Kuuluisa venäläinen fyysikko Lenz ja englantilainen fyysikko Joule, jotka suorittivat kokeita sähkövirran lämpövaikutusten tutkimiseksi, johtivat itsenäisesti Joule-Lenzin lain. Tämä laki heijastaa johtimessa vapautuvan lämmön määrän ja tämän johtimen läpi tietyn ajan kulkevan sähkövirran välistä suhdetta.
Sähkövirran ominaisuudet
Kun sähkövirta kulkee metallijohtimen läpi, sen elektronit törmäävät jatkuvasti erilaisten vieraiden hiukkasten kanssa. Nämä voivat olla tavallisia neutraaleja molekyylejä tai molekyylejä, jotka ovat menettäneet elektroneja. Liikkeessä oleva elektroni voi irrottaa yhden elektronin lisää neutraalista molekyylistä. Tämän seurauksena sen kineettinen energia menetetään ja molekyylin sijasta muodostuu positiivinen ioni. Muissa tapauksissa elektroni päinvastoin yhdistyy positiivisen ionin kanssa ja muodostaa neutraalin molekyylin.
Elektronien ja molekyylien törmäysprosessissa kuluu energiaa, joka myöhemmin muuttuu lämmöksi. Tietyn energiamäärän kuluttaminen liittyy kaikkiin liikkeisiin, joiden aikana on voitettava vastus. Tällä hetkellä kitkavastuksen voittamiseen käytetty työ muunnetaan lämpöenergiaksi.
Joule Lenzin lain kaava ja määritelmä
Lenz Joulen lain mukaan johtimen läpi kulkevaan sähkövirtaan liittyy lämpömäärä, joka on suoraan verrannollinen virran ja resistanssin neliöön sekä aikaan, joka kuluu tämän virran kulkemiseen johtimen läpi. .
Kaavan muodossa Joule-Lenzin laki ilmaistaan seuraavasti: Q \u003d I 2 Rt, jossa Q näyttää vapautuneen lämmön määrän, I - , R on johtimen vastus, t on aikajakso. Arvo "k" on työn lämpöekvivalentti ja sitä käytetään tapauksissa, joissa lämmön määrä mitataan kaloreina, virran voimakkuus - , vastus - ohmeina ja aika - sekunteina. K:n numeerinen arvo on 0,24, mikä vastaa 1 ampeerin virtaa, joka 1 ohmin johdinresistanssilla vapauttaa 0,24 kcal vastaavan määrän lämpöä 1 sekunnin ajan. Siksi vapautuneen lämmön määrän laskemiseen kaloreina käytetään kaavaa Q = 0,24I 2 Rt.
Käytettäessä SI-yksikköjärjestelmää lämmön määrä mitataan jouleina, joten "k":n arvo suhteessa Joule-Lenzin lakiin on yhtä suuri kuin 1, ja kaava näyttää tältä: Q \u003d I 2 Rt. I = U/R mukaan. Jos tämä nykyinen arvo korvataan pääkaavalla, se on seuraavassa muodossa: Q \u003d (U 2 / R) t.
Peruskaava Q = I 2 Rt on erittäin kätevä käyttää laskettaessa sarjakytkennässä vapautuvaa lämpöä. Virran voimakkuus kaikissa johtimissa on sama. Kun useita johtimia kytketään sarjaan kerralla, kukin niistä vapauttaa niin paljon lämpöä, joka on verrannollinen johtimen vastukseen. Jos kolme identtistä kupari-, rauta- ja nikkelijohdinta kytketään sarjaan, suurin määrä lämpöä vapautuu viimeisenä. Tämä johtuu nikkelin korkeimmasta ominaisresistanssista ja tämän langan voimakkaammasta kuumenemisesta.
Kun samat johtimet kytketään rinnan, sähkövirran arvo kussakin niistä on erilainen ja jännite päissä on sama. Tässä tapauksessa kaava Q \u003d (U 2 / R) t on sopivampi laskelmiin. Johtimen vapauttaman lämmön määrä on kääntäen verrannollinen sen johtavuuteen. Siten Joule-Lenzin lakia käytetään laajalti sähköisten valaistusjärjestelmien, erilaisten lämmitys- ja lämmityslaitteiden sekä muiden sähköenergian muuntamiseen lämmöksi liittyvien laitteiden laskemiseen.
