Закон Джоуля — Ленца

Закон Джоуля — Ленца

Закон Джо́уля — Ле́нца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцем [1] .

Содержание

Определения

В словесной формулировке звучит следующим образом [2]

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании постоянного электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля

Математически может быть выражен в следующей форме:

<math>w = vec j cdot vec E = sigma E^2</math>

где <math>w</math> — мощность выделения тепла в единице объёма, <math>vec j</math> — плотность электрического тока, <math>vec E</math> — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды, а точкой обозначено скалярное произведение.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах [3] :

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка

В интегральной форме этот закон имеет вид

<math>dQ = I^2 R dt</math> <math>Q = intlimits_^ I^2 R dt </math>

где dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t₁ до t₂. В случае постоянных силы тока и сопротивления:

А применяя закон Ома можно получить следующие эквивалентные формулы:

<math>Q = V^2 t / R = I V t</math>

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 <math>I</math> 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

<math>Q_w = R_w cdot I^2</math> <math>Q_c = V_c cdot I</math>

Откуда следует, что <math>Q_w = R_w cdot Q_c^2 / V_c^2</math>. Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение <math>R_w cdot Q_c^2</math> 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.

Конспект урока «Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленца» по физкультуре

познакомить с математической записью закона Джоуля – Ленца.

Формировать умения видеть проблему, формулировать гипотезу, делать обобщения и выводы;

Развивать научное мышление через использование полученных теоретических знаний для объяснения физических явлений;

Формировать познавательный интерес к физике через использование информационных технологий и постановку эксперимента;

Развивать речь учащихся через использование научной терминологии.

воспитание самостоятельности, активности, любознательности;

формирование коммуникативных навыков;

воспитание самодисциплины, ответственности за результат своего труда.

Оборудование:

Демонстрационное: компьютер, медиапроектор.

Лабораторное: источники тока, реостат, соединительные провода, ключи, лампочки, амперметр.

Организационный момент, приветствие.

Постановка проблемы – заморочка.

Сообщение темы урока – запись в тетрадь.

Деление класса на группы.

Постановка проблемы исследований.

Работа в группах: планирование эксперимента, выполнение эксперимента, формулировка вывода.

Представление исследований, обобщение результатов.

Знакомство с математической записью закона Джоуля – Ленца.

Домашнее задание. Решение заморочки.

Закрепление закона Джоуля – Ленца при решении качественных задач.

Подведение итога урока.

Оценивание работы учащихся.

На экране – эпиграф урока. Слайд 1.

Здравствуйте, ребята! Начинаем наш урок. Надеюсь, что минуты общения будут приятными и плодотворными. Будьте смелее и активнее, не бойтесь высказывать своё мнение. Успеха нам!

Сначала я хочу заморочить вам голову задачей. Слушайте и думайте! Слайд 2. Читаю задачу.

Кто готов рассуждать? Затрудняетесь? Тогда найдем решение вместе.

На прошлых уроках мы говорили о работе тока. Вспомним, каков же механизм совершения электрическим током работы в проводнике. Для помощи – картинка из учебника, знакомая вам.

Слайд 2. Механизм работы тока в проводнике.

Рассуждения учащегося

Таким образом, описав механизм совершения работы Слайд 4, мы сделали вывод о переходе работы тока в теплоту на основании фундаментального законы природы – закона сохранения и превращения энергии. И переходим к непосредственному изучению темы урока:

Слайд 5: Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля – Ленца. Запишите тему урока в тетради.

Слайд 6. Задачи урока:

Объяснить причину нагревания проводников электрическим током;

Экспериментально обнаружить зависимость выделяемой теплоты от параметров электрической цепи;

Сделать вывод из экспериментальной и теоретической работы;

Сформулировать закон Джоуля—Ленца;

Рассмотреть практическое применение теплового действия тока.

Для дальнейшей работы нам нужно поделиться на три группы: две группы экспериментаторов и группа теоретиков. Деление на группы. Обращаемся к теме урока и формулируем проблему: Что же нам интересно узнать по теме урока? Слайд 7. Наша задача: исследовать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи.

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи? Я готова выслушать ваши предположения, ребята. Выдвигайте гипотезы. Чтобы не быть оторванными от жизни, сначала приведем примеры: где в быту мы встречаетесь с нагреванием проводников? Вернемся к вопросу: от каких параметров может зависеть теплота? А видна ли эта зависимость теоретически? Да, Q=A, A=IUt

Обсудим идею опыта. Как вы понимаете, что количество теплоты зависит от силы тока в цепи? От сопротивления цепи? Какие будут ваши предложения по оценке количества теплоты? По каким признакам можем судить, где теплоты выделяется больше, а где меньше? На ощупь(?!), термометром(?), по накалу ламп. Группы экспериментаторов могут приступать к выполнению своих исследований. Не забывайте о соблюдении техники безопасности!

Группа теоретиков будет на примере решения задач получать зависимость выделяемой теплоты от силы тока в цепи и сопротивления. Слайд 8.

Учащиеся выполнили работу, говорят выводы. Записать вывод закона Джоуля – Ленца в тетрадь. Слайд 9. Формулирую закон.

Один из авторов закона – русский физик Эмилий Христианович Ленц. Слайд 10.

Таким образом, мы изучили одно из важных проявлений электрического тока. И теперь вы сможете рассудить заморочку.

Слайд 11. Подошло время записать домашнее задание и ответить на вопрос-заморочку.

Напомню её. Слайд 12.

Рассуждения учащихся, ответ на вопрос-заморочку.

Нагревание проводников электрическим током – явление, которое нужно учитывать в жизни. Как вы думаете, почему? А что будет, если проводка в доме сильно нагреется? Слайд 13.

Короткое замыкание. Слайд 14.

Практическое применение теплового действия тока. Слайд 15. Нагревание проводников электрическим током – явление, которое широко применяется в жизни. Выводы учащихся.

Подходит к концу урок, мы должны подвести итог работе.

Слайд16. Что мы узнали? Чему мы научились? Кто работал лучше всех? Кто работал хорошо? (Увидеть положительное в каждом ребенке)

Осталось немного времени, чтобы мы посоревновались в решении интересных качественных задач. Читайте, думайте и объясняйте! Слайд 17.

Спасибо за урок! До свидания!

Иллюстрации (слайды презентации)

Слайд 1 слайд 2

Слайд 3 слайд 4

Слайд 5 слайд 6

Слайд 7 слайд 8

Слайд 9 слайд 10

Слайд 11 слайд 14

Слайд 15 слайд 16

Здесь представлен конспект к уроку на тему «Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля—Ленца», который Вы можете бесплатно скачать на нашем сайте. Предмет конспекта: Физкультура Также здесь Вы можете найти дополнительные учебные материалы и презентации по данной теме, используя которые, Вы сможете еще больше заинтересовать аудиторию и преподнести еще больше полезной информации.

Презентация на тему "Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца"

Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.

Аннотация к презентации

Посмотреть и скачать презентацию по теме «Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца» по физике, включающую в себя 8 слайдов. Скачать файл презентации 0.15 Мб. Большой выбор учебных powerpoint презентаций по физике

Содержание

Физика 8 класс

Учитель Мухаметдинова М. Д. Алматинская обл, Жамбылский р — н, Улькенская средняя школа.

Слайд 2

Тема: Тепловое действие электрического тока.Закон Джоуля — Ленца.

Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается? Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек? Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?

Слайд 3

Соберем электрическую цепь из последовательно включенных лампы накаливания и реостата.

При замыкании цепи лампа горит. Это объясняется тем, что при прохождении тока спираль лампы нагревается и дает свечение.

Слайд 4

Нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.

При одинаковой силе тока накал ламп разный. Лампа слева нагревается сильнее, а то что справа — слабее. Вывод: Чем больше сопротивление проводника, тем больше он нагревается.

Слайд 5

Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?

Спираль лампы должна выдерживать высокие температуры, значит нужно выбрать материал с высокой температурой плавления. Наибольшей температурой плавления обладает вольфрам.

Слайд 6

Свойства металла для нагревательных элементов.

Должен обладать наибольшим сопротивлением. (Q

R) Должен выдерживать высокие температуры. Это — НИХРОМ.

Слайд 7

Русский исследователь Эмилий Христианович Ленц и английский физик Джеймс Джоульв 19 веке установили зависимость выделившейся теплоты от силы тока и сопротивления.

Количество теплоты прямо пропорционально квадрату силы тока в цепи, сопротивлению проводника и времени, в течение которого ток течет по проводнику.

Слайд 8

Закон Джоуля — Ленца.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. Q = I2 R t

Презентация на тему Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца.

Презентация на тему Презентация на тему Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца. из раздела Физика. Доклад-презентацию можно скачать по ссылке внизу страницы. Эта презентация для класса содержит 8 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь удобным проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас — поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций TheSlide.ru в закладки!

• Главная
• Физика
• Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца.

Слайды и текст этой презентации

Учитель Мухаметдинова М. Д.

Алматинская обл,
Жамбылский р — н,
Улькенская средняя школа.

Тема: Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца.

Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается?

Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек?

Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?

Соберем электрическую цепь из последовательно включенных лампы накаливания и реостата.

При замыкании цепи лампа горит.

Это объясняется тем, что при прохождении тока спираль лампы нагревается и дает свечение.

Нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.

При одинаковой силе тока накал ламп разный. Лампа слева нагревается сильнее, а то что справа — слабее.

Вывод: Чем больше сопротивление проводника, тем больше он нагревается.

Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?

Спираль лампы должна выдерживать высокие температуры, значит нужно выбрать материал с высокой температурой плавления.

Наибольшей температурой плавления обладает вольфрам.

Свойства металла для нагревательных элементов.

Должен обладать наибольшим сопротивлением. (Q

Должен выдерживать высокие температуры.

Русский исследователь Эмилий Христианович Ленц и английский физик Джеймс Джоуль в 19 веке установили зависимость выделившейся теплоты от силы тока и сопротивления.

Количество теплоты прямо пропорционально квадрату силы тока в цепи, сопротивлению проводника и времени, в течение которого ток течет по проводнику.

Закон Джоуля — Ленца.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

Получим закон Джоуля-Ленца теоретическим путем. Используя закон Ома, запишем формулу для вычисления работы тока A=IUt в двух других формах.

В левых частях нижних равенств стоит работа тока. Выясним, как она связана с количеством теплоты, выделяющимся в проводнике с током. Для этого запишем первый закон термодинамики и выразим из него работу, совершенную над проводником:

Вспомним, что DU — это изменение внутренней энергии тела (проводника), Q — количество теплоты, отданное проводником (на это указывает «минус»), A’ — работа, совершенная над проводником.

Какая же работа совершается над проводником? Вы помните, что тепловое действие тока мы объясняем ударами электронов об ионы кристаллической решетки, в результате чего часть кинетической энергии электронов передается ионам, и их колебания усиливаются. А поскольку направленное движение электронов возникает за счет энергии электрического поля, то работу в проводнике с током совершают силы электрического поля.

Выясним теперь, что происходит с внутренней энергией проводника. Если ток в цепи только что включили, то проводник будет постепенно нагреваться, а его внутренняя энергия — увеличиваться. По мере роста температуры будет возрастать величина Dt° — разность между температурой проводника и температурой окружающей среды. Согласно закономерности Ньютона, будет возрастать и мощность теплоотдачи проводника в окружающую среду. Через некоторое время это приведет к тому, что температура проводника перестанет увеличиваться.

С этого момента внутренняя энергия проводника перестанет изменяться, то есть величина DU станет равной нулю. Тогда первый закон термодинамики для этого состояния проводника запишется так: A’ = -Q.

То есть если внутренняя энергия проводника не меняется, то работа тока полностью превращается в теплоту.

Используя этот вывод, запишем все три формулы для вычисления работы тока в другом виде.

Формула, заключенная в рамку, и была получена Джоулем и Ленцем опытным путем, а рисунке показана схема установки, при помощи которой можно экспериментально проверить справедливость закона Джоуля-Ленца. Силу тока измеряют амперметром, сопротивление проводника — вычисляют, используя показания вольтметра.

Термометром измеряют повышение температуры жидкости в калориметре. По формулам Q=I 2 Rt и Q=cmDt° подсчитывают количества теплоты. Теоретически оба значения должны совпадать. Это и проверяют на опыте.

Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах

Количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении постоянного электрического тока, определяется выражением:

где I — сила тока в проводнике, R — сопротивление проводника, t — время, в течение которого проходит электрический ток.

Если сила тока в проводнике изменяется со временем I = I(t), то количество теплоты, которое выделяется за бесконечно малый интервал времени, равно:

а количество теплоты, выделяемое за интервал времени равно:

Закон Джоуля-Ленца в интегральной форме.

За счет чего происходит нагревание проводника?

Рассмотрим однородный проводник, к концам которого приложено напряжение U. За время dt через каждое сечение проходит заряд

Работа по перемещению заряда

Учитывая, что U = RI (в соответствии с законом Ома), получим

т.е. нагревание проводника происходит за счет работы, совершаемой силами поля над носителями тока.

Для выражения закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме, представим следующие величины в виде:

где dl — длина выделенного проводника, ds — площадь поперечного сечения проводника, через которую проходит ток, плотность которого j. Тогда получим

Выражение — называется удельной мощностью тока Р_уд..

Таким образом, получим:

«Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме», т.е. удельная мощность тока пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Коэффициентом пропорциональности является удельная электропроводность проводника.

Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме носит совершенно общий характер, т. е. не зависит от природы сил, возбуждающих электрический ток. Закон Джоуля-Ленца, как показывает опыт, справедлив и для электролитов и для полупроводников.

В качестве примера технической реализации явления Джоуля-Ленца изображена лампочка накаливания.

Тепловое действие тока находит широкое применение в технике. В 1873 г. русский инженер А.Н. Лодыгин (1847-1923) впервые использовал тепловое действие тока для устройства электрического освещения (лампа накаливания). На нагревании проводников электрическим током основано действие электрических муфельных печей, электрической дуги (открыта в 1802 русским инженером В.В. Петровым (1761-1834)), контактной электросварки, бытовых электронагревательных приборов и т. д.