Der berühmte russische Physiker Lenz und der englische Physiker Joule, die Experimente zur Untersuchung der thermischen Wirkungen des elektrischen Stroms durchführten, leiteten unabhängig voneinander das Joule-Lenz-Gesetz ab. Dieses Gesetz spiegelt die Beziehung zwischen der im Leiter freigesetzten Wärmemenge und dem elektrischen Strom wider, der für einen bestimmten Zeitraum durch diesen Leiter fließt.
Eigenschaften des elektrischen Stroms
Wenn ein elektrischer Strom durch einen Metallleiter fließt, kollidieren seine Elektronen ständig mit verschiedenen Fremdpartikeln. Dies können gewöhnliche neutrale Moleküle oder Moleküle sein, die Elektronen verloren haben. Ein sich bewegendes Elektron kann ein weiteres Elektron von einem neutralen Molekül abspalten. Dadurch geht seine kinetische Energie verloren und statt eines Moleküls entsteht ein positives Ion. In anderen Fällen verbindet sich das Elektron dagegen mit einem positiven Ion und bildet ein neutrales Molekül.
Bei Kollisionen von Elektronen und Molekülen wird Energie verbraucht, die sich später in Wärme umwandelt. Mit allen Bewegungen, bei denen Widerstände zu überwinden sind, ist ein gewisser Kraftaufwand verbunden. Dabei wird die zur Überwindung des Reibungswiderstandes aufgewendete Arbeit in thermische Energie umgewandelt.
Formel und Definition des Joule-Lenz-Gesetzes
Gemäß dem Lenz-Joule-Gesetz wird ein elektrischer Strom, der durch einen Leiter fließt, von einer Wärmemenge begleitet, die direkt proportional zum Quadrat des Stroms und des Widerstands sowie der Zeit ist, die dieser Strom benötigt, um durch den Leiter zu fließen .
In Form einer Formel wird das Joule-Lenz-Gesetz wie folgt ausgedrückt: Q \u003d I 2 Rt, wobei Q die freigesetzte Wärmemenge angibt, I - , R ist der Widerstand des Leiters, t ist die Zeitspanne. Der Wert von "k" ist das thermische Äquivalent der Arbeit und wird in Fällen verwendet, in denen die Wärmemenge in Kalorien, Stromstärke - , Widerstand - in Ohm und Zeit - in Sekunden gemessen wird. Der Zahlenwert von k ist 0,24, was einem Strom von 1 Ampere entspricht, der bei einem Leiterwiderstand von 1 Ohm für 1 Sekunde eine Wärmemenge von 0,24 kcal freisetzt. Um die Menge der freigesetzten Wärme in Kalorien zu berechnen, wird daher die Formel Q = 0,24 I 2 Rt verwendet.
Bei Verwendung des SI-Einheitensystems wird die Wärmemenge in Joule gemessen, sodass der Wert von "k" in Bezug auf das Joule-Lenz-Gesetz gleich 1 ist und die Formel wie folgt aussieht: Q \u003d Ich 2 Rt. Gemäß I = U/R. Wenn dieser aktuelle Wert in die Hauptformel eingesetzt wird, hat er die folgende Form: Q \u003d (U 2 / R) t.
Grundformel Q = I 2 Rt ist sehr praktisch, um die Wärmemenge zu berechnen, die bei einer Reihenschaltung freigesetzt wird. Die Stromstärke in allen Leitern ist gleich. Wenn mehrere Leiter gleichzeitig in Reihe geschaltet werden, gibt jeder von ihnen so viel Wärme ab, die proportional zum Widerstand des Leiters ist. Wenn drei identische Drähte aus Kupfer, Eisen und Nickel in Reihe geschaltet werden, wird die maximale Wärmemenge zuletzt abgegeben. Dies liegt an dem höchsten spezifischen Widerstand von Nickelin und der stärkeren Erwärmung dieses Drahtes.
Wenn dieselben Leiter parallel geschaltet werden, ist der Wert des elektrischen Stroms in jedem von ihnen unterschiedlich und die Spannung an den Enden ist gleich. In diesem Fall eignet sich die Formel Q \u003d (U 2 / R) t besser für Berechnungen. Die von einem Leiter abgegebene Wärmemenge ist umgekehrt proportional zu seiner Leitfähigkeit. Daher wird das Joule-Lenz-Gesetz häufig zur Berechnung von elektrischen Beleuchtungsanlagen, verschiedenen Heiz- und Heizgeräten sowie anderen Geräten verwendet, die mit der Umwandlung elektrischer Energie in Wärme verbunden sind.
