Відкрити головне меню

Закон Джо́уля — Ле́нца фізичний закон, що дає кількісну оцінку теплової дії електричного струму. Закон був експериментально встановлений у 1840 році англійським фізиком Джеймсом Прескоттом Джоулем і незалежно від нього російським вченим Еміліем Ленцом в 1842 році[1].

Фізичною природою виділення тепла при проходженні струму через провідник є те, що потенціальна енергія носіїв заряду, які подолали ділянку кола зменшується, а кінетична енергія залишається в середньому однаковою на початку й у кінці шляху. Втрачена носіями заряду енергія дисипує, тобто передається коливанням атомів провідника і переходить у тепло.

Зміст

ВизначенняРедагувати

Формулювання закону звучить наступним чином:

Кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом, пропорційна силі струму, напрузі і часу проходження струму через провідник.

Математичний запис закону:

 ,

де  сила струму,  cпад напруги на ділянці кола,   — час проходження струму.

Застосувавши закон Ома для ділянки кола, закон Джоуля-Ленца можна записати як

 ,

де  опір провідника.

Закон Джоуля-Ленца в диференційній форміРедагувати

Закон Джоуля-Ленца можна записати також для елементарного об'єму провідника  , в якому за час   виділятиметься теплота:

 

де   — опір елементарного об'єму, а   — елементарна сила струму, що протікає через елемент поверхні площею  

 ,

де   — питомий опір.

З закону Ома  . З другого боку,

 ,

де   — електропровідність, а   — напруженість електричного поля.

 
 
 

Ввівши поняття елементарної питомої потужності струму — кількості теплоти, що виділяється в одиниці об'єму за одиницю часу, можна записати:

 .

Тоді

 .

Питома теплова потужність струму дорівнює добутку провідності на квадрат напруженості.

Практичне значенняРедагувати

Зниження втрат енергіїРедагувати

При передаванні електроенергії теплова дія струму є небажаною, оскільки це призводить до втрат енергії. Оскільки потужність, що передається, лінійно залежить як від напруги, так і від сили струму, а потужність нагріву залежить від сили струму квадратично, то вигідно підвищувати напругу перед передачею електроенергії, знижуючи при цьому силу струму. Однак, підвищення напруги знижує електробезпеку ліній електропередачі.

Електронагрівальні приладиРедагувати

В основі роботи багатьох електронагрівальних приладів лежить закон Джоуля — Ленца. Такі прилади використовують нагрівальний елемент, що є провідником з високим опором. Підвищення опору досягається вибором сплаву з високим питомим опором (наприклад, ніхрому, константану), збільшенням довжини провідника і зменшенням його поперечного перерізу.

Плавкі запобіжникиРедагувати

Для захисту електричних кіл від протікання надмірно великих струмів використовується відрізок провідника зі спеціальними характеристиками. Це провідник малого перерізу і виготовлений з такого сплаву, що при допустимому струмі нагрів провідника не перегріває його, а при надмірно великих струмах перегрів провідника стає настільки значним, що провідник розплавлюється і розмикає коло.

Див. такожРедагувати

ДжерелаРедагувати

  1. Закон Джоуля — Ленца // Большая советская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1972. — Т. 8 : Дебитор — Евкалипт. — 592 с. (рос.)