Закон Джоуля - Ленца

Емілій Християнович Ленц (1804 - 1865) - російський знаменитий фізик. Він є одним з основоположників електромеханіки. З його ім`ям пов`язано відкриття закону, що визначає напрямок індукційного струму, і закону, що визначає електричне поле в провіднику зі струмом.

Крім того, Емілій Ленц і англійський учений-фізик Джоуль, вивчаючи на досвіді теплові дії струму, незалежно один від іншого відкрили закон, згідно з яким кількість теплоти, що виділяється в провіднику, буде прямо пропорційно квадрату електричного струму, який проходить по провіднику, його опору і часу, протягом якого електричний струм підтримується незмінним в провіднику.

Даний закон отримав назву закон Джоуля - Ленца, формула його висловлює таким чином:

Q = klsup2-Rt, (1)

де Q - кількість виділилася теплоти, l - струм, R - опір провідника, t - час-величина k називається тепловим еквівалентом роботи. Чисельне значення цієї величини залежить від вибору одиниць, в яких проводяться вимірювання інших величин, що входять у формулу.

Якщо кількість теплоти вимірювати в калоріях, струм в амперах, опір в Омах, а час в секундах, то k чисельно одно 0,24. Це означає, що струм в 1а виділяє в провіднику, який володіє опором в 1 Ом, за одну секунду число теплоти, яке дорівнює 0,24 ккал. Виходячи з цього, кількість теплоти в калоріях, що виділяється в провіднику, може бути розраховане за формулою:

Q = 0,24lsup2-Rt.

В системі одиниць СІ енергія, кількість теплоти і робота вимірюються одиницями - джоулями. Тому коефіцієнт пропорційності в законі Джоуля - Ленца дорівнює одиниці. У цій системі формула Джоуля - Ленца має вигляд:

Q = lsup2-Rt. (2)

Закон Джоуля - Ленца можна перевірити на досвіді. За дротяною спіральці, зануреною в рідину, налиту в калориметр, пропускається деякий час струм. Потім підраховується кількість теплоти, що виділилася в калориметр. Опір спіральки відомо заздалегідь, ток вимірюється амперметром і час секундоміром. Змінюючи струм в ланцюзі і використовуючи різні спіральки, можна перевірити закон Джоуля - Ленца.

На підставі закону Ома

I = U / R,

Підставляючи значення струму в формулу (2), отримаємо новий вираз формули для закону Джоуля - Ленца:

Q = (Usup2- / R) t.

Формулою Q = lsup2-Rt зручно користуватися при розрахунку кількості теплоти, що виділяється при послідовному з`єднанні, тому що в цьому випадку електричний струм у всіх провідниках однаковий. Тому, коли відбувається послідовне з`єднання декількох провідників, в кожному з них буде виділено таку кількість теплоти, яке пропорційно опору провідника. Якщо з`єднати, наприклад, послідовно три зволікання однакових розмірів - мідну, залізну і нікелінову, то найбільшу кількість теплоти буде виділятися з нікелінового, так як питомий опір її найбільше, вона сильніше і нагрівається.

Якщо провідники з`єднати паралельно, то електричний струм в них буде різний, а напруга на кінцях таких провідників одне і те ж. Розрахунок кількості теплоти, яке буде виділятися при такому з`єднанні, краще вести, використовуючи формулу Q = (Usup2- / R) t.

Ця формула показує, що при паралельному з`єднанні кожен провідник виділить таку кількість теплоти, яке буде обернено пропорційно його провідності.

Якщо з`єднати три однакової товщини дроту - мідну, залізну і нікелінову - паралельно між собою і пропустити через них струм, то найбільшу кількість теплоти виділиться в мідному дроті, вона і нагріється сильніше інших.

Беручи за основу закон Джоуля - Ленца, виробляють розрахунок різних електроосвітлювальних установок, опалювальних і нагрівальних електроприладів. Також широко використовується перетворення енергії електрики в теплову.