Džeimss Preskots Džouls (pa kreisi) un Emīls Kristiovičs Lencs (pa labi)

Cilvēce ir izmantojusi dažādu veidu elektriskos sildītājus gadsimtiem ilgi, pateicoties elektriskās strāvas īpašībai radīt siltumu, ejot cauri vadītājam. Šai parādībai ir arī negatīvs faktors – pārkarsēta elektroinstalācija pārāk lielas strāvas dēļ bieži izraisīja īssavienojumus un ugunsgrēkus. Siltuma izdalīšanās no elektriskās strāvas darba tika pētīta skolas fizikas kursā, taču daudzi šīs zināšanas ir aizmirsuši.

Pirmo reizi siltuma izdalīšanās atkarību no elektriskās strāvas stipruma formulēja un matemātiski noteica Džeimss Džouls 1841. gadā, bet nedaudz vēlāk, 1842. gadā, neatkarīgi no viņa, Emīls Lencs. Par godu šiem fiziķiem tika nosaukts Džoula-Lenca likums, ko izmanto, lai aprēķinātu elektrisko sildītāju jaudu un siltuma zudumus elektropārvades līnijās.

Džoula-Lenca likuma definīcija

Verbālā definīcijā, saskaņā ar Džoula un Lenca pētījumu, likums izklausās šādi:

Siltuma daudzums, kas izdalās noteiktā vadītāja tilpumā elektriskās strāvas plūsmas laikā, ir tieši proporcionāls elektriskās strāvas blīvuma reizinājumam un elektriskā lauka intensitātes lielumam

Formulas formā šis likums izskatās šādi:

Džoula-Lenca likuma izteiksme

Tā kā iepriekš aprakstītie parametri ikdienas dzīvē tiek reti izmantoti un ņemot vērā to, ka gandrīz visi ikdienas aprēķini par siltuma izdalīšanos no elektriskās strāvas darba attiecas uz plāniem vadītājiem (kabeļiem, vadiem, kvēldiega kvēldiegiem, strāvas vadiem, vadošiem celiņiem uz tāfeles utt.), izmantojiet Džoula Lenca likumu ar formulu integrālā formā:

Likuma neatņemama forma

Verbālajā definīcijā Džoula Lenca likums izklausās šādi:

Džoula-Lenca likuma verbālā definīcija

Ja pieņemam, ka vadītāja strāvas stiprums un pretestība laika gaitā nemainās, tad Džoula-Lenca likumu var uzrakstīt vienkāršotā formā:

Piemērojot Ohma likumu un algebriskās transformācijas, mēs iegūstam līdzvērtīgas formulas:

Ekvivalentas siltuma izpausmes saskaņā ar Ohma likumu

Džoula–Lenca likuma pielietojums un praktiskā nozīme

Džoula un Lenca pētījumi siltuma ģenerēšanas jomā no elektriskās strāvas darba būtiski virzīja zinātnisko izpratni par fizikāliem procesiem, un atvasinātās pamatformulas nav mainījušās un tiek izmantotas līdz pat mūsdienām dažādās zinātnes un tehnikas nozarēs. Elektrotehnikas jomā var izdalīt vairākas tehniskas problēmas, kur kritisks ir strāvas plūsmas laikā izdalītā siltuma daudzums nozīmē aprēķinot šādus parametrus:

• siltuma zudumi elektropārvades līnijās;
• elektroinstalācijas tīklu vadu raksturlielumi;
• elektrisko sildītāju siltuma jauda (siltuma daudzums);
• automātisko slēdžu darba temperatūra;
• drošinātāju kušanas temperatūra;
• dažādu elektroierīču un radiotehnikas elementu siltuma ražošana.

Elektriskās ierīces, kas izmanto strāvas termisko darbu

Elektriskās strāvas termiskais efekts elektrolīniju (elektrības līniju) vados ir nevēlams, jo siltuma ražošanas rezultātā rodas ievērojami elektroenerģijas zudumi.

Saskaņā ar dažādiem avotiem līdz pat 40% no visas pasaulē saražotās elektroenerģijas tiek zaudēti elektrolīnijās. Lai samazinātu zudumus, pārvadot elektroenerģiju lielos attālumos, elektrolīnijās tiek palielināts spriegums, veicot aprēķinus, izmantojot Džoula-Lenca likuma atvasinātās formulas.

Visu veidu elektroenerģijas zudumu diagramma, no kuriem lauvas tiesu (64%) veido siltuma zudumi gaisvadu līnijās

Ļoti vienkārši strāvas termisko darbu var raksturot šādi: elektroni pārvietojas starp molekulām un ik pa laikam saduras ar tām, izraisot to termiskās vibrācijas kļūst intensīvākas. Strāvas termiskā darba vizuāls demonstrējums un procesu asociatīvie skaidrojumi ir parādīti zemāk esošajā videoklipā:

Elektroenerģijas zudumu aprēķini elektrolīnijās

Kā piemēru varam ņemt hipotētisku elektrolīnijas posmu no elektrostacijas līdz transformatoru apakšstacijai. Tā kā elektrolīnijas vadi un elektroenerģijas patērētājs (transformatoru apakšstacija) ir savienoti secīgi, tad caur tiem plūst tāda pati strāva I Saskaņā ar šeit aplūkoto Džoula–Lenca likumu uz vadiem izdalīto siltuma daudzumu Q w (siltuma zudumi) aprēķina pēc formulas:

Slodzes elektriskās strāvas radīto jaudu (Q c) aprēķina saskaņā ar Ohma likumu:

Tādējādi, ja strāvas ir vienādas, pirmajā formulā I vietā var ievietot izteiksmi Q c /U c, jo I = Q c /U c:

Ja ignorējam vadītāja pretestības atkarību no temperatūras izmaiņām, tad Rw varam uzskatīt par nemainīgu (konstantu). Tādējādi pie stabila patērētāja (transformatoru apakšstacijas) enerģijas patēriņa siltuma izdalīšanās elektrolīnijas vados būs apgriezti sprieguma kvadrāts līnijas beigu punktā. Citiem vārdiem sakot, jo augstāks ir pārraides spriegums, jo mazāk tiek zaudēta elektrība.

Augstsprieguma elektroenerģijas pārvadei nepieciešami lieli pārvades torņi

Džoula-Lenca likuma darbība ikdienas dzīvē

Šie aprēķini ir spēkā arī ikdienā, pārraidot elektrību nelielos attālumos – piemēram, no vēja ģeneratora uz invertoru. Ar autonomu barošanas avotu tiek novērtēts katrs zemsprieguma vējdzirnavu saražotās enerģijas vats, un var būt izdevīgāk palielināt spriegumu ar transformatoru tieši pie vēja ģeneratora, nevis tērēt naudu liela kabeļa šķērsgriezuma iegādei. lai samazinātu elektroenerģijas zudumus pārraides laikā.

Ja zemsprieguma maiņstrāvas vēja ģenerators atrodas ievērojamā attālumā, lai samazinātu elektroenerģijas zudumus, izdevīgāk būs pieslēgt caur pakāpju transformatoru

Mājsaimniecības elektroinstalācijas tīklos attālumi ir ārkārtīgi mazi, lai samazinātu siltuma zudumus un palielinātu spriegumu, tāpēc, aprēķinot elektroinstalāciju, saskaņā ar Džoula-Lenca likumu, izvēloties elektroinstalāciju, tiek ņemts vērā strāvas termiskais darbs. vadu šķērsgriezumu, lai tie termiskā apkure neizraisīja izolācijas un apkārtējo materiālu kušanu vai aizdegšanos. Kabeļu izvēle, pamatojoties uz strāvas padevi un elektrisko vadu, tiek veikta saskaņā ar tabulām un normatīvajiem dokumentiem PUE, un tas ir detalizēti aprakstīts citās šī resursa lapās.

Saistība starp strāvas stiprumu un vadītāja šķērsgriezumu

Aprēķinot radiotehnikas elementu, slēdža bimetāla plāksnītes vai drošinātāja sildīšanas temperatūru, Džoula-Lenca likumu izmanto integrālā veidā, jo šo materiālu pretestība mainās, palielinoties temperatūrai. Šajos sarežģītajos aprēķinos ir ņemta vērā arī siltuma pārnese, apkure no citiem siltuma avotiem, iekšējā siltuma jauda un daudzi citi faktori.

Pusvadītāju ierīces siltuma izkliedes programmatūras simulācija

Noderīgs elektriskās strāvas termiskais darbs

Elektriskās strāvas siltumu ģenerējošo darbu plaši izmanto elektriskajos sildītājos, kuros izmanto virkni dažādu pretestību vadītāju. Šis princips darbojas šādi: virknē savienotajos vadītājos plūst viena strāva, kas nozīmē, ka saskaņā ar Džoula-Lenca likumu no vadītāja materiāla ar lielāku pretestību izdalīsies vairāk siltuma.

Spole ar paaugstinātu pretestību uzsilst, bet padeves vadi paliek auksti

Tādā veidā plīts strāvas vads un svina vadi saglabājas salīdzinoši vēsi, kamēr sildelements uzsilst līdz sarkanai svelmes temperatūrai. Kā materiāli sildelementu vadītājiem tiek izmantoti sakausējumi ar paaugstinātu pretestību (attiecībā pret vara un alumīnija elektroinstalāciju) - nihroms, konstantāns, volframs un citi.

Kvēlspuldzes kvēldiegs ir izgatavots no ugunsizturīgiem volframa sakausējumiem

Pieslēdzot vadus paralēli, siltuma veidošanās būs lielāka uz sildelementa ar mazāku pretestību, jo, tai samazinoties, palielinās relatīvās blakus esošās ķēdes sastāvdaļas strāva. Kā piemēru varam minēt acīmredzamu divu dažādas jaudas kvēlspuldžu mirdzēšanas piemēru - jaudīgākai lampai ir lielāka siltuma izdalīšanās un gaismas plūsma.

Ja pārbaudīsit spuldzi ar ommetru, izrādīsies, ka jaudīgākajai lampai ir mazāka pretestība. Zemāk esošajā video autors demonstrē seriālos un paralēlos savienojumus, bet diemžēl komentārā pieļāva kļūdu - lampa ar liels pretestība, nevis otrādi.

Mehāniskais darbs -Šofiziskais daudzums, kurš irskalārsdarbības kvantitatīvais mērsspēksvai spēki uz ķermeni vai sistēmu atkarībā no skaitliskā lieluma, spēka(-u) virziena un tālākkustībaspunkts(-i), ķermenis vai sistēma

Elektriskās strāvas jauda Laika vienībā paveikto darbu sauc par jaudu un apzīmē ar burtu P.

A = P × t.

Strāvas bloks:

Jauda tiek mērīta ar vatmetru. Džoula-Lenca likums- siltuma jauda, ​​kas izdalās uz vides tilpuma vienību elektriskās strāvas plūsmas laikā, ir proporcionāla elektriskās strāvas blīvuma un elektriskā lauka intensitātes lieluma reizinājumam.

kur ir siltuma ražošanas jauda uz tilpuma vienību, ir elektriskās strāvas blīvums, ir elektriskā lauka stiprums, σ ir barotnes vadītspēja, un punkts apzīmē skalāro reizinājumu.

.Neatņemamā formāšim likumam ir forma (strāvas plūsmai tievos vados)

: Siltuma daudzums, kas izdalās laika vienībā aplūkojamās ķēdes posmā, ir proporcionāls šīs sadaļas strāvas spēka un sekcijas pretestības kvadrāta reizinājumam.

Kur dQ- siltuma daudzums, kas izdalās noteiktā laika periodā dt, es- strāvas stiprums, R- pretestība, J- kopējais izdalītais siltuma daudzums laika periodā no plkst t 1 pirms tam t 2 . Pastāvīgas strāvas un pretestības gadījumā:

Džoula-Lenca likuma atvasinājums diferenciālā formā:

Ja strāva iet caur stacionāru metāla vadītāju, tad viss strāvas veiktais darbs tiek sildīts un saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu

Tādējādi mēs iegūstam:

Šis izteiciens atspoguļo Džoula-Lenca likumu.

35. Metālu klasiskā elektroniskā teorija. Līdzstrāvas likumu atvasināšana, pamatojoties uz šo teoriju. Metālu elektriskās vadītspējas kvantu teorijas jēdziens.

Strāvas nesēji metālos ir brīvie elektroni, tas ir, elektroni, kas vāji saistīti ar metāla kristāla režģa joniem. Šī ideja par strāvu nesēju būtību metālos ir balstīta uz metāla vadītspējas elektronisko teoriju, ko izveidojis vācu fiziķis P. Drude.

Drudes teorijas pamatpieņēmumi.1) ja nav ārējo elektromagnētisko lauku, katrs elektrons kustas ar nemainīgu ātrumu taisnā līnijā. Turklāt tiek uzskatīts, ka ārējo lauku klātbūtnē elektrons pārvietojas saskaņā ar Ņūtona likumiem; šajā gadījumā tiek ņemta vērā tikai šo lauku ietekme, neņemot vērā sarežģītus papildu laukus, ko rada citi elektroni un joni. brīvo elektronu pieeja. 2) Drude modelī sadursmes ir momentāni notikumi, kas pēkšņi maina elektrona ātrumu. Drude tos saistīja ar faktu, ka elektroni atlec no necaurlaidīgajiem jonu kodoliem 3) laika vienībā, elektrons piedzīvo sadursmi ar varbūtību, kas vienāda ar . Vienkāršākajos Drude modeļa pielietojumos tiek uzskatīts, ka relaksācijas laiks nav atkarīgs no elektrona telpiskā stāvokļa un tā ātruma. 4) Tiek pieņemts, ka elektroni nonāk termiskā līdzsvara stāvoklī ar apkārtējo vidi tikai sadursmju dēļ.

Elektriskās strāvas pamatlikumu atvasināšana klasiskajā metālu elektrovadītspējas teorijā

1. Oma likums. Brīvā ceļa laikā elektroni pārvietojas vienmērīgi paātrināti, iegūstot ātrumu brīvā ceļa beigās

Saskaņā ar Drudes teoriju brīvā ceļa beigās elektrons, saduroties ar režģa joniem, dod tiem laukā uzkrāto enerģiju, tāpēc tā sakārtotās kustības ātrums kļūst vienāds ar nulli. Līdz ar to elektrona virziena kustības vidējais ātrums

Klasiskā metālu teorija neņem vērā elektronu ātruma sadalījumu, tāpēc Ohma likumu ieguvām diferenciālā formā

2. Džoula-Lenca likums. Līdz brīvā ceļa beigām elektrons lauka ietekmē iegūst papildu kinētisko enerģiju

Kad elektrons saduras ar jonu, šī enerģija pilnībā tiek pārnesta uz režģi un dodas palielināt metāla iekšējo enerģiju, t.i., lai to uzsildītu.

No tā izriet, ka izteiksme ir Džoula-Lenca likums diferenciālā formā.

Metālu elektriskās vadītspējas kvantu teorija - elektriskās vadītspējas teorija, kuras pamatā ir kvantu mehānika un Fermi-Diraka kvantu statistika, .

Metālu elektriskās vadītspējas kvantu teorija jo īpaši izskaidro īpatnējās vadītspējas atkarību no temperatūras:

Kvantu teorija aplūko elektronu kustību, ņemot vērā to mijiedarbību ar kristālisko režģi. Saskaņā ar viļņu daļiņu dualitāti elektronu kustība ir saistīta ar viļņu procesu. Ideāls kristāla režģis) uzvedas kā optiski viendabīga vide - tā neizkliedē “elektronu viļņus”. Tas atbilst faktam, ka metāls nenodrošina nekādu pretestību elektriskajai strāvai - sakārtotai elektronu kustībai. Šķiet, ka "elektronu viļņi", kas izplatās ideālā kristāla režģī, iet ap režģa mezgliem un ceļo ievērojamus attālumus.

Reālā kristāla režģī vienmēr ir neviendabības, kas var būt, piemēram, piemaisījumi vai vakances; neviendabīgumu izraisa arī termiskās svārstības. Īstā kristāla režģī “elektronu viļņus” izkliedē neviendabīgums, kas ir metālu elektriskās pretestības cēlonis. “Elektronu viļņu” izkliedi neviendabīgumu dēļ, kas saistītas ar termiskām vibrācijām, var uzskatīt par elektronu sadursmi ar fononiem.

Saskaņā ar klasisko teoriju áu F ñ ~ ÖT, tāpēc tā nevarēja izskaidrot patieso atkarību plkst uz temperatūru. Kvantu teorijā vidējais ātrums áu F ñ praktiski nav atkarīgs no temperatūras, jo ir pierādīts, ka, mainoties temperatūrai, Fermi līmenis praktiski nemainās. Tomēr, paaugstinoties temperatūrai, palielinās “elektronu viļņu” izkliede uz režģa termiskajām vibrācijām (uz fononiem), kas atbilst elektronu vidējā brīvā ceļa samazinājumam. Istabas temperatūrā b l F ñ ~ T -1, tāpēc, ņemot vērā áuñ neatkarību no temperatūras, iegūstam, ka metālu pretestība (R ~ l/g) saskaņā ar eksperimentālajiem datiem tas palielinās proporcionāli T . Tādējādi metālu elektriskās vadītspējas kvantu teorija novērsa šīs klasiskās teorijas grūtības.

№36 Elektronu darba funkcija, kas atstāj metālus. Līdzstrāvas likumu atvasināšana, pamatojoties uz formu.

Kā liecina pieredze, parastā temperatūrā brīvie elektroni praktiski neatstāj metālu. Tāpēc metāla virsmas slānī ir jābūt aizkavējošam elektriskam laukam, kas neļauj elektroniem iziet no metāla apkārtējā vakuumā. Darbu, kas nepieciešams, lai elektronu noņemtu no metāla vakuumā, sauc par darba funkciju.

Kontakts ir tad, kad saskaras divi dažādi metāli un starp tiem rodas dažādi potenciāli. Kontakta potenciālu atšķirība ir saistīta ar faktu, ka, saskaroties metāliem, daži elektroni no viena metāla pāriet uz otru.

kur e ir elektronu lādiņš un izejas potenciāls.

kur m, e ir attiecīgi elektrona masa un lādiņš, kā arī elektrona ātrums pirms un pēc atstāšanas no metāla. Saskares potenciāla starpība starp pirmo un otro metālu ir vienāda ar darba funkciju starpību otrajam un pirmajam metālam, kas dalīta ar elementāro lādiņu.

Termoelektrisks parādība - pastāv saistība starp termiskajiem un elektriskajiem procesiem metālos un pusvadītājos.

№37 Pusvadītāji.

Pusvadītājs- materiāls, kas īpatnējās vadītspējas ziņā ieņem starpstāvokli starp vadītājiem un dielektriķiem un atšķiras no vadītājiem ar īpatnējās vadītspējas spēcīgo atkarību no piemaisījumu koncentrācijas, temperatūras un dažāda veida starojuma iedarbības. Pusvadītāja galvenā īpašība ir elektriskās vadītspējas palielināšanās, palielinoties temperatūrai.

Pusvadītāji ir vielas, kuru joslas sprauga ir vairāku elektronvoltu (eV) robežās. Piemēram, dimantu var klasificēt kā platas spraugas pusvadītāji, un indija arsenīds - uz šaura sprauga. Pusvadītājos ietilpst daudzi ķīmiskie elementi (germānija, silīcijs, selēns, telūrs, arsēns un citi), milzīgs skaits sakausējumu un ķīmisko savienojumu (gallija arsenīds utt.). Gandrīz visas neorganiskās vielas pasaulē ap mums ir pusvadītāji. Dabā visizplatītākais pusvadītājs ir silīcijs, kas veido gandrīz 30% no zemes garozas.

Atkarībā no tā, vai piemaisījuma atoms atdod elektronu vai to uztver, piemaisījumu atomus sauc par donora vai akceptora atomiem. Piemaisījuma raksturs var atšķirties atkarībā no tā, kuru kristāla režģa atomu tas aizstāj un kurā kristalogrāfiskajā plaknē tas ir iestrādāts.

Nr.38 Magnētiskais lauks. Amperu jauda. Magnētiskā lauka indukcija. Lorenca spēks. Lādētu daļiņu kustība magnētiskajā laukā.

Magnētiskais lauks- spēka lauks, kas iedarbojas uz kustīgiem elektriskiem lādiņiem un ķermeņiem ar magnētisku momentu neatkarīgi no to kustības stāvokļa; elektromagnētiskā lauka magnētiskā sastāvdaļa

Magnētisko indukciju noteiktā vienmērīga magnētiskā lauka punktā nosaka maksimālais griezes moments, kas iedarbojas uz rāmi ar magnētisko momentu, kas vienāds ar vienību, kad rāmja normāls ir perpendikulārs lauka virzienam. Magnētiskais lauks ir spēka lauks, tad, pēc analoģijas ar elektrisko, to attēlo, izmantojot magnētiskās indukcijas līnijas - līnijas, kuru pieskares katrā punktā sakrīt ar vektora B virzienu. To virzienu nosaka noteikums labās skrūves: skrūves galva, kas ieskrūvēta strāvas virzienā, griežas magnētiskās indukcijas līniju virzienā.

Magnētiskajam laukam ir orientējoša ietekme uz strāvu nesošo rāmi. Līdz ar to rāmja piedzīvotais griezes moments ir spēku iedarbības uz tā atsevišķiem elementiem rezultāts. Ampere konstatēja, ka spēks dF, ar kādu magnētiskais lauks iedarbojas uz vadītāja elementu d / ar strāvu, kas atrodas magnētiskajā laukā, ir vienāds ar

Kur df ir vektors, kura lielums ir vienāds ar dl un sakrīt virzienā ar strāvu, B ir magnētiskās indukcijas vektors.

Vektora d F virzienu var atrast, izmantojot vektora reizinājuma vispārīgos noteikumus, no kuriem izriet kreisās puses noteikums:

Pieredze rāda, ka magnētiskais lauks iedarbojas ne tikai uz strāvu nesošiem vadītājiem, bet arī uz atsevišķiem lādiņiem, kas pārvietojas magnētiskajā laukā Spēku, kas iedarbojas uz elektrisko lādiņu Q, kas pārvietojas magnētiskajā laukā ar ātrumu v, sauc par Lorenca spēku un ir izteikts

Kur B ir magnētiskā lauka indukcija, kurā lādiņš pārvietojas.

Lorenca spēka virzienu nosaka, izmantojot kreisās puses likumu:

№39 Biota-Savarta-Laplasa likums. Tiešo un cirkulāro strāvu magnētiskais lauks. Kustīga lādiņa magnētiskais lauks.

Biota-Savarta likums-Laplass vadītājam ar noteci I, kura elements dl kādā punktā A rada (166. att.) lauka indukciju dB, raksta formā. kur dl ir vektors, modulis vienāds ar vadītāja elementa garumu dl un sakrīt virzienā ar strāvu; r ir rādiusa vektors, kas novilkts no vadītāja elementa dl uz lauka punktu A r ir rādiusa vektora modulis Virziens dB ir perpendikulārs df un r, t.i. perpendikulāri plaknei, kurā tie atrodas, un sakrīt ar magnētiskās indukcijas līnijas pieskari Šo virzienu var iestatīt saskaņā ar magnētiskās indukcijas līniju atrašanas noteikumu (labās skrūves noteikums): skrūves galvas griešanās virziens norāda virzienu. dD ja skrūves translācijas kustība atbilst strāvas virzienam elementā . Vektora lielumu dB nosaka izteiksme kur a ir leņķis starp vektoriem dl un r. Magnētiskajam laukam, tāpat kā elektriskajam laukam, ir spēkā superpozīcijas princips: vairāku strāvu vai kustīgu lādiņu radītā lauka magnētiskās indukcijas vektors ir vienāds ar pievienoto lauku magnētiskās indukcijas vektoru summu. katru pašreizējo vai kustīgo lādiņu atsevišķi: Līdzstrāvas magnētiskais lauks-strāva, kas plūst caur tievu bezgala garuma taisnu vadu. Patvaļīgā punktā A, kas atrodas tālu no vadītāja ass attālumā R, vektoriem dB no visiem strāvas elementiem ir vienāds virziens, kas ir perpendikulārs zīmējuma plaknei (“pret mums”). Tāpēc vektoru pievienošanu dB var aizstāt ar to moduļu pievienošanu. Kā integrācijas konstanti izvēlamies leņķi a (leņķi starp vektoriem d/ un r), caur to izsakot visus pārējos lielumus.

Magnētiskais lauks apļveida vadītāja centrā, kas nes strāvu-Kā izriet no (1) attēla, visi apļveida vadītāja elementi ar strāvu rada magnētiskos laukus tā paša virziena centrā - gar normālu no pagrieziena. Tāpēc vektoru pievienošanu dB var aizstāt ar to moduļu pievienošanu Tā kā visi vadītāja elementi ir perpendikulāri rādiusa vektoram (sina = 1) un visu vadītāja elementu attālumam līdz apļveida strāvas centram. ir vienāds un vienāds ar R, tad saskaņā ar

Līdz ar to lauka magnētiskā indukcija atrodas apļveida vadītāja centrā ar strāvu. Katrs vadītājs, kas nes strāvu, rada magnētisko lauku apkārtējā telpā.

Lauks. Elektriskā strāva atspoguļo sakārtotu elektrisko lādiņu kustību, tāpēc mēs varam teikt, ka jebkurš lādiņš, kas pārvietojas vakuumā vai vidē, rada ap sevi magnētisko lauku. Eksperimentālo datu vispārināšanas rezultātā tika izveidots likums, kas definē punktveida lādiņa Q lauku B, kas brīvi pārvietojas ar nerelativistisku ātrumu v. Ar lādiņa brīvu kustību saprotam tā kustību ar nemainīgu ātrumu. Formula 12, kur r ir rādiusa vektors, kas novilkts no lādiņa Q uz novērošanas punktu M. Nr. 40 Kopējās strāvas likums. Solenoīda un toroid magnētiskais lauks. Magnētiskā plūsma. Kopējā strāva ir to strāvu algebriskā summa, kas iet caur virsmu, ko ierobežo slēgta cilpa. Mūsu piemērā kopējā strāva Σ I ir strāvu I 1 un I 2 summa:

Σ I = I 1 - I 2

Strāvu pazīmes nosaka karkasa noteikums.

Tagad atradīsim magnētisko spriegumu pa kontūru L. Mēs sadalām kontūru segmentos, kurus var uzskatīt par taisniem, un magnētiskais lauks segmentu atrašanās vietā ir vienmērīgs. Magnētiskais spriegums U m vienam šādam segmentam ar garumu ΔL:

Magnētiskais spriegums visā ķēdē L (sk. Magnētiskais spriegums)

U L = Σ H L * ΔL

Kopējā strāva ir vienāda ar magnētisko spriegumu visā ķēdē:

Σ I = Σ H L * ΔL Magnētiskais spriegums slēgtā kontūrā bieži tiek saukts magnetomotīves spēks. Vēl viens magnētiskā sprieguma nosaukums slēgtā cilpā ir magnetizējošais spēks.

Kopējās strāvas likuma definīcija: magnetomotīves spēks F pa slēgtu kontūru L ir vienāds ar kopējo strāvu Σ I, kas iekļūst virsmā, ko ierobežo šī kontūra. Kopējā pašreizējā likuma formula:

F = Σ I Magnētiskā plūsmaФ caur virsmu S ir magnētiskās indukcijas vektora B līniju skaits, kas iet caur virsmu S.

Magnētiskās plūsmas formula:

šeit α ir leņķis starp magnētiskās indukcijas vektora B virzienu un virsmas S normālu.

No magnētiskās plūsmas formulas ir skaidrs, ka maksimālā magnētiskā plūsma būs pie cos α = 1, un tas notiks tad, kad vektors B ir paralēls virsmas S normai. Minimālā magnētiskā plūsma būs pie cos α = 0, tas notiks, kad vektors B ir perpendikulārs virsmas S normālajam, jo ​​šajā gadījumā vektora B līnijas slīdēs pa virsmu S, to nekrustot. Un saskaņā ar magnētiskās plūsmas definīciju tiek ņemtas vērā tikai tās magnētiskās indukcijas vektora līnijas, kas krustojas ar noteiktu virsmu.

Magnētisko plūsmu mēra veberos (voltsekundēs): 1 wb = 1 v * s. Turklāt Maxwell izmanto magnētiskās plūsmas mērīšanai: 1 wb = 10 8 μs. Attiecīgi 1 μs = 10 -8 vb.

Magnētiskā plūsma ir skalārs lielums.

 Teorija: Kad elektriskā strāva iet caur vadītāju, vadītājs uzsilst (dzelzs, lokšķēres, lodāmurs).
Siltuma daudzums, ko rada vadītājs, kas nes strāvu, ir vienāds ar strāvas kvadrātu, kas reizināts ar vadītāja pretestību un laiku, kas nepieciešams elektriskās strāvas pārejai. Q=I 2 Rt

Vai arī ņemot vērā Oma likumu:

Kāds siltuma daudzums 10 minūtēs izdalās stieples spirālē ar pretestību 15 omi, ja strāva spirālē ir 2 A?
Risinājums: Q=I 2 Rt, mēs visi zinām, ka I=2A, R=15Ohm, t=10min=600s.
Q=2 2 ·15·600=36000 J = 36 kJ.
Atbilde: 36 kJ

OGE uzdevums fizikā (fipi): Elektriskais lodāmurs ir pievienots 220 V ķēdei 5 minūšu laikā tas izlaida 36,3 kJ siltuma daudzumu. Kāda ir lodāmura pretestība?
OGE uzdevums fizikā (fipi): Divas elektriskās plīts spirāles ar pretestību 10 omi ir savienotas virknē un savienotas ar tīklu ar spriegumu 220 V. Cik ilgs laiks būs nepieciešams, lai 1 kg sver ūdeni, kas ielej 300 g smagā alumīnija pannā, vāra uz šīs plīts, ja to sākotnējā temperatūra bija 20 ° C? Neņemiet vērā enerģijas zudumus apkārtējā gaisa sildīšanai.

Ņemot vērā:	SI	Risinājums:
R0 = 10 omi U = 220 V t 1 = 20 °C t 2 = 100 °C m 1 = 1 kg m 2 = 300 g s 1 = 4200 J/(°C kg) s 2 = 920 J/(°C kg)	0,3 kg	Q 1 =c 1 m 1 (t 2 -t 1) - siltuma daudzums, kas jānodod ūdenim, kas sver 1 kg, lai to uzsildītu no 20 °C temperatūras līdz viršanas temperatūrai 100 °C. Q 1 =4200·1·(100-20)=336000 J Q 2 =c 2 m 2 (t 2 -t 1) - siltuma daudzums, kas jāpārnes uz alumīnija pannu, kas sver 300 g, lai to uzsildītu no 20 ° C temperatūras līdz viršanas temperatūrai 100 ° C . Q2 =920·0,3·(100-20)=22080 J tā kā mēs neņemam vērā enerģijas zudumus apkārtējā gaisa sildīšanai, iegūstam, ka Q = Q 1 + Q 2 enerģija, kas izdalās uz elektriskajām plītīm. Q=336000+22080=358080 J Virknē ir savienotas divas elektriskās flīzes spirāles ar pretestību 10 omi, flīzes kopējā pretestība ir R = R 0 + R 0, R = 10 + 10 = 20 omi. Saskaņā ar Džoula-Lenca likumu Izteiksim laiku: mēs saņemam Atbilde: 148 s
t - ?

OGE uzdevums fizikā: Pirmā katla pretestība R 1 ir 3 reizes lielāka nekā otrā katla pretestība R 2. Savienojot ar to pašu tīklu, siltuma daudzums, ko laika vienībā izdala pirmais katls, salīdzinot ar otro
1) 3 reizes vairāk
2) 3 reizes mazāk
3) 9 reizes vairāk
4) par 9 griezumiem mazāk
Risinājums: Kad savienojums ir savienots ar to pašu tīklu, saskaņā ar Oma likumu otrā katla strāvas stiprums ir lielāks, jo otrā katla pretestība ir trīs reizes mazāka, saskaņā ar Džoula-Lenca likumu Q = I 2 Rt, trīs reizes mazāk siltuma būs. jāatlaiž pie pirmā rezistora.
Atbilde: 2.
OGE uzdevums fizikā: Elektriskā plīts ar strāvu 6 A patērē 1080 kJ enerģijas. Cik ilgs laiks nepieciešams, lai strāva izietu pa flīzes spirāli, ja tās pretestība ir 25 omi?
1) 7200 s
2) 1200 s
3) 7,2 s
4) 1,2 s

OGE uzdevums fizikā: Elektriskā plīts ir pieslēgta 220 V tīklam Cik daudz enerģijas patērē plīts 20 minūšu darbības laikā, ja caur tās spoli plūst strāva?
1) 22 kJ
2) 110 kJ
3) 1320 kJ
4) 4840 kJ
Risinājums: no Oma likuma vispirms atrodam pretestību, R = 220/5 = 44 omi, t = 20 min = 1200 s, saskaņā ar Džoula – Lenca likumu Q=(220·220·1200)/44= 1320000 J = 1320 kJ.
Atbilde: 3
OGE uzdevums fizikā (fipi): Elektriskā plīts ar strāvu 6 A patērē 108 kJ enerģijas 120 s. Kāda ir flīžu spirāles pretestība?
OGE uzdevums fizikā (fipi): 220 V tīklam pieslēgta elektriskā spuldze 30 minūtēs patērē 1980 kJ elektroenerģijas. Kāds ir strāvas stiprums, kas plūst pa tās spirāli?

OGE uzdevums fizikā (fipi): Cik ilgi elektriskajam sildītājam uzvārīs 2,2 kg ūdens, kura sākotnējā temperatūra ir 10 °C? Strāva sildītājā ir 7 A, tīkla spriegums ir 220 V, sildītāja efektivitāte ir 45%.
Risinājums: Caur sildītāju plūstot elektriskā strāva, tiek atbrīvota enerģija, kas tiek izmantota ūdens uzsildīšanai m = 2,2 kg no temperatūras t 1 = 10 ° C līdz t 2 = 100 ° C, ūdens īpatnējā siltumietilpība c = 4200 (J/kg ° C) , no siltuma daudzuma formulas atrodam Q 1 =cm 1 (t 2 -t 1)= 4200·2,2(100-10)=831600 J - ūdens uzsildīšanai nepieciešamo siltuma daudzumu.
Zinot, ka sildītāja lietderības koeficients ir 45%, uzzināsim, cik daudz siltuma izdala elektriskais sildītājs Q=Q 1 /0,45=1848000 J.
No formulas Q=IUt izsakām laiku t=Q/(IU)=1848000/(7·220)=1200 s = 20 minūtes.
Atbilde: 20 minūtes.
OGE 2019 demonstrācijas versijas uzdevums: Attēlā parādīta elektriskās ķēdes shēma, kas sastāv no trim rezistoriem un diviem taustiņiem K 1 un K 2. Punktiem A un B tiek pielikts pastāvīgs spriegums. Maksimālo siltuma daudzumu, kas ķēdē izdalās 1 sekundē, var iegūt ar

1) ja ir aizvērta tikai atslēga K 1
2) ja ir aizvērta tikai atslēga K 2
3) ja abas atslēgas ir aizvērtas
4) ja abas atslēgas ir atvērtas
Risinājums: Saskaņā ar Džoula-Lenca likumu , ja spriegums ir nemainīgs, pretestībai samazinoties, palielinās ķēdē radītā siltuma daudzums. Tāpēc, lai maksimāli palielinātu ķēdē radīto siltuma daudzumu, ir jāsamazina ķēdes pretestība. Ar paralēlu vairāku rezistoru pretestību to kopējā pretestība ir mazāka par atsevišķa rezistora pretestību. Pretestība būs minimāla, kad abi slēdži ir aizvērti. Pretestība būs minimāla, un ķēdē radītais siltuma daudzums būs maksimālais

Ķermeņa spēju ražot darbu sauc ķermeņa enerģija. Tādējādi enerģijas daudzuma mērs ir darbs. Jo lielāka ir ķermeņa enerģija, jo vairāk darba šis ķermenis var saražot kustības laikā. Enerģija nepazūd, bet pāriet no vienas formas uz otru. Piemēram, ģeneratorā mehāniskā enerģija tiek pārvērsta elektriskajā enerģijā, bet dzinējā elektriskā enerģija tiek pārveidota mehāniskajā enerģijā. Tomēr ne visa enerģija ir noderīga, t.i. daļa no tā tiek tērēta avota un vadu iekšējās pretestības pārvarēšanai.

Elektriskās strāvas darbs ir skaitliski vienāds ar sprieguma, strāvas ķēdē un laika reizinājumu. Mērvienība ir džouls.

Elektrisko mērinstrumentu izmanto elektriskās strāvas darba vai enerģijas mērīšanai − elektriskās enerģijas skaitītājs.

Elektrisko enerģiju papildus džouliem mēra vatstundas vai kilovatstundas:

1 Wh = 3600 J, 1 kWh = 1000 Wh.

Elektriskās strāvas jauda – ir saražotais (vai patērētais) darbs laika vienībā. Mērvienība ir vats.

Elektriskās strāvas jaudas mērīšanai izmanto elektrisko mērierīci − vatmetrs.

Vairākas jaudas vienības ir kilovati vai megavati:

1 kW = 1 000 W, 1 MW = 1 000 000 W.

Tabulā 1 parāda vairāku ierīču jaudu.

1. tabula

Ierīces nosaukums	Ierīces jauda, ​​kW
Luktura lampiņa
Mājas ledusskapis
Apgaismes lampas (mājsaimniecības)
Elektriskais gludeklis
Veļas mašīna
Elektriskā plīts	0,6; 0,8; 1; 1,25
Elektriskais putekļu sūcējs
Lampas Kremļa torņu zvaigznēs
Elektriskās lokomotīves dzinējs VL10
Velmētavas elektromotors
Bratskas hidroelektrostacijas hidroģenerators
Turboģenerators	50 000 − 1 200 000

Attiecības starp jaudu, strāvu, spriegumu un pretestību ir parādītas attēlā. 1.

P U

Es R

R·I

Rīsi. 1

Tiek saukts ātrums, ar kādu mehāniskā vai cita enerģija avotā tiek pārveidota elektriskajā enerģijā avota jauda:

Kur W Un– avota elektriskā enerģija.

Tiek saukts ātrums, kādā uztvērējā elektroenerģija tiek pārveidota cita veida enerģijā, jo īpaši siltumenerģijā uztvērēja jauda:

Jaudu, kas nosaka piespiedu enerģijas patēriņu, piemēram, siltuma zudumiem avotā vai vadītājos, sauc par jaudas zudumiem:

Saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu avota jauda ir vienāda ar patērētāju jaudas un zudumu summu:

Šī izteiksme atspoguļo jaudas līdzsvars.

Enerģijas pārneses no avota uz uztvērēju efektivitāti raksturo avota veiktspējas koeficients (COP):

Kur R 1 vai R ist – jauda, ​​ko enerģijas avots piegādā ārējai ķēdei;

R 2 – no ārpuses saņemtā jauda vai patērētā jauda;

∆P vai R 0 (R vn ) – jauda, ​​kas patērēta, lai pārvarētu zudumus enerģijas avotā vai uztvērējā.

Elektriskā strāva ir elektriski lādētu daļiņu virzīta kustība. Kustīgajām daļiņām saduroties ar vielas molekulām un joniem, kustīgo daļiņu kinētiskā enerģija tiek pārnesta uz joniem un molekulām, kā rezultātā tiek uzkarsēts vadītājs. Tādējādi elektriskā enerģija tiek pārvērsta siltumenerģijā.

1844. gadā krievu akadēmiķis EH. Lencs un angļu zinātnieki Džoulems vienlaicīgi un neatkarīgi viens no otra tika atklāts likums, kas apraksta strāvas termisko efektu.

Džoula-Lenca likums : Kad elektriskā strāva iet caur vadītāju, vadītāja radītais siltuma daudzums ir tieši proporcionāls strāvas kvadrātam, vadītāja pretestībai un laikam, kurā elektriskā strāva plūst caur vadītāju:

KurJ- siltuma daudzums, J,es– strāvas stiprums, A;R– vadītāja pretestība, Ohm;t– laiks, kurā elektriskā strāva plūda caur vadītāju, s.

Džoula-Lenca likumu izmanto, lai aprēķinātu elektroenerģijas avotu, elektropārvades līniju, patērētāju un citu elektriskās ķēdes elementu termiskos apstākļus. Elektrības pārvēršanai siltumā ir ļoti liela praktiska nozīme. Tajā pašā laikā termiskais efekts daudzos gadījumos izrādās kaitīgs (2. att.).

Saturs:

Slavenais krievu fiziķis Lencs un angļu fiziķis Džouls, veicot eksperimentus, lai pētītu elektriskās strāvas termiskos efektus, neatkarīgi atvasināja Džoula-Lenca likumu. Šis likums atspoguļo attiecību starp vadītāja radītā siltuma daudzumu un elektrisko strāvu, kas iet caur šo vadītāju noteiktā laika periodā.

Elektriskās strāvas īpašības

Kad elektriskā strāva iet caur metāla vadītāju, tā elektroni pastāvīgi saduras ar dažādām svešām daļiņām. Tās var būt parastas neitrālas molekulas vai molekulas, kuras ir zaudējušas elektronus. Kustības procesā elektrons var atdalīt citu elektronu no neitrālas molekulas. Tā rezultātā tiek zaudēta tā kinētiskā enerģija, un molekulas vietā veidojas pozitīvs jons. Citos gadījumos elektrons, gluži pretēji, savienojas ar pozitīvu jonu un veido neitrālu molekulu.

Elektronu un molekulu sadursmes procesā tiek patērēta enerģija, kas pēc tam tiek pārvērsta siltumā. Noteikta enerģijas daudzuma iztērēšana ir saistīta ar visām kustībām, kuru laikā jāpārvar pretestība. Šajā laikā darbs, kas pavadīts, lai pārvarētu berzes pretestību, tiek pārvērsts siltumenerģijā.

Džoula Lenca likuma formula un definīcija

Saskaņā ar Lenca Džoula likumu elektrisko strāvu, kas iet caur vadītāju, pavada siltuma daudzums, kas ir tieši proporcionāls strāvas un pretestības kvadrātam, kā arī šīs strāvas plūsmas laikam caur vadītāju.

Formulas veidā Džoula-Lenca likumu izsaka šādi: Q = I 2 Rt, kurā Q parāda izdalītā siltuma daudzumu, I - , R - vadītāja pretestību, t - laika periodu. Vērtība "k" apzīmē darba termisko ekvivalentu un tiek izmantota gadījumos, kad siltuma daudzumu mēra kalorijās, strāvu , pretestību omos un laiku sekundēs. K skaitliskā vērtība ir 0,24, kas atbilst 1 ampēra strāvai, kas ar vadītāja pretestību 1 Ohm 1 sekundes laikā izdala siltuma daudzumu, kas vienāds ar 0,24 kcal. Tāpēc, lai aprēķinātu izdalītā siltuma daudzumu kalorijās, tiek izmantota formula Q = 0,24I 2 Rt.

Izmantojot SI mērvienību sistēmu, siltuma daudzumu mēra džoulos, tāpēc “k” vērtība attiecībā pret Džoula-Lenca likumu būs vienāda ar 1, un formula izskatīsies šādi: Q = I 2 Rt. Saskaņā ar I = U/R. Ja šī pašreizējā vērtība tiek aizstāta ar pamatformulu, tai būs šāda forma: Q = (U 2 /R)t.

Pamatformula Q = I 2 Rt ir ļoti ērti izmantot, aprēķinot siltuma daudzumu, kas izdalās virknes savienojuma gadījumā. Strāvas stiprums visos vadītājos būs vienāds. Ja vairākus vadus vienlaikus savieno virknē, katrs no tiem izdalīs tik daudz siltuma, kas būs proporcionāls vadītāja pretestībai. Ja trīs vienādi vadi, kas izgatavoti no vara, dzelzs un niķeļa, ir savienoti virknē, tad pēdējais izdalīs maksimālo siltuma daudzumu. Tas ir saistīts ar niķeļa augstāko pretestību un šī stieples spēcīgāko sildīšanu.

Kad tie paši vadītāji ir savienoti paralēli, elektriskās strāvas vērtība katrā no tām būs atšķirīga, un spriegums galos būs vienāds. Šajā gadījumā aprēķiniem piemērotāka ir formula Q = (U 2 /R)t. Siltuma daudzums, ko rada vadītājs, būs apgriezti proporcionāls tā vadītspējai. Tādējādi Džoula-Lenca likumu plaši izmanto, lai aprēķinātu elektriskās apgaismes instalācijas, dažādas apkures un apkures ierīces, kā arī citas ierīces, kas saistītas ar elektroenerģijas pārvēršanu siltumā.

Džoula-Lenca likums. Elektriskās strāvas darbs un jauda