Теплова дія струму: закон Джоуля-Ленца, приклади

Рухаючись в будь-якому провіднику, електричний струм передає йому якусь енергію, з-за чого провідник нагрівається. Енергетична передача здійснюється на рівні молекул: в результаті взаємодії струму електронів з іонами або молекулами провідника частина енергії залишається у останнього. Теплова дія струму призводить до більш швидкому руху частинок провідника. Тоді його внутрішня енергія зростає і трансформується в теплову.

Формула розрахунку та її елементи

Теплова дія струму може бути підтверджено різними дослідами, де робота струму переходить у внутрішню провідникову енергію. При цьому остання зростає. Потім провідник віддає її оточуючим тілам, тобто здійснюється теплопередача з нагріванням провідника.
Формула для розрахунку в цьому випадку наступна: A=U*I*t. Кількість теплоти можна позначити через Q. Тоді Q=A або Q=U*I*t. Знаючи, що U=IR, виходить Q=I*R*t, що і було сформульовано в законі Джоуля-Ленца.

Закон теплової дії струму — закон Джоуля-Ленца

Провідник, де протікає електричний струм, вивчали багато вчених. Однак, найбільш помітних результатів вдалося домогтися Джеймсу Джоулю з Англії і Емілію Христиановичу Ленцу з Росії. Обидва вчених працювали окремо і висновки за результатами експериментів робили незалежно один від іншого. Вони вивели закон, що дозволяє оцінити тепло, отримане в результаті дії струму на провідник. Його назвали законом Джоуля-Ленца. Розглянемо на практиці теплова дія струму. Приклади візьмемо наступні:

Звичайну лампочку.

Нагрівальні прилади.

Запобіжник в квартирі.

Електричну дугу.

Лампочка розжарювання

Теплова дія струму і відкриття закону сприяли розвитку електротехніки та збільшення можливостей для використання електрики. Те, як застосовуються результати досліджень, можна розглянути на прикладі звичайної лампочки розжарювання.
Вона влаштована таким чином, що всередині протягується нитка, виготовлена з вольфрамової дроту. Цей метал є тугоплавким з високим питомим опором. При проході через лампочку здійснюється теплова дія електричного струму. Енергія провідника трансформується в теплову, спіраль нагрівається і починає світитися. Недолік лампочки полягає у великих енергетичних втрат, так як лише за рахунок незначної частини енергії вона починає світитися. Основна ж частина просто нагрівається. Щоб краще це зрозуміти, вводиться коефіцієнт корисної дії, який демонструє ефективність роботи і перетворення в електроенергію. ККД і теплова дія струму використовуються в різних областях, так як є безліч пристроїв, виготовлених на основі цього принципу. Більшою мірою це нагрівальні прилади, електричні плити, кип'ятильники та інші подібні апарати.

Пристрій обігрівальних приладів

Зазвичай в конструкції всіх приладів для нагрівання є металева спіраль, в функцію якої входить нагрівання. Якщо нагрівається вода, то спіраль встановлюється ізольовано, і в таких приладах передбачається дотримання балансу між енергією з мережі і тепловим обміном.
Перед вченими постійно ставиться завдання щодо зниження енергетичних втрат і пошуку найкращих шляхів і найбільш ефективних схем їх впровадження, щоб зменшити теплове дію струму. Використовується, наприклад, спосіб підвищення напруги під час передачі енергії, завдяки чому скорочується сила струму. Але такий спосіб, в той же час, знижує безпеку функціонування ліній електропередач. Іншим дослідницьким напрямком є вибір проводів. Адже саме від їх властивостей залежать втрати тепла і інші показники. Крім того, при роботі нагрівальних приладів відбувається велике виділення енергії. Тому спіралі виготовляються з спеціально призначених для цих цілей, здатних витримати високі навантаження, матеріалів.

Квартирні запобіжники

Щоб поліпшити захист і убезпечити електричні ланцюги, використовуються особливі запобіжники. В ролі головної частини виступає дріт з легкоплавкого металу. Вона проходить в пробці з порцеляни, має гвинтову нарізку і контакт в центрі. Пробку вставляють в патрон, розташований у фарфоровій коробці. Свинцевий дріт є частиною загальної ланцюга. Якщо теплова дія електричного струму різко зросте, переріз провідника не витримає, і він почне плавитися. В результаті цього мережа розімкнеться, і не станеться струмових перевантажень.

Електрична дуга

Електрична дуга є досить ефективним перетворювачем електричної енергії. Вона використовується при зварюванні металевих конструкцій, а також служить потужним світловим джерелом. В основу пристрою входить наступне. Беруть два вугільних стержня, під'єднують дроти і прикріплюють їх в ізолюючих власників. Після цього стрижні підключають до джерела струму, який дає мале напруга, але розрахований на велику силу струму. Підключають реостат. Вугілля в міську мережу включати забороняється, так як це може стати причиною пожежі. Якщо торкнутися одним вугіллям про іншого, то можна помітити, як сильно вони розжариться. Краще не дивитися на це полум'я, тому що воно шкідливо для зору. Електричну дугу використовують в печах для плавки металу, а також в таких потужних освітлювальних приладах, як прожектори, кінопроектори та інше.