Параграф 47 Физика 8 класс Пёрышкин | Конспект

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля — Ленца

Выделение энергии — одно из основных явлений, сопровождающих прохождение электрического тока в проводниках. В результате опыта было установлено, что количество теплоты, выделяющейся в проводнике при прохождении по нему электрического тока, зависит от силы тока, сопротивления проводника и времени его прохождения. Это открытие впервые было сделано Джеймсом Джоулем и Эмилием Христиановичем Ленцем. Исследуя природу электрического тока и его взаимодействие с проводниками, они установили, что выделяющаяся теплота в проводнике прямо пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени. Это соотношение вошло в науку как закон Джоуля — Ленца, который используется для расчета теплового эффекта в проводниках.

Формула закона Джоуля — Ленца

Закон Джоуля — Ленца можно выразить формулой: Q=I²Rt, где Q — количество теплоты, I — сила тока, R — сопротивление проводника, а ttt — время прохождения тока. Увеличение любого из этих параметров приведет к увеличению количества выделяемой теплоты. Закон показывает, что нагревание проводников связано с сопротивлением и величиной силы тока. В проводниках с большим сопротивлением выделяется больше тепла при прочих равных условиях. Этот эффект широко используется в различных электрических приборах, таких как нагреватели, утюги и другие устройства, где требуется преобразование электрической энергии в тепловую.

Закон сохранения энергии и закон Джоуля — Ленца

Закон сохранения энергии подтверждает правильность закона Джоуля — Ленца. При прохождении электрического тока энергия электрического поля преобразуется в тепловую энергию. Эта тепловая энергия затем передается окружающей среде. Свободные электроны, двигаясь в проводнике, сталкиваются с ионами кристаллической решетки, что вызывает выделение тепла. Данный процесс можно наблюдать на примере металлических проводников. В металлах нагревание происходит быстрее, так как свободные электроны имеют большую подвижность и чаще сталкиваются с ионами, передавая им свою кинетическую энергию.

Применение закона Джоуля — Ленца

Закон Джоуля — Ленца используется в расчетах электрических цепей, чтобы определить количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока. Он применяется при проектировании нагревательных приборов и систем отопления. Знание количества выделяющейся теплоты позволяет рассчитать энергоэффективность и безопасность электрических устройств. Например, чтобы избежать перегрева проводников и их повреждения, важно правильно выбрать параметры электрической цепи. Закон также используется для анализа работы различных электроприборов и для оценки их тепловой мощности.

Вывод формулы для закона Джоуля — Ленца

Для вывода формулы закона Джоуля — Ленца используют закон Ома и формулу мощности: P=UI. Так как напряжение U=IR, можно выразить количество выделяемой тепловой энергии как: A=I²Rt. Важно отметить, что при увеличении времени прохождения тока или силы тока количество тепла возрастает пропорционально квадрату силы тока. Это объясняет, почему при сильном токе проводники могут перегреваться и даже плавиться. Данный вывод подтверждает необходимость учитывать все параметры цепи при работе с мощными электрическими установками.