Какая физическая величина определяется формулой q i2rt

2.8.1. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

При протекании постоянного тока по проводнику происходит выделение некоторого количества теплоты, вычислить которое можно по закону Джоуля-Ленца:

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ко времени, в течение которого она совершается. Обозначение – P, единица измерения в СИ – ватт (Вт). Формулы для вычисления мощности

Важно! Номинальная мощность — мощность электрических приборов при заданных параметрах электрической сети. Например, в паспорте пылесоса указано, что его мощность равна 1500 Вт. Это означает, что при работе пылесоса в сети стандартного напряжения 220 В, его мощность будет равна 1500 Вт. Однако, следует понимать, что если указанный пылесос подключить в сеть с меньшим (или большим) напряжением, то его мощность уменьшится (или увеличится).

Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ

1. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин для случая протекания тока по участку цепи (см. рисунок) и названиями этих величин.

В формулах использованы обозначения: I − сила тока на участке АВ цепи; R₁ и R₂ − сопротивления резисторов; t − время. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

А) I 2 R₁ t — работа электрического тока на резисторе R₁.

Б) I 2 R₂ — мощность электрического тока, выделяющаяся на резисторе R₂.

2. На кухне включена микроволновая печь. Как изменится общая сила тока в электрической цепи, а также общая потребляемая электрическая мощность, если дополнительно в электрическую сеть включить электрический чайник?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения: Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями.

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Общая сила тока в цепи

Общая потребляемая электрическая мощность

Все приборы в электрической цепи квартире подключаются параллельно. Как известно, при параллельном соединении общее сопротивление уменьшается (становится меньше меньшего). Поэтому при включение дополнительно в сеть чайника, общее сопротивление цепи уменьшится. На все приборы в электрической цепи квартиры подается стандартное напряжение 220 В, независимо от количества приборов. Согласно формуле расчета мощности

уменьшение сопротивления цепи при неизменном напряжении повлечет увеличение потребляемой мощности. Сила тока же, согласно закону Ома для участка цепи, увеличится

3. На рисунке изображена электрическая цепь, состоящая из источника тока, резистора 1 и реостата 2. Ползунок реостата передвигают вправо.

Как при этом изменяется общее сопротивление цепи и выделяемая в ней мощность?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Общее сопротивление цепи

Мощность, выделяемая в цепи

При перемещении ползунка реостата вправо увеличивается сопротивление реостата, поэтому увеличится и общее сопротивление цепи. Согласно формуле расчета мощности

увеличение сопротивления цепи при неизменном напряжении повлечет уменьшение потребляемой мощности.

4. Спираль электроплитки укоротили. Как изменились электрическое напряжение сети и мощность электрического тока, потребляемая плиткой, при включении её в ту же электрическую сеть?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Электрическое напряжение сети

Мощность электрического тока, потребляемая плиткой

При уменьшении длины проводника уменьшается его электрическое сопротивление. по условию задания плитку включают в ту же самую электрическую сеть, значит напряжение в сети не меняется. Согласно формуле расчета мощности

уменьшение сопротивления цепи при неизменном напряжении повлечет увеличение потребляемой мощности.

5. Установите соответствие между физическими величинами и единицами величин в Международной системе единиц (СИ). К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца

и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

А) сила тока — ампер (1 А).

Б) мощность — ватт (1 Вт).

В) сопротивление — ом (1 Ом).

6. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин для случая протекания тока по участку цепи (см. рисунок) и названиями этих величин.

В формулах использованы обозначения: U − напряжение на участке АВ цепи; R − сопротивления резисторов. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

А) U 2 /R — мощность электрического тока, выделяющаяся на резисторе R.

Б) 2U/R — сила тока на участке АВ цепи.

7. К источнику постоянного тока подсоединили две лампы (см. рисунок), имеющие одинаковые электрические сопротивления. Чему равна мощность электрического тока, потребляемая каждой лампой, если показания идеального амперметра и идеального вольтметра равны, соответственно, 3 А и 6 В?

Лампы соединены параллельно и при этом одинаковые, значит, через каждую лампу пройдут одинаковые токи по 1,5 А (в сумме 3 А). Напряжение на каждой лампе — 6 В (одинаково при параллельном соединении). Тогда мощность тока в каждой лампе $P=UI$, $P=6 \cdot 1,5 = 9$ Вт.

8. Две лампы, рассчитанные на одинаковое напряжение, но потребляющие различную мощность, включены в электрическую сеть последовательно. Какая лампа будет гореть ярче? Ответ поясните.

Ответ: лампа потребляющая меньшую мощность будет гореть ярче.

Пояснение. Мощность лампы рассчитывается по формуле $P=\frac$. Поскольку лампочки рассчитаны на одинаковое напряжение, чем больше номинальная мощность лампы, тем меньше её сопротивление. Через две лампы, включенные последовательно, будет протекать одинаковый ток, следовательно, мощность будет больше на той лампе, у которой сопротивление больше. Таким образом, лампа меньшей номинальной мощности, включенная последовательно с лампой большей номинальной мощности, будет гореть ярче.

9. Для каждого физического понятия из первого столбца подберите соответствующий пример из второго столбца.

Б) единица физической величины

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

А) физическая величина — сила тока.

Б) единица физической величины — ватт.

В) прибор для измерения физической величины — амперметр.

10. На рисунке представлен участок электрической цепи, причём R₁ = R₂ = 8 Ом; R₃ = 8 Ом; R₄ = 6 Ом. Точки А и В подключены к полюсам источника постоянного тока.

Если сравнивать мощности тока, выделяемые на каждом резисторе в отдельности, то максимальная мощность выделяется на

Участок 12, резисторы 3 и 4 соединены последовательно. При последовательном соединении наибольшая мощность будет выделяться на участке с максимальным сопротивлением. Сопротивление участка 12 согласно законам параллельного соединения равно

Таким образом, наибольшая мощность будет выделяться на резисторе 3.

11. Если в люстре для освещения помещения использовать лампы мощностью 60 и 100 Вт, то

А. бόльшая работа за одно и то же время совершается током в лампе мощностью 60 Вт
Б. бόльшим сопротивлением обладает лампа мощностью 100 Вт

Верным(-и) утверждением(-ями) является(-ются)

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

Утверждение 1 — не верно. Чем больше мощность, тем большую работу совершает ток при прохождении через проводник.

Утверждение 2 — не верно. Поскольку напряжения на лампах в люстре будут одинаковы, т.к. они включены параллельно, то согласно формуле мощности $P=\frac$, лампе большей мощности соответствует меньшее сопротивление.

12. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения напряжения на концах двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока А₁ и А₂ в этих проводниках за одно и то же время.

Найдем отношение работ тока в каждом проводнике

из последнего соотношения можно сделать вывод, что 9А₁ = А₂.

13. Алюминиевая, железная и нихромовая проволоки, имеющие одинаковые размеры, соединены параллельно и подключены к источнику тока. На какой из проволок будет выделяться при прохождении электрического тока наибольшее количество теплоты за одно и то же время?

1) на алюминиевой
2) на железной
3) на нихромовой
4) на всех трёх проволоках будет выделяться одинаковое количество теплоты

При параллельном соединении напряжение на всех проволоках будет одинаковым. Согласно формуле $A=\frac$, наибольшее количество теплоты будет выделяться на проволоке имеющей самое маленькое сопротивление. При равных размерах самым малым сопротивлением будет обладать алюминиевая проволока, т.к. среди указанных веществ алюминий обладает наименьшим удельным сопротивлением.

14. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются: к каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго столбца.

Б) сила постоянного тока

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Б) сила постоянного тока — q/t.

15. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения силы тока в проводниках 1 и 2 одинакового сопротивления. Сравните значения мощности N₁ и N₂ тока в этих проводниках.

Найдем отношение мощности тока в каждом проводнике

из последнего соотношения можно сделать вывод, что 9N₁ = N₂.

16. Сопротивление R₁ первого кипятильника в 4 раза меньше, чем сопротивление R₂ второго кипятильника. При включении в одну и ту же сеть количество теплоты, выделяемое за единицу времени первым кипятильником, по сравнению со вторым

1) в 4 раза больше
2) в 4 раза меньше
3) в 16 раз больше
4) в 16 раз меньше

Найдем отношение работ тока в каждом проводнике

из последнего соотношения можно сделать вывод, что количество теплоты, выделяемое за единицу времени первым кипятильником, по сравнению со вторым в 4 раза больше.

17. При увеличении напряжения в сети в 2 раза количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в проводнике, подключённом к сети,

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 4 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 2 раза

Согласно формуле $A=\frac$, увеличение напряжения на проводнике приведет к увеличению работы тока в 4 раза. Значит, выделяемое количество теплоты, при прохождении электрического тока по проводнику, также возрастет в 4 раза.

18. Никелиновую спираль электроплитки заменили на нихромовую такой же длины и площади поперечного сечения. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при включении плитки в электрическую сеть.

Б) сила электрического тока в спирали

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

Удельное сопротивление нихрома больше, чем удельное сопротивление никелина, значит при равных размерах проводник из нихрома будет иметь большее сопротивление, чем проводник из никелина. При увеличении сопротивления проводника сила тока уменьшится (в соответствии с законом Ома для участка цепи). Согласно формуле $P=\frac$, увеличение сопротивления (напряжение остается неизменным — плитку включили в ту же сеть) приведет к уменьшению мощности спирали.

19. Комната освещается люстрой, имеющей пять электрических ламп. Как изменятся общее сопротивление в электрической цепи и электрическая мощность, потребляемая люстрой, если две лампы в люстре отключить?

1) увеличится
2) уменьшится
3) не изменится

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться. Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Общее электрическое сопротивление в цепи

Электрическая мощность

При параллельном соединении электрическое сопротивление уменьшается. Количество ламп в параллельном соединении уменьшили, значит общее сопротивление цепи возрастет. Согласно формуле $P=\frac$, увеличение сопротивления (напряжение остается неизменным — лампы работают в той же сети) приведет к уменьшению потребляемой мощности.

20. Необходимо провести измерение мощности электрического тока, потребляемой резистором. В исследовании используются резистор, источник постоянного тока, ключ, соединительные провода.

1) Какое ещё оборудование понадобится для проведения этого исследования?
2) Запишите алгоритм действий по измерению мощности электрического тока, потребляемой резистором.

1) Дополнительно понадобятся приборы для измерения силы тока в цепи и напряжения на лампе — амперметр и вольтметр.

2) Собрать электрическую цепь в соответствии со схемой

Произвести измерения силы тока и напряжения, затем вычислить мощность потребляемую резистором по формуле $P=UI$.

21. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения мощности тока для двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения напряжения U ₁ и U ₂, на концах этих проводниках.

1) $U_2=3\sqrt<3>U_1$
2) $U_1=3U_2$
3) $U_2=9U_1$
4) $U_2=3U_1$

Из формулы мощности выразим напряжение

Найдем отношение напряжения на концах второго проводника к напряжению на конца первого проводника

22. Два резистора соединены, как показано на рисунке. Сопротивления резисторов: R₁ = 4 Ом, R₂ = 8 Ом. Какая мощность выделяется в первом резисторе, если напряжение на резисторах равно 24 В?

При последовательном соединении общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных участках, т.е. $R=4+8=12$ Ом. Найдем силу тока в цепи по закону Ома для участка цепи, которая также будет равна силе тока и в первом, и во втором резисторах

Вычислим мощность, выделяющуюся на первом резисторе, по формуле $P=I^2R$.

$P=2^2 \cdot 4=16$ Вт.

23. На рисунке показан график зависимости количества теплоты Q, выделяемого на резисторе, от времени t. Чему равно электрическое сопротивление резистора, если сила тока в цепи равна 5 А?

В соответствии с законом Джоуля-Ленца, количество теплоты, которое выделяется при прохождении электрического тока по проводнику находится по формуле $Q=I^2Rt$. Из этой формулы выразим искомое сопротивление проводника и найдем его, учитывая что по данным графика за 1 минуту (60 секунд в системе СИ) выделяется 3000 Дж энергии

24. Прочитайте текст и вставьте на места пропусков слова (словосочетания) из приведённого списка.

Возьмём источник электрического тока (батарейку), две одинаковые лампы на подставках, соединительные провода. Подключим сначала к батарейке одну лампу так, чтобы она загорелась. Затем подсоединим вторую так, как показано на рисунке. После подключения второй лампы можно заметить, что накал первой лампы (А)__________. При (Б)__________ соединении ламп их общее сопротивление (В)__________. Если напряжение на внешней цепи считать неизменным, то (Г)__________ увеличивается в 2 раза.

Список слов и словосочетаний:

1) параллельное
2) последовательное
3) увеличивается
4) уменьшается
5) не изменяется
6) общая мощность, потребляемая лампами
7) сила тока, протекающего через каждую лампу

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Комментарий. При подключении второй лампочки параллельно первой, общее сопротивление цепи уменьшится. Так как при параллельном соединении напряжение на лампах будет равно, то при неизменном напряжении мощность выделяющаяся в каждой лампе не меняется, значит и накал нити первой лампы также не изменится.

Решение. Возьмём источник электрического тока (батарейку), две одинаковые лампы на подставках, соединительные провода. Подключим сначала к батарейке одну лампу так, чтобы она загорелась. Затем подсоединим вторую так, как показано на рисунке. После подключения второй лампы можно заметить, что накал первой лампы (А-5) не изменяется. При (Б-1) параллельном соединении ламп их общее сопротивление (В-4) уменьшается. Если напряжение на внешней цепи считать неизменным, то (Г-6) общая мощность, потребляемая лампами увеличивается в 2 раза.

Ответ: 5146

25. Какая тепловая мощность выделяется в резисторе R₃ в цепи, схема которой показана на рисунке, если амперметр показывает силу постоянного тока I = 0,2 А? Значения сопротивлений резисторов: R1=2,5 Ом, R₂ = 10 Ом, R₃ = 50 Ом.

При последовательном соединении общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных участках, т.е. $R_<12>=2,5+10=12,5$ Ом. Из закона Ома для участка цепи найдем общее напряжение на первом и втором резисторах

При параллельном соединении напряжение одинаково на всех участках цепи. Участок 12 и резистор 3 подключены параллельно, значит $U_3=U_<12>=2,5$ В. Вычислим мощность, выделяющуюся на третьем резисторе

26. Металлическую пластинку со сторонами подключают к источнику постоянного напряжения так, как показано на рисунке 1.

Считая, что ток равномерно распределён по сечению пластинки, определите, как изменятся электрическое сопротивление пластинки и потребляемая ею мощность тока при подключении этой пластинки к тому же источнику напряжения так, как показано на рисунке 2.

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Электрическое сопротивление пластинки

Мощность электрического тока, потребляемая пластинкой

Найдем отношение сопротивлений пластинок

сопротивление второй пластинки больше в 9 раз. Так как сопротивление увеличилось, то согласно формуле $P=\frac$, увеличение сопротивления (напряжение остается неизменным — лампы работают в той же сети) приведет к уменьшению потребляемой мощности.

27. Какой(-ие) из опытов Вы предложили бы провести, чтобы доказать, что мощность, выделяемая в проводнике с током, зависит от удельного электрического сопротивления проводника?

А. Показать, что время нагревания воды в кружке изменится в случае, если спираль плитки укоротить.
Б. Показать, что время нагревания воды в кружке изменится в случае, если никелиновую спираль плитки заменить на такую же по размерам нихромовую спираль.

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

В первом опыте электрическое сопротивление меняется за счет уменьшения длины спирали. Во втором — за счет замены проводника на другой, изготовленный из другого материала.

28. Участок электрической цепи состоит из резистора, сопротивление которого равно 2 Ом, и амперметра, показания которого соответствуют силе тока $I=5$ А. На каком рисунке правильно показан график зависимости количества теплоты Q, выделенного на этом резисторе, от времени t?

Пользуясь законом Джоуля-Ленца, найдем, какое количество теплоты, которое выделяется при прохождении электрического тока по проводнику за 1 минуту (60 с)

$Q=5^2 \cdot 2 \cdot 60=3000$ Дж.

Этому случаю соответствует график №3.

29. На рисунке изображена схема электрической цепи, состоящей из трёх резисторов и двух ключей К₁ и К₂. К точкам А и В приложено постоянное напряжение. Максимальное количество теплоты, выделяемое в цепи, может быть получено

1) при замыкании только ключа К₁
2) при замыкании только ключа К₂
3) при замыкании обоих ключей одновременно
4) при обоих одновременно разомкнутых ключах

Согласно формуле $Q=A=\frac$, при одном и том же напряжении, подаваемом на участок АВ, наибольшее количество теплоты будет выделяться при самом малом сопротивлении участка АВ. Как известно, при параллельном соединении общее сопротивление уменьшается, поэтому минимальное сопротивление участка АВ будет в случае одновременно замкнутых ключей.

30. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин и названиями этих величин. В формулах использованы обозначения: U – напряжение на концах проводника; R – сопротивление проводника;
t – время.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

А) U/R — сила тока.

Б) U 2 Rt — работа электрического тока.

31. Из однородной металлической проволоки сделано сплошное кольцо. Напряжение на полюсах источника тока постоянно. Контакт К можно подсоединить к различным точкам кольца. При каком из подключений 1-4 контакта К потребляемая мощность цепи будет минимальной?

Ответ: Контакт К нужно подключить к точке 1.

Пояснение. Напряжение на источнике постоянно, поэтому согласно формуле расчета мощности $P=\frac$, чем меньше сопротивление проводника, тем больше мощность и наоборот, чем больше сопротивление участка, тем меньше мощность. Сопротивление проводника зависит материала проводника, его площади сечения и длины. Очевидно, что при различных способах включения будет меняться длина проводника, а значит и его сопротивление. При любом подключении контакта К соединение проводников будет параллельным. При параллельном соединении проводников общее сопротивление всегда будет меньше самого меньшего из сопротивлений. Получается, что при подключении контакта к точке 3 получим самое маленькое сопротивление, а при подключении к контакта к точке 1 — самое большое сопротивление и самую малую мощность.

Задачи на применение закона Джоуля-Ленца с решением

Закон Джоуля-Ленца описывает тепловое действие электрического тока и находит широкое применение в электротехнике. В сегодняшней статье разберем несколько задач на закон Джоуля-Ленца.

Лень решать задачи? Зайдите на наш телеграм-канал: там найдется много интересного для всех учащихся. А если вы решили обратиться к нам за помощью, не упустите выгоду и обязательно прочекайте приятные скидки и акции на нашем втором канале.

Закон Джоуля-Ленца: задачи с решением

Для решения любой физической задачи существует алгоритм: сначала записываются все известные данные, затем определяются величины, которые нужно найти. Подробнее о решении физических задач читайте в нашей памятке для студентов. Также советуем держать под рукой формулы, это существенно облегчит процесс решения.

Кстати, если вы интересуетесь задачами на закон Джоуля-Ленца, вам также может быть полезно ознакомиться с задачами на мощность тока.

Задача на закон Джоуля-Ленца №1

Условие

Какое количество теплоты выделяет за 5 минут нагреватель электрочайника, если его сопротивление равно 30 Ом, а сила тока в цепи 1,5 А?

Решение

Это простейшая задача на закон Джоуля-Ленца для участка цепи. Запишем сам закон:

Подставив значения из условия в формулу, найдем:

Q = 1 , 5 2 · 30 · 300 = 20250 Д ж

Ответ: 20,25 кДж.

Задача на закон Джоуля-Ленца №2

Условие

Какое количество теплоты выделит за 40 минут спираль электроплитки, если сила тока в цепи 3 А, а напряжение 220 В?

Решение

Эта также простейшая задача на закон Джоуля-Ленца, но, в отличие от первой задачи, при ее решении используется другая формулировка закона. Сначала запишем закон Джоуля-Ленца:

Теперь перепишем его с учетом закона Ома:

I = U R R = U I Q = I 2 U I t = I U t

Осталось подставить значения и вычислить:

Q = 3 · 220 · 2400 = 1 , 584 М Д ж

Ответ: 1,584 МДж.

Задача на закон Джоуля-Ленца №3

Условие

Сколько минут ток шел по проводнику сопротивлением 25 Ом, если при силе тока 1 А проводник вылелил 6 кДж теплоты.

Решение

Запишем закон Джоуля-Ленца и выразим время:

Q = I 2 R t t = Q I 2 R

t = 6000 1 2 · 25 = 240 c = 4 м и н

Ответ: 4 минуты.

При расчетах не забывайте переводить все величины из условия в систему СИ.

Задача на закон Джоуля-Ленца №4

Условие

Электрическая плитка при силе тока 4 А за 20 минут потребляет 1000 кДж энергии. Рассчитайте сопротивление плитки.

Решение

Выразим сопротивление из закона Джоуля-Ленца:

Q = I 2 R t R = Q I 2 t

Подставим значения и вычислим:

R = 1000 · 10 3 16 · 1200 = 52 О м

Ответ: 52 Ом.

Задача на закон Джоуля-Ленца №5

Условие

По проводнику с сопротивлением 6 Ом пропускали постоянный ток в течение 9 c. Какое количество теплоты выделилось в проводнике за это время, если через его сечение прошел заряд 3 Кл?

Решение

Заряд можно определить, зная время и силу тока. А зная заряд и врямя, за которое он прошел по проводнику, найдем силу тока:

Запишем закон Джоуля-Ленца для количества теплоты:

Q = I 2 R t Q = q 2 t 2 R t = q 2 R t

Подставим значения и вычислим:

Q = 3 2 · 6 9 = 6 Д ж

Ответ: 6 Дж.

Вопросы на закон Джоуля-Ленца

Вопрос 1. Как звучит закон Джоуля-Ленца?

Ответ. Закон Джоуля-Ленца гласит:

Количество теплоты, выделившейся в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Вопрос 2. Почему проводник с током нагревается?

Ответ. При прохождении тока по проводнику положительные ионы в узлах кристаллических решеток проводника за счет энергии тока начинают сильнее колебаться. Это сопровождается увеличением внутренней энергии проводника, т.е. его нагреванием. При этом энергия тока выделяется в виде теплоты, которую называют джоулевым теплом.

Вопрос 3. Как был открыт закон Джоуля-Ленца?

Ответ. По спирали, помещенной в калориметр с водой, пропускали электрический ток. Через некоторое время вода нагревалась. По температуре воды можно было вычислить количество выделившейся теплоты. Эмпирическим путем было доказано, что при прохождении тока по проводнику, обладающему определенным сопротивлением, в течение времени током совершается работа, проявляющаяся в виде выделившейся теплоты.

Английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Ленц изучали зависимость количества выделяемой теплоты от силы тока одновременно. Они пришли к одному и тому же выводу независимо друг от друга.

Вопрос 4. Как еще можно записать закон Джоуля-Ленца?

Ответ. Воспользовавшись законом Ома для участа цепи, закон Джоуля-Ленца можно переписать следующим образом:

Q = U I t = U 2 R t

Вопрос 5. Каково практическое применение закона Джоуля-Ленца?

Ответ. Закон Джоуля-Ленца находит широкое применение на практике:

На нем основан принцип действия многих нагревательных приборов (чайник, электроплитка, фен, утюг, паяльник и т.д).
На принципе закона Джоуля-Ленца основана контактная сварка, где создание неразъемного сварного соединения достигается путем нагрева металла за счет проходящего через него электрического тока и пластической деформации свариваемых деталей путем сжатия. Электродуговая сварка также использует закон Джоуля-Ленца.
Расчеты на основе закона Джоуля-Ленца позволяют стабилизировать и минимизировать тепловые потери в линиях электропередач.

Нужна помощь в решении задач и выполнении других заданий по учебе? Обращайтесь в профессиональный сервис для учащихся в любое время.

Контрольная работа от 1 дня / от 120 р. Узнать стоимость
Дипломная работа от 7 дней / от 9540 р. Узнать стоимость
Курсовая работа 5 дней / от 2160 р. Узнать стоимость
Реферат от 1 дня / от 840 р. Узнать стоимость

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Основные сведения о законе Джоуля-Ленца

Закон Джоуля-Ленца — один из законов физики, который определяет количественную меру воздействия тепла электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца — один из законов физики, который определяет количественную меру воздействия тепла электрического тока.

Формулировка классического закона Джоуля-Ленца гласит: мощность того тепла, который выделяется в проводнике в процессе протекания сквозь проводник электрического тока, соответствует умножению плотности электрического поля на напряженность.

Посмотрите на вид алгебраической формулы Джоуля-Ленца:

В данной формуле ω значит количество тепла, E и j обозначают плотность и напряженность электрических полей, а σ означает проводимость среды.

Простое и понятное объяснение физического смысла теории Джоуля-Ленца: электрический ток во время протекания по проводнику являет собой перемещение заряда электрического под влиянием электрического поля. Соответственно, электрическое поле во время данного процесса совершает некую работу. Эта работа используется для нагрева проводника. Таким образом можно говорить о том, что энергия превращается в качественно дифференциальное явление — тепло.

Однако стоит понимать, что излишний нагрев проводника с током, а также электрических приборов допускать не рекомендуется, потому что перегрев может привести к повреждению электрических приборов. Опасно излишне перегревать оборудование в случае коротких замыканий проводов. В это время по проводникам может протекать много тока.

Закон Джоуля-Ленца для тонких проводников в интегральной форме звучит так:

Величина теплоты, выделяющаяся за определенное время на определенном участке цепи, определяется как произведение силы тока, возведенной в квадрат, и сопротивления участка цепи.

Сама формула выглядит так:

Q = ∫ k × l 2 × R × t

В данной формуле:

Q обозначает количество теплоты, которая выделилась;
I обозначает количество тока;
R обозначает сопротивление проводника/проводников;
t обозначает время действия;
k обозначает тепловой аналог работы. Значение этого параметра зависит от разрядности единиц, в которых измеряются значения, используемые в формуле.

Теорему Джоуля-Ленца характеризуют как имеющую общий характер, потому что она не имеет корреляции с происхождением сил, которые генерируют ток. Данный закон справедлив для электролитов, полупроводников и проводников.

Формула закона Джоуля-Ленца

Можно записать обобщенную формулу для закона Джоуля-Ленца как:

В данной формуле Q обозначает количество теплоты, которая выделилась. Q измеряется в джоулях.

I обозначает количество тока, R обозначает сопротивление проводника/проводников, t обозначает время действия.

Применение в практической жизни

Данный закон применяется в обычной жизни широко. Например, вольфрамовая нить в лампах накаливания, дуги в электросварках, нить накаливания в электрообогревателе. К приборам, которые работают по закону Джоуля-Ленца, также относят: утюги, фены, электрочайники, паяльники, варочные плиты и т.д.

Данный принцип имел огромное влияние на бытовое применение электрического тока. В 19 веке благодаря этой теории стало возможным создание точных измерительных приборов, в основе работы которых лежало сокращение проволочной спирали во время нагрева прохождением тока определенной величины. Например, стрелочные вольтметры, а также амперметры.

В то же время начинают появляться модели электрических обогревателей, плавильных печей, а также тостеров. Для их создания был использован проводник с высоким удельным сопротивлением, что помогало получить высокие температуры.

Также появились самые первые плавкие предохранители, прерыватели цепи биметаллические, которые основаны на разнице нагрева проводника с различным удельным сопротивлением. Когда люди заметили, что при соответственной силе тока проводник с большим показателем сопротивления может нагреться до красного цвета, закон Джоуля-Ленца начал использоваться для создания источников света. В это время появляются первые лампы.

Также эффект данной теории используется широко в промышленности: в химической, металлургической и т.д.

Примеры решения задач

Самые важные формулы для решения задач с законом Джоуля-Ленца:

Представим краткое описание формулы словами: сила тока равна напряжение пропорционально сопротивлению проводника.

Какое количество тепла будет выделено спиралью электроплитки за 15 минут с сопротивлением в 30 Ом, если сила тока цепи составляет 1,5 А?

Переводим минуты в секунды: 15 минут * 60 = 900 секунд.

Q = 1 , 5 2 * 30 * 900 = 60 750 = 60 , 75 к Д ж .

Получившуюся сумму обычно сокращают до килоджоулей.

Какое количество тепла будет выделено электрической спиралью за 20 минут, если напряжение равно 215 В, а сила тока цепи 3 А?

Закон джоуля-ленца

Эмилий Христианович Ленц (1804 — 1865) – русский знаменитый физик. Он является одним из основоположников электромеханики. С его именем связано открытие закона, определяющего направление индукционного тока, и закона, определяющего электрическое поле в проводнике с током.

Кроме того, Эмилий Ленц и английский учёный-физик Джоуль, изучая на опыте тепловые действия тока, независимо один от другого открыли закон, согласно которому количество теплоты, которое выделяется в проводнике, будет прямо пропорционально квадрату электрического тока, который проходит по проводнику, его сопротивлению и времени, в течение которого электрический ток поддерживается неизменным в проводнике.

Данный закон получил название закон Джоуля – Ленца, формула его выражает следующим образом:

где Q – количество выделившейся теплоты, l – ток, R – сопротивление проводника, t – время; величина k называется тепловым эквивалентом работы. Численное значение этой величины зависит от выбора единиц, в которых производятся измерения остальных величин, входящих в формулу.

Если количество теплоты измерять в калориях, ток в амперах, сопротивление в Омах, а время в секундах, то k численно равно 0,24. Это значит, что ток в 1а выделяет в проводнике, который обладает сопротивлением в 1 Ом, за одну секунду число теплоты, которое равно 0,24 ккал. Исходя из этого, количество теплоты в калориях, выделяющееся в проводнике, может быть рассчитано по формуле:

В системе единиц СИ энергия, количество теплоты и работа измеряются единицами – джоулями. Поэтому коэффициент пропорциональности в законе Джоуля – Ленца равен единице. В этой системе формула Джоуля – Ленца имеет вид:

Закон Джоуля – Ленца можно проверить на опыте. По проволочной спиральке, погружённой в жидкость, налитую в калориметр, пропускается некоторое время ток. Затем подсчитывается количество теплоты, выделившейся в калориметре. Сопротивление спиральки известно заранее, ток измеряется амперметром и время секундомером. Меняя ток в цепи и используя различные спиральки, можно проверить закон Джоуля – Ленца.

На основании закона Ома

Подставляя значение тока в формулу (2), получим новое выражение формулы для закона Джоуля – Ленца:

Формулой Q = l²Rt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, выделяемого при последовательном соединении, потому что в этом случае электрический ток во всех проводниках одинаков. Поэтому, когда происходит последовательное соединение нескольких проводников, в каждом из них будет выделено такое количество теплоты, которое пропорционально сопротивлению проводника. Если соединить, например, последовательно три проволочки одинаковых размеров – медную, железную и никелиновую, то наибольшее количество теплоты будет выделяться из никелиновой, так как удельное сопротивление её наибольшее, она сильнее и нагревается.

Если проводники соединить параллельно, то электрический ток в них будет различен, а напряжение на концах таких проводников одно и то же. Расчёт количества теплоты, которое будет выделяться при таком соединении, лучше вести, используя формулу Q = (U²/R)t.

Эта формула показывает, что при параллельном соединении каждый проводник выделит такое количество теплоты, которое будет обратно пропорционально его проводимости.

Если соединить три одинаковой толщины проволоки – медную, железную и никелиновую – параллельно между собой и пропустить через них ток, то наибольшее количество теплоты выделится в медной проволоке, она и нагреется сильнее остальных.

Беря за основу закон Джоуля – Ленца, производят расчёт различных электроосветительных установок, отопительных и нагревательных электроприборов. Также широко используется преобразование энергии электричества в тепловую.

Где может пригодиться этот закон Джоуля-Ленца?

В электротехнике есть понятие длительно допустимого тока протекающего по проводам. Это такой ток, который провод способен выдержать длительное время (то есть, бесконечно долго), без разрушения провода (и изоляции, если она есть, потому что провод может быть и без изоляции). Конечно, данные вы теперь можете взять из ПУЭ (Правила устройства электроустановок), но получали эти данные исключительно на основе закона Джоуля-Ленца.

В электротехнике так же используются плавкие предохранители. Их основное качество – надёжность срабатывания. Для этого используется проводник определенного сечения. Зная температуру плавления такого проводника можно вычислить количество теплоты, которое необходимо, чтобы проводник расплавился от протекания через него больших значений тока, а вычислив ток, можно вычислить и сопротивление, которым такой проводник должен обладать. В общем, как вы уже поняли, применяя закон Джоуля-Ленца можно рассчитать сечение или сопротивление (величины взаимозависимы) проводника для плавкого предохранителя.

А ещё, помните, мы говорили про последовательное и параллельное соединение сопротивлений. Там на примере лампочки я рассказывал парадокс, что более мощная лампа в последовательном соединении светит слабее. И наверняка помните почему: падение напряжения на сопротивлении тем сильнее, чем меньше сопротивление. А поскольку мощность — это произведение силы тока и напряжения, а напряжение очень сильно падает, то и выходит, что большое сопротивление выделит большое количество тепла, то есть, току придется больше потрудиться, чтобы преодолеть большое сопротивление. И количество тепла, которое выделит ток при этом можно посчитать с помощью закона Джоуля-Ленца. Если брать последовательное соединение сопротивлений, то использовать лучше выражение через квадрат тока, то есть, изначальный вид формулы:

А для параллельного соединения сопротивлений, поскольку ток в параллельных ветвях зависит от сопротивления, в то время, как напряжение на каждой параллельной ветви одинаковое, то формулу лучше всего представить через напряжение:

Ну и наконец, если мы хотим посчитать, сколько тепла выделяет вся цепь, включая даже сопротивление проводов, нам достаточно взять напряжение цепи и ток цепи и формула будет выглядеть так:

Примерами работы закона Джоуля-Ленца вы все пользуетесь в повседневной жизни – в первую очередь это всевозможные нагревательные приборы. Как правило, в них используется нихромовая проволока и толщина (поперечное сечение) и длина проводника подбираются с учётом того, чтобы длительное тепловое воздействие не приводило к стремительному разрушению проволоки. Точно таким же образом добиваются свечения вольфрамовой нити в лампе накаливания. По этому же закону определяют степень возможного нагрева практически любого электротехнического и электронного устройства.

Закон джоуля-ленца и его применение - учительpro Работа и мощность тока. закон джоуля—ленца. физика 10-11 класс. мякишев Закон джоуля-ленца: формула, применение на практике, вывод Закон джоуля-ленца | у электрика.ру Закон джоуля-ленца: формула и определение, в чем измеряется, открытие закона Работа и мощность электрического тока. закон джоуля-ленца – fizi4ka Закон джоуля — ленца Определение и формула закона джоуля-ленца: работа и мощность тока

В общем, несмотря на кажущуюся простоту, закон Джоуля-Ленца играет в нашей жизни очень огромную роль. Этот закон дал большой толчок для теоретических расчётов: выделение тепла токами короткого замыкания, вычисление конкретной температуры дуги, проводника и любого другого электропроводного материала, потери электрической мощности в тепловом эквиваленте и т.д.

Вы можете спросить, а как перевести Джоули в Ватты и это довольно частый вопрос в интернете. Хотя вопрос несколько неверный, читая далее, вы поймёте почему. Ответ довольно прост: 1 дж = 0.000278 Ватт*час, в то время, как 1 Ватт*час = 3600 Джоулей. Напомню, что в Ваттах измеряется потребляемая мгновенная мощность, то есть непосредственно используемая пока включена цепь. А Джоуль определяет работу электрического тока, то есть мощность тока за промежуток времени. Помните, в законе Ома я приводил аллегорическую ситуацию. Ток – деньги, напряжение – магазин, сопротивление – чувство меры и денег, мощность – количество продуктов, которые вы сможете на себе унести (увезти) за один раз, а вот как далеко, как быстро и сколько раз вы сможете их увезти – это работа. То есть, сравнить работу и мощность никак не получается, но можно выразить в более понятных нам единицам: Ваттах и часах.

Думаю, что теперь вам не составит труда применить закон Джоуля-Ленца в практике и теории, если таковое потребуется и даже сделать перевод Джоулей в Ватты и наоборот. А благодаря пониманию, что закон Джоуля-Ленца это произведение электрической мощности на время, вы сможете более легко его запомнить и даже, если вдруг забыли основную формулу, то помня всего лишь закон Ома можно снова получить закон Джоуля-Ленца. А я на этом с вами прощаюсь.

Интегральная и дифференциальная формулы

Установленные в предыдущем разделе зависимости справедливы при неподвижности проводника. В этом случае можно считать, что работа приложенных сторонних сил расходуется непосредственно на повышение температуры. С учетом заданной темы перемещение зарядов (q) обеспечивает разница потенциалов, которая эквивалентна напряжению (U = ϕ1 – ϕ2). Соответственно, A = q * (ϕ1 – ϕ2) = q * U. Заряд можно выразить через ток:

После элементарных математических преобразований получится A = Q = I * U * t. Если взять изменение теплоты (dQ) за интервал времени (dt), можно составить выражение закона Джона Ленца в интегральной форме:

Для дальнейших рассуждений нужно ввести понятие плотности тепловой мощности (W). Этим термином обозначают количество энергии, которое выделяется за единицу времени в единичном объеме (V) контрольного проводника:

Электрическое сопротивление можно выражать через удельный показатель (p):

L – длина;
S – поперечное сечение.

Добавив плотность тока (j = IS = G *E) и понятие проводимости (G = 1/R), можно записать закон Ленца в дифференциальном виде следующим образом:

Практическое значение

Снижение потерь энергии

При передаче электроэнергии тепловое действие тока в проводах является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно, значит ток в сети I <\displaystyle I>на проводах и нагрузке одинаков. Мощность нагрузки и сопротивление проводов не должны зависеть от выбора напряжения источника. Выделяемая на проводах и на нагрузке мощность определяется следующими формулами

Откуда следует, что Qw=Rw⋅Qc2Uc2<\displaystyle Q_=R_\cdot Q_^<2>/U_^<2>>. Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение Rw⋅Qc2<\displaystyle R_\cdot Q_^<2>> является константой, то тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе. Повышая напряжение мы снижаем тепловые потери в проводах. Это, однако, снижает электробезопасность линий электропередачи.

Выбор проводов для цепей

Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников.

Электронагревательные приборы

Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.

За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.

Плавкие предохранители

Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.

Опыты Ленца

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц “застрял” с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи “источник энергии – проводник – потребитель энергии” сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало – невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Закон джоуля ленца — самая полная теория Закон джоуля-ленца: работа тока равна количеству теплоты Работа и мощность электрического тока. закон джоуля-ленца Работа и мощность постоянного тока. закон джоуля-ленца - класс!ная физика Закон джоуля — ленца — википедия с видео // wiki 2 Тепловое действие тока: закон джоуля-ленца, примеры Закон джоуля-ленца | практическая электроника Закон джоуля - ленца. основные формулы и применение в быту

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший “нагреватель” – стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся – тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Частые вопросы

Как найти время? Здесь имеется в виду период протекания тока через проводник, то есть когда цепь замкнута.

Как найти сопротивление проводника? Для определения сопротивления используют формулу, которую часто называют “рельс”, то есть:

Здесь буквой «Ро» обозначается удельное сопротивление, оно измеряется в Ом*м/см2, l и S это длина и площадь поперечного сечения. При вычислениях метры и сантиметры квадратные сокращаются и остаются Омы.

Удельное сопротивление — это табличная величина и для каждого металла она своя. У меди на порядки меньше, чем у высокоомных сплавов типа вольфрама или нихрома. Для чего это применяется мы рассмотрим ниже.

Как влияет форма сердечника на магнитную проницаемость?

Эмпирическая формула вычисления эквивалентной магнитной проницаемости сердечников предполагает, что сечение сердечника представляет собой круг, но существует большое количество сердечников с не круглым сечением (прямоугольные, трубчатые).

Для упрощения расчётов все сердечники необходимо приводить к эквивалентному круговому сечению согласно следующим выражениям:

для прямоугольного сечения

где с – ширина сердечника,

h – высота сердечника.

для трубчатого сечения

где d_нар – наружный диаметр сердечника,

d_вн – внутренний диаметр сердечника.

Формулировка

В реальном проводнике при протекании через него тока выполняется работа против сил трения. Электроны движутся через провод и сталкиваются с другими электронами, атомами и прочими частицами. В результате этого выделяется тепло. Закон Джоуля-Ленца описывает количество тепла, выделяемое при протекании тока через проводник. Оно прямо пропорционально зависит от силы тока, сопротивления и времени протекания.

В интегральной форме Закон Джоуля-Ленца выглядит так:

Сила тока обозначается буквой I и выражается в Амперах, Сопротивление — R в Омах, а время t — в секундах. Единица измерения теплоты Q — Джоуль, чтобы перевести в калории нужно умножить результат на 0,24. При этом 1 калория равна количеству теплоты, которое нужно подвести к чистой воде, чтобы увеличить её температуру на 1 градус.

Такая запись формулы справедлива для участка цепи при последовательном соединении проводников, когда в них протекает одна величина тока, но падает на концах различное напряжение. Произведение силы тока в квадрате на сопротивление равняется мощности. В то же время мощность прямо пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению. Тогда для электрической цепи при параллельном соединении можно Закон Джоуля-Ленца можно записать в виде:

В дифференциальной форме он выглядит следующим образом:

Где j — плотность тока А/см2, E — напряженность электрического поля, сигма — удельное сопротивление проводника.

Стоит отметить что для однородного участка цепи сопротивление элементов будет одинаковым. Если в цепи присутствуют проводники с разным сопротивлением возникает ситуация, когда максимальное количество тепла выделяется на том, который имеет самое большое сопротивление, о чем можно сделать вывод, проанализировав формулу Закона Джоуля-Ленца.

Работа и мощность постоянного тока. закон джоуля-ленца - класс!ная физика Закон джоуля-ленца: определение, формула, история, схемы Закон джоуля-ленца — формула, применение на практике, вывод Закон джоуля-ленца: работа тока равна количеству теплоты Закон джоуля-ленца: открытие и основные физические величины, математическая запись и формулировка Закон джоуля — ленца

Любознательным

Если вам приходилось, гулять по пляжу во время отлива, то, вероятно,
вы заметили, что, как только нога ступает на мокрый твердый песок, он немедленно
подсыхает и белеет вокруг вашего следа. Обычно это объясняют тем, что под тяжестью тела
вода «выжимается» из песка. Однако это не так, потому что песок не ведет себя подобно мочалке.
Почему же белеет песок? Будет ли песок оставаться белым все время, пока вы стоите на месте?
Оказывается…
Побеление песка на пляже впервые объяснил Рейнольде в 1885 г. Он показал,
что объем песка увеличивается, когда на него наступают. До этого песчинки были «упакованы» самым плотным образом.
Под действием деформации сдвига, которая возникает под подошвой ботинка, объем, занимаемый песчинками, может
лишь увеличиться. В то время как уровень песка поднимается резко, уровень воды может подняться лишь в результате
капиллярных явлений, а на это требуется время. Поэтому на дне следа ноги песок некоторое время оказывается выше уровня воды —
он сухой и белый.

И это ещё не всё!

О законе Джоуля Ленца

Рассмотрим произвольный участок цепи постоянного тока, к концам которого приложено напряжение U. За время t через каждое сечение проводника проходит заряд . Это равносильно тому, что заряд q переносится за время t из одного конца проводника в другой.

При этом силы электростатического поля и сторонние силы, действующие на данном участке, совершают работу . Разделив работу на время t, за которое она совершается, получим мощность, развиваемую током на рассматриваемом участке .

Эта мощность может расходоваться на совершение работы над внешними телами; на протекание химических реакций; на нагревание данного участка цепи и др.

В случае, когда проводник неподвижен и химических превращений в нем не совершается, работа тока затрачивается на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается. Принято говорить, что при протекании тока в проводнике выделяется тепло

Это соотношение называется законом Джоуля – Ленца. Оно было экспериментально установлено английским физиком Д. П. Джоулем и подтверждено точными опытами Э. Х. Ленца.

Если сила тока изменяется со временем, то количество теплоты, выделяющееся в проводнике за время t, вычисляется по формуле

От формулы (4.1), можно перейти к выражению, характеризующему выделение тепла в различных точках проводника. Выделим в проводнике элементарный объем в виде цилиндра. Согласно закону Джоуля – Ленца, за время dt, в этом объеме выделится количество теплоты

где – dV элементарный объем. Разделив это выражение на dV и dt, найдем количество теплоты, выделяющееся в единице объема в единицу времени:

Величину называют удельной тепловой мощностью тока. Эта формула представляет собой дифференциальную форму закона Джоуля – Ленца.

В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока 2) Напишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

Из формулы также следует – чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге – подгорание с последующим пропаданием контакта.