Закон электрического тока закон джоуля ленца: Закон Джоуля-Ленца — формулы, применение и примеры

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца – FIZI4KA

ОГЭ 2018 по физике ›

1. Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу, и электрическая энергия превращается в другие виды энергии: во внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля и пр.

Как было показано, напряжение ​\( (U) \)​ на участке цепи равно отношению работы ​\( (F) \)​, совершаемой при перемещении электрического заряда ​\( (q) \)​ на этом участке, к заряду: ​\( U=A/q \)​. Отсюда ​\( A=qU \)​. Поскольку заряд равен произведению силы тока ​\( (I) \)​ и времени ​\( (t) \)​ ​\( q=It \)​, то ​\( A=IUt \)​, т.е. работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.

Единицей работы является джоуль (1 Дж). Эту единицу можно выразить через электрические единицы:

​\( [A] \)​= 1 Дж = 1 В · 1 А · 1 с

Для измерения работы используют три измерительных прибора: амперметр, вольтметр и часы, однако, в реальной жизни для измерения работы электрического тока используют счётчики электрической энергии. 2Rt \)​.

Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока но проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Этот закон называют законом Джоуля-Ленца.

Содержание

  • ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
    • Часть 1
    • Часть 2
  • Ответы

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Силу тока в проводнике увеличили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в нём за единицу времени, при неизменном сопротивлении проводника?

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

2. Длину спирали электроплитки уменьшили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в спирали за единицу времени, при неизменном напряжении сети?

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

3. Сопротивления резистор ​\( R_1 \)​ в четыре раза меньше сопротивления резистора ​\( R_2 \)​. Работа тока в резисторе 2

1) в 4 раза больше, чем в резисторе 1
2) в 16 раз больше, чем в резисторе 1
3) в 4 раза меньше, чем в резисторе 1
4) в 16 раз меньше, чем в резисторе 1

4. Сопротивление резистора ​\( R_1 \)​ в 3 раза больше сопротивления резистора ​\( R_2 \)​. Количество теплоты, которое выделится в резисторе 1

1) в 3 раза больше, чем в резисторе 2
2) в 9 раз больше, чем в резисторе 2
3) в 3 раза меньше, чем в резисторе 2
4) в 9 раз меньше, чем в резисторе 2

5. Цепь собрана из источника тока, лампочки и тонкой железной проволоки, соединенных последовательно. Лампочка станет гореть ярче, если

1) проволоку заменить на более тонкую железную
2) уменьшить длину проволоки
3) поменять местами проволоку и лампочку
4) железную проволоку заменить на нихромовую

6. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения напряжения на концах двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока ​\( A_1 \)​ и ​\( A_2 \)​ в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​\( A_1=A_2 \)​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

7. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения силы тока в двух проводниках (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока \( A_1 \)​ и ​\( A_2 \) в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​\( A_1=A_2 \)​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

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

А. Большая сила тока будет в лампе мощностью 100 Вт.
Б. Большее сопротивление имеет лампа мощностью 60 Вт.

Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я)

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

9. Электрическая плитка, подключённая к источнику постоянного тока, за 120 с потребляет 108 кДж энергии. Чему равна сила тока в спирали плитки, если её сопротивление 25 Ом?

1) 36 А
2) 6 А
3) 2,16 А
4) 1,5 А

10. Электрическая плитка при силе тока 5 А потребляет 1000 кДж энергии. Чему равно время прохождения тока по спирали плитки, если её сопротивление 20 Ом?

1) 10000 с
2) 2000 с
3) 10 с
4) 2 с

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

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) электрическое сопротивление спирали
Б) сила электрического тока в спирали
B) мощность электрического тока, потребляемая плиткой

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

12. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
A) работа тока
Б) сила тока
B) мощность тока

ФОРМУЛЫ
1) ​\( \frac{q}{t} \)​
2) ​\( qU \)​
3) \( \frac{RS}{L} \)​
4) ​\( UI \)​
5) \( \frac{U}{I} \)​

Часть 2

13. Нагреватель включён последовательно с реостатом сопротивлением 7,5 Ом в сеть с напряжением 220 В. Каково сопротивление нагревателя, если мощность электрического тока в реостате составляет 480 Вт?

Ответы

Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током →

← Последовательное и параллельное соединения проводников

Закон Джоуля – Ленца: определение, формула, физический смысл

Пример HTML-страницы

Закон Джоуля – Ленца – закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Сформулирован этот закон был в 1841 году английским учёным Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 году известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он получил своё двойное название — закон Джоуля – Ленца.

Содержание

  1. Определение закона и формула
  2. Физический смысл закона Джоуля – Ленца
  3. Область применения

Определение закона и формула

Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность тепла, выделяемого в проводнике при протекании сквозь него электрического тока, пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:

ω = j • E = ϭ E²,

где ω — количество тепла, выделяемого в ед. объема;

E и j – напряжённость и плотность, соответственно, электрического полей;

σ — проводимость среды.

Физический смысл закона Джоуля – Ленца

Закон можно объяснить следующим образом: ток, протекая по проводнику, представляет собой перемещение электрического заряда под воздействием электрического поля. Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа расходуется на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

Но чрезмерный нагрев проводников с током и электрооборудования допускать нельзя, поскольку это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при коротких замыканиях проводов, когда по проводниках могут протекать достаточно большие токи.

В интегральной форме для тонких проводников закон Джоуля – Ленца звучит следующим образом: количество теплоты, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока на сопротивление участка.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

Q = ∫ k • I² • R • t,

при этом Q – количество выделившейся теплоты;

I – величина тока;

R — активное сопротивление проводников;

t – время воздействия.

Значение параметра k принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.

Закон Джоуля-Ленца имеет достаточно общий характер, поскольку не имеет зависимости от природы сил, генерирующих ток.

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Область применения

Областей применения в быту закона Джоуля Ленца – огромное количество. К примеру, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электрообогревателе и мн. др. Это наиболее широко распространенный физический закон в повседневной жизни.

Закон Джоуля-Ленца — QuickField FEA Software

Промышленность

Образовательная

Научная

Примеры задач

Истории успеха

Клиенты

Главная >> Применение s >> Примеры проблем >>
Закон Джоуля-Ленца

Пример имитации QuickField

В этом проверочном примере сравниваются ток и тепло Джоуля, генерируемое в проводнике, рассчитанные по закону Ома и закону Джоуля и рассчитанные в QuickField с использованием трех формул: проводимость постоянного тока, проводимость переменного тока и переходный электрический ток.

Геометрия

Закон Джоуля-Ленца Рассчитайте силу тока и джоулеву теплоту внутри проводника и сравните со значением, данным законом Джоуля-Ленца.
f = 50 Гц — частота во временных гармониках и задачах переходного магнитного поля;
г = 1 МС/м — электропроводность материала проводника.
L = 0,4 м — длина проводника.
А = 0,02*0,005 м² — площадь поперечного сечения проводника.

Задача
Рассчитайте ток и джоулеву теплоту внутри проводника и сравните со значением, полученным по закону Джоуля-Ленца.

Раствор
Чтобы поддерживать одинаковое значение джоулевой теплоты во всех составах, значение напряжения регулируется:
В задаче о временных гармониках значение пиковой амплитуды напряжения задается √2· В .
В переходном процессе электрическое напряжение устанавливается по формуле В(t) = √2· В · sin(2·180·50· t ).

Согласно закону Джоуля-Ленца * мощность нагрева, генерируемая электрическим током I :

Вт = Р * Я ²,
где сопротивление проводника равно R = (1/ g ) * ( L / A ).

Значение электрического тока может быть рассчитано I = V / R [A],

*Википедия: Джоулев нагрев.

Результаты

Сопротивление проводника Ом = (1/1e6) * (0,4/0,02*0,005) = 0,004 Ом

Ток: I = 0,1/0,004 = 25 А

Джоуля тепла Q = 0,004 * 25 * 25 = 2,5 Вт.

Проводимость постоянным током :

Временные гармоники (приведено пиковое значение тока, среднеквадратичное значение в √2 раза меньше, 35,355/1,4142 = 25 А):

Переходный электрический ток :

Время Текущий Джоулево тепло

0,01 с 0 А 0 Вт

0,0125 с 25 А 2,5 Вт

0,015 с 35,355 А 5 Вт

Тепловая мощность, Вт

Закон Джоуля-Ленца 2,5

Проводимость постоянным током 2,5

Временные гармоники 2,5

Электрические переходные процессы (усредненные по времени) 2,5
  • Видео: закон Джоуля-Ленца
  • Смотреть на YouTube.
  • Посмотреть отчет о моделировании в формате PDF
  • Загрузка файлов моделирования (файлы можно просматривать с помощью любой версии QuickField Edition).

Закон Джоуля – эффект Джоуля или тепловой эффект тока

Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль открыл закон Джоуля (также известный как эффект Джоэла, закон Джоуля-Ленца или первый закон Джоуля) в 1840-43 гг., который показывает соотношение между током, теплотой и сопротивлением в определенное время, т.е. когда ток течет через материал, он выделяет в нем тепло.

Содержание

Закон Джоуля

Закон Джоуля гласит, что «Если «I» ток в амперах протекает через резистор «R» в течение «t» секунд, то количество выполненной работы (преобразование электрической энергии в тепловую энергию) равно

Выполненная работа = Теплота = I 2 Rt     …     Джоули

или

WD = Теплота = VIt      …     Джоули      …    (∴ R = V/I)

или

WD = Теплота = Вт    …     Джоули      …     (∴ Вт = VI)

или

WD = Теплота = V 2 t/R      …     Джоули      …     (∴ I = V/R)

Совершенная работа – это количество тепловой энергии, преобразованной из электричества, которое рассеивается в воздухе. В этом случае произведенное количество тепла можно рассчитать, используя следующие формулы и уравнения.

Количество произведенного тепла = H = выполненная работа / механический эквивалент тепла = WD/J

Где:

  • Дж = 4187 Дж/ккал  = 4200 Дж/ккал (приблизительно)
  • ∴ H = I 2 Rt / 4200 ккал = VIt / 4200 ккал = Wt / 4200 ккал = V 2 t / 4200 ккал

Одна килокалория (ккал) – это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного килограмма (кг) воды на один градус по Цельсию (1°C).

Related Posts

  • Законы электростатики Кулона на примере
  • Законы магнитной силы Кулона – формула и решение Пример

Эффект нагревания тока

Почти все мы испытали на себе, что когда ток течет по проводнику или кабелю и проводу, он потом нагревается. Причина этой сцены заключается в том, что когда ток течет по проводнику, приложенная электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая увеличивает температуру проводника.

Мы знаем, что поток электронов в веществе называется электрическим током. Дрейфующие электроны в веществе сталкиваются друг с другом и электронами атомов молекул в веществе. Столкновение электронов производит тепло. Вот почему при протекании электрического тока в веществе выделяется тепло. Этот эффект известен как нагревательный эффект тока.

Тепло, выделяемое электрическим током, зависит от количества тока и материала этого вещества. Например,

Электрический ток производит больше тепла в изоляторах (тех материалах, которые сильно препятствуют прохождению тока в нем, например, вольфрам, нихром), в то время как количество тепла, выделяемого при протекании тока в проводниках (тех материалах, в которых ток течет очень легко из-за с меньшим или почти пренебрежимо малым сопротивлением (например, золото, медь, алюминий) меньше, чем у изоляторов).

Похожие сообщения:

  • Закон электромагнитной индукции Фарадея
  • Закон электромагнитной индукции Ленца

Почему от тепла светится элемент обогревателя, а не шнур обогревателя?

Как правило, нагревательный элемент обогревателей изготавливается из нихрома с очень высоким сопротивлением. Когда к нагревательному элементу через проволоку прикладывается напряжение питания, материал сильно сопротивляется потоку электронов в нем. Из-за дрейфа электронов внутри нагревательного материала электроны сталкиваются с электронами в атомах материала. Это непрерывное столкновение электронов нагревает и светит нагревательный элемент, который дополнительно обеспечивает тепловую энергию. Простыми словами, нагревательный элемент из нихрома преобразует электрическую энергию в тепловую. Весь этот процесс известен как нагревательный эффект тока.

С другой стороны, шнур, подключенный к обогревателю, выполнен из проводника, по которому легко протекает ток без заметного сопротивления. Поэтому светится только нагревательный элемент, а не кабель нагревателя.

Похожие сообщения:

  • Правило левой руки Флеминга и правило правой руки Флеминга
  • Правило большого пальца правой руки, правило штопора и правило конца или часов

Решенный пример по закону Джоуля теплового действия тока

Пример:

Электрический нагреватель содержит 1,6 кг воды при 20°C. Для повышения температуры до 100°C требуется 12 минут. Примем потери на излучение и нагрев котла равными 10 кг-калорий. Найдите номинальную мощность обогревателя.

Раствор

Теплота, необходимая для повышения температуры 1,6 кг воды до точки кипения = 1,6 x 100 x 1 x (100 – 20) кал.

= 128000 кал.

Потеря тепла = 10 x 1000 = 10000 кал.

Общая теплота = 128000) + 10000 = 138000 кал.

Произведенное тепло = Wt = (Вт x 12 x 60) / 4,2 кал.

Произведенное тепло = тепло, полученное нагревателем, т.е. 0,8 кВт

  • Сообщение по теме: Почему светится нагревательный элемент, а не шнур обогревателя?

Применение эффекта Джоуля или теплового эффекта тока

Закон Джоуля или тепловой эффект электрического тока используются во многих бытовых и промышленных применениях. Ниже приведены приборы и устройства, использующие действие электрического тока.

  • Электрические обогреватели, печи, водонагреватели и нагревательные элементы
  • Электрический утюг для одежды
  • Электрическая плита
  • Электросварка
  • Пищевая промышленность
  • Нить накала ламп накаливания и электрических лампочек
  • ИК-тепловизион (ИК-термография (ИКТ) лампочки накаливания
  • Нагреватели сопротивления, обогреватели (электрические радиаторы), погружные нагреватели Нагреватели PTC, патронные нагреватели и тепловентиляторы
  • Фены
  • Паяльник
  • Плавкие предохранители и плавкие элементы

Помимо этих полезных применений нагревательного эффекта тока, есть и некоторые недостатки, такие как потери электроэнергии (I 2 R) в линиях электропередач HVAC (переменного тока высокого напряжения) из-за того, что некоторое сопротивление материала линий электропередач.