กฎ Joule-Lenz กำหนดปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาในตัวนำที่มีความต้านทานในช่วงเวลา t เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

Q = a*I*2R*t โดยที่
Q - ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมา (เป็นจูล)
เอ - สัมประสิทธิ์สัดส่วน
I - ความแรงในปัจจุบัน (เป็นแอมแปร์)
R - ความต้านทานของตัวนำ (เป็นโอห์ม)
t - เวลาเดินทาง (เป็นวินาที)

กฎหมาย Joule-Lenz อธิบายว่ากระแสไฟฟ้าเป็นประจุที่เคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของ สนามไฟฟ้า. ในกรณีนี้ สนามจะทำงาน และกระแสไฟฟ้าก็มีพลังงานและพลังงานถูกปล่อยออกมา เมื่อพลังงานนี้ผ่านตัวนำโลหะที่อยู่นิ่ง มันจะกลายเป็นพลังงานความร้อนเนื่องจากมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้ความร้อนแก่ตัวนำ

ในรูปแบบที่แตกต่างกันกฎ Joule-Lenz แสดงเป็นความหนาแน่นของพลังงานความร้อนเชิงปริมาตรของกระแสไฟฟ้าในตัวนำจะเท่ากับผลคูณของการนำไฟฟ้าและความแรงของสนามไฟฟ้ากำลังสอง

การใช้กฎหมายจูล-เลนซ์

หลอดไส้ถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี พ.ศ. 2416 โดย Lodygin วิศวกรชาวรัสเซีย ในหลอดไส้ เช่นเดียวกับในอุปกรณ์ทำความร้อนไฟฟ้า จะใช้กฎหมาย Joule-Lenz พวกเขาใช้องค์ประกอบความร้อนซึ่งเป็นตัวนำที่มีความต้านทานสูง เนื่องจากองค์ประกอบนี้จึงสามารถปล่อยความร้อนเฉพาะจุดในพื้นที่ได้ การสร้างความร้อนจะปรากฏขึ้นโดยมีความต้านทานเพิ่มขึ้น เพิ่มความยาวของตัวนำ หรือเลือกโลหะผสมเฉพาะ

การประยุกต์ใช้กฎหมาย Joule-Lenz ประการหนึ่งคือการลดการสูญเสียพลังงาน
ผลกระทบทางความร้อนของกระแสไฟฟ้าทำให้เกิดการสูญเสียพลังงาน เมื่อส่งไฟฟ้า กำลังส่งจะขึ้นอยู่กับแรงดันและกระแสเป็นเส้นตรง และพลังงานความร้อนขึ้นอยู่กับกระแสกำลังสอง ดังนั้นหากคุณเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในขณะที่ลดกระแสลงก่อนที่จะจ่ายไฟฟ้า ก็จะทำกำไรได้มากกว่า แต่การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าทำให้ความปลอดภัยทางไฟฟ้าลดลง เพื่อเพิ่มระดับความปลอดภัยทางไฟฟ้า ความต้านทานโหลดจะเพิ่มขึ้นตามแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นในเครือข่าย

นอกจากนี้กฎหมาย Joule-Lenz ยังส่งผลต่อการเลือกสายไฟสำหรับวงจรด้วย ถ้าไม่ การเลือกที่ถูกต้องสายไฟความร้อนแรงของตัวนำก็เป็นไปได้เช่นกัน สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อกระแสเกินค่าสูงสุดที่อนุญาตและปล่อยพลังงานมากเกินไป เมื่อเลือกสายไฟที่ถูกต้องควรปฏิบัติตามเอกสารข้อกำหนด

แหล่งที่มา:

• สารานุกรมทางกายภาพ

มีความสัมพันธ์เป็นสัดส่วนโดยตรงระหว่างกระแสและแรงดันไฟฟ้า อธิบายโดยกฎของโอห์ม กฎหมายฉบับนี้กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างกระแส แรงดัน และความต้านทานในพื้นที่ วงจรไฟฟ้า.

คำแนะนำ

จำกระแสและแรงดัน
- กระแสไฟฟ้าคือการไหลของอนุภาคที่มีประจุ (อิเล็กตรอน) อย่างเป็นระเบียบ สำหรับการกำหนดเชิงปริมาณ จะใช้ค่า I เรียกว่าความแรงของกระแส
- แรงดันไฟฟ้า U คือความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ปลายส่วนของวงจรไฟฟ้า ความแตกต่างนี้เองที่ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เหมือนกับของเหลวที่ไหล

ความแรงของกระแสไฟฟ้าวัดเป็นแอมแปร์ ในวงจรไฟฟ้า ความแรงของกระแสไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดยแอมมิเตอร์ หน่วยของแรงดันไฟฟ้าคือ คุณสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าในวงจรได้โดยใช้โวลต์มิเตอร์ ประกอบวงจรไฟฟ้าอย่างง่ายจากแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า ตัวต้านทาน แอมมิเตอร์ และโวลต์มิเตอร์

เมื่อวงจรปิดและมีกระแสไหลผ่าน ให้บันทึกค่าที่อ่านได้ของอุปกรณ์ เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่ปลายความต้านทาน คุณจะเห็นว่าการอ่านค่าแอมป์มิเตอร์จะเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและในทางกลับกัน ประสบการณ์นี้แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ตามสัดส่วนโดยตรงระหว่างกระแสและแรงดันไฟฟ้า

สวัสดี ไม่น่าเป็นไปได้ที่คุณจะต้องใช้กฎหมาย Joule-Lenz แต่รวมอยู่ในหลักสูตรวิศวกรรมไฟฟ้าขั้นพื้นฐานดังนั้นตอนนี้ฉันจะบอกคุณเกี่ยวกับกฎหมายนี้

กฎจูล-เลนซ์ถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่สองคนแยกจากกัน ในปี ค.ศ. 1841 เจมส์ เพรสคอตต์ จูล นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษผู้มีส่วนสำคัญในการพัฒนาอุณหพลศาสตร์ และในปี ค.ศ. 1842 เอมิเลียส คริสติโนวิช เลนซ์ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียเชื้อสายเยอรมัน ผู้มีส่วนสนับสนุนอย่างมากในด้านวิศวกรรมไฟฟ้า เนื่องจากการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองเกิดขึ้นเกือบจะพร้อมๆ กันและแยกจากกัน จึงมีการตัดสินใจที่จะเรียกกฎหมายว่าเป็นชื่อคู่หรือนามสกุลมากกว่า

โปรดจำไว้ว่าเมื่อใดและไม่เพียงเท่านั้น ฉันบอกว่ากระแสไฟฟ้าทำให้ตัวนำร้อนที่ตัวนำไหลผ่าน จูลและเลนซ์ได้กำหนดสูตรที่สามารถใช้เพื่อคำนวณปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาได้

ในตอนแรกสูตรมีลักษณะดังนี้:

หน่วยการวัดตามสูตรนี้คือแคลอรี่และค่าสัมประสิทธิ์ k รับผิดชอบซึ่งเท่ากับ 0.24 นั่นคือสูตรในการรับข้อมูลเป็นแคลอรี่มีลักษณะดังนี้:

แต่เนื่องจากในระบบการวัด SI เมื่อพิจารณาถึงปริมาณที่วัดได้จำนวนมากและเพื่อหลีกเลี่ยงความสับสน จึงมีการใช้สัญกรณ์จูล สูตรจึงเปลี่ยนไปบ้าง k เท่ากับ 1 ดังนั้นสัมประสิทธิ์จึงไม่ถูกเขียนในสูตรอีกต่อไป และเริ่มมีลักษณะดังนี้:

ที่นี่: Q คือปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้น วัดเป็นจูลส์ (สัญลักษณ์ SI - J)

I – กระแส, วัดเป็น Amperes, A;

R – ความต้านทาน วัดเป็นโอห์ม โอห์ม;

เสื้อ – เวลาที่วัดเป็นวินาที, s;

และ U คือแรงดันไฟฟ้า วัดเป็นโวลต์ V

ดูให้ดี ไม่มีส่วนใดส่วนหนึ่งของสูตรนี้คอยเตือนคุณถึงสิ่งใดเลยใช่ไหม และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง? แต่นี่คือกำลัง หรือเป็นสูตรกำลังจากกฎของโอห์ม และตามจริงแล้วฉันไม่เคยเห็นการนำเสนอกฎหมาย Joule-Lenz บนอินเทอร์เน็ตมาก่อน:

ตอนนี้เราจำตารางช่วยในการจำและรับนิพจน์สูตรของกฎหมาย Joule-Lenz อย่างน้อยสามรายการ ขึ้นอยู่กับปริมาณที่เรารู้:

ดูเหมือนว่าทุกอย่างจะง่ายมาก แต่สำหรับเราดูเหมือนว่าจะเป็นเช่นนั้นก็ต่อเมื่อเรารู้กฎนี้แล้วเท่านั้น จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ทั้งสองก็ค้นพบมันไม่ได้ในทางทฤษฎี แต่ในเชิงทดลองและจากนั้นก็สามารถยืนยันมันได้ในทางทฤษฎี

กฎหมาย Joule-Lenz นี้จะมีประโยชน์ที่ไหน?

ในวิศวกรรมไฟฟ้า มีแนวคิดเรื่องกระแสไฟฟ้าที่อนุญาตในระยะยาวที่ไหลผ่านสายไฟ นี่คือกระแสที่ลวดสามารถทนได้เป็นเวลานาน (นั่นคือ ตลอดไป) โดยไม่ทำลายสายไฟ (และฉนวน ถ้ามี เพราะลวดสามารถไม่มีฉนวนได้) แน่นอน ตอนนี้คุณสามารถรับข้อมูลจาก PUE (กฎการติดตั้งระบบไฟฟ้า) แต่คุณได้รับข้อมูลนี้ตามกฎหมาย Joule-Lenz เท่านั้น

ในงานวิศวกรรมไฟฟ้า ฟิวส์ก็ใช้เช่นกัน คุณภาพหลักของพวกเขาคือความน่าเชื่อถือ สำหรับสิ่งนี้จะใช้ตัวนำของหน้าตัดบางส่วน เมื่อทราบจุดหลอมเหลวของตัวนำดังกล่าวแล้ว คุณสามารถคำนวณปริมาณความร้อนที่จำเป็นสำหรับตัวนำที่จะละลายจากการไหลของค่ากระแสขนาดใหญ่ผ่านมันได้ และโดยการคำนวณกระแส คุณสามารถคำนวณความต้านทานที่ ตัวนำต้องมี โดยทั่วไปตามที่คุณเข้าใจแล้วโดยใช้กฎหมาย Joule-Lenz คุณสามารถคำนวณค่าตัดขวางหรือความต้านทาน (ค่าที่เป็นอิสระต่อกัน) ของตัวนำสำหรับฟิวส์

และอย่าลืมว่าเราพูดถึง ที่นั่น โดยใช้ตัวอย่างของหลอดไฟ ฉันบอกกับความขัดแย้งว่าหลอดไฟที่ทรงพลังกว่าในการเชื่อมต่อแบบอนุกรมจะส่องสว่างน้อยลง และคุณคงจำได้ว่าเพราะเหตุใด: ยิ่งความต้านทานต่ำลง แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมความต้านทานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และเนื่องจากกำลังเป็น และแรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างมาก ปรากฎว่าจะมีการปล่อยความต้านทานขนาดใหญ่ออกมา จำนวนมากความร้อนนั่นคือกระแสจะต้องทำงานหนักขึ้นเพื่อเอาชนะความต้านทานที่มากขึ้น และปริมาณความร้อนที่กระแสจะปล่อยออกมาสามารถคำนวณได้โดยใช้กฎจูล-เลนซ์ หากเราเชื่อมต่อความต้านทานแบบอนุกรมก็จะดีกว่าถ้าใช้นิพจน์ในรูปกำลังสองของกระแสนั่นคือรูปแบบดั้งเดิมของสูตร:

และสำหรับการเชื่อมต่อแบบขนานของความต้านทาน เนื่องจากกระแสไฟฟ้าในกิ่งขนานนั้นขึ้นอยู่กับความต้านทาน ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าบนกิ่งขนานแต่ละกิ่งจะเท่ากัน สูตรจึงแสดงได้ดีที่สุดในแง่ของแรงดันไฟฟ้า:

พวกคุณทุกคนใช้ตัวอย่างของกฎหมาย Joule-Lenz ใน ชีวิตประจำวัน– ก่อนอื่น เหล่านี้คืออุปกรณ์ทำความร้อนทุกชนิด ตามกฎแล้วพวกเขาใช้ลวดนิกโครมและเลือกความหนา (หน้าตัด) และความยาวของตัวนำโดยคำนึงถึงการสัมผัสความร้อนเป็นเวลานานไม่นำไปสู่การทำลายลวดอย่างรวดเร็ว ในทำนองเดียวกัน ไส้หลอดทังสเตนจะเรืองแสงในหลอดไส้ กฎหมายเดียวกันนี้กำหนดระดับความร้อนที่เป็นไปได้ของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกชนิด

โดยทั่วไปแม้จะดูเรียบง่าย แต่กฎหมาย Joule-Lenz ก็มีบทบาทสำคัญมากในชีวิตของเรา กฎข้อนี้ให้แรงผลักดันอย่างมากในการคำนวณทางทฤษฎี: การสร้างความร้อนโดยกระแส การคำนวณอุณหภูมิจำเพาะของส่วนโค้ง ตัวนำ และวัสดุนำไฟฟ้าอื่น ๆ การสูญเสียพลังงานไฟฟ้าเทียบเท่ากับความร้อน ฯลฯ

คุณอาจถามว่าจะแปลงจูลเป็นวัตต์ได้อย่างไรก็เพียงพอแล้ว คำถามที่ถูกถามบ่อยในอินเตอร์เน็ต. แม้ว่าคำถามจะค่อนข้างทำให้เข้าใจผิด แต่เมื่อคุณอ่านต่อ คุณจะเข้าใจว่าทำไม คำตอบนั้นค่อนข้างง่าย: 1 J = 0.000278 วัตต์*ชั่วโมง ในขณะที่ 1 วัตต์*ชั่วโมง = 3600 จูล ฉันขอเตือนคุณว่าการใช้พลังงานทันทีนั้นวัดเป็นวัตต์ ซึ่งก็คือใช้โดยตรงในขณะที่วงจรเปิดอยู่ และจูลเป็นตัวกำหนดการทำงานของกระแสไฟฟ้า ซึ่งก็คือกำลังไฟฟ้าในช่วงเวลาหนึ่ง จำไว้ว่าในกฎของโอห์ม ฉันให้สถานการณ์เชิงเปรียบเทียบไว้ กระแสคือเงิน แรงดันไฟฟ้าคือที่เก็บ ความต้านทานคือความรู้สึกของสัดส่วนและเงิน กำลังคือปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่คุณสามารถพกพา (นำออกไป) ในคราวเดียว แต่คุณจะรับได้ไกลแค่ไหน เร็วแค่ไหน และกี่ครั้ง ออกไปคืองาน นั่นคือมันเป็นไปไม่ได้ที่จะเปรียบเทียบงานและพลังงาน แต่สามารถแสดงเป็นหน่วยที่เราเข้าใจได้มากกว่า: วัตต์และชั่วโมง

ฉันคิดว่าตอนนี้การใช้กฎ Joule-Lenz ในทางปฏิบัติและทางทฤษฎีคงไม่ใช่เรื่องยากหากจำเป็นและแม้แต่แปลง Joules เป็น Watts และในทางกลับกัน และด้วยความเข้าใจว่ากฎของจูล-เลนซ์เป็นผลผลิตของกำลังไฟฟ้าและเวลา คุณจึงจำมันได้ง่ายขึ้น และถึงแม้คุณจะลืมสูตรพื้นฐานกะทันหัน แต่จำแค่กฎของโอห์มได้ คุณก็จะได้จูล-เลนซ์อีกครั้ง กฎ. และด้วยเหตุนี้ฉันจึงบอกลาคุณ

ไฟฟ้าเป็นคุณลักษณะสำคัญของยุคของเรา ทุกสิ่งรอบตัวผูกติดอยู่กับมันอย่างแน่นอน ใดๆ คนทันสมัยแม้ว่าจะไม่มีการศึกษาด้านเทคนิค แต่ก็รู้ว่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายไฟสามารถให้ความร้อนแก่สายไฟได้ในบางกรณี ซึ่งมักจะสูงถึงสูงมาก อุณหภูมิสูง. ดูเหมือนว่าทุกคนจะรู้เรื่องนี้และไม่ควรค่าแก่การกล่าวถึง แต่จะอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้อย่างไร? ทำไมตัวนำถึงร้อนขึ้นและอย่างไร?

ก้าวไปข้างหน้าอย่างรวดเร็วสู่ศตวรรษที่ 19 ยุคแห่งการสะสมความรู้และการเตรียมพร้อมสำหรับการก้าวกระโดดทางเทคโนโลยีแห่งศตวรรษที่ 20 ยุคที่นักวิทยาศาสตร์และนักประดิษฐ์ที่เรียนรู้ด้วยตนเองต่างๆ ทั่วโลกค้นพบสิ่งใหม่ๆ เกือบทุกวันและมักจะใช้จ่าย เป็นจำนวนมากเวลาสำหรับการวิจัยและในขณะเดียวกันก็ไม่นำเสนอผลลัพธ์สุดท้าย

หนึ่งในคนเหล่านี้คือนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Emilius Christianovich Lenz รู้สึกทึ่งกับไฟฟ้าในระดับดั้งเดิมในขณะนั้น โดยพยายามคำนวณวงจรไฟฟ้า ในปี 1832 เอมิเลียส เลนซ์ "ติดอยู่" กับการคำนวณ เนื่องจากพารามิเตอร์ของวงจรจำลองของเขา "แหล่งพลังงาน - ตัวนำ - ผู้ใช้พลังงาน" แตกต่างกันอย่างมากในแต่ละการทดลอง ในฤดูหนาวปี พ.ศ. 2375-2376 นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าสาเหตุของความไม่แน่นอนคือลวดทองคำขาวที่เขานำมาจากความเย็น เมื่อทำความร้อนหรือทำความเย็นตัวนำ Lenz ยังสังเกตเห็นว่ามีความสัมพันธ์บางอย่างระหว่างความแรงของกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และอุณหภูมิของตัวนำ

ที่พารามิเตอร์บางอย่างของวงจรไฟฟ้าตัวนำจะละลายอย่างรวดเร็วและยังอุ่นขึ้นเล็กน้อย สมัยนั้นไม่มีเครื่องมือวัดเลย - ไม่สามารถวัดกระแสหรือความต้านทานได้อย่างแม่นยำ แต่นี่คือนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย และเขาแสดงความเฉลียวฉลาด หากนี่คือการเสพติด แล้วเหตุใดจึงไม่สามารถรักษาให้หายได้?

เพื่อที่จะวัดปริมาณความร้อนที่เกิดจากตัวนำ นักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบ "เครื่องทำความร้อน" ที่เรียบง่าย - ภาชนะแก้วที่มีสารละลายที่มีส่วนผสมของแอลกอฮอล์และตัวนำเกลียวแพลตตินัมจุ่มอยู่ในนั้น Lenz วัดเวลาที่ต้องใช้เพื่อให้สารละลายให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดด้วยการใช้กระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกันไปบนสายไฟ แหล่งที่มาในสมัยนั้นอ่อนเกินกว่าจะให้ความร้อนแก่สารละลายจนถึงอุณหภูมิที่รุนแรง ดังนั้นจึงไม่สามารถระบุปริมาณของสารละลายที่ระเหยออกไปด้วยสายตาได้ ด้วยเหตุนี้กระบวนการวิจัยจึงถูกดึงออกมาอย่างมาก - มีตัวเลือกมากมายสำหรับการเลือกพารามิเตอร์ของแหล่งพลังงาน ตัวนำ การวัดแบบยาว และการวิเคราะห์ที่ตามมา

สูตรจูล-เลนซ์

ผลก็คือ หนึ่งทศวรรษต่อมา ในปี พ.ศ. 2386 เอมิเลียส เลนซ์ ได้นำผลการทดลองของเขามาวางในรูปแบบของกฎหมายเพื่อให้ชุมชนวิทยาศาสตร์สามารถรับชมได้โดยสาธารณะ อย่างไรก็ตาม ปรากฎว่าเขาอยู่ข้างหน้าเขา! เมื่อสองสามปีก่อน James Prescott Joule นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ทำการทดลองที่คล้ายกันและนำเสนอผลลัพธ์ของเขาต่อสาธารณชนด้วย แต่เมื่อตรวจสอบผลงานทั้งหมดของ James Joule อย่างรอบคอบแล้ว นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียพบว่าการทดลองของเขาเองมีความแม่นยำมากกว่ามาก จึงมีการสะสมงานวิจัยจำนวนมากขึ้น ดังนั้น วิทยาศาสตร์ของรัสเซียจึงมีบางสิ่งบางอย่างที่จะเสริมการค้นพบของอังกฤษ

ชุมชนวิทยาศาสตร์พิจารณาทั้งผลการวิจัยและรวมเข้าเป็นหนึ่งเดียว จึงเปลี่ยนชื่อกฎของจูลเป็นกฎของจูล-เลนซ์ กฎหมายระบุไว้ว่า ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาโดยตัวนำเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะเท่ากับผลคูณของความแรงของกระแสไฟฟ้ากำลังสองนี้ ความต้านทานของตัวนำ และเวลาที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ หรือสูตร:

Q=ฉัน 2 รต

ที่ไหน

Q - ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้น (จูล)

I - กระแสที่ไหลผ่านตัวนำ (แอมป์)

R - ความต้านทานของตัวนำ (โอห์ม)

เสื้อ - เวลาที่กระแสไหลผ่านตัวนำ (วินาที)

ทำไมตัวนำถึงร้อน?

ความร้อนของตัวนำอธิบายได้อย่างไร? ทำไมมันถึงร้อนขึ้นและไม่คงความเป็นกลางหรือเย็นลง? ความร้อนเกิดขึ้นเนื่องจากการที่อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ในตัวนำภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าจะโจมตีอะตอมของโมเลกุลโลหะดังนั้นจึงถ่ายโอนพลังงานของพวกมันเองซึ่งกลายเป็นความร้อน พูดง่ายๆ ก็คือ เมื่อเอาชนะวัสดุของตัวนำ กระแสไฟฟ้าดูเหมือนจะ "ถู" โดยชนกับอิเล็กตรอนกับโมเลกุลของตัวนำ ดังที่คุณทราบแล้วว่าแรงเสียดทานใด ๆ จะมาพร้อมกับความร้อน ดังนั้นตัวนำจะร้อนขึ้นในขณะที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

นอกจากนี้ยังตามมาจากสูตรที่ว่ายิ่งความต้านทานของตัวนำสูงขึ้นและกระแสที่ไหลผ่านก็จะยิ่งสูงขึ้นความร้อนก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น หากคุณเชื่อมต่อตัวนำทองแดง (ความต้านทาน 0.018 โอห์ม mm²/m) และตัวนำอะลูมิเนียม (0.027 โอห์ม mm²/m) แบบอนุกรม เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจร อลูมิเนียมจะร้อนมากกว่าทองแดงเนื่องจาก ความต้านทานที่สูงขึ้น ดังนั้นในชีวิตประจำวันจึงไม่แนะนำให้บิดสายทองแดงและอลูมิเนียมเข้าด้วยกัน - ที่จุดบิดจะมีความร้อนไม่สม่ำเสมอ ผลที่ตามมาคือการเผาไหม้และขาดการติดต่อตามมา

การใช้กฎจูล-เลนซ์ในชีวิต

การค้นพบกฎจูล-เลนซ์มีผลกระทบอย่างใหญ่หลวงต่อ การประยุกต์ใช้จริงกระแสไฟฟ้า. ในศตวรรษที่ 19 มีความเป็นไปได้ที่จะสร้างความแม่นยำมากขึ้น เครื่องมือวัดขึ้นอยู่กับการหดตัวของเกลียวลวดเมื่อได้รับความร้อนจากกระแสไหลที่มีขนาดที่แน่นอน - โวลต์มิเตอร์และแอมมิเตอร์ตัวชี้ตัวแรก ต้นแบบแรกปรากฏขึ้น เครื่องทำความร้อนไฟฟ้า, เครื่องปิ้งขนมปัง, เตาหลอม - ใช้ตัวนำที่มีความต้านทานสูงซึ่งทำให้ได้อุณหภูมิที่ค่อนข้างสูง

มีการประดิษฐ์ฟิวส์และเบรกเกอร์วงจร bimetallic (อะนาล็อกของรีเลย์ป้องกันความร้อนสมัยใหม่) โดยอาศัยความแตกต่างในการให้ความร้อนของตัวนำที่มีความต้านทานต่างกัน และแน่นอนว่า เมื่อค้นพบว่าที่ความแรงของกระแสที่แน่นอน ตัวนำที่มีความต้านทานสูงสามารถทำให้ร้อนแดงได้ ผลกระทบนี้จึงถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสง หลอดไฟดวงแรกปรากฏขึ้น

วางตัวนำ (แท่งคาร์บอน ด้ายไม้ไผ่ ลวดแพลตตินัม ฯลฯ) ไว้ในขวดแก้ว อากาศถูกสูบออกเพื่อชะลอกระบวนการออกซิเดชัน และได้รับแหล่งกำเนิดแสงที่ไม่มีการหน่วง สะอาด และเสถียร - หลอดไฟไฟฟ้า

บทสรุป

ดังนั้นเราสามารถพูดได้ว่าวิศวกรรมไฟฟ้าและไฟฟ้าเกือบทั้งหมดเป็นไปตามกฎหมาย Joule-Lenz เมื่อค้นพบกฎนี้แล้วจึงเป็นไปได้ที่จะทำนายปัญหาในอนาคตในการพัฒนาไฟฟ้าได้ล่วงหน้า ตัวอย่างเช่นเนื่องจากความร้อนของตัวนำการส่งกระแสไฟฟ้าในระยะไกลจะมาพร้อมกับการสูญเสียความร้อนของกระแสนี้ ดังนั้นเพื่อชดเชยการสูญเสียเหล่านี้จึงจำเป็นต้องลดกระแสที่ส่งลงเพื่อชดเชยสิ่งนี้ด้วยไฟฟ้าแรงสูง และที่ผู้บริโภคปลายทาง ให้ลดแรงดันไฟฟ้าและรับกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น

กฎหมาย Joule-Lenz ติดตามจากยุคของการพัฒนาเทคโนโลยีไปสู่อีกยุคหนึ่งอย่างไม่หยุดยั้ง แม้กระทั่งทุกวันนี้เราก็ยังสังเกตมันอยู่ทุกวันในชีวิตประจำวัน - กฎหมายปรากฏอยู่ทุกหนทุกแห่งและผู้คนก็ไม่ได้พอใจกับมันเสมอไป โปรเซสเซอร์ที่ร้อนจัดของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล, การสูญเสียแสงเนื่องจากการบิดของทองแดง - อลูมิเนียมที่ถูกเผา, ฟิวส์ที่หลุดออก, สายไฟถูกไฟไหม้เนื่องจากมีภาระสูง - ทั้งหมดนี้เป็นไปตามกฎหมาย Joule-Lenz เดียวกัน

ในปีพ.ศ. 2384 และ พ.ศ. 2385 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษและรัสเซียต่างเป็นอิสระจากกัน ได้สร้างการพึ่งพาปริมาณความร้อนกับการไหลของกระแสในตัวนำ ความสัมพันธ์นี้เรียกว่า "กฎจูล-เลนซ์" ชาวอังกฤษก่อตั้งการพึ่งพาอาศัยกันหนึ่งปีเร็วกว่ารัสเซีย แต่กฎหมายได้รับชื่อมาจากชื่อของนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองเพราะการวิจัยของพวกเขาเป็นอิสระ กฎหมายไม่ได้มีลักษณะเป็นทฤษฎี แต่มีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างยิ่ง ลองมาดูคำจำกัดความของกฎจูล-เลนซ์โดยย่อและชัดเจนและนำไปใช้ที่ไหน

สูตร

ในตัวนำจริง เมื่อกระแสไหลผ่าน ตัวตัวนำจะทำงานต้านแรงเสียดทาน อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านเส้นลวดและชนกับอิเล็กตรอน อะตอม และอนุภาคอื่นๆ ส่งผลให้ความร้อนถูกปล่อยออกมา กฎหมาย Joule-Lenz อธิบายปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสไหลผ่านตัวนำ เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแรงของกระแส ความต้านทาน และเวลาการไหล

ในรูปแบบที่สมบูรณ์ กฎหมาย Joule-Lenz มีลักษณะดังนี้:

ความแรงของกระแสไฟฟ้าแสดงด้วยตัวอักษร I และแสดงเป็นแอมแปร์ ความต้านทานคือ R ในโอห์ม และเวลา t มีหน่วยเป็นวินาที หน่วยวัดความร้อน Q คือจูล หากต้องการแปลงเป็นแคลอรี่คุณต้องคูณผลลัพธ์ด้วย 0.24 ในกรณีนี้ 1 แคลอรี่เท่ากับปริมาณความร้อนที่ต้องจ่ายให้กับน้ำสะอาดเพื่อเพิ่มอุณหภูมิขึ้น 1 องศา

รายการสูตรนี้ใช้ได้กับส่วนของวงจรที่มีการต่อตัวนำแบบอนุกรม โดยมีกระแสไหลในตัวนำเท่ากัน แต่แรงดันไฟฟ้าต่างกันตกที่ปลาย ผลคูณของกระแสกำลังสองและความต้านทานเท่ากับกำลัง ในเวลาเดียวกัน กำลังไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของแรงดันไฟฟ้า และเป็นสัดส่วนผกผันกับความต้านทาน จากนั้นสำหรับวงจรไฟฟ้าที่มีการเชื่อมต่อแบบขนาน กฎจูล-เลนซ์สามารถเขียนได้ดังนี้:

ในรูปแบบดิฟเฟอเรนเชียลมีลักษณะดังนี้:

โดยที่ j คือความหนาแน่นกระแส A/cm 2 E คือความแรงของสนามไฟฟ้า sigma คือความต้านทานของตัวนำ

เป็นที่น่าสังเกตว่าสำหรับส่วนที่เป็นเนื้อเดียวกันของวงจรความต้านทานขององค์ประกอบจะเท่ากัน หากวงจรมีตัวนำที่มีความต้านทานต่างกัน สถานการณ์เกิดขึ้นเมื่อปริมาณความร้อนสูงสุดถูกปล่อยออกมาบนตัวนำที่มีความต้านทานสูงสุด ซึ่งสามารถสรุปได้โดยการวิเคราะห์สูตรของกฎจูล-เลนซ์

คำถามที่พบบ่อย

จะหาเวลาได้อย่างไร? ในที่นี้เราหมายถึงระยะเวลาที่กระแสไหลผ่านตัวนำ นั่นคือเมื่อวงจรปิด

จะค้นหาความต้านทานของตัวนำได้อย่างไร? เพื่อกำหนดความต้านทานจะใช้สูตรซึ่งมักเรียกว่า "ราง" นั่นคือ:

ในที่นี้ตัวอักษร "Ro" หมายถึงความต้านทาน โดยมีหน่วยวัดเป็น Ohm*m/cm2 โดย l และ S คือความยาวและพื้นที่หน้าตัด เมื่อคำนวณตารางเมตรและเซนติเมตรจะลดลงและเหลือโอห์มอยู่

ความต้านทานจำเพาะเป็นค่าตารางและแตกต่างกันสำหรับโลหะแต่ละชนิด ทองแดงมีขนาดน้อยกว่าโลหะผสมที่มีความต้านทานสูง เช่น ทังสเตนหรือนิกโครม เราจะดูว่าสิ่งนี้ใช้สำหรับอะไรด้านล่าง

เรามาฝึกกันต่อ

กฎจูล-เลนซ์มี ความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการคำนวณทางไฟฟ้า ก่อนอื่นคุณสามารถใช้มันเมื่อคำนวณอุปกรณ์ทำความร้อน ตัวนำมักถูกใช้เป็นองค์ประกอบความร้อน แต่ไม่ใช่ตัวนำธรรมดา (เช่นทองแดง) แต่มีความต้านทานสูง ส่วนใหญ่มักจะเป็น nichrome หรือ kantal, fechral

พวกเขามีความต้านทานสูง คุณสามารถใช้ทองแดงได้ แต่คุณจะต้องเสียสายเคเบิลจำนวนมาก (การเสียดสีทองแดงไม่ได้ใช้เพื่อจุดประสงค์นี้) ในการคำนวณพลังงานความร้อนสำหรับอุปกรณ์ทำความร้อน คุณต้องพิจารณาว่าร่างกายใดที่คุณต้องการให้ความร้อนและในปริมาณเท่าใด โดยคำนึงถึงปริมาณความร้อนที่ต้องการและระยะเวลาในการถ่ายโอนไปยังร่างกาย หลังจากการคำนวณและการแปลง คุณจะได้ความต้านทานและกระแสในวงจรนี้ จากข้อมูลที่ได้รับเกี่ยวกับความต้านทาน คุณจะเลือกวัสดุตัวนำ หน้าตัด และความยาว

กฎจูล-เลนซ์สำหรับการส่งกระแสไฟฟ้าในระยะไกล

เมื่อเกิดปัญหาสำคัญ - การสูญเสียสายส่ง (สายไฟ) กฎหมาย Joule-Lenz อธิบายปริมาณความร้อนที่เกิดจากตัวนำเมื่อกระแสไฟฟ้าไหล สายไฟจ่ายไฟให้กับทั้งองค์กรและเมืองต่างๆ และสิ่งนี้ต้องใช้พลังงานสูงและผลที่ตามมาก็คือกระแสไฟสูง เนื่องจากปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับความต้านทานของตัวนำและกระแสไฟฟ้า ดังนั้นสายเคเบิลจึงไม่ร้อนขึ้น คุณจึงต้องลดปริมาณความร้อนลง ไม่สามารถเพิ่มหน้าตัดของสายไฟได้เสมอไป เนื่องจาก... นี่เป็นค่าใช้จ่ายในแง่ของต้นทุนของทองแดงและน้ำหนักของสายเคเบิลซึ่งทำให้ต้นทุนของโครงสร้างรองรับเพิ่มขึ้น สายไฟฟ้าแรงสูงมีดังต่อไปนี้ โครงสร้างเหล่านี้เป็นโครงสร้างโลหะขนาดใหญ่ที่สร้างขึ้นเพื่อยกสายเคเบิลให้มีความสูงที่ปลอดภัยเหนือพื้นดิน เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหาย ไฟฟ้าช็อต.

ดังนั้นคุณต้องลดกระแสลงจึงจะสามารถทำได้โดยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้า ระหว่างเมือง สายไฟมักจะมีแรงดันไฟฟ้า 220 หรือ 110 kV และสำหรับผู้บริโภคนั้นจะลดลงตามค่าที่ต้องการโดยใช้สถานีไฟฟ้าย่อยหม้อแปลงไฟฟ้า (TSP) หรือ PTS ทั้งชุด ค่อยๆ ลดระดับลงเป็นค่าที่ปลอดภัยกว่าสำหรับ การส่งสัญญาณเช่น 6 kV

ดังนั้นด้วยการใช้พลังงานเท่ากันที่แรงดันไฟฟ้า 380/220 V กระแสไฟฟ้าจะลดลงหลายร้อยเท่า และตามกฎหมายของ Joule-Lenz ปริมาณความร้อนในกรณีนี้จะถูกกำหนดโดยกำลังที่สูญเสียไปบนสายเคเบิล

ฟิวส์และฟิวส์

กฎหมาย Joule-Lenz ถูกนำมาใช้เมื่อคำนวณฟิวส์ เหล่านี้เป็นองค์ประกอบที่ป้องกันอุปกรณ์ไฟฟ้าหรืออิเล็กทรอนิกส์จากกระแสไฟเกินที่อาจเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากแรงดันไฟกระชาก

ในศตวรรษที่ 19 ชาวอังกฤษ เจ. จูล และชาวรัสเซีย อี. เอช. เลนซ์ ศึกษาการให้ความร้อนของตัวนำด้วยกระแสไฟฟ้า และสร้างรูปแบบการทดลองโดยเป็นอิสระจากกัน: ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาในตัวนำที่พากระแสไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของกระแสไฟฟ้า ความต้านทานของตัวนำ และเวลาที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
ต่อมาพบว่าข้อความนี้เป็นจริงสำหรับตัวนำใด ๆ ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ ดังนั้นจึงเรียกว่ารูปแบบเปิด กฎหมายจูล-เลนซ์:

รูปนี้แสดงไดอะแกรมการติดตั้งที่คุณสามารถทำได้ ทดลองตรวจสอบกฎจูล-เลนซ์โดยการหารกระแสด้วยแรงดัน ความต้านทานจะคำนวณโดยใช้สูตร R=U/I เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิน้ำที่เพิ่มขึ้น ตามสูตร Q=I2Rtและ ถาม=ซมดีที°คำนวณปริมาณความร้อนที่ควรตรงกันตามผลการทดลอง
สำหรับผู้ที่สนใจฟิสิกส์อย่างลึกซึ้ง เราทราบเป็นพิเศษว่ากฎจูล-เลนซ์สามารถหาได้ไม่เพียงแต่จากการทดลองเท่านั้น แต่ยังได้มาจากทางทฤษฎีด้วย มาทำกัน.


สูตรผลลัพธ์ที่ได้ A=I2Rtคล้ายกับสูตรของกฎจูล-เลนซ์ แต่ทางด้านซ้ายเป็นงานของกระแส ไม่ใช่ปริมาณความร้อน อะไรทำให้เรามีสิทธิ์พิจารณาปริมาณเหล่านี้เท่ากัน? มาเขียนมันลงไปกันดีกว่า กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์(ดู§ 6-h) และแสดงผลงานจากมัน:
ดีU = Q + A ดังนั้น A =ดียู-คิว
จำไว้ว่า ดียู- นี่คือการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของตัวนำที่ได้รับความร้อนจากกระแส ถาม- ปริมาณความร้อนที่ตัวนำปล่อยออกมา (ระบุด้วยเครื่องหมาย "-" ด้านหน้า) ก- งานที่ทำกับตัวนำ เรามาดูกันว่านี่คืองานประเภทไหน
ตัวนำนั้นไม่เคลื่อนที่ แต่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าไปข้างในโดยชนกับไอออนของโครงตาข่ายคริสตัลอย่างต่อเนื่องและถ่ายโอนพลังงานจลน์ส่วนหนึ่งของพวกมันไปยังพวกมัน เพื่อป้องกันไม่ให้การไหลของอิเล็กตรอนอ่อนลงงานจะดำเนินการอย่างต่อเนื่องโดยแรงของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยแหล่งกำเนิดไฟฟ้า ดังนั้น A จึงเป็นงานที่ทำโดยแรงสนามไฟฟ้าเพื่อเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนภายในตัวนำ
ให้เราหารือเกี่ยวกับปริมาณ ดียู(การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน) นำไปใช้กับตัวนำซึ่งกระแสไฟฟ้าเริ่มไหล
ตัวนำจะค่อยๆร้อนขึ้นซึ่งหมายความว่า กำลังภายในจะเพิ่มขึ้น.เมื่อร้อนขึ้น ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของตัวนำและ สิ่งแวดล้อม. ตามกฎของนิวตัน (ดูมาตรา 6-k) พลังการถ่ายเทความร้อนของตัวนำจะเพิ่มขึ้น หลังจากนั้นครู่หนึ่ง จะทำให้อุณหภูมิของตัวนำหยุดเพิ่มขึ้น จากนี้ไป พลังงานภายในของตัวนำจะหยุดเปลี่ยนแปลงนั่นคือค่า ดียูจะกลายเป็นศูนย์
จากนั้นกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์สำหรับสถานะนี้จะเป็น: ก = -คิวนั่นคือ หากพลังงานภายในของตัวนำไม่เปลี่ยนแปลงงานที่ทำโดยกระแสไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นความร้อนโดยสมบูรณ์เมื่อใช้ข้อสรุปนี้เราเขียนสูตรทั้งสามสูตรเพื่อคำนวณการทำงานของกระแสในรูปแบบอื่น:

ในตอนนี้เราจะถือว่าสูตรเหล่านี้เท่ากัน ต่อมาเราจะหารือกันว่าสูตรที่ถูกต้องนั้นใช้ได้เสมอ (นั่นคือสาเหตุที่เรียกว่ากฎ) และสูตรที่เหลือทั้งสองนั้นเป็นจริงภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้น ซึ่งเราจะกำหนดเมื่อเรียนฟิสิกส์ในโรงเรียนมัธยมปลาย