственная теплоемкость и многие другие факторы.

Программное моделирование тепловыделения полупроводникового прибора

Полезная тепловая операция электрического тока

Топливная работа электрического тока широко применяется в электронагревателях, в которых используется последовательное соединение проводников с разным сопротивлением. Этот принцип работает следующим образом: один и тот же ток течет в соединенных последовательно, один и тот же ток течет, это означает, что согласно закону Джоуля-Ленца тепло будет распространяться больше от материала проводника с большим сопротивлением.

Спираль с повышенным сопротивлением нагревается, но питающие провода остаются холодными

Таким образом, шнур питания и питающие провода электроклюсов остаются относительно холодными, а нагревательный элемент нагревается до температуры красного свечения. В качестве материала проводников нагревательных элементов используются сплавы с повышенным (по сравнению с медной и алюминиевой электропроводкой) удельным сопротивлением — нихром, константан, вольфрам и другие.

Резьба ламп накаливания изготовлена ​​из тугоплавких вольфрамовых сплавов.

При параллельном соединении проводов тепловыделение будет больше на нагревательном элементе с меньшим сопротивлением, так как при его уменьшении увеличивается ток относительного соседнего компонента цепи.В качестве примера наглядным примером свечения двух ламп накаливания разной мощности является наличие более мощной лампы тепловыделения и светового потока.

Если прозвонить лампочку, то окажется, что у более мощной лампы меньшее сопротивление. На видео ниже автор демонстрирует последовательное и параллельное подключение, но, к сожалению, в комментариях ошибся — он будет ярче лампы с более ярким большим сопротивлением , а не наоборот.

Закон Джоуля — Ленца — это закон физики, определяющий количественную меру теплового воздействия электрического тока.Этот закон сформулировал в 1841 г. английский ученый Д. Джоуль и полностью отдельно от него в 1842 г. знаменитый русский физик Э. Ленц. Поэтому он получил свое двойное имя — закон Джоуля — Ленза.

Определение закона и формулы

Словесная формулировка имеет следующую форму: теплота тепла, выделяемого в проводнике во время прохождения через него, пропорциональна произведению значения плотности электрического поля на величину напряжения.

Математически закон Джоуля — Ленза выражается следующим образом:

ω = j e = ϭ e²,

где ω — количество тепла, выделяемого в установке. объем;

E и J — напряжение и плотность, соответственно, электрического поля;

Σ — проводимость среды.

Физический смысл закона Джоуля — Ленза

Закон можно объяснить следующим образом: ток, проходящий через проводник, представляет собой движение электрического заряда под воздействием.Таким образом, электрическое поле выполняет некоторую работу. Эта работа идет на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество — тепло.

Но нельзя допускать чрезмерного нагрева проводников током и электрооборудованием, так как это может привести к их повреждению. Сильный перегрев при работе проводов опасен, когда могут быть довольно большие токи.

В интегрированной форме Для тонких проводников Закон Джоуля — Lenza Звучит следующим образом: Количество тепла, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата тока на стойкость сайта.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

Q = ∫ K I² R T,

в данном случае Q — количество выделенного тепла;

I — текущее значение;

R — активное сопротивление жил;

т — время выдержки.

Значение параметра K принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разряда единиц, в которых измеряются значения, указанные в формуле.

Закон Джоуля-Ленцы довольно распространен, поскольку не зависит от природы сил, генерирующих ток.

Из практики можно утверждать, что это справедливо как для электролитов, так и для проводников и полупроводников.

Сфера применения

Сферы применения в жизни закона Джоуля Ленза — огромное количество. Например, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга при электросварке, нагревательная нить в электронагревателе и МН.Доктор Это самый распространенный физический закон в повседневной жизни.

Сообщение от администратора:

Ребята! Кто давно хотел выучить английский?
Пройдите I. получите два бесплатных урока в школе английского языка Skyeng!
Сам там занимаюсь — очень круто. Прогресс очевиден.

В приложении можно учить слова, тренировать аудиторию и произношение.

Попробуй. Два урока бесплатно по моей ссылке!
Пресс

Количество тепла, выделяемого в единицу времени в рассматриваемой области цепи, пропорционально произведению силы тока на этом участке и сопротивления участка

Закон Лаула Ленца в цельной форме в тонких проволоках:

Если ток меняется со временем, проводник фиксируется и в нем происходят химические превращения, то в проводнике выделяется тепло.

— Мощность тепла, выделяемого в единице среды во время протекания электрического тока, пропорциональна плотности электрического тока величиной электрического поля.

Преобразование электрической энергии в тепловую широко применяется в электрических печах и различных электронагревательных устройствах. Тот же эффект в электрических машинах и устройствах приводит к непроизвольным затратам энергии (потерям энергии и снижению эффективности). Тепло, вызывающее нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку; При перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокращение срока службы установки.

В формуле мы использовали:

Количество тепла

Операция ТКА

Напряжение в проводе

Сила тока в проводнике

Временной интервал

Задание на тему «Законы постоянного тока» Задание может быть интересно студентам 10 классов и выпускникам для подготовки к ЕГЭ. Кстати, такая задача была на экзамене в части 1 с несколько другим вопросом (нужно было найти соотношение количества тепла, выделяемого на резисторах).

Какие резисторы выделяются наибольшим (наименьшим) количеством тепла? R1 = R4 = 4 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 2. Дайте решение. Чтобы ответить на вопрос поставленной задачи, необходимо сравнить количество тепла, выделяемого на каждом из их резисторов. Для этого воспользуемся формулой закона Джоуля — Ленца. То есть основной задачей будет определение силы тока (или сравнения), протекающего через каждый резистор.

По законам последовательного соединения ток, протекающий через резисторы R1 и R2, а также R3 и R4, одинаков.Для определения силы тока в верхней и нижней ветвях воспользуемся законом параллельного соединения, согласно которому напряжение на этих ветвях одинаково. После напряжения на нижней и верхней ветвях по закону Ома для участка цепи имеем: Подставляя числовые значения сопротивления сопротивления, получаем: то есть получаем соотношение между токами, возникающими в верхнем а в нижней ветви: определяя силу тока через каждый из этих резисторов, мы определяем количество тепла, выделяемого на каждом из резисторов.Сравнивая числовые коэффициенты, делаем вывод, что максимальное количество тепла выделяется на четвертом резисторе, а минимальное количество тепла — на втором.

Вы можете оставить комментарий или поставить трекбэк со своего сайта.

Написать комментарий

fizika-doma.ru.

Теплоемкость — формула расчета

Теплотехникам приходится иметь дело с собственниками частных домов, квартир или любых других объектов. Это основа строительного проектирования.

Разобраться в сути этих расчетов в официальных бумагах не так уж и сложно, как кажется.

Для меня вы также можете научиться выполнять расчеты, чтобы решить, какую изоляцию применять, какой толщины, какой мощности нужно приобрести котел и достаточно ли радиаторов в этой области.

Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти, если разобраться, что такое тепловая мощность. Формула, определение и объем — читайте в статье.

Что такое тепловой расчет?

Проще говоря, тепловой расчет помогает точно узнать, сколько тепла сохраняет и теряет здание, и сколько энергии должно производить отопление для поддержания комфортных условий в жилом помещении.

При оценке теплопотерь и степени подвода тепла учитываются следующие факторы:

1. Что такое объект: сколько в нем этажей, наличие угловых помещений, жилого или производственного помещения и т. Д.
2. Как в здании будет «жить» много людей.
3. Важная деталь — зона остекления. И размеры кровли, стен, пола, дверей, высота потолков и т.д.
4. Какова продолжительность отопительного сезона, климатические особенности региона.
5. Снайперы определяют стандарты температуры, которые должны быть в помещении.
6. Толщина стен, перекрытий, выбранные утеплители и их свойства.

Также могут быть приняты во внимание другие условия и особенности, например, рабочие и выходные, мощность и тип вентиляции, ориентация жилья по сторонам света и т. Д.

Зачем нужен тепловой расчет?

Как удалось обойтись без тепловых расчетов строителей прошлого?

Сохранившиеся купеческие дома показывают, что все делалось просто с запасом: окна меньше, стены утолщаются.Получилось тепло, но это экономически не выгодно.

Теплотехнический расчет позволяет построить наиболее оптимальное. Материалов берут больше — не меньше, а ровно столько, сколько нужно. Уменьшаются габариты конструкции и затраты на ее возведение.

Расчет точки росы позволяет строить так, чтобы материалы не портились как можно дольше.

Чтобы определить необходимую мощность котла, без расчетов не обойтись.Его общая мощность складывается из затрат энергии на обогрев помещений, нагрева горячей воды для бытовых нужд и возможности перекрытия теплопотерь от вентиляции и кондиционирования. Запас мощности добавляется в пиковые холода.

При газификации объекта требуется согласование со службами. Рассчитан годовой расход газа на отопление и общая мощность тепловых источников в гигаклотах.

Нужны расчеты при выборе элементов системы отопления.В его основе система труб и радиаторов — можно узнать, какой должна быть их длина, площадь поверхности. Потери мощности учитываются при повороте трубопровода, на стыках и проходе арматуры.

При расчете стоимости тепловой энергии может пригодиться знание того, как перевести Гкал в кВт и обратно. В следующей статье подробно описана эта тема с примерами расчетов.

В этом примере приведен полный расчет теплого водяного пола.

А вы знаете, что количество секций радиаторов отопления не отводят «от потолка»? Их количество приведет к тому, что в доме будет холодно, а чрезмерное их количество создаст тепло и приведет к чрезмерной сухости воздуха. Согласно http://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/raschet-sistem-otopleniya/kolichestva-sekcij-radiatorov.html приведены примеры правильного расчета радиаторов.

Расчет тепловой мощности: формула

Рассмотрим формулу и приведем примеры, как произвести расчет для зданий с различным разбросом коэффициентов.

VX (Delta) TXK = ккал / ч (тепловая мощность), где:

• Первый показатель «V» — это количество расчетного помещения;
• Дельта «Т» — разница температур — величина, показывающая, на сколько градусов в помещении теплее, чем на улице;
• «К» — коэффициент дисперсии (его еще называют «коэффициентом теплопередачи»). Значение взято из таблицы. Обычно число колеблется от 4 до 0,6.

Примерные значения коэффициента дисперсии для упрощенного расчета

• Если это недовольный металл или доска, то «К» будет = 3 — 4 единицы.
• Кирпичная кладка одинарная и минимальная изоляция — «К» = от 2 до 3 до 3.
• Стена в два кирпича, стандартное перекрытие, окна и
• двери — «К» = от 1 до 2.
• Самая теплая вариант. Стеклопакеты, кирпичные стены с двойным утеплителем и т. Д. — «К» = 0,6 — 0,9.

Более точный расчет можно произвести, рассчитав точные размеры свойств поверхности домов в М2 (окна, двери и т. Д.), Произведя расчеты для них отдельно и сложив полученные показатели.

Пример расчета тепловой мощности

Возьмем некое помещение площадью 80 м2 с высотой потолка 2,5 м и посчитаем, какая мощность котла потребуется для его обогрева.

Сначала посчитаем кубатуру: 80 х 2,5 = 200 м3. Наш дом утеплен, но недостаточно — коэффициент рассеивания 1,2.

Морозы до -40 ° С, а в помещении хочу комфортных +22 градуса, перепад температур (Дельта «Т») получается на 62 ° С.

Подставляем в силовую формулу тепловых потерь числа и получающегося:

200 х 62 х 1,2 = 14880 ккал / ч.

Полученные килокалории перевести в киловатты с помощью преобразователя:

• 1 кВт = 860 ккал;
• 14880 Ккал = 17302,3 Вт.

Округлим в большую сторону с запасом, и понимаем, что в самый сильный мороз -40 градусов нам потребуется 18 кВт энергии в час.

Умножьте периметр дома на высоту стен:

(8 + 10) х 2 х 2,5 = 90 м2 поверхности стен + 80 м2 потолка = 170 м2 поверхности, контактирующей с холодом.Рассчитанные нами выше тепловые потери составили 18 кВт / ч, мы делим поверхность дома на расчетную потребляемую энергию, которую теряет 1 м2 около 0,1 кВт или 100 Вт в час при температуре -40 ° C, и в помещении +22 ° C.

Эти данные могут быть основанием для расчета необходимой толщины утеплителя на стенах.

Приведем еще один пример расчета, в некоторых моментах более сложный, но более точный.

Формула:

Q = S X (Delta) T / R:

• Q — искомая величина теплопотерь дома в ВТ;
• S- площадь охлаждающих поверхностей в м2;
• T- разница температур в градусах Цельсия;
• R — термическое сопротивление материала (M2 x K / W) (квадратные метры, умноженные на Кельвины и разделенные на Ватты).

Итак, чтобы найти «q» того же дома, что и в примере выше, вычисляем площадь его поверхностей «S» (мы не будем рассматривать пол и окна).

• «S» в нашем случае = 170 м2, из них 80 м2 потолок и 90 м2 — стены;
• Т = 62 ° С;
• R-термическое сопротивление.

Ищем «R» по таблице термического сопротивления или по формуле. Формула расчета коэффициента теплопроводности такая:

R = H / K.Т. (N — толщина материала в метрах, К.Т. — коэффициент теплопроводности).

В данном случае у дома стена из двух кирпичей толщиной 5 см, покрытая пеной толщиной 10 см. Потолок покрыт опилками толщиной 30 см.

Система отопления частного дома должна быть устроена с учетом экономии затрат на электроэнергию. Расчет системы отопления частного дома, а также рекомендации по выбору котлов и радиаторов — читайте внимательно.

Чем и как утеплить деревянный дом изнутри, вы узнаете, прочитав эту информацию. Выбор теплоизоляции и технологии утепления.

Из таблицы коэффициентов теплопроводности (измеряется Вт / (M2 x K), ватты делятся на квадратный метр по Кельвину). Находим значения для каждого материала, они будут:

• кирпич — 0,67; Пенопласт
• — 0,037;
• пил — 0,065.

Подставляем данные в формулу (R = H / K.Т.):

• R (потолок толщиной 30 см) = 0,3 / 0,065 = 4,6 (м2 х К) / Вт;
• R (кирпичная стена 50 см) = 0,5 / 0,67 = 0,7 (М2 х К) / Вт;
• Р (Пенопласт 10 см) = 0,1 / 0,037 = 2,7 (М2 х К) / Вт;
• R (стены) = R (кирпич) + R (пенопласт) = 0,7 + 2,7 = 3,4 (м2 х К) / Вт.

Теперь можно перейти к расчету теплопотерь «Q»:

• Q для потолка = 80 х 62 / 4,6 = 1078,2 Вт.
• Q стенка = 90 х 62 / 3,4 = 1641.1 Вт.
• Осталось сложить 1078,2 + 1641,1 и перевести в кВт, получается (если сразу округлить) 2,7 кВт энергии за 1 час.

Можно обратить внимание на то, насколько сильно получилась разница в первом и втором случае, хотя объем домов и температура за окном в первом и втором случае были совершенно одинаковыми.

Все дело в степени полезности домов (хотя, конечно, данные могли бы быть другие, если бы мы посчитали пол и окна).

Заключение

Приведенные выше формулы и примеры показывают, что при теплотехнических расчетах очень важно учитывать как можно больше факторов, влияющих на теплопотери. Сюда входит и вентиляция, и площадь окон, и степень их усталости и т.д.

А подход, когда 1 кВт мощности котла берется на 10 м2 дома — слишком приблизительный, чтобы серьезно полагаться на него. Это.

Видео по теме

microklimat.pro.

13 тепловой расчет

10. Тепловой расчет.

Конструкция МКС должна быть такой, чтобы выделяющееся при ее работе тепло не приводило в самых неблагоприятных условиях эксплуатации к выходу из строя элементов в результате перегрева. К основным тепловым элементам следует отнести в первую очередь резисторы, активные элементы и компоненты. Мощность, рассеиваемая конденсаторами и индукторами, мала. Микросхема переключения пленок, благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок, способствует отводу тепла от наиболее нагретых элементов и выравниванию температуры карты GIS и кристалла полупроводниковой ИС.

Рис. 10.1. Варианты крепления доски к корпусу.

Тепловой расчет резисторов.

Тепловое сопротивление резистора рассчитывается по формуле (10.1)

P = 0,03 [Вт / см ° C] — коэффициент теплопроводности материала подложки;

ΔP = 0,06 см — толщина доски.

Rt = 0,06 / 0,03 = 2 см2 ∙ ° C / Вт

Рассчитайте температуру пленочных резисторов по формуле

PR — мощность, выделяемая на резисторе;

SR — площадь, занимаемая резистором на плате;

P0 — суммарная мощность, выделяемая всеми компонентами микросхемы;

СП — Место пл.

ПР = 0,43 МВт — мощность, выделяемая на резисторе;

SR = 0,426мм2 — площадь, занимаемая резистором;

Sn = 80 мм2 — план платы;

Rt = 2 см2 ∙ ° C / Вт — тепловое сопротивление резистора;

Tocr.Sr = 40С — максимальная температура окружающей среды;

T = 125С = Максимально допустимая температура пленочных резисторов.

TR = (0,43 ∙ 10-3 ∙ 200) /0,426+ (24,82 ∙ 10-3 ∙ 200) /80+40\u003d40,26 С

Температура остальных резисторов рассчитывается аналогично с помощью MathCAD программа.Результаты расчетов представлены в Табл. 10.1

Табл. 10.1.

Из таблицы видно, что для всех пленочных резисторов соблюдается указанный тепловой режим.

Тепловой расчет присоединяемого элемента.

Термическое сопротивление рассчитаем по формуле:

k = 0,003 [Вт / см ° C] — коэффициент теплопроводности клея;

ΔK1 = 0,01 см — толщина клея.

R = (0,06 / 0.03) + (0,01 / 0,003) = 5,33 см2 ∙ ° C / Вт

Рассчитайте температуру присоединяемого элемента по формуле:

Расчет транзистора Кт202а, VT14

PNE = 2,6 МВт — мощность, выделяемая на транзистор;

СНЭ = 0,49 мм2 — площадь, занимаемая транзистором;

P0 = 24,82 МВт — мощность, выделяемая всеми компонентами платы;

Sn = 80 мм2 — план платы;

T0C = 40С — максимальная температура окружающей среды;

Т = 85С = Максимально допустимая температура транзистора.

TNE = (2,6 ∙ 10-3 ∙ 533) /0,49+ (24,82 ∙ 10-3 ∙ 533) /80+40\u003d42,99 9

Следовательно, указанный тепловой режим соблюдается.

Температура остальных транзисторов рассчитывается аналогично с помощью программы MathCAD. Результаты расчетов представлены в таблице 10.2

Таблица 10.2.

Из таблицы видно, что для всех транзисторов соблюдается указанный тепловой режим. Следовательно, тепловой режим для всей схемы выполняется.

studfiles.net.

Тепловая мощность электрического тока и ее практическое применение

Причина нагрева проводника заключается в том, что энергия движущегося в нем электрона (другими словами, энергия тока) при последовательном столкновении частиц с молекулярным Решетка ионы металлического элемента превращаются в теплый вид энергии, или q, формируется понятие «тепловая мощность».

Текущая работа измеряется с использованием Международной системы System System с применением Джоули (Дж), текущая мощность определяется как «Ватт» (Вт).Отходя от системы на практике, могут применяться, помимо прочего, что генерируемые единицы измерения силы тока. Среди них ватт-час (Вт × ч), киловатт-час (сокращенно квт × ч). Например, 1 Вт × ч обозначает текущую операцию с удельной мощностью 1 Вт и продолжительностью в один час.

Если электроны движутся по фиксированному проводнику от металла, в этом случае вся полезная работа производимого тока распределяется на нагрев металлической конструкции, и, исходя из положений закона сохранения энергии, это можно описать формулой Q = A = IUT = I2RT = (U2 / R) * t.Такие отношения с точностью выражают знаменитый закон Джоуля-Ленца. Исторически впервые его определил опытный ученый Д. Джоуль в середине 19 века, а вместе с тем, независимо от него, другой ученый — Э. Ленц. Практическое применение. Тепловая энергия найдена в техническом исполнении с изобретением в 1873 г. русского инженера А. Ладыгина обыкновенной детской лампы.

Термический ток активируется в ряде электрических устройств и промышленных установок, а именно в термоизмерительных приборах, нагревательных типах электроплит, электросварочном и инвентарном оборудовании, очень распространены бытовые приборы на электрическом нагревании — варочные, паяльники и т. Д. чайники, утюг.

Противостоит тепловому эффекту в пищевой промышленности. При большой доле использования используется возможность электроконтактного нагрева, что гарантирует тепловую мощность. Это обусловлено тем, что ток и его тепловая мощность, воздействуя на пищевой продукт, имеющий определенную степень сопротивления, вызывают в нем равномерный нагрев. Это можно привести как пример того, как делают колбасы: через специальный дозатор мясной начинки поступают металлические формы, стенки которых одновременно являются электродами.Обеспечивает постоянную равномерность нагрева по площади и объему продукта, поддерживается заданная температура, поддерживается оптимальная биологическая ценность пищевого продукта, вместе с этими факторами продолжительность технологических работ и энергозатраты остаются наименьшими. .

Удельная тепловая мощность электрического тока (ω), другими словами, количество тепла, которое выделяется в единице объема за определенную единицу времени, рассчитывается следующим образом.Элементарный цилиндрический проводник (ДВ), с поперечным сечением проводимости DS, длиной DL, параллельной направлению тока, и сопротивлением выражается уравнениями R = P (DL / DS), DV = DSDL.

Согласно определениям закона Джоуля-Ленца, за отведенное время (DT) будет различаться уровень тепла, равный DQ = I2RDT = P (DL / DS) (JDS) 2DT = PJ2DVDT. В этом случае Ω = (DQ) / (DVDT) = PJ2 и, применив закон ОЛО для установления плотности тока j = Γe и отношения p = 1 / γ, сразу получаем выражение ω = je = γe2.Он дает понятие закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

fB.ru.

Embedder page »Тепловые расчеты

Все электронные компоненты выделены тепловыделением, поэтому умение рассчитать радиаторы, чтобы не налетать в атаку за пару порядков очень пригодится любому электрону.

Тепловые расчеты очень просты и имеют много общего с расчетами электронных схем. Вот посмотрите на обычную проблему теплового расчета, с которой я только что столкнулся

Задача

Нужно выбрать радиатор для линейного стабилизатора на 5 вольт, который питается максимум от 12 вольт и дает 0.5а. Максимальная выделяемая мощность составляет (12-5) * 0,5 = 3,5 Вт

Погружение в теорию

Чтобы не производить сущностей, люди почесали клеща и поняли, что тепло очень похоже на электрический ток, а для теплового при расчетах можно использовать обычный закон Ома, только

Напряжение (U) заменяется температурой (T)

Ток (I) заменяется мощностью (P)

Сопротивление заменяется тепловым сопротивлением. Обычное сопротивление имеет размерность вольт / ампер, а нагрев —

° C / ватт.

В результате закон ОМА заменяется его тепловым аналогом:

Небольшое замечание — чтобы обозначить, что имеется в виду тепловое (а не электрическое) сопротивление, к букве R добавьте букву: на клавиатуре у меня есть такая буква, а копировать из таблицы символов лень, поэтому буду использовать букву R.

Продолжить

В кристалле стабилизатора выделяется тепло, и наша цель не допустить его перегрева (не допустить перегрева кристалла, а не корпуса, это важно!).

До какой температуры можно нагревать кристалл, написано в даташите:

Обычно предельная температура кристалла называется Tj (j = junction = переход — термочувствительные внутренности микросхем в основном состоят из PN переходов.Можно считать, что температура перехода равна температуре кристалла)

Без радиатора

Тепловая схема выглядит очень просто:

Специально для случаев использования корпуса без радиатора термостойкость кристалла -атмосфера (RJ-a) записана в даташитах (RJ-A) (какой J вы уже знаете, a = ambient = environment)

Обратите внимание, что температура «земли» не равна нулю, а равна до температуры окружающей среды (TA).Температура воздуха зависит от того, в каких условиях находится радиатор, если он на улице, можно поставить Ta = 40 ° С, а если в закрытом ящике, то температура может быть значительно выше!

Запишем по тепловому закону Ома: TJ = P * RJ-A + TA. Подставляем p = 3,5, rj-a = 65, получаем TJ = 227,5 + 40 = 267,5 ° С. Мультимито, однако!

Цепляем радиатор

Тепловая схема нашего примера со стабилизатором на радиаторе принимает вид:

• RJ-C — сопротивление от кристалла до радиатора корпуса (C = CASE = футляр).Приведено в даташете. В нашем случае — 5 ° C / Вт — из техпаспорта
• RC-R — это сопротивление корпуса радиатора. Не все так просто. Это сопротивление зависит от того, что находится между корпусом и радиатором. Например, силиконовая прокладка имеет коэффициент теплопроводности 1-2 Вт / (М * ° С), а паста ПТТ-8 — 0,75 Вт / (М * ° С). Тепловое сопротивление можно получить из коэффициента теплопроводности по формуле:

  R = толщина прокладки / (коэффициент теплопроводности * площадь одной стороны прокладки)

  Часто RC-R можно вообще не учитывать.Например, в нашем случае (мы используем корпус ТО220, с пастой ППТ-8 средняя глубина снимаемой пасты с потолка составляет 0,05 мм). Суммарный RC-R = 0,5 ° С / Вт. При мощности 3,5Вт разница температуры корпуса стабилизатора и радиатора составляет 1,75 Градуса. Это не много. Для нашего примера возьмем RC-R = 2 ° C / Вт

RR-A — тепловое сопротивление между радиатором и атмосферой. Определяется геометрией радиатора, наличием обдува и массой других факторов.Этот параметр гораздо проще измерить, чем рассчитать (см. В конце статьи). Например — RR-C = 12,5 ° C / W

Ta = 40 ° C — здесь мы оцениваем, что температура атмосферы редко бывает выше, для точности можно принять 50 градусов.

Подставляем все эти данные в закон Ома, и получаем TJ = 3,5 * (5 + 2 + 12,5) + 40 = 108,25 ° C

Это существенно меньше предела 150 ° C. Такой радиатор может быть использован.При этом кожух радиатора будет теплым до Тс = 3,5 * 12,5 + 40 = 83,75 ° С. Такая температура уже способна размягчить некоторые пластики, поэтому нужно быть осторожным.

Измерение сопротивления радиатор-атмосфера.

Скорее у вас уже есть куча радиаторов, которые можно использовать. Тепловое сопротивление измеряется очень легко. Это нужно для сопротивления и питания.

Устойчивость к царапинам на радиаторе с помощью термоборона:

Подключаем блок питания, и выставляем напряжение так, чтобы на сопротивлении выделялась некоторая мощность.Лучше конечно прогреть радиатор с той мощностью, которую он развеет в конечном устройстве (а в том положении, в котором он будет, это важно!). Я обычно оставляю такую ​​конструкцию на полчаса, чтобы она хорошо согревала.

После замера температуры можно рассчитать тепловое сопротивление

RR-A = (T-TA) / P. Например, у меня радиатор прогрелся до 81 градуса, а температура воздуха 31 градус. Таким образом, RR-a = 50/4 = 12,5 ° С / Вт.

Накидка области радиатора

В старинном справочнике радиолюбителей была занесена графика, по которой можно было оценить площадь излучателя.2 радиатора. Этот график дает перегруженную площадь зоны, и не учитывает кучу факторов, таких как принудительный обдув, геометрия ребер, ИТП.

bsvi.ru.

В 1841 и 1842 годах, независимо друг от друга, английские и русские физики установили зависимость количества тепла от тока, протекающего в проводнике. Эти отношения получили название «Закон Джоуля-Ленца». Англичанин установил зависимость на год раньше, чем русский, но название закон получил от имен обоих ученых, поскольку их исследования были независимыми.Закон не носит теоретического характера, но имеет большое практическое значение. Итак, давайте вкратце разберемся с определением закона Джоуля-Ленцы и где он применяется.

Состав

В реальном проводнике при протекании по нему тока совершается работа против сил трения. Электроны движутся по проволоке и сталкиваются с другими электронами, атомами и другими частицами. В результате выделяется тепло. Закон Джоуля-Ленцы описывает количество тепла, выделяемого при протекании тока через проводник.Это прямо пропорционально зависит от силы тока, сопротивления и времени протекания.

В интегральной форме закон Джоуля-Ленца выглядит так:

Сила тока обозначается буквой I и выражается в амперах, сопротивление — R в Омах, а время T — в секундах. Единица измерения тепла Q — Joble для перевода в калории нужно результат умножить на 0,24. При этом 1 калория равна количеству тепла, которое необходимо подвести к чистой воде, чтобы повысить ее температуру на 1 градус.

Такая регистрация формулы действительна для участка цепи с последовательным соединением проводников, когда в них протекает один ток, но на концах падает разное напряжение. Произведение тока в квадрате на сопротивление и есть мощность. В то же время мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению. Тогда для электрической цепи при параллельном включении закон Джоуля-Ленца можно записать в виде:

В дифференциальной форме это выглядит так:

Где J — плотность тока, А / см 2, E — напряженность электрического поля, сигма — удельное сопротивление проводника.

Стоит отметить, что для однородного участка цепи сопротивление элементов будет одинаковым. Если в цепи присутствуют проводники с разным сопротивлением, возникает ситуация, когда максимальное количество тепла выделяется на том объеме, который имеет наибольшее сопротивление, что можно сделать вывод, проанализировав формулу закона Джоуля-Ленца.

FAQ

Как найти время? Здесь я имею в виду период протекания тока по проводнику, то есть когда цепь замкнута.

Как найти сопротивление проводника? Для определения сопротивления используйте формулу, которую часто называют «рельс», то есть:

Здесь буква «RO» обозначает удельное сопротивление, оно измеряется в ОМ * М / см2, L и S — длина и площадь поперечного сечения. При подсчете метров и сантиметров квадраты уменьшаются, а омы остаются.

Удельное сопротивление — табличное значение и для каждого металла свое. Медь на порядок меньше, чем высокопрочные сплавы типа вольфрама или нихрома.Для чего он применяется, мы рассмотрим ниже.

Обратимся к практике

Закон Джоуля Ленза имеет большое значение для электрических расчетов. В первую очередь, вы можете применить его при расчете отопительных приборов. В качестве нагревательного элемента чаще всего используется проводник, но не простой (типа медный), а с большим сопротивлением. Чаще всего это нихром или Канталь, Фехераль.

У них большое удельное сопротивление. Можно использовать медь, но тогда вы потратите много кабеля (сарказм, медь не использовать для этих целей).Чтобы рассчитать теплоту тепла для нагревательного прибора, нужно определить, какое тело и в каких объемах нужно обогреть, учесть необходимое количество тепла и за какое время его нужно передать телу. После расчетов и преобразований вы получите в этой цепочке сопротивление и силу тока. На основании полученных данных по удельному сопротивлению выберите материал проводника, его сечение и длину.

Закон индукции Фарадея: Закон Ленца

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Рассчитайте ЭДС, ток и магнитные поля, используя закон Фарадея.
• Объясните физические результаты Закона Ленца

Закон Фарадея и Ленца

Эксперименты Фарадея показали, что ЭДС, вызванная изменением магнитного потока, зависит только от нескольких факторов. Во-первых, ЭДС прямо пропорциональна изменению магнитного потока Δ Φ . Во-вторых, ЭДС является наибольшей, когда изменение во времени Δ t наименьшее, то есть ЭДС обратно пропорциональна Δ t . Наконец, если катушка имеет Н виток, будет создана ЭДС, которая в Н в раз больше, чем для одиночной катушки, так что ЭДС прямо пропорциональна Н .Уравнение для ЭДС, вызванной изменением магнитного потока, равно

[латекс] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Это соотношение известно как закон индукции Фарадея . Обычно единицами измерения ЭДС являются вольты. Знак минус в законе индукции Фарадея очень важен. Минус означает, что ЭДС создает ток I и магнитное поле B, которые препятствуют изменению потока Δ Φ — это известно как закон Ленца . Направление (обозначенное знаком минус) ЭДС настолько важно, что оно было названо законом Ленца в честь русского Генриха Ленца (1804–1865), который, подобно Фарадею и Генри, независимо исследовал аспекты индукции.Фарадей знал о направлении, но Ленц так ясно изложил его, что ему приписывают его открытие. (См. Рисунок 1.)

Рис. 1. (a) Когда стержневой магнит вставляется в катушку, сила магнитного поля в катушке увеличивается. Ток, наведенный в катушке, создает другое поле в направлении, противоположном стержневому магниту, чтобы противодействовать увеличению. Это один из аспектов закона Ленца: индукция препятствует любому изменению потока. (b) и (c) — две другие ситуации. Убедитесь сами, что показанное направление индуцированной катушки B действительно противодействует изменению магнитного потока и что показанное направление тока согласуется с RHR-2.

Стратегия решения проблем закона Ленца

Чтобы использовать закон Ленца для определения направлений индуцированных магнитных полей, токов и ЭДС:

1. Сделайте набросок ситуации для использования при визуализации и записи направлений.
2. Определите направление магнитного поля B.
3. Определите, увеличивается или уменьшается поток.
4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля B. Оно противодействует изменению магнитного потока, добавляя или вычитая из исходного поля.
5. Используйте RHR-2 для определения направления индуцированного тока I, ответственного за индуцированное магнитное поле B.
6. Направление (или полярность) наведенной ЭДС теперь будет управлять током в этом направлении и может быть представлено как ток, выходящий из положительного вывода ЭДС и возвращающийся к его отрицательному выводу.

Для практики примените эти шаги к ситуациям, показанным на Рисунке 1, и другим, которые являются частью следующего текстового материала.

Применение электромагнитной индукции

Существует множество применений закона индукции Фарадея, которые мы исследуем в этой и других главах. На этом этапе позвольте нам упомянуть несколько, которые связаны с хранением данных и магнитными полями. Очень важное приложение связано с записью аудио и видео на магнитные ленты . Пластиковая лента, покрытая оксидом железа, проходит мимо записывающей головки. Эта записывающая головка представляет собой круглое железное кольцо, вокруг которого намотана катушка с проволокой — электромагнит (рис. 2).Сигнал в виде переменного входного тока от микрофона или камеры поступает на записывающую головку. Эти сигналы (которые являются функцией амплитуды и частоты сигнала) создают переменные магнитные поля на записывающей головке. Когда лента движется мимо записывающей головки, ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте изменяется, таким образом записывая сигнал. В режиме воспроизведения намагниченная лента проходит мимо другой головки, аналогичной по конструкции записывающей головке. Различная ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте индуцирует ЭДС в проволочной катушке в воспроизводящей головке.Затем этот сигнал отправляется на громкоговоритель или видеоплеер.

Рис. 2. Головки для записи и воспроизведения, используемые с аудио- и видеомагнитными лентами. (кредит: Стив Юрветсон)

Аналогичные принципы применимы и к жестким дискам компьютеров, но с гораздо большей скоростью. Здесь записи находятся на вращающемся диске с покрытием. Исторически считывающие головки создавались по принципу индукции. Однако входная информация передается в цифровой, а не аналоговой форме — на вращающемся жестком диске записывается серия нулей или единиц.Сегодня большинство считывающих устройств с жестких дисков не работают по принципу индукции, а используют технологию, известную как гигантское магнитосопротивление . (Открытие того факта, что слабые изменения магнитного поля в тонкой пленке из железа и хрома могут вызывать гораздо большие изменения электрического сопротивления, было одним из первых крупных успехов нанотехнологии.) Еще одно применение индукции можно найти на магнитной полосе на магнитной полосе. на оборотной стороне вашей личной кредитной карты, которая использовалась в продуктовом магазине или в банкомате.Это работает по тому же принципу, что и аудио- или видеокассета, упомянутая в последнем абзаце, в которой голова считывает личную информацию с вашей карты.

Другое применение электромагнитной индукции — это когда электрические сигналы должны передаваться через барьер. Рассмотрим кохлеарный имплант , показанный ниже. Звук улавливается микрофоном на внешней стороне черепа и используется для создания переменного магнитного поля. Ток индуцируется в приемнике, закрепленном в кости под кожей, и передается на электроды во внутреннем ухе.Электромагнитная индукция может использоваться и в других случаях, когда электрические сигналы должны передаваться через различные среды.

Рис. 3. Электромагнитная индукция, используемая при передаче электрического тока через среды. Устройство на голове ребенка индуцирует электрический ток в приемнике, закрепленном в кости под кожей. (кредит: Бьорн Кнетч)

Еще одна современная область исследований, в которой электромагнитная индукция успешно реализуется (и имеет значительный потенциал), — это транскраниальное магнитное моделирование.Множество расстройств, включая депрессию и галлюцинации, можно объяснить нерегулярной локальной электрической активностью в головном мозге. В транскраниальной магнитной стимуляции быстро меняющееся и очень локализованное магнитное поле помещается рядом с определенными участками, идентифицированными в головном мозге. В идентифицированных участках индуцируются слабые электрические токи, которые могут привести к восстановлению электрических функций в тканях мозга.

Апноэ сна («остановка дыхания») поражает как взрослых, так и младенцев (особенно недоношенных детей, и это может быть причиной внезапной детской смерти [SID]).У таких людей дыхание может неоднократно останавливаться во время сна. Прекращение действия более чем на 20 секунд может быть очень опасным. Инсульт, сердечная недостаточность и усталость — вот лишь некоторые из возможных последствий для человека, страдающего апноэ во сне. У младенцев проблема заключается в задержке дыхания на это более длительное время. В одном из типов мониторов, предупреждающих родителей о том, что ребенок не дышит, используется электромагнитная индукция. В проводе, обмотанном вокруг груди младенца, проходит переменный ток. Расширение и сжатие грудной клетки младенца во время дыхания изменяет площадь спирали.В расположенной рядом катушке датчика индуцируется переменный ток из-за изменения магнитного поля исходного провода. Если ребенок перестанет дышать, наведенный ток изменится, и родители могут быть предупреждены.

Подключение: сохранение энергии

Закон Ленца — это проявление сохранения энергии. Индуцированная ЭДС создает ток, который противодействует изменению потока, потому что изменение потока означает изменение энергии.Энергия может входить или уходить, но не мгновенно. Закон Ленца — следствие. Когда изменение начинается, закон говорит, что индукция противодействует и, таким образом, замедляет изменение. Фактически, если бы индуцированная ЭДС была в том же направлении, что и изменение потока, была бы положительная обратная связь, которая не давала бы нам бесплатную энергию из любого видимого источника — закон сохранения энергии был бы нарушен.

Пример 1. Расчет ЭДС: насколько велика индуцированная ЭДС?

Рассчитайте величину наведенной ЭДС, когда магнит, изображенный на Рисунке 1 (а), вдавливается в катушку, учитывая следующую информацию: одноконтурная катушка имеет радиус 6.00 см, а среднее значение B cos θ (это дано, поскольку поле стержневого магнита сложное) увеличивается с 0,0500 Тл до 0,250 Тл за 0,100 с.

Стратегия

Чтобы найти звездную величину ЭДС, мы используем закон индукции Фарадея, как указано в [latex] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex], но без знака минус, указывающего направление:

[латекс] \ text {emf} = N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Раствор

Нам дано, что N = 1 и Δ t = 0.100 с, но мы должны определить изменение потока Δ Φ , прежде чем мы сможем найти ЭДС. Поскольку площадь петли фиксирована, мы видим, что

ΔΦ = Δ ( BA cos θ ) = AΔ ( B cos θ ).

Теперь Δ ( B cos θ ) = 0.200 Тл, поскольку было задано, что B cos θ изменяется с 0,0500 до 0,250 Тл. Площадь контура A = πr2 = (3,14…) ( 0,060 м) ² = 1,13 × 10 ⁻² м ² .{2} \ right) \ left (0.200 \ text {T} \ right)} {0.100 \ text {s}} = 22.6 \ text {mV} \\ [/ latex].

Обсуждение

Хотя это напряжение легко измерить, его явно недостаточно для большинства практических приложений. Больше петель в катушке, более сильный магнит и более быстрое движение делают индукцию практическим источником напряжения, которым она и является.

Исследования PhET: Электромагнитная лаборатория Фарадея

Поиграйте с стержневым магнитом и катушками, чтобы узнать о законе Фарадея.Поднесите стержневой магнит к одной или двум катушкам, чтобы лампочка зажглась. Просмотрите силовые линии магнитного поля. Измеритель показывает направление и величину тока. Просмотрите линии магнитного поля или используйте измеритель, чтобы показать направление и величину тока. Вы также можете играть с электромагнитами, генераторами и трансформаторами!

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

1. Человек, работающий с большими магнитами, иногда помещает голову в сильное поле.Она сообщает, что у нее кружится голова, когда она быстро поворачивает голову. Как это может быть связано с индукцией?
2. Ускоритель частиц отправляет заряженные частицы с высокой скоростью по откачанной трубе. Объясните, как катушка с проволокой, намотанная вокруг трубы, может обнаруживать прохождение отдельных частиц. Нарисуйте график выходного напряжения катушки при прохождении через нее одиночной частицы.

Задачи и упражнения

1. Как показано на Рисунке 5 (а), каково направление тока, индуцируемого в катушке 2: (а) Если ток в катушке 1 увеличивается? (б) Если ток в катушке 1 уменьшается? (c) Если ток в катушке 1 постоянный? Ясно покажите, как вы следуете шагам из приведенной выше стратегии решения проблем для закона Ленца .

Рис. 5. (a) Катушки лежат в одной плоскости. (б) Проволока находится в плоскости катушки.

2. Как показано на Рисунке 5 (b), в каком направлении индуцируется ток в катушке: (a) Если ток в проводе увеличивается? (б) Если ток в проводе уменьшается? (c) Если ток в проводе внезапно меняет направление? Ясно покажите, как вы следуете шагам из приведенной выше стратегии решения проблем для закона Ленца .

3. Как показано на рисунке 6, каковы направления токов в катушках 1, 2 и 3 (предположим, что катушки лежат в плоскости цепи): (a) Когда переключатель в первый раз замыкается? (б) Когда выключатель был замкнут в течение длительного времени? (c) Сразу после размыкания переключателя?

Рисунок 6.

4. Повторите предыдущую проблему с перевернутой батареей.

5. Убедитесь, что единицами измерения Δ Φ / Δ t являются вольты. То есть показать, что 1 Тл м ² / с = 1 В.

6. Предположим, катушка с 50 витками находится в плоскости страницы в однородном магнитном поле, направленном внутрь страницы. Змеевик изначально имел площадь 0,250 м ² . Он растягивается, чтобы не было площади за 0,100 с. Каковы направление и величина наведенной ЭДС, если однородное магнитное поле имеет напряженность 1.50 т?

7. (a) Техник МРТ перемещает свою руку из области очень низкой напряженности магнитного поля в поле 2,00 Тл сканера МРТ, указывая пальцами в направлении поля. Найдите среднюю ЭДС, индуцированную в его обручальном кольце, учитывая его диаметр 2,20 см и предполагая, что для его перемещения в поле требуется 0,250 с. (б) Обсудите, может ли этот ток существенно изменить температуру кольца.

8. Integrated Concepts Обратимся к ситуации в предыдущей задаче: (a) Какой ток индуцируется в кольце, если его сопротивление равно 0.0100 Ом? (б) Какая средняя мощность рассеивается? (c) Какое магнитное поле индуцируется в центре кольца? (d) Каково направление индуцированного магнитного поля относительно поля МРТ?

9. ЭДС индуцируется вращением катушки с 1000 витками диаметром 20,0 см в магнитном поле Земли 5,00 × 10 ⁻⁵ Тл. Какая средняя ЭДС индуцируется, если плоскость катушки изначально перпендикулярна полю Земли и повернута параллельно полю за 10,0 мс?

10.Катушка с 500 витками радиусом 0,250 м поворачивается на одну четверть оборота за 4,17 мс, первоначально ее плоскость перпендикулярна однородному магнитному полю. (Это 60 об / с.) Найдите напряженность магнитного поля, необходимую для индукции средней ЭДС 10 000 В.

11. Integrated Concepts Примерно как ЭДС, наведенная в петле на рисунке 5 (b), зависит от расстояния центра петли от провода?

12. Integrated Concepts (a) Молния создает быстро меняющееся магнитное поле.Если болт ударяется о землю вертикально и действует как ток в длинном прямом проводе, он вызывает напряжение в петле, выровненной, как показано на рисунке 5 (b). Какое напряжение индуцируется в петле диаметром 1,00 м и 50,0 м от удара молнии 2,00 × 10 6 , если ток падает до нуля за 25,0 мкс? (б) Обсудите обстоятельства, при которых такое напряжение может привести к заметным последствиям.

Глоссарий

Закон индукции Фарадея:

средство вычисления ЭДС в катушке из-за изменения магнитного потока, заданное как [latex] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex]

Закон Ленца:

знак минус в законе Фарадея, означающий, что ЭДС, индуцированная в катушке, противодействует изменению магнитного потока.

Избранные решения проблем и упражнения

1.(a) CCW (b) CW (c) Отсутствие индуцированного тока

3.