Joule-Lenzův zákon

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 31. října 2021; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Joule-Lenzův zákon je fyzikální zákon , který kvantifikuje tepelný účinek elektrického proudu . Instaloval v roce 1841 James Joule a samostatně v roce 1842 Emil Lenz [1] .

Definice

Ve slovní formulaci to zní takto [2] :

Výkon tepla uvolněného na jednotku objemu média při průtoku stejnosměrného elektrického proudu se rovná součinu hustoty elektrického proudu a hodnoty intenzity elektrického pole .

Matematicky to lze vyjádřit v následujícím tvaru:

w={\vec {j}}\cdot {\vec {E}}=\sigma E^{2},

kde je síla uvolněného tepla na jednotku objemu, je hustota elektrického proudu , je intenzita elektrického pole , σ je vodivost média a tečka označuje skalární součin. $w$ $\vec j$ $\vec E$

Zákon lze také formulovat v integrální podobě pro případ toku proudu tenkými dráty [3] :

Množství tepla uvolněného za jednotku času v uvažovaném úseku obvodu je úměrné součinu druhé mocniny proudu v tomto úseku a odporu úseku.

V integrální formě má tento zákon formu

dQ=I^{2}Rdt,

Q=\int \limits _{t_{1}}^{t_{2}}I^{2}Rdt,

kde je množství tepla uvolněného za časové období , je síla proudu, je odpor, je celkové množství tepla uvolněného za časové období od do . V případě konstantního proudu a odporu: $dQ$ $dt$ $já$ $R$ $Q$ $t_{1}$ $t_{2}$

Q=I^{2}Rt.

Aplikací Ohmova zákona lze získat následující ekvivalentní vzorce:

Q=U^{2}t/R\ =IUt.

Praktická hodnota

Snížení energetických ztrát

Při přenosu elektřiny je tepelný účinek proudu v drátech nežádoucí, protože vede ke ztrátám energie. Napájecí vodiče a zátěž jsou zapojeny do série , což znamená, že proud v síti na vodičích a zátěži je stejný. Výkon zátěže a odpor vodiče by neměly záviset na volbě napětí zdroje. Výkon rozptýlený na vodičích a na zátěži je určen podle následujících vzorců $já$

Q_{w}=R_{w}\cdot I^{2},

Q_{c}=U_{c}\cdot I.

Odkud z toho plyne . Protože v každém případě výkon zátěže a odpor vodiče zůstávají nezměněny a výraz je konstantní, teplo generované na vodiči je nepřímo úměrné druhé mocnině napětí na spotřebiči. Zvýšením napětí snížíme tepelné ztráty ve vodičích. To však snižuje elektrickou bezpečnost přenosových vedení . ${\displaystyle Q_{w}=R_{w}\cdot Q_{c}^{2}/U_{c}^{2))$ ${\displaystyle R_{w}\cdot Q_{c}^{2))$

Výběr vodičů pro obvody

Teplo generované vodičem s proudem se v té či oné míře uvolňuje do životního prostředí. V případě, že proudová síla ve zvoleném vodiči překročí určitou maximální přípustnou hodnotu, je možné tak silné zahřátí, že vodič může vyvolat požár předmětů v jeho blízkosti nebo se roztavit. Při výběru vodičů určených pro montáž elektrických obvodů zpravidla stačí dodržovat přijaté regulační dokumenty, které upravují výběr průřezu vodičů.

Z tohoto důvodu jsou pro přenos potřebného výkonu moderními hlavními nadzemními elektrickými vedeními navrženy pro ultravysoké napětí (až 1150 kV), aby poskytovaly ultranízké proudy v elektrických vedeních.

Elektrické ohřívače

Pokud je síla proudu v celém elektrickém obvodu stejná, pak v libovolné zvolené oblasti, čím více tepla se uvolní, tím vyšší je odpor této sekce.

Záměrným zvýšením odporu části obvodu lze dosáhnout lokalizovaného vývinu tepla v této části. Na tomto principu fungují elektrická topidla . Používají topné těleso - vodič s vysokým odporem. Zvýšení odporu se dosáhne (společně nebo odděleně) výběrem slitiny s vysokým odporem (např. nichrom , konstantan ), zvětšením délky vodiče a zmenšením jeho průřezu. Vodiče mají většinou malý odpor, a proto je jejich zahřívání většinou nepostřehnutelné.

Pojistky

K ochraně elektrických obvodů před tokem nadměrně velkých proudů se používá kus vodiče se speciálními vlastnostmi. Jedná se o vodič relativně malého průřezu a vyrobený z takové slitiny, že při dovolených proudech nedojde při zahřátí vodiče k jeho přehřátí a při příliš velkém přehřátí vodiče je tak výrazné, že se vodič roztaví a otevře obvod.

Viz také

Ohmův zákon

Poznámky

↑ Joule - Lenzův zákon // Dlužník - Eukalyptus. - M . : Sovětská encyklopedie, 1972. - ( Velká sovětská encyklopedie : [ve 30 svazcích] / šéfredaktor A. M. Prochorov ; 1969-1978, sv. 8).
↑ Sivukhin D.V. Obecný kurz fyziky. - M .: Nauka , 1977. - T. III. Elektřina. - S. 186. - 688 s.
↑ Sivukhin D.V. Obecný kurz fyziky. - M .: Nauka , 1977. - T. III. Elektřina. - S. 197-198. — 688 s.