Закон джоуля ленца описывает: Закон Джоуля — Ленца описывает выделение тепла в проводнике при прохождении тока. Закон можно — Светодиодные светильники и корпуса для светильников купить оптом в Москве

Закон джоуля ленца описывает: Закон Джоуля — Ленца описывает выделение тепла в проводнике при прохождении тока. Закон можно

Содержание

Закон Джоуля — Ленца описывает выделение тепла в проводнике при прохождении тока. Закон можно

В калориметре находится кусок льда массой 85 г при температуре 0°С. Какую массу воды с начальной температурой 100 °С нужно налить в калориметр, чтобы … весь лёд растаял, а температура образовавшейся воды стала равной 35 °С ? Ответ выразить в граммах [г]. Удельная теплота плавления льда 335 х 10″3 Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг×К). Тепловыми потерями в окружающую среду пренебречь.

С ПОДРОБНЫМ РЕШЕНИЕМ!!!Баржу перемещают с помощью двух буксиров, движущихся со скоростями 3 м/с и 5 м/с, образующими угол а (рис. 56), тангенс которог … о равен tga = 2. Тросы, с помощью которых буксируют баржу, нерастяжимы и прикреплены к одной точке баржи. Под каким углом В к скорости і, будет направлена скорость точки крепления тросов и че- му равна скорость этой точки? Воспользоваться формулой для косину- са разности двух углов cos(а — в) = cos a cos B + sin a sin В.

Какое количество теплоты выделится при конденсации водяного пара массой 3 кг при температуре 100оС? Удельная теплота парообразования воды равна 2,3∙10 … 6 Дж/кг.

2,3 МДж 6,9МДж 3 МДж 23 МДж

Погрешность измерения тока I специальным амперметром, рассчитанным на токи до Imax=50 мА, определяется только погрешностью считывания и равна ΔI=1 мА. … У вас в распоряжении много таких амперметров. Какое наименьшее количество амперметров нужно использовать, чтобы можно было измерить ток 1 А с наименьшей относительной погрешностью? Чему равна относительная погрешность измерения такого тока? Ответ выразите в процентах, округлите до целого числа.

222. Первую треть пути автомобиль проехал с постоянной скоростью 10 км/ч, вторую треть со скоростно 60 км/ч, третью 30 км/ч. Вычислите среднюю скорост … ь автомобиля на всем пути. (С РЕШЕНИЕМ!!!) Спасибо!!!!!

Извините, я не уловил мысль. Помогите понять, что имелось ввиду. «Как и в случае равномерного движения, можно пользоваться формулой [tex]s \: = ut[/t … ex]для определения пути, пройденного за данный промежуток времени при определённой средней скорости, и формулой [tex]t \: = \frac{s}{u} [/tex]для определения времени, за которое пройден данный путь с данной средней скоростью. Но пользоваться этими формулами можно только для того участка пути и для того промежутка времени, для которых эта средняя скорость была рассчитана. Например, зная среднюю скорость на участке пути AB и зная длину AB, можно определить время, за которое был пройден этот участок, но нельзя найти время, за которое была пройдена половина участка АВ, т.к. средняя скорость на половине участка при неравномерном движении, вообще говоря, не будет равна средней скорости на всём участке.Что имеется ввиду под предпоследним предложением? Объясните просторно и понятно, даю 40 баллов

ПОЖАЛУЙСТА, СРОЧНО! 1). Известно, что нота «до» первой октавы имеет частоту 262 Hz. Также известно, что частоты двух одноимённых нот соседних октав от … личаются ровно в 2 раза. В какой октаве находится звук, порождённые колебаниями, ищображенными на графике? (график приложен) 2). Нарисовать график 3). Определить музыкальный инструмент

Для того, чтобы быстрее остудить кастрюлю с горячей водой, Вам предложили: 1) поставить кастрюлю на лёд, 2) положить лёд на крышку кастрюли. Выберите … один из вариантов и обоснуйте его.

В системе, показанной на рисунке, все нити невесомы и находятся в вертикальном положении. Верхний груз в два раза легче нижнего. Верхняя нить натянута … с силой T1=19 Н, нижняя — с силой T3=10 Н. Определите силу натяжения средней нити T2 .

28. На полиці стоять дві бронзові статуетки, одна з яких є учетверо зменшеною копією другої. У скільки разів відрізняються тиски, що створюють ці стат … уетки на полицю? 29. Знайти максимальну висоту колони, яку можна збудувати з каменю, що має межу міцності на стискання 5 МПа і густину 5000 кг/м3. Вважати g = 10 м/с2. 30. Який тиск чинить вода на нижню поверхню плоскої крижинки площею 20 см2 та масою 500 г?

Закон Джоуля-Ленца: определение, формула, применение

Мы ежедневно пользуемся электронагревательными приборами, не задумываясь, откуда берётся тепло. Разумеется, вы знаете, что тепловую энергию вырабатывает электричество. Но как это происходит, а тем более, как оценить количество выделяемого тепла, знают не все.

На данный вопрос отвечает закон Джоуля-Ленца, обнародованный в позапрошлом столетии.

В 1841 году усилия английского физика Джоуля, а в 1842 г. исследования русского учёного Ленца увенчались открытием закона, применение которого позволяет количественно оценить результаты теплового действия электрического тока [ 1 ]. С тех пор изобретено множество приборов, в основе которых лежит тепловое действие тока. Некоторые из них, изображены на рис. 1.

Рис. 1. Тепловые приборы

Определение и формула

Тепловой закон можно сформулировать и записать в следующей редакции: «Количество тепла, выработанного током, прямо пропорционально квадрату приложенного к данному участку цепи тока, сопротивления проводника и промежутка времени, в течение которого электричество действовало на проводник».

Обозначим символом Q количество выделяемого тепла, а символами I, R и Δt – силу тока, сопротивление и промежуток времени, соответственно. Тогда формула закона Джоуля-Ленца будет иметь вид: Q = I²*R*Δt

Согласно законам Ома I=U/R, откуда R = U/I. Подставляя выражения в формулу Джоуля-Ленца получим: Q = U²/R * Δt ⇒ Q = U*I*Δt

Выведенные нами формулы – различные формы записи закона Джоуля-Ленца. Зная такие параметры как напряжение или силу тока, можно легко рассчитать количество тепла, выделяемого на участке цепи, обладающем сопротивлением R.

Дифференциальная форма

Чтобы перейти к дифференциальной форме закона, проанализируем утверждение Джоуля-Ленца применительно к электронной теории. Приращение энергии электрона ΔW за счёт работы электрических сил поля равно разности энергий электрона в конце пробега (m/2)*(u=υ_max)² и в начале пробега

(mu²)/2 , то есть

Здесь u – скорость хаотического движение (векторная величина), а υ_max– максимальная скорость электрического заряда в данный момент времени.

в среднем равно нулю. Тогда полная энергия, выделяющаяся при столкновениях электронов с атомами, образующими узлы кристаллической решётки, составляет:

Это и есть закон Джоуля-Ленца, записанный в дифференциальной форме. Здесь γ – согласующий коэффициент, E – напряжённость поля.

Интегральная форма

Предположим, что проводник имеет цилиндрическую форму с сечением S. Пусть длина этого проводника составляет l. Тогда мощность P, выделяемая в объёме V= lS составляет:

гдеR – полное сопротивление проводника.

Учитывая, чтоU = I×R, из последней формулы имеем:

P = U×I;
P = I²R ;
P = U²/R.

Если величина тока со временем меняется, то количество теплоты вычисляется по формуле:

Данное выражение, а также вышеперечисленные формулы, которые можно переписать в таком же виде, принято называть интегральной формой закона Джоуля-Ленца.

Формулы очень удобны при вычислении мощности тока в нагревательных элементах. Если известно сопротивление такого элемента, то зная напряжение бытовой сети легко определить мощность прибора, например, электрочайника или паяльника.

Физический смысл

Вспомним, как электрический ток протекает по металлическому проводнику. Как только электрическая цепь замкнётся, то под действием ЭДС движение свободных электронов упорядочивается, и они устремляются к положительному полюсу источника питания. Однако на их пути встречаются стройные ряды кристаллических решёток, атомы которых создают препятствия упорядоченному движению, то есть оказывают сопротивление.

На преодоление сопротивления уходит часть энергии движущихся электронов. В соответствии с фундаментальным законом сохранения энергии, она не может бесследно исчезнуть. Она-то и превращается в тепло, вызывающее нагревание проводника. Накапливаемая тепловая энергия излучается в окружающее пространство или нагревает другие предметы, соприкасающиеся с проводником.

На рисунке 2 изображёна схема опыта, демонстрирующего закон теплового действия тока, разогревающего участок провода в электрической цепи.

Рис. 2. Тепловое действие тока

Явление нагревания проводников было известно практически с момента получения электротока, но исследователи не могли тогда объяснить его природу, и тем более, предложить способ оценки количества выделяемого тепла. Эту проблему решает закон Джоуля-Ленца, которым мы пользуемся по сегодняшний день.

Практическая польза закона Джоуля-Ленца

При сильном нагревании можно наблюдать излучение видимого спектра света, что происходит, например, в лампочке накаливания. Слабо нагретые тела тоже излучают тепловую энергию, но в диапазоне инфракрасного излучения, которого мы не видим, но можем ощутить своими тепловыми рецепторами.

Допускать сильное нагревание проводников нельзя, так как чрезмерная температура разрушает структуру металла, проще говоря – плавит его. Это может привести к выводу из строя электрооборудования, а также стать причиной пожара. Для того, чтобы не допустить критических параметров нагревания необходимо делать расчёты тепловых элементов, пользуясь формулами, описывающими закон Джоуля-Ленца.

Проанализировав выражение U²/R убеждаемся, что когда сопротивление стремится к нулю, то количество выделенного тепла стремится к бесконечности. Такая ситуация возникает при коротких замыканиях. В это основная опасность КЗ.

В борьбе с короткими замыканиями используют:

автоматические выключатели:
электронные защитные блоки;
плавкие предохранители;
другие защитные устройства.

Применение и практический смысл

Непосредственное превращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономически выгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современного человечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборы продолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

электрочайники;
утюги;
фены;
варочные плиты;
паяльники;
сварочные аппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

Закон Джоуля-Ленца без преувеличения можно назвать гениальным. Это один из тех законов, которые повлияли на развитие электротехники.

Закон Джоуля – Ленца: определение, формула, физический смысл

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.

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.

7.1. Оборачиваемость электрической и тепловой энергии. Закон Джоуля-Ленца

Многочисленные опыты, проведенные в конце XVIII – начале XIX века, позволили не только установить основные свойства и законы электричества, но и сформулировать эпохальный по своей значимости вывод об эквивалентности между теплотой и механической работой: работа, или, как впоследствии стали формулировать, «энергия», никогда не теряется, а лишь переходит из одного вида в другой. Этот вывод, получивший впоследствии название закона сохранения и превращения энергии (см. подраздел 1.2), и заключался в том, что теплоту можно обратить в механическую работу и наоборот и что из определенного количества теплоты можно получить только определенное количество механической работы. Можно привести тысячи примеров, когда с помощью этого закона нашли свое объективное толкование результаты опытов в различных областях естествознания.

Основными положениями закона сохранения энергии воспользовались и электротехники при определении, например, количества тепловой энергии, выделяющегося в гальванической батарее вследствие химической реакции и превращающегося впоследствии в электрическую энергию. Однако особенность электрической энергии состоит в том, что само по себе электричество неприменимо. Человечество не может использовать его непосредственно подобно тому, как оно согревается теплотой, видит благодаря свету и т.п. Можно пользоваться только действием электрического тока, при котором электричество переходит в другие формы энергии.

Одним из первых глубоко исследовал свойства электрического тока в 1801–1802 годах петербургский академик В.В. Петров (1761– 1834), который провел множество экспериментов по изучению неизвестных в то время законов электрического тока. Изучив работы своих предшественников, Петров пришел к выводу, что более полное и всестороннее исследование электрического тока возможно лишь с помощью крупных гальванических батарей, действие которых будет более интенсивным и легче наблюдаемым. Для своих опытов Петров построил самую крупную в мире в те годы батарею из 4200 медных и цинковых кружков, уложенных в четырех деревянных ящиках, и получил от нее электродвижущую силу около 1700 вольт. Благодаря «лежачей» конструкции тяжелые металлические кружки не выдавливали жидкости, которой пропитывались бумажные кружки, разделяющие цинковые и медные элементы. Для изоляции он покрыл внутренние стенки ящиков сургучным лаком. Общая длина батареи составила 12 м. Все это позволило ему построить «огромную наипаче» батарею, которой не знал ещё мир. Уже в 1801 году он нашел зависимость силы тока от поперечного сечения проводника, в то время как немецкий физик Ом, работавший над этими проблемами, опубликовал результаты своих опытов только в 1827 году. Очень скоро им было замечено, что при прохождении электрического тока по проводнику последний нагревается.

В своих работах В.В. Петров описывает опыты по электролизу растительных масел, в результате которых он обнаружил высокие электроизоляционные свойства этих масел. Позднее масла получили широкое применение в качестве электроизоляционного материала. Желая продемонстрировать явление электролиза одновременно в нескольких трубках с водой, Петров впервые применил параллельное соединение приемников электрического тока. Работы этого выдающегося ученого установили возможность практического использования электрического тока для нагревания проводников.

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) – известный российский физик и электротехник, академик Петербургской академии наук, ректор Петербургского университета – родился в Дерпте (ныне Тарту, Эстония) в семье чиновника. После второго курса Дерптского университета отправился в 1823 году в трехлетнее кругосветное плавание. С помощью сконструированных им приборов (глубометра и батометра) занимался физическими исследованиями в водах Берингова пролива, Тихого и Индийского океанов, установил происхождение теплых и холодных морских течений, открыл закон океанических циркуляций. В 1829 г. принял участие в экспедиции на Кавказ, где проводил магнитные, термометрические и барометрические измерения в горных районах Кавказа и на побережье Каспийского моря. В 1830 году был назначен экстраординарным профессором и директором физического кабинета при Петербургской АН, в 1836 г. возглавил кафедру физики в Петербургском университете, а в 1863 г. стал ректором этого университета. Основные его работы посвящены электромагнетизму, вопросам теории и практического применения электричества, исследования в области которого Ленц начал в 1831 году в лаборатории первого русского электротехника – академика В.В. Петрова. Ленц стоял у истоков первой в России школы физиков-электротехников, последователями которой стали А.С. Попов, Ф.Ф. Петрушевский, В.Ф. Миткевич и др.

Зависимость количества выделяемой теплоты от силы тока изучали английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Ленц. Они пропускали ток по спирали, помещенной в калориметр с водой. Через некоторое время вода нагревалась. По её температуре легко было вычислить количество выделившейся теплоты. Из проведенных опытов практически одновременно Джоуль и Ленц пришли к выводу, что при прохождении гальванического тока I по проводнику, обладающему определенным сопротивлением R, в течение времени t совершается работа А :

А = I 2 Rt,

проявляющаяся в виде выделившейся теплоты.

Этот важнейший вывод обратимости электрической и тепловой энергии, теоретически обоснованный Уильямом Томсоном, получил название закона Джоуля–Ленца, а именем Джоуля названа единица механической работы в системе СИ.

Комбинируя проводники различного сопротивления, включенные последовательно в общую цепь, можно добиться концентрированного выделения большого количества теплоты на малом участке проводника с большим сопротивлением. На таком концентрировании выделения теплоты были основаны все первоначальные опыты превращения энергии электрического тока в тепловую и даже в световую энергию.

Всю свою жизнь В.В. Петров – член двух академий – прожил скромно и незаметно. 41 год он проработал в Медико-хирургической академии. За это время он провел много физических опытов, написал три книги и учебник по физике, которым пользовались в гимназиях всей России. Книги и научные статьи Петров писал на русском языке, чтобы их читало как можно больше людей, хотя в то время научные работы было принято писать на латыни. Он писал: «Я надеюсь, что просвещенные и беспристрастные физики по крайней мере некогда согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает».

Закон джоуля ленца описывает выделение тепла

Закон Джоуля — Ленца (по имени английского физика Джеймса Джоуля и русского физика Эмилия Ленца, одновременно, но независимо друг от друга открывших его) — закон, характеризующий тепловое действие электрического тока.

При протекании тока по проводнику происходит превращение электрической энергии в тепловую, причем количество выделенного тепла будет равно работе электрических сил:
Q = W

Закон Джоуля — Ленца: количество тепла выделяемого в проводнике равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени протекания.
Q = I2Rt Формула: __________________

Выделение тепла при прохождении электрического тока. При
прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.
Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I 2 , сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Q = I 2 Rt (34)

Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.

Допустимая сила и плотность тока. Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. Оно происходит, например, в различных производственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электроплитах, электрических паяльниках и пр.), в электрических лампах накаливания, аппаратах для электрической сварки и пр. Однако во многих электрических устройствах, например в электрических машинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превращение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.
Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности тока J (сила тока I, приходящаяся на 1 мм 2 площади s поперечного сечения проводника):

J = I/s (35)

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь
или алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр. Например, допустимая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна превышать 3—6 А/мм 2 , в нити осветительной электрической лампы — 15 А/мм 2 . В проводах силовых и осветительных сетей плотность тока может быть различной в зависимости от площади поперечного сечения провода и его изоляции. Например, для медных проводов с резиновой изоляцией и площадью поперечного сечения 4 мм 2 допускается плотность тока 10,2 А/мм 2 , а 50 мм 2 — только 4,3 А/мм 2 ; для неизолированных проводов тех же площадей сечения — 12,5 и 5,6 А/мм 2 . Уменьшение допустимой плотности тока при увеличении площади поперечного сечения провода объясняется тем, что в проводах с большей площадью сечения отвод тепла от внутренних слоев затруднен, так как сами они окружены нагретыми слоями. Для неизолированных проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных.
Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электрических сетей обугливается и даже горит, что может привести к короткому замыканию и пожару. Неизолированные же провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.
Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. Для этой цели в технике широко используют плавкие предохранители, автоматические выключатели и другие устройства.

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев проводника, как следует из закона Ленца — Джоуля, может происходить г не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения отдельных проводников. При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников (рис. 32) электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В результате место неплотного соединения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгоранию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при соединении проводов на э. п. с. и тепловозах концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, ко-

Рис. 32. Схемы выделения тепла и возникновения искрения при неплотном электрическом контакте

торые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопротивления между контактами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась — это был конец пары: «Что-то тут концом пахнет». 8432 — | 8045 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Рис. 1. Тепловые приборы

Определение и формула

Согласно законам Ома I=U/R, откуда R = U/I. Подставляя выражения в формулу Джоуля-Ленца получим: Q = U 2 /R * Δt ⇒ Q = U*I*Δt.

Дифференциальная форма

Поскольку установлено, что скорость хаотического движения с одинаковой вероятностью совпадает с максимальной (по направлению и в противоположном направлении), то выражение 2*u*υ_max в среднем равно нулю. Тогда полная энергия, выделяющаяся при столкновениях электронов с атомами, образующими узлы кристаллической решётки, составляет:

Интегральная форма

гдеR – полное сопротивление проводника.

Учитывая, чтоU = I×R, из последней формулы имеем:

Если величина тока со временем меняется, то количество теплоты вычисляется по формуле:

Физический смысл

Рис. 2. Тепловое действие тока

Практическая польза закона Джоуля-Ленца

Проанализировав выражение U 2 /R убеждаемся, что когда сопротивление стремится к нулю, то количество выделенного тепла стремится к бесконечности. Такая ситуация возникает при коротких замыканиях. В это основная опасность КЗ.

В борьбе с короткими замыканиями используют:

автоматические выключатели:
электронные защитные блоки;
плавкие предохранители;
другие защитные устройства.

Применение и практический смысл

Перечислим некоторые из них:

электрочайники;
утюги;
фены;
варочные плиты;
паяльники;
сварочные аппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Знаменитый русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя опыты по изучению тепловых действий электрического тока, независимо друг от друга вывели закон Джоуля-Ленца. Данный закон отражает взаимосвязь количества теплоты, выделяемого в проводнике, и электрического тока, проходящего по этому проводнику в течение определенного периода времени.

Свойства электрического тока

Когда электрический ток проходит через металлический проводник, его электроны постоянно сталкиваются с различными посторонними частицами. Это могут быть обычные нейтральные молекулы или молекулы, потерявшие электроны. Электрон в процессе движения может отщепить от нейтральной молекулы еще один электрон. В результате, его кинетическая энергия теряется, а вместо молекулы происходит образование положительного иона. В других случаях электрон, наоборот, соединиться с положительным ионом и образовать нейтральную молекулу.

В процессе столкновений электронов и молекул происходит расход энергии, в дальнейшем превращающейся в тепло. Затраты определенного количества энергии связаны со всеми движениями, во время которых приходится преодолевать сопротивление. В это время происходит превращение работы, затраченной на преодоление сопротивления трения, в тепловую энергию.

Сопротивление в электрических проводниках обладает теми же качествами, как и у обычного сопротивления. Для того чтобы провести ток через проводник, источником тока затрачивается определенное количество энергии, превращающейся в тепло. Данное превращение как раз и отражает закон Джоуля — Ленца, известного также, как закон теплового действия тока.

Закон джоуля Ленца формула и определение

Согласно закону джоуля Ленца, электрический ток, проходящий по проводнику, сопровождается количеством теплоты, прямо пропорциональным квадрату тока и сопротивлению, а также времени течения этого тока по проводнику.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = I 2 Rt, в которой Q отображает количество выделенной теплоты, I – силу тока, R – сопротивление проводника, t – период времени. Величина «к» представляет собой тепловой эквивалент работы и применяется в тех случаях, когда количество теплоты измеряется в калориях, сила тока – в амперах, сопротивление – в Омах, а время – в секундах. Численное значение величины к составляет 0,24, что соответствует току в 1 ампер, который при сопротивлении проводника в 1 Ом, выделяет в течение 1 секунды количество теплоты, равное 0,24 ккал. Поэтому для расчетов количества выделенной теплоты в калориях применяется формула Q = 0,24I 2 Rt.

При использовании системы единиц СИ измерение количества теплоты производится в джоулях, поэтому величина «к», применительно к закону Джоуля-Ленца, будет равна 1, а формула будет выглядеть: Q = I 2 Rt. В соответствии с законом Ома I = U/R. Если это значение силы тока подставить в основную формулу, она приобретет следующий вид: Q = (U 2 /R)t.

Основная формула Q = I 2 Rt очень удобна для использования при расчетах количества теплоты, которое выделяется в случае последовательного соединения. Сила тока во всех проводниках будет одинаковая. При последовательном соединении сразу нескольких проводников, каждый из них выделит столько теплоты, которое будет пропорционально сопротивлению проводника. Если последовательно соединить три одинаковые проволочки из меди, железа и никелина, то максимальное количество теплоты будет выделено последней. Это связано с наибольшим удельным сопротивлением никелина и более сильным нагревом этой проволочки.

При параллельном соединении этих же проводников, значение электрического тока в каждом из них будет различным, а напряжение на концах – одинаковым. В этом случае для расчетов больше подойдет формула Q = (U 2 /R)t. Количество теплоты, выделяемое проводником, будет обратно пропорционально его проводимости. Таким образом, закон Джоуля — Ленца широко используется для расчетов установок электрического освещения, различных отопительных и нагревательных приборов, а также других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока

Закон Джоуля — Справочник химика 21

Суммарную теплоемкость калориметрической системы определяют электрическим способом. Для этого к калориметрической системе подводят известное количество электрической энергии, превращающейся в тепло (З- Необходимо точно измерить время пропускания тока, ток и падение напряжения иа нагревателе. Количество сообщенного системе тепла вычисляют по закону Джоуля [c.136]
Количество теплоты прохождении тока, по закону Джоуля — Ленца равно [c.83]

Количество теплоты, сообщенной калориметру при пропускании постоянного тока, вычисляют, исходя из закона Джоуля — Ленца [c.68]

Это соотношение имеет кардинальное значение для экспериментального определения теплоемкостей и теплот процессов. Измерить теплоемкость можно, подводя к системе определенное количество теплоты. Это несложно сделать помещают в систему проводник определенного сопротивления R и пропускают через него ток» силой / в течение времени . По закону Джоуля — Ленца количество теплоты, выделившееся в проводнике и переданное системе, равно [c.188]

Приведем пример использования вектора Пойнтинга в цепях постоян-10Г0 тока. Согласно закону Джоуля — Ленца =Q — есть количество еплоты, выделяющейся в единицу времени в единице объема проводника. Здесь / и е соответственно плотность тока и удельное электрическое со-фотивление вещества). Учитывая, что поток электромагнитной энергии Р=Е поступает через боковую поверхность проводника, заметим, что по /1ере проникновения в глубь вещества поток энергии постепенно ослабляет- я за счет превращения ее в теплоту, уменьшается вектор Пойнтинга и та юверхность, через которую проходит поток. [c.53]

Если через проводник проходит электрический ток, то при этом происходит выделение тепла, т. е. нагревание проводника. По закону Джоуля количество тепла Q), которое развивает электрический ток в проводнике, будет зависеть от мощности тока и времени прохождения его через проводник, т. е. [c.256]

Это тепло должно быть передано воде, греющей проволокой. Таким образом, последняя при прохождении через нее тока силой в 3 а должна выделить 30 000 кал в течение т сек. Согласно закону Джоуля [c.257]

Согласно закону Джоуля энтальпия и внутренняя энергия идеального газа при постоянной температуре не зависят от давления или объема. Следовательно, [c.78]

В отличие от химической энергии электрическая энергия обладает способностью целиком превращаться п тепло. Это свойство электрической энергии известно под названием закона Джоуля—Ленца, являющегося частным случаем закона сохранения энергии [c.202]

По закону Джоуля — Ленца подведенное тепло равно А/У = = lut, где — продолжительность нагревания (200—300 с). При всех измерениях она должна быть одинаковой. Опыт состоит из измерения водяного числа калориметра и собственно теплоемкости исследуемой жидкости. Водяным числом Св называют теплоемкость всех частей калориметра без жидкости. [c.54]

Закон Джоуля — Ленца [c.511]

Это свойство идеального газа было обнаружено английским физиком Джоулем и вошло в науку как закон Джоуля (1843) [c.52]

Количество теплоты q n, введенное в калориметрическую систему электрическим током, рассчитывается по закону Джоуля [c.128]

Если реакция происходит между идеальными газами, то можно установить соотношение между р и используя следующее свойство, известное под названием закона Джоуля (который здесь не приводится) внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры. [c.169]

Внутренняя энергия продуктов, образующихся в ходе реакции при постоянном объеме, согласно закону Джоуля, равна внутренней энергии продуктов, образующихся в ходе реакции при постоянном давлении (если температура одна и та же). [c.170]

Как уже указывалось, изменение внутренней энергии, сопровождающее изотермический процесс, в случае идеального газа равно нулю (закон Джоуля) [c.192]

Согласно закону Джоуля внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры. Иначе говоря, внутренняя энергия продуктов, образующихся в ходе реакции при постоянном объеме, равна внутренней энергии продуктов, образующихся в ходе реакции при постоянных давлении и температуре. Отсюда следует, что Л 7″ = 0. [c.65]

Электрические печи применяются в электротермических процессах, при которых высокие температуры (до 3500°С) создаются преобразованием электрической энергии в тепловую. В электрических печах используют главным образом переменный электрический ток напряжением 50—130 В. Количество выделяющейся теплоты (Дж) рассчитывают по закону Джоуля [c.195]

Инженерные расчеты. Использование электроэнергии в печах с электрообогревом основано на законе Джоуля—Ленца [c.867]

Б. Обычно для фракционирования белков сыворотки используют рекомендованное выше напряжение 110 В, при котором разделение длится от 14 до 16 ч, и охлаждения не требуется. Для особых целей напряжение может быть увеличено, но, согласно закону Джоуля, при этом соответственно увеличится теплообразование. Выделение тепла можно уменьшить, если снизить ионную силу раствора. При достаточной влажности фильтровальной бумаги, на которой ведут электрофорез, и не очень высокой температуре окружающего воздуха можно повысить напряжение на полоске до 250—300 В, не принимая специальных мер для охлаждения. Однако при дальнейшем увеличении напряжения требуются специальные приспособления для охлаждения. [c.52]

Возникающее по закону Джоуля тепло увеличивает испаре- [c.52]

Указание для ответа используйте дифференциальные формы термического и калорического уравнений состояния и закон Джоуля. [c.294]

По закону Джоуля-Ленца мощность тепловой энергии, выделяющейся в проводнике с током, пропорциональна сопротивлению проводника и квадрату тока. Ухудшение электрического контакта вследствие окисления и уменьшения пло- [c.298]

В электропечах сопротивления используются элементы активного электрического сопротивления, и теплота выделяется в соответствии с известным законом Джоуля — Ленца Q = и /К, [c.286]

Поскольку температурные сигналы зависят от тока нагрузки /, результаты измерений следует приводить к определенной силе тока, составляющей, как правило, 50 % от номинального значения. Формула пересчета значений ДГ вытекает из закона Джоуля-Ленца [c.300]

Каждое из выражений (5,4,7) является обычной формой закона Джоуля — Ленца. Из (5,4,7) в частности, следует, что если — бесконечно малая первого порядка, то теплота, выделяемая током за конечный промежуток времени, окажется бесконечно малой второго порядка этой теплотой можно пренебречь. [c.74]

Ql), выделенное при прохождении тока, определяется законом Джоуля — Ленца [c.100]

Термопары применяются не только для непосредственного измерения температуры, но и для опосредованного измерения электрических величин по тепловому действию тока. Такое измерительное устройство принято называть термоэлектрическим преобразователем. Он состоит из двух основных частей — электрического нагревателя и термопары (или батареи термопар) [1]. Схема преобразователя для измерения электрических величин представлена на рис. 2. Связь между током /, подводимым к нагревателю, и термоЭДС Е, возникающей в термопаре, согласно закону Джоуля-Ленца может быть представлена в виде [c.129]

В электротермических печах обычно используется переменный ток низкого напряжения. Количество выделяющегося тепла определяется по закону Джоуля [c.213]

Каждое слагаемое правой части уравнения (11,7) зависит только от температуры. Поэтому внутренняя энергия идеального газа не зависит ни от объема, занимаемого газом, ни от давления, под которым находится газ, а является функцией только температуры (закон Джоуля). В случае одноатомных идеальных газов последнее слагаемое правой части уравнения (П,7) равно нулю, а второе слагаемое по сравнению с первым ничтожно мало. Поэтому внутренняя энергия таких систем определяется только кинетической энергией поступательного движения частиц (I/ = Е . [c.60]

Э. X. Ленц в числе других вопросов изучил тепловое действие тока. В 1843 г. он теоретически обосновал и сформулировал закон теплового действия тока, который независимо от него эмпирически был установлен английским физиком Джоулем этот закон известен теперь как закон Джоуля — Ленца. [c.10]

При Т = onst изменение V вызывает изменение Р, поэтому не только ди дУ)т = 0, но и (ди/дР)т = 0. Следовательно, энергия идеального газа зависит только от температуры закон Джоуля, 1844 г.) [c.126]

При наложении электрического напряжения число столкновений возрастает в тем большей степени, чем больше ток, прохо-дяш ий через сопро1Тивление, и тем больше электрической энергии в соответствии с законом Джоуля-Ленца превращается в тепло [c.254]

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ, теоретич. модель газа, в к-ром средняя кинетич. энергия частиц много больше средней потенц. энергии их взаимодействия. Частицы И. г. движутся независимо друг от друга, его энергия равна сумме энергий отд. частиц, а давление на ограждающую стенку — сумме импульсов, передаваемых частицами стенке в единицу времени. Термодинамич. состояние И. г. описывается ур-нием Клапейрона р = пкТ, где р — давл., п — число частиц в единицу объема, к — постоянная Больцмана, Т — термодинамич. т-ра. Внутр. энергия И. г. зависит только от Г (закон Джоуля). Распределение частиц И. г. по скоростям подчиняется закону Максвелла. Реальные газы хорошо описываются моделью И. г., если они достаточно разрежены. В химии часто рассматривают смесь химически реагирующих И. г.., в частности применяют модель идеального ассоцииров. газа. [c.207]

По закону Джоуля количество выделенного тепла Q рав1Го [c.209]

Закон Джоуля-Ленца в дифференцированной и интегральной форме — Студопедия

Опытом установлено, что если в проводнике течет ток, то работа сторонних сил расходуется на его нагревание. Предположим, что на концах участка проводника имеется разность потенциалов U = φ₁ – φ₂.

Тогда работа по переносу заряда Q на этом участке равна:

A = Q (φ₁ – φ₂) = QU.

Если ток постоянный, то:

A = I · U · t.

Эта работа равна количеству теплоты Q, и формула Q = I · U · t выражает закон Джоуля-Ленца в интегральной форме.

Используя выражение закона Ома получим:

Преобразуем закон Джоуля–Ленца. Введем плотность тепловой мощности w – величину, равную энергии, выделяемой за время t прохождения тока в единице объема проводника:

где S — сечение, l — длина проводника. Подставляя Q = I² R t и , получим .

Здесь — плотность тока, , и учитывая, что j = γE, получим

Это есть выражение закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. Плотность тепловой мощности в проводнике, по которому течет ток, прямо пропорциональна квадрату напряженности поля в проводнике. Коэффициентом пропорциональности является удельная проводимость проводника.

Вывод законов Ома и Джоуля-Ленца из классических электронных представлений

Какова природа носителей тока в металлах? В 1901 г. Рикке проделал опыты: через 3 цилиндра, установленных друг на друга в течение 3-х лет пропускал постоянный ток. Был пропущен заряд, равный 3,5 ·10⁶ Кл. Взвешивание показало неизменный вес цилиндров. Исследование торцов цилиндров не показало следов переноса вещества. Из этого был сделан вывод, что носители заряда не ионы, а открытые Томпсоном в 1897 г. электроны.

Чтобы отождествить носители заряда с электронами, нужно было определить знак и величину удельного заряда носителей.

Если в металле имеются легко перемещающиеся заряженные частицы, то при торможении металлического проводника эти частицы должны некоторое время продолжать двигаться по инерции, в результате чего в проводнике возникнет импульс тока и будет перенесен некоторый заряд.

Мандельштам и Папалекси в 1913 г. проделали такой опыт – они приводили в быстрое крутильное колебание катушку с проводом вокруг ее оси. К концам катушки подключили телефон, в котором был слышен звук, обусловленный импульсами тока. Был получен качественный результат – зарегистрирован импульс тока.

Толмен и Стюарт в 1916 г. получили количественный результат. Катушка с проводом длиной 500 м приводилась во вращение со скоростью v=300 м/с. Катушка резко тормозилась и с помощью баллистического гальванометра измеряли заряд, протекавший в цепи во время торможения. Вычисленное значение отношения заряда к массе e/m получалось очень близким для электронов. Таким образом было доказано, что носителем тока являются электроны.

Исходя из представлений о свободных электронах была создана классическая теория электропроводности металлов в предположении, что:

— электроны в металле ведут себя подобно молекулам идеального газа;

— движение электронов подчиняется законам классической механики;

— взаимодействие электронов сводится к соударениям с ионами кристаллической решетки;

— силами взаимодействия между электронами можно пренебречь и они между собой не сталкиваются;

— электроны в отсутствие электрического поля движутся хаотически.

Вычислим плотность тока j в проводнике, возникающего под действием поля напряженностью Е.

По определению плотность тока j = n·e· — это заряд, переносимый через единицу площади S = 1м² за единицу времени t=1 с; n – концентрация электронов, е – заряд электрона, · — средняя скорость упорядоченного движения электронов.

На каждый электрон действует сила F = eE = ma, поэтому электрон приобретает ускорение: и к концу свободного пробега он достигнет скорости:

, а средняя скорость

=v_max/2

Если <v_T> — средняя скорость теплового хаотичного движения электронов, а средняя длина свободного пробега электронов <λ>, то среднее время между соударениями = .

Подставляя в формулу для получим:

Подставляя в формулу для j, получим:

т.е. плотность тока прямо пропорциональна Е, а это и есть выражение закона Ома в дифференциальной форме. Если положить, что:

то

j= γ E.

Удельная проводимость γ ~ n и < λ>, <v_т> ~ T, поэтому проводимость снижается с ростом температуры, а удельное сопротивление повышается с ростом температуры. К концу свободного пробега электрон приобретает кинетическую энергию

Предполагается, что вся энергия при соударении передается узлу кристаллической решетки и переходит в тепло. За 1 с электрон испытывает <v_T>/ < λ > cоударений, а значит выделяет во столько же раз больше тепла. Если в единице объема n электронов, то в единице объема за единицу времени выделится количество тепла

Таким образом, — выражение закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

Закон Видемана-Франца. Затруднения классической электронной теории

Известно, что металлы наряду с высокой электропроводностью обладают также большой теплопроводностью. Видеман и Франц в 1853 г. эмпирически установили закон: отношение коэффициента теплопроводности χ к коэффициенту электропроводности γ для всех металлов приблизительно одинаково и прямо пропорционально абсолютной температуре

Таким образом, классическая электронная теория хорошо объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля-Ленца, позволяет выразить удельную теплопроводность через атомарные постоянные металла, объясняет зависимость электропроводности от температуры и позволяет понять связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов.

Однако в некоторых вопросах, классическая электронная теория приходит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.

1. Исходя из классической электронной теории удельная электропроводность равна:

откуда

, но ,

т.е. <v_T> ∼ .

Следовательно, по теории ρ ∼ , тогда как на практике

т.е. удельное сопротивление пропорционально первой степени температуры Т.

Кроме того, согласно классической электронной теории удельное сопротивление ρ должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь при всех температурах по значению конечным. Это и наблюдается при сравнительно высоких температурах. Однако при достаточно низких температурах удельное сопротивление перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения, которое называют остаточным сопротивлением (велико у сплавов, существует у чистых металлов и тем меньше, чем чище металл и меньше структурных дефектов).

Если понижать температуру еще ниже, то в некоторых веществах наблюдается явление сверхпроводимости, т.е. удельное сопротивление внезапно скачком уменьшается практически до нуля (рис. 96). В сверхпроводниках однажды возбужденный электрический ток может длительно существовать без источника тока (в течение нескольких суток). В таком состоянии не выполняется закон Ома.

2. Другим затруднением классической электронной теории металлов может служить теория теплоемкости кристаллов. Согласно этой теории “электронный газ” металлов должен обладать молярной теплоемкостью . Добавляя эту теплоемкость к теплоемкости кристаллической решетки, составляющей 3R, получим для молярной теплоемкости металла значение (9/2)R. Таким образом, согласно классической электронной теории молярная теплоемкость металла должна быть в 1,5 раза выше, чем у диэлектриков. Однако на практике их молярные теплоемкости практически не различаются. Объяснение этих различий и явлений дается в рамках квантовой теории металлов.

В классической теории неверным является предположение, что электроны проводимости подчиняются законам статистики Максвелла-Больцмана и что для них справедлив закон распределения энергии Максвелла. На самом деле они подчиняются законам квантовой статистики и закону распределения энергий Ферми-Дирака.

Энергия электронов в металлах слабо зависит от температуры и теплоемкость электронного газа оказывается близка к нулю, поэтому наличие электронного газа в металлах практически не сказывается на теплоемкости.

Далее, в классической электронной теории не учитывается взаимодействие электронов друг с другом, а их взаимодействие с решеткой металла описывается с помощью представления о соударениях. При низких температурах взаимодействие между электронами начинает играть решающую роль. Кроме того, оказалось, что взаимодействие электронов с решеткой имеет иной характер – электроны движутся в периодическом поле электрического потенциала решетки.

И, наконец, движение электронов в металлах подчиняется законам квантовой, а не классической механики.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ — E-knowledge.in

Если W — это работа, выполненная в системе, а Q — количество сердца, произведенное в результате этой работы, то

Выражение J говорит, что механический эквивалент тепла — это количество единиц работы, которые должны быть выполнены в системе для производства одной единицы тепла.

Эксперимент Джоуля

Для демонстрации его эксперимента мы сначала возьмем цилиндрический калориметр из меди. Мы будем использовать систему лопасть — лопасть, как показано выше.

Теперь заполним калориметр определенным количеством воды. Теперь мы прикрепим лопаточную систему к заполненному водой калориметру с водонепроницаемой верхней крышкой. Теперь мы прикрепим два груза известной и равной массы, как показано на рисунке выше, с помощью шкивов. Когда ручка системы вращается в любом направлении, оба груза поднимаются или опускаются вертикально в зависимости от направления вращения.

Прикрепляем две вертикальные шкалы для измерения вертикали; движения тяжестей.Мы также установили один термометр на верхней крышке системы, чтобы увидеть повышение температуры воды.

Теперь поднимем груз, вращая ручку. Подняв грузы на высоту h, мы позволяем им свободно опуститься в прежнее положение. Когда грузы падают, потенциальная энергия, накопленная в системе во время подъема грузов, высвобождается в виде кинетической энергии, которая вызывает вращение фургонов в воде. Эта работа, выполняемая в системе, приведет к выделению тепла в воде и повышению температуры воды.После того, как веса опустятся в исходное положение, мы снова поднимем их на ту же высоту h и позволим им свободно опускаться. Мы продолжаем делать это до тех пор, пока на термометре, установленном в системе, не появится измеримая разница температур. Теперь мы можем измерить проделанную работу, умножив общий вес на высоту движения гирь, количество повторений движений гири. Будем считать, что оба груза имеют одинаковую массу m. Итак, общая масса гирь составляет 2 метра.Таким образом, работа за счет падения груза по вертикали на h метров составляет 2 мгч. Теперь скажем, всего n повторений движений веса, сделанных до повышения температуры воды до ее измеренного значения. Следовательно, общая проделанная работа будет: Здесь все n, m, g и h известны, поэтому общую проделанную работу можно легко рассчитать.

Рассмотрим, M — масса воды в калориметре. W ‘- водный эквивалент калориметра. Таким образом, общее количество тепла, выделяемого из-за повышения температуры воды на θ, составляет Q = (M + W ‘) θ.Теперь, механический эквивалент тепла

После этого эксперимента, поместив все известные значения m, g, h, n, M, W ‘и θ, мы получим. Здесь в этом эксперименте потенциальная энергия падающей массы равна преобразуется в кинетическую энергию и, наконец, в тепловую энергию.

Эксперимент Фарадея

СВЯЗЬ МЕЖДУ ИНДУЦИРОВАННОЙ ЭДС И ПОТОКОМ В этом эксперименте Фарадей берет магнит и катушку и подключает к ней гальванометр.При запуске магнит находится в состоянии покоя, поэтому гальванометр не прогибается, т.е. стрелка гальванометра находится в центральном или нулевом положении. Когда магнит перемещается к катушке, стрелка гальванометра отклоняется в одном направлении. Когда магнит удерживается в неподвижном положении в этом положении, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. Теперь, когда магнит отодвигается от катушки, в игле наблюдается некоторое отклонение, но в противоположном направлении, и снова, когда магнит становится неподвижным в этой точке относительно катушки, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение.Точно так же, если магнит удерживается неподвижно, а катушка перемещается в сторону магнита, гальванометр показывает отклонение аналогичным образом. Также видно, что чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше будет наведенная ЭДС или напряжение в катушке.

Положение магнита	Отклонение гальванометра
Магнит в состоянии покоя	Отсутствие отклонения гальванометра
Магнит движется по направлению к катушке	Отклонение гальванометра в одном направлении
Магнит остается неподвижным в том же положении (рядом с катушкой)	Нет отклонения в гальванометре
Магнит движется от катушки	Отклонение в гальванометре, но в противоположном направлении
Магнит удерживается неподвижно в том же положении (вдали от катушки)	В гальванометре нет отклонения

Заключение: из этого эксперимента Фарадей пришел к выводу, что всякий раз, когда происходит относительное движение между проводником и магнитным полем, магнитная связь с катушкой изменяется, и это изменение потока индуцирует напряжение на катушке.
Майкл Фарадей сформулировал два закона на основе описанных выше экспериментов. Эти законы называются законами электромагнитной индукции Фарадея .

Законы Фарадея

Первый закон Фарадея

Любое изменение магнитного поля катушки с проволокой вызовет в катушке ЭДС. Эта индуцированная ЭДС называется индуцированной ЭДС, и если цепь проводника замкнута, ток также будет циркулировать по цепи, и этот ток называется индуцированным током.
Метод изменения магнитного поля:

Перемещая магнит к катушке или от нее.
Перемещая катушку в магнитное поле или из него.
Путем изменения площади катушки, помещенной в магнитное поле.
Путем вращения катушки относительно магнита.

Второй закон Фарадея

Он гласит, что величина ЭДС, индуцированная в катушке, равна скорости изменения магнитного потока, который связывается с катушкой. Потоковая связь катушки — это произведение количества витков в катушке и магнитного потока, связанного с катушкой.

Формула закона Фарадея

Рассмотрим, магнит приближается к катушке. Здесь мы рассматриваем два момента в момент времени T ₁ и времени T ₂.Потоковая связь с катушкой во время, Потоковая связь с катушкой во время, Изменение в потокосцеплении, Пусть это изменение в потокосцеплении будет, Итак, Изменение в потокосцеплении Теперь скорость изменения потоковой связи Возьмите производную справа, мы будем get
Скорость изменения магнитной связи Но согласно закону электромагнитной индукции Фарадея скорость изменения магнитной индукции равна наведенной ЭДС. С учетом закона Ленца, где поток Φ в Wb = BA
B = напряженность магнитного поля
A = площадь катушки
КАК УВЕЛИЧИТЬ ЭДС, ИНДУЦИРОВАННУЮ В КАТУШКЕ

Увеличивая количество витков в катушке i.e N, из приведенных выше формул легко увидеть, что если количество витков в катушке увеличивается, наведенная ЭДС также увеличивается.
Путем увеличения напряженности магнитного поля, то есть B, окружающего катушку. Математически, если магнитное поле увеличивается, увеличивается поток, а если увеличивается поток, индуцированная ЭДС также увеличивается. Теоретически, если катушка проходит через более сильное магнитное поле, будет больше силовых линий, которые она может разрезать, и, следовательно, будет больше индуцированной ЭДС.
За счет увеличения скорости относительного движения между катушкой и магнитом — Если относительная скорость между катушкой и магнитом увеличивается по сравнению с ее предыдущим значением, катушка будет обрезать линии потока с большей скоростью, поэтому больше индуцированной ЭДС будет произведено.

Применение закона Фарадея

Закон Фарадея — один из самых основных и важных законов электромагнетизма. Этот закон находит свое применение в большинстве электрических машин, промышленности, медицины и т. Д.

Электрические трансформаторы работают по закону Фарадея
Основным принципом работы электрического генератора является закон взаимной индукции Фарадея.
Индукционная плита — самый быстрый способ готовки. Он также работает по принципу взаимной индукции. Когда ток течет через катушку с медной проволокой, расположенную под посудой, он создает изменяющееся магнитное поле. Это переменное или изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС и, следовательно, ток в проводящем контейнере, и мы знаем, что поток тока всегда выделяет в нем тепло.
Электромагнитный расходомер используется для измерения скорости определенных жидкостей. Когда магнитное поле прикладывается к электрически изолированной трубе, по которой протекают токопроводящие жидкости, то, согласно закону Фарадея, в ней индуцируется электродвижущая сила. Эта индуцированная ЭДС пропорциональна скорости течения жидкости.
В основе теории электромагнетизма идея Фарадея о силовых линиях используется в хорошо известных уравнениях Максвелла. Согласно закону Фарадея, изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля, и обратное этому используется в уравнениях Максвелла.
Он также используется в музыкальных инструментах, таких как электрогитара, электрическая скрипка и т. Д.

Видео-презентация закона Фарадея

Закон Ленца назван в честь немецкого ученого Х.Ф. Ленца в 1834 году. Закон Ленца подчиняется третьему закону Ньютона. движение (т.е. на каждое действие всегда есть равная и противоположная реакция) и сохранение энергии (т.е. энергия не может быть ни создана, ни разрушена, и поэтому сумма всех энергий в системе является постоянной). Закон Ленца основан на законе индукции Фарадея, поэтому до понимания закона Ленца ; нужно знать, что такое закон индукции Фарадея? Когда изменяющееся магнитное поле связано с катушкой, в ней индуцируется ЭДС. Это изменение магнитного поля может быть вызвано изменением напряженности магнитного поля путем перемещения магнита по направлению к катушке или от нее или перемещением катушки в магнитное поле или из него по желанию. Или простыми словами, мы можем сказать, что величина ЭДС, индуцированная в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Закон Ленца

Закон Ленца гласит, что, когда ЭДС генерируется изменением магнитного потока в соответствии с законом Фарадея, полярность индуцированной ЭДС такова, что создается ток, магнитное поле которого противодействует изменению, которое его вызывает. .

Отрицательный знак, используемый в законе электромагнитной индукции Фарадея, указывает на то, что индуцированная ЭДС (ε) и изменение магнитного потока (δΦ _B) имеют противоположные знаки, где
ε = Индуцированная ЭДС
δΦ _B = изменение в магнитном потоке
N = Количество витков в катушке

Причина противодействия, причина индуцированного тока в

Законе Ленца ?

Как указано выше, Закон Ленца подчиняется закону сохранения энергии, и если направление магнитного поля, которое создает ток, и магнитное поле тока в проводнике совпадают, то эти два магнитных поля суммируются и производят ток вдвое большей величины, а это, в свою очередь, создает большее магнитное поле, что приводит к увеличению тока, и этот процесс, продолжающийся и продолжающийся, приводит к нарушению закона сохранения энергии.
Если индуцированный ток создает магнитное поле, которое равно и противоположно направлению магнитного поля, которое его создает, то только он может сопротивляться изменению магнитного поля в этой области, что соответствует третьему закону Ньютона. движение.

Объяснение закона Ленца

Для понимания закона Ленца рассмотрим два случая:
CASE-I Когда магнит движется к катушке. Когда северный полюс магнита приближается к катушке, магнитный поток связывается с катушка увеличивается.Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, при изменении магнитного потока в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле. Теперь, согласно закону Ленца , это созданное магнитное поле будет противодействовать своему собственному или, можно сказать, противодействовать увеличению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает северной полярности, поскольку мы знаем, что подобные полюса отталкиваются друг от друга. Как только мы узнаем магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки.В этом случае ток течет против часовой стрелки.
CASE-II Когда магнит удаляется от катушки Когда северный полюс магнита удаляется от катушки, магнитный поток, связанный с катушкой, уменьшается. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле. Теперь, согласно закону Ленца , это созданное магнитное поле будет противодействовать своему собственному или, можно сказать, противодействовать уменьшению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает южной полярности, поскольку мы знаем, что разные полюса притягиваются друг к другу.Как только мы узнаем магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки. В этом случае ток течет по часовой стрелке.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для определения направления магнитного поля или тока используйте правило большого пальца правой руки, т.е. если пальцы правой руки расположены вокруг провода так, чтобы большой палец указывал в направлении потока тока, то будет видно изгибание пальцев. направление магнитного поля, создаваемого проволокой.Закон Ленца можно резюмировать следующим образом:

Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, увеличивается, направление тока в катушке будет таким, что он будет противодействовать увеличению потока, и, следовательно, индуцированный ток будет вызывать его поток в направлении, показанном ниже (с использованием правила для большого пальца правой руки).
Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, уменьшается, поток, создаваемый током в катушке, таков, что он поддерживает основной поток и, следовательно, направление тока такое, как показано ниже,

Применение закона Ленца

Закон Ленца можно использовать для понимания концепции накопленной магнитной энергии в индукторе.Когда к индуктору подключен источник ЭДС, через него начинает течь ток. Этому увеличению тока через катушку индуктивности препятствует обратная ЭДС. Чтобы установить ток, внешний источник ЭДС должен проделать некоторую работу, чтобы преодолеть это противодействие. Эта работа может быть выполнена за счет того, что ЭДС сохраняется в катушке индуктивности, и ее можно восстановить после удаления внешнего источника ЭДС из схемы.
Этот закон указывает на то, что индуцированная ЭДС и изменение магнитного потока имеют противоположные знаки, которые обеспечивают физическую интерпретацию. выбора знака в законе индукции Фарадея.
Закон Ленца также применяется к электрическим генераторам. Когда в генераторе индуцируется ток, направление этого индуцированного тока таково, что он противодействует и вызывает вращение генератора (как в соответствии с законом Ленца ), и, следовательно, генератору требуется больше механической энергии. Он также обеспечивает обратную ЭДС в случае электродвигателей.

Закон Ленца также используется для электромагнитного торможения и индукционных варочных панелей.

Законы электролиза Фарадея

Прежде чем понять законы электролиза Фарадея , мы должны вспомнить процесс электролиза сульфата металла.
Когда электролит, такой как сульфат металла, разбавляется водой, его молекулы расщепляются на положительные и отрицательные ионы. Положительные ионы или ионы металлов перемещаются к электродам, соединенным с отрицательной клеммой батареи, где эти положительные ионы отбирают от нее электроны, становятся чистым атомом металла и осаждаются на электроде. В то время как отрицательные ионы или сульфионы перемещаются к электроду, соединенному с положительной клеммой батареи, где эти отрицательные ионы отдают свои лишние электроны и становятся радикалами SO ₄.Поскольку SO ₄ не может существовать в электрически нейтральном состоянии, он атакует металлический положительный электрод и образует сульфат металла, который снова растворяется в воде. Законы электролиза Фарадея объединяют два закона, а именно:

Первый закон электролиза Фарадея

Из краткого объяснения выше ясно, что протекание тока через цепь внешней батареи полностью зависит от того, сколько электронов передается от отрицательного электрода. или катод на положительный металлический ион или катионы.Если катионы имеют валентность два, как Cu ⁺⁺, то для каждого катиона будет два электрона, перенесенных с катода на катион. Мы знаем, что каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд — 1,602 × 10 ^-19 кулонов, и скажем, что это — e. Таким образом, для размещения каждого атома Cu на катоде будет происходить передача заряда с катода на катион. Теперь предположим, что в течение t времени на катоде будет всего n атомов меди, поэтому общий переданный заряд будет равен -2.н.э. Кулоны. Очевидно, масса осажденной меди m зависит от числа нанесенных атомов. Таким образом, можно сделать вывод, что масса осажденной меди прямо пропорциональна количеству электрического заряда, проходящего через электролит. Следовательно, масса осажденной меди m Q количество электрического заряда проходит через электролит.
Первый закон электролиза Фарадея утверждает, что только
Согласно этому закону химическое осаждение из-за протекания тока через электролит прямо пропорционально количеству электричества (кулонов), прошедшего через него., то есть масса химического осаждения, где Z — коэффициент пропорциональности, известный как электрохимический эквивалент вещества.
Если мы положим Q = 1 кулон в приведенное выше уравнение, мы получим Z = m, что означает, что электрохимический эквивалент любого вещества — это количество вещества, осажденного при прохождении 1 кулона через его раствор. Эта постоянная прохождения электрохимического эквивалента обычно выражается в миллиграммах на кулон или килограммах на кулон.

Второй закон электролиза Фарадея

До сих пор мы узнали, что масса химического вещества, отложившегося в результате электролиза, пропорциональна количеству электричества, которое проходит через электролит. Масса химического вещества, отложившегося в результате электролиза, не только пропорциональна количеству электричества, проходящего через электролит, но также зависит от некоторых других факторов. У каждого вещества будет свой атомный вес. Таким образом, при одинаковом количестве атомов разные вещества будут иметь разные массы.Опять же, количество атомов, нанесенных на электроды, также зависит от их валентности. Если валентность больше, то для того же количества электричества количество отложенных атомов будет меньше, тогда как если валентность меньше, то для того же количества электричества будет отложено большее количество атомов. Таким образом, при прохождении одного и того же количества электричества или заряда через разные электролиты масса нанесенного химического вещества прямо пропорциональна его атомному весу и обратно пропорциональна его валентности.
Второй закон электролиза Фарадея гласит, что когда одно и то же количество электричества проходит через несколько электролитов, масса осажденных веществ пропорциональна их соответствующему химическому эквиваленту или эквивалентной массе.

Химический эквивалент или эквивалентный вес

Химический эквивалент или эквивалентный вес вещества может быть определен Законом электролиза Фарадея , и он определяется как вес этой субаренды, которая будет объединяться с водородом или замещать его. Таким образом, химический эквивалент водорода равен единице. Поскольку валентность вещества равна количеству атомов водорода, которые оно может заменить или с которыми оно может объединить, химический эквивалент вещества может быть определен как отношение его атомного веса к его валентности.Два французских физика, Жан Батист Био и Феликс Савар, в 1820 году вывели математическое выражение для плотности магнитного потока в точке из-за близлежащего проводника с током. Наблюдая за отклонением стрелки магического компаса, двое ученых пришли к выводу, что любой элемент тока создает магнитное поле. поле в пространстве.
После наблюдений и расчетов они вывели математическое выражение, которое показывает, что плотность магнитного потока, дБ, прямо пропорциональна длине элемента dl, току I, синусу угла и θ между направлением ток и вектор, соединяющий данную точку поля и текущий элемент, обратно пропорционален квадрату расстояния данной точки от текущего элемента, r.Это утверждение закона Био-Савара . Где k является константой, зависит от магнитных свойств среды и системы используемых единиц. В системе единиц СИ, поэтому окончательный вывод закона Био-Савара таков: давайте рассмотрим длинный провод, по которому проходит ток I, а также точку p в пространстве. На рисунке ниже провод показан красным цветом. Рассмотрим также бесконечно малую длину провода dl на расстоянии r от точки P, как показано. Здесь r — вектор расстояния, который составляет угол θ с направлением тока в бесконечно малой части провода.

Если вы попытаетесь визуализировать это состояние, вы легко сможете понять плотность магнитного поля в точке P из-за того, что бесконечно малая длина провода dl прямо пропорциональна току, переносимому по этой части провода.
Поскольку ток через эту бесконечно малую длину провода такой же, как ток, протекающий по самому проводу, мы можем написать: также очень естественно думать, что плотность магнитного поля в этой точке P из-за этой бесконечно малой длины провода dl обратно пропорциональна квадрату расстояния по прямой от точки P до центра dl.Математически мы можем записать это как: Наконец, плотность магнитного поля в этой точке P из-за того, что бесконечно малая часть провода также прямо пропорциональна фактической длине бесконечно малой длины провода dl. Поскольку θ — это угол между вектором расстояния r и направлением тока через этот бесконечно малый участок провода, компонент dl, обращенный непосредственно перпендикулярно точке P, равен dlsinθ. Теперь, объединив эти три утверждения, мы можем написать: Это основной форма Закон Био-Савара
Теперь, поместив значение константы k (которое мы уже ввели в начале этой статьи) в приведенное выше выражение, мы получаем Здесь μ ₀, используемое в выражении константы k, является абсолютным проницаемость воздуха или вакуума и ее значение составляет 4π10 ^-7 Вт _b / Am в системе единиц СИ.μ _r выражения постоянной k — относительная проницаемость среды.
Теперь, плотность потока (B) в точке P из-за общей длины токопроводящего проводника или провода может быть представлена как: Если D — перпендикулярное расстояние точки P от провода, то теперь выражение плотности потока B в точке P можно переписать как, Как показано на рисунке выше, Наконец, выражение B выглядит так: Этот угол θ зависит от длины провода и положения точки P. Скажем, для определенной ограниченной длины провода, угол θ, как показано на рисунке выше, изменяется от θ ₁ до θ ₂.Следовательно, плотность магнитного потока в точке P из-за общей длины проводника равна. Давайте представим, что провод бесконечно длинный, тогда θ будет варьироваться от 0 до π, то есть от θ ₁ = 0 до θ ₂ = π. Помещая эти два значения в приведенное выше окончательное выражение закона Био-Савара , мы получаем

Это не что иное, как выражение закона Ампера. Эта теорема утверждает, что полный электрический поток через любую замкнутую поверхность, окружающую заряд, равен чистому положительному заряду, заключенному на этой поверхности.

Предположим, что заряды Q ₁, Q ₂ _ _ _ _Q _i, _ _ _ Q _n заключены в поверхность, тогда теорема может быть выражена математически через поверхностный интеграл как Где, D — поток плотность в кулонах / м ² и dS — вектор, направленный наружу.

Объяснение теоремы Гаусса

Для объяснения теоремы Гаусса лучше рассмотреть пример для правильного понимания.
Пусть Q будет зарядом в центре сферы, а поток, исходящий от заряда, перпендикулярен поверхности.Эта теорема утверждает, что полный поток, исходящий от заряда, будет равен Q кулонов, и это также можно доказать математически. Но как насчет того, когда заряд помещен не в центр, а в любую точку, кроме центра (как показано на рисунке). В это время силовые линии не перпендикулярны поверхности, окружающей заряд, тогда этот поток разрешается. на две составляющие, которые перпендикулярны друг другу, горизонтальная — это компонента sinθ, а вертикальная — компонента cosθ.Теперь, когда сумма этих компонентов берется для всех зарядов, тогда чистый результат равен общему заряду системы, что доказывает теорему Гаусса .

Доказательство теоремы Гаусса

Рассмотрим точечный заряд Q, расположенный в однородной изотропной среде с диэлектрической проницаемостью ε. Напряженность электрического поля в любой точке на расстоянии r от заряда равна. Плотность потока задается как: Теперь из рисунка поток через область dSWhere, θ — угол между D и нормалью к dS
Теперь dScosθ — это проекция dS, перпендикулярная радиус-вектору.По определению телесного угла, где dΩ — телесный угол, стягиваемый в Q элементарной поверхностью dS. Таким образом, полное смещение потока по всей площади поверхности равно. Теперь мы знаем, что телесный угол, образуемый любой замкнутой поверхностью, равен 4π стерадиан, поэтому общий электрический поток через всю поверхность равен. Это интегральная форма теоремы Гаусса . И, следовательно, эта теорема доказана: всякий раз, когда проводник с током попадает в магнитное поле, на проводник будет действовать сила, а, с другой стороны, если проводник с силой подвергнуть воздействию магнитного поля, будет индуцированное ток в этом проводнике.В обоих явлениях существует связь между магнитным полем, током и силой. Эта связь направленно определяется правилом левой руки Флеминга и правилом правой руки Флеминга соответственно. Направленный означает, что эти правила не показывают величину, но показывают направление любого из трех параметров (магнитное поле, ток, сила), если направление двух других известно. Правило левой руки Флеминга в основном применимо к электродвигателю, а правило Правило Флеминга применимо в основном к электрическому генератору.В конце 19 ^{-х годов} века Джон Амброуз Флеминг ввел оба этих правила, и, согласно его имени, правила хорошо известны как правило для левой и правой руки Флеминга.

Правило левой руки Флеминга

Установлено, что всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует сила в направлении, перпендикулярном как направлению тока, так и магнитного поля. На рисунке показано, что часть проводника длиной L, помещенная вертикально в однородное горизонтальное магнитное поле H, создается двумя магнитными полюсами N и S.Если i — ток, протекающий через этот проводник, величина силы, действующей на проводник, равна: Вытяните левую руку указательным, вторым и большим пальцами под прямым углом друг к другу. Если указательный палец представляет направление поля, а второй — направление тока, то большой палец указывает направление силы.
В то время как ток течет по проводнику, вокруг него наводится одно магнитное поле. Это можно представить, рассматривая количество замкнутых магнитных силовых линий вокруг проводника.Направление магнитных силовых линий может быть определено правилом штопора Максвелла или правилом правостороннего захвата. Согласно этим правилам, направление магнитных силовых линий (или силовых линий) — по часовой стрелке, если ток течет от наблюдателя, то есть если направление тока через проводник направлено внутрь от плоскости отсчета, как показано на рисунке. фигура.

Теперь, если горизонтальное магнитное поле приложено извне к проводнику, эти два магнитных поля, то есть поле вокруг проводника из-за тока через него, и внешнее приложенное поле будут взаимодействовать друг с другом.На рисунке мы видим, что магнитные силовые линии внешнего магнитного поля проходят от северного к южному полюсу, то есть слева направо. Магнитные силовые линии внешнего магнитного поля и магнитные силовые линии, возникающие из-за тока в проводнике, находятся в одном направлении над проводником и в противоположном направлении под проводником. Следовательно, над проводником будет больше сонаправленных магнитных силовых линий, чем под проводником. Следовательно, в небольшом пространстве над проводником будет большая концентрация магнитных силовых линий.Поскольку магнитные силовые линии больше не являются прямыми линиями, они находятся под натяжением, как натянутые резиновые ленты. В результате возникнет сила, которая будет стремиться переместить проводник из более концентрированного магнитного поля в менее концентрированное магнитное поле, то есть из текущего положения вниз. Теперь, если вы заметите направление тока, силы и магнитного поля в приведенном выше объяснении, вы обнаружите, что направления соответствуют правилу левой руки Флеминга.

Правило правой руки Флеминга

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, всякий раз, когда проводник движется внутри магнитного поля, в нем будет индуцированный ток.Если этот проводник будет принудительно перемещен внутри магнитного поля, возникнет связь между направлением приложенной силы, магнитным полем и током. Это соотношение между этими тремя направлениями определяется Правилом правой руки Флеминга .

Эффект Зеебека

Это было обнаружено немецким физиком Томасом Зеебеком (1770-1831). Зеебек обнаружил это, наблюдая за стрелкой компаса, которая отклоняется, когда между этими двумя разными металлами или полупроводниками образуется замкнутая петля.Первоначально Зеебек считал, что это происходит из-за магнетизма, вызванного разницей температур, и назвал этот эффект термомагнитным эффектом. Однако датский физик Ганс Кристиан Орстед понял, что индуцируется электрический ток, который по закону Ампера отклоняет магнит.

Объяснение эффекта Зеебека

Валентные электроны в более теплой части металла несут единоличную ответственность за это, и причиной этого является тепловая энергия. Также из-за кинетической энергии этих электронов эти валентные электроны мигрируют быстрее к другому (более холодному) концу, по сравнению с более холодной частью электроны мигрируют к более теплой части.Концепция их движения:

На горячей стороне распределение Ферми мягкое, т.е. более высокая концентрация электронов выше энергии Ферми, но на холодной стороне распределение Ферми резкое, то есть у нас меньше электронов с энергией Ферми.
Электроны идут туда, где энергия ниже, поэтому они будут перемещаться от более теплого конца к более холодному концу, что приводит к переносу энергии и, таким образом, к уравновешиванию температуры в конечном итоге

Или, простыми словами, мы можем прийти к выводу, что электроны на более теплом конце имеют высокий средний импульс по сравнению с более холодным.Следовательно, они будут брать с собой энергию (больше) по сравнению с другим.
Это движение приводит к более отрицательному заряду в более холодной части, чем в более теплой части, что приводит к генерации электрического потенциала. Если эта пара соединена через электрическую цепь. Это приводит к генерации постоянного тока. Однако создаваемое напряжение составляет несколько микровольт (10 ^-6) на разницу температур по Кельвину. Теперь мы все знаем, что напряжение увеличивается последовательно, а ток увеличивается параллельно.Помните об этом факте, если мы сможем подключить много таких устройств для увеличения напряжения (в случае последовательного соединения) или для увеличения максимального передаваемого тока (параллельно). Позаботьтесь только об одном, что для этого требуется большой перепад температур. Однако нужно иметь в виду одну вещь: мы должны поддерживать постоянную, но разную температуру, и поэтому распределение энергии на обоих концах будет различным, и, следовательно, это приводит к успешному упомянутому процессу.

Коэффициент Зеебека

Напряжение, возникающее между двумя точками на проводе, когда между ними поддерживается постоянная разница температур в 1 ^o Кельвин, называется коэффициентом Зеебека . Одна такая комбинация медного константана имеет коэффициент Зеебека , равный 41 микровольт на Кельвин при комнатной температуре.

Эффект Спина Зеебека

Однако в 2008 году было обнаружено, что когда тепло подается на намагниченный металл, его электрон перестраивается в соответствии с его спином.Однако эта перестановка не отвечает за выделение тепла. Этот эффект K / w как эффект Зеебека вращения. Этот эффект используется при разработке быстрых и эффективных микропереключателей.

Применение эффекта Зеебека

Этот эффект Зеебека обычно используется в термопарах для измерения разницы температур или для приведения в действие электронных переключателей, которые могут включать или выключать систему. Обычно используемые комбинации металлов для термопар включают константан / медь, константан / железо, константан / хромель и константан / алюмель.
Эффект Зеебека используется в термоэлектрическом генераторе, который работает как тепловой двигатель.
Они также используются на некоторых электростанциях для преобразования отработанного тепла в дополнительную энергию.
В автомобилях в качестве автомобильных термоэлектрических генераторов для повышения топливной экономичности.

Закон Видемана-Франца — это закон, который связывает теплопроводность (κ) и электропроводность (σ) материала, который состоит из несколько свободно движущихся в нем электронов.

Теплопроводность (κ): Это степень (мера) способности материала проводить тепло.
Электропроводность (σ): Это степень (мера) способности материала проводить электричество.

Металлы; когда температура увеличивается, скорость свободных электронов увеличивается, что приводит к увеличению теплопередачи, а также увеличивает столкновения между ионами решетки и свободными электронами. Это приводит к падению электропроводности.
Закон определяет отношение электронной роли теплопроводности материала к электропроводности материала (металла) непосредственно по отношению к температуре. Этот закон назван в честь Густава Видемана и Рудольфа Франца в 1853 году. сообщили, что соотношение имеет более или менее аналогичное значение для разнородного металла при той же температуре.

Вывод закона

Для этого мы должны предположить однородный изотропный материал. Затем этот материал подвергается воздействию температурного градиента.Направление теплового потока будет противоположным направлению температурного градиента на всем протяжении проводящей среды.
Тепло, протекающее через материал в единицу времени на единицу площади, является тепловым потоком. Он будет пропорционален градиенту температуры. K → Коэффициент теплопроводности (Вт / мK)
K = K _фонон + K _{электрон}; так как передача тепла в твердых телах за счет фононов и электронов.
Теперь мы можем вывести выражение для коэффициента теплопроводности.
Для этого мы должны предположить, что поток тепла идет от более высокой температуры к более низкой температуре в металлической плите, которая имеет температурный градиент .c _v → Удельная теплоемкость
n → Количество частиц в единице объема
λ → среднее свободный пробег столкновений
v → скорость электронов
Сравнивая уравнения (1) и (2), мы получаем, что энергия свободных электронов равна. газ при постоянном объеме. Когда мы помещаем уравнение (8) в (6), мы получаем Далее, мы можем рассматривать плотность электрического тока металла с приложением электрического поля, E (рисунок 1)
Дж = σ E; Закон Ома Итак, правильная форма закона Ома дается формулой: существует длина свободного пробега и среднее время между столкновениями.e → Заряд электрона = 1,602 × 10 ^-9 C
τ → Время столкновения или среднее время: это среднее время движения электрона до рассеяния.
v _d → Скорость дрейфа: Это стандартная скорость электрона во время столкновения.
Когда мы помещаем уравнение (11) в (10), мы получаем электрическую проводимость (проводимость Друде), поскольку рассмотрим электроны, которые движутся в металле без какого-либо приложения электрического поля. Тогда теорема о равнораспределении дается формулой Из уравнения (13) мы получаем m as Теперь мы помещаем уравнение (14) в (12) Таким образом, мы получили значения K и σ из уравнений (6) и (15).Теперь мы можем взять соотношение. Мы предполагаем, что v = v _d, тогда уравнение (16) становится Из этого мы можем сказать, что соотношение одинаково для всех металлов. Это также функция температуры. Этот закон известен как Закон Видемана-Франца Лоренца . Можно сделать вывод, что лучший проводник тепла будет лучшим проводником тепла.

Ограничения Закона Видемана Франца

Значение L не одинаково для всех материалов.
Этот закон не действует для промежуточных температур.
В чистых металлах как σ, так и κ возрастают с понижением температуры.

Что такое вихревые токи и как они влияют на работу двигателя?

Одним из электромагнитных принципов, регулирующих работу электродвигателя, является закон Фарадея, который гласит, что при изменении магнитной среды катушки с проволокой — будь то перемещение магнита и катушки относительно друг друга или изменение магнитного поля. поле — будет индуцировано напряжение или электродвижущая сила (ЭДС).

Другой фундаментальный закон электромагнетизма — закон Ленца — основан на законе Фарадея, чтобы гарантировать, что магнитный поток остается постоянным. Закон Ленца объясняет, что полярность наведенной ЭДС такова, что ток, который она генерирует (согласно закону Ома), будет иметь магнитное поле, направление которого противоположно изменению, вызвавшему его. Другими словами, индуцированное магнитное поле противостоит исходному магнитному полю. (Обратите внимание на знак минус в уравнении для ЭДС ниже.)

E = наведенная ЭДС (В)

N = количество витков в катушке

Φ = магнитный поток (Вебер, Вт)

t = время (с)

Токи, генерируемые в соответствии с законом Фарадея, известны как вихревые токи , потому что они текут или циркулируют в проводнике — подобно водоворотам в водоеме.Величина вихревого тока напрямую связана с силой магнитного поля, скоростью изменения магнитного потока и площадью катушки, но имеет обратную зависимость от удельного сопротивления проводника.

При протекании вихревых токов через проводник выделяется тепло, называемое джоулевым нагревом. Величина джоулева нагрева пропорциональна квадрату тока, поэтому даже небольшое уменьшение вихревых токов может существенно повлиять на количество выделяемого тепла.

Одним из наиболее эффективных способов уменьшения вихревых токов в двигателях является использование пластин (тонких листов металла, которые электрически изолированы друг от друга), которые имеют меньшую площадь поверхности и более высокое сопротивление, чем твердый сердечник. Это снижает величину вихревых токов, которые могут образовываться, и, в свою очередь, количество возникающего джоулева нагрева.

Использование тонких пластин (справа) вместо твердого сердечника (слева) снижает величину вихревых токов в двигателе.
Изображение предоставлено википедией.org

Мощность, потерянная в результате джоулева нагрева, называется потерями на вихревые токи , которые можно найти с помощью уравнения:

P _e = потери на вихревые токи (Вт)

k _e = коэффициент вихревых токов

B = плотность потока (Вт / м ²)

f = частота вращения магнитного поля в секунду (Гц)

t = толщина проводника (м) * поэтому используются тонкие пластинки, а не сплошные жилы

В = объем проводника (м ³)

Обратите внимание, что величина потерь на вихревые токи пропорциональна квадрату квадрата частоты реверсирования магнитного поля и, следовательно, квадрату скорости двигателя.Вот почему крутящий момент, создаваемый электродвигателем, уменьшается с увеличением скорости — из-за нагрева из-за потерь на вихревые токи (а также других потерь, таких как потери на гистерезис). Двигатели с большим числом полюсов, такие как шаговые двигатели, испытывают высокие потери на вихревые токи из-за высокой частоты реверсирования магнитного поля.

Влияние потерь в стали (гистерезисные потери + потери на вихревые токи) на двигатель BLDC.
Изображение предоставлено: maxon

Вихретоковые потери и гистерезисные потери классифицируются как потери в сердечнике (также называемые потерями в стали или магнитными потерями), поскольку они зависят от магнитных путей через железный сердечник двигателя.

Хотя вихревые токи являются нежелательным явлением в электродвигателях, они полезны в других приложениях, таких как вихретоковые тормоза, устройства неразрушающего контроля и индуктивные датчики приближения.

2 Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

(Вт) Обсуждение всего класса.

Энергия преобразование в электрических цепях.

В электрическая цепь, электрическая энергия преобразуется в другие формы энергия.Почти всегда большая или меньшая часть энергии преобразуется в тепловую (внутреннюю) энергию. В отопительных приборах это преобразование приветствуется, тогда как в других устройствах образовавшаяся тепловая энергия обычно рассматривается как нежелательный побочный эффект.

Электрический энергия

· г. работа электротоком:

работа, выполняемая током, протекающим через данный элемент электрической цепи равна произведению напряжения на элементе и заряда, который протек через контур.

· Как для расчета работы:

работа, совершаемая электрическим током в данном элементе цепи, равна произведение напряжения на этом элементе, ток, протекающий через элемент и время потока.

(Т) Объяснение учителя. Закон Джоуля-Ленца

Джоуля-Ленца закон показывает отношения, существующие между:

· В ток, протекающий по проводу.

· В тепло, выделяемое током, протекающим по проволоке.

· В сопротивление провода и…

· В время, когда ток проходит через провод.

Джоуля формула закона: Q = I ² × R × t

где:

Q — количество тепла в Джоулях (Дж)

я — электрический ток, протекающий по проводу, в амперах (А)

R — значение электрического сопротивления провода, Ом (R)

т — количество времени, в течение которого ток проходит через провод, в секундах (с).

Эффект нагрева

Джоуля закон может быть установлен как количество тепла (Q), генерируемого в проводе с сопротивление (R), когда ток (I) проходит через него в течение определенного периода времени (т).

Это тепло прямо пропорционально:

· В квадрат тока.

· В сопротивление провода.

· В время, когда ток течет по проводу.

(I) Индивидуальная работа.

· Какие вызваны ли нагревательные эффекты электрическим током?

Работал например

Рассчитать количество потребляемой энергии от батареи 4,5 В, когда:
(a) через нее проходит заряд 20 C
(b) через нее протекает ток 25 мА, это для

3 минуты

Решение:

Энергия = разность потенциалов x

Q = 4,5 x 20 = 90 Дж
(b) Энергия = разность потенциалов x Q =

с.d x текущее x время

Следовательно:
Энергия = 4,5 x 25×10-3 x 180 = 20,25 Дж

(ж) Формирующая оценка.

набор расчетов на электрическую энергию

Закон Фарадея — обзор

Пример 12.7

Прямоугольная петля, протянутая через поле B →

В предыдущем примере рассматривалась ситуация, когда изменение потока происходит из-за изменения поля во времени. Здесь мы рассматриваем ситуацию, когда поле постоянно во времени, но поток изменяется, потому что контур перемещается в область поля, так что площадь в поле изменяется.Таким образом, как показано на рисунке 12.13 (a), рассмотрим прямоугольную петлю (наша вторичная обмотка) с сопротивлением R , длиной a вдоль x и длиной l вдоль y . Он движется по + x с постоянной скоростью v в области нулевого магнитного поля, пока не достигнет области однородного поля B , которая указывает на бумагу (-z∩). См. Рисунок 12.13 (а). Для конкретности возьмем B = 0,005 T, v = 2 м / с, l = 0.1 м и R = 0,1 Ом. (Если бы петлю просто бросили в поле, по закону Ленца петля замедлилась бы, поэтому необходима сила, чтобы петля двигалась с постоянной скоростью.) Найдите (а) магнитный поток, (б) ЭДС, (c) магнитная сила, действующая на петлю, и (d) мощность, необходимая для того, чтобы тянуть петлю с постоянной скоростью.

Рисунок 12.13. (а) Та же ситуация, что и на рисунке 12.11, но более подробно. (b) Отношение цепи-нормальности для части (a).

Решение: Чтобы найти магнитную силу, мы должны решить одновременно и ток, и скорость.(a) Возьмите d A → = n∩d A из бумаги (чтобы ds → вращался против часовой стрелки, чтобы согласоваться с анализом ЭДС движения, показанным ранее), как на рисунке 12.13 (b). Тогда

(12,5) ΦB = ∫B → ⋅n∩dA = ∫ B → ⋅z∩dA = −B∫dA = −BA = −Blx

, когда цикл входит в область поля. (b) Пусть v = dx / dt . Из-за движения скорость изменения потока определяется как

(12,6) dΦBdt = −Blv,

, где v = dx / dt . Это приводит к ЭДС

(12.7) ε− = dΦBdt = Blv

, который движется по ds → :: против часовой стрелки, что согласуется с качественным анализом примера 12.4. Аналогичный анализ проводится при выходе петли из поля. В поле поток остается на постоянном значении Bla , поэтому наведенная ЭДС отсутствует.

Для наших значений B, l и v , (12,7) дает ε = (0,005 T) (0,1 м) (2 м / с) = 1,0 × 10 ⁻³ В. Принимая (12,7 ), чтобы быть единственной действующей ЭДС, это вызывает ток

(12.8) I = εR = BlvR.

Для R = 0,1 Ом, (12,8) дает I = 1,0 × 10 ⁻³ В / 0,1 Ом = 0,01 А. (c) Соответствующая магнитная сила F → на правом плече получается из

(12,9) F → = I ∫ ds → × B →.

(Напомним, что I — индуцированный ток, а B → — приложенное поле.) Из (12.9), F → указывает влево, а из (12.9) и (12.7) он имеет величину

(12.10 ) F = IlB = v (Bl) 2R.

В нашем случае F = (.01 A) (. 1 м) (. 006 T ) = 6,0 × 10 ⁻⁶ Н. (d) Чтобы заставить петлю двигаться с постоянной скоростью v , внешняя сила (например, от нашей руки) величиной F необходимо применять в обратном направлении. Используя (12.10), эта внешняя сила обеспечивает мощность

(12.11) P = Fv = (vBl) 2R = (IR) 2R = I2R.

Это точно соответствует скорости джоулева нагрева. В нашем случае P = (0,01 A) ² (0,1 Ом) = 1,0 × 10 ⁻⁵ Вт. Таким образом, вся мощность, обеспечиваемая рукой ( Fv ), идет на нагрев ( I ² R ) проволоки.Это генерирование электрического тока за счет механической энергии означает, что контур представляет собой электрический генератор . Наконец, обратите внимание, что на верхние и нижние рычаги также действуют равные и противоположные силы, которые стремятся сжимать петлю, что согласуется с анализом закона Ленца в примере 12.4. См. Рисунок 12.13 (а).

Развитие сильно неоднородного температурного профиля в электрически нагреваемых щелочно-силикатных стеклах

Недавнее открытие EFIS стекла ^19,20,21, настоящие наблюдения локализованного нагрева и теплового разгона (рис. 2–5) и FEA Моделирование (рис. 5–8) ясно демонстрирует, что классический макромасштабный закон Джоуля для однородных образцов не применим к электрическому нагреву обычных стекол, даже любого ионопроводящего твердого тела, когда используются обычные металлические или графитовые электроды.О макромасштабной асимметрии изменения температуры сообщалось также во время мгновенного спекания оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, керамики ^31,32, проводящей кислород-анион. Чтобы понять источник этого макромасштабного несоответствия, отметим случай простого резистивного нагрева, который обычно используется для плавления и очистки расплавов стекла ^33,34. Этот метод зависит от удельного сопротивления стекла и его температурной зависимости как ионного проводника в расплавленной фазе ³⁵.

В фазе жесткого стекла на макроуровне закон Джоуля не применяется, поскольку однородное стекло начинает изменяться при приложении к нему внешнего напряжения.В начале приложения напряжения однородное стекло подчиняется закону Джоуля ²⁶. Однако подвижные ионы в стекле начинают мигрировать к противоположно заряженным электродам, образуя обедненный ионами щелочных металлов слой в стекле, ближайшем к аноду ²⁰. Полученный тонкий слой имеет гораздо более высокое удельное сопротивление по сравнению с массивным стеклом, так что в течение одной минуты почти полное падение напряжения полирования происходит через этот слой в условиях термического полирования ^20,30. Было рассчитано резкое падение напряжения на образце, которое видно на рис.6а для обедненного слоя 100 нм на анодной стороне модели при напряжении 200 В. При этой толщине внутреннее электрическое поле достигает ~ 1,9 × 10 ⁷ В / см, тогда как внешнее приложенное поле будет составлять 200 В / см, что делает внешнее поле макромасштаба незначительным. Диэлектрическая прочность чистого кремнезема составляет 10 ⁷ В / см, и, следовательно, внутреннее электрическое поле достаточно велико, чтобы изменить потенциальный энергетический барьер для электронной проводимости внутри изоляционного материала ^36,37.В этот момент может произойти пробой диэлектрика, увеличивая электронную проводимость до точки, когда рассеивание электрической энергии нагревает стекло до состояния теплового разгона. Таким образом, выделение тепла во время разгона может выдержать аварию. Альтернативная точка зрения состоит в том, что тепловыделение в результате сильно неоднородного джоулева нагрева вызывает тепловой разгон, который затем приводит к пробою диэлектрика. Настоящие результаты не могут полностью разрешить эту причинно-следственную дилемму между пробоем диэлектрика и тепловым разгоном.{{t} _ {f}} v \ ast i \, dt \, $$

(1)

, где Q — тепловая энергия из-за рассеивания мощности из-за электрических потерь [Дж], v — напряжение на образце [В], i — ток [A], t _с и t _f — время начала и окончания EFIS [s]. Это соотношение предполагает полное преобразование электрической энергии в тепловую без потерь.Затем тепловая энергия, оцененная по уравнению 1, может быть использована для расчета соответствующего повышения температуры в образце на основе простой теплопередачи со следующим соотношением:

$$ Q = m \ ast {C} _ {p} \ ast {\ Delta} T \, $$

(2)

, где м — масса образца [г], C _p — удельная теплоемкость стекла [Дж / гК], а ΔT — изменение температуры от начальной до конечное значение [K].Этот расчет предполагает, что тепловыделение намного больше, чем тепловые потери, и что температура образца везде одинакова с постоянной теплоемкостью.

Очевидно, что очень высокие температуры могут быть реализованы в слое, обедненном щелочными ионами, рядом с анодом при одновременном приложении постоянного напряжения и нагрева печи — достаточно высоких, чтобы вызвать испарение и повторное осаждение стекловидного порошка, как показано на рис. 1a. ^30,38. Например, рассмотрим стекло NS с напряжением 150 В постоянного тока, применяемое в печи T при температуре 350 ° C.Энергия, рассеиваемая внутри стекла во время такой обработки, была рассчитана на основе плотности мощности с использованием уравнения 1. На рис. 9 показаны временные рамки во время пробоя диэлектрика вместе с соответствующим увеличением температуры образца за пределами T _печи. Изменение температуры образца было аппроксимировано уравнением 2 с удельной теплоемкостью 1,15 Дж / г · К и массой 0,5921 г ³⁹. На рис. 9 наблюдаются две важные особенности. Во-первых, диссипация энергии в начале пробоя диэлектрика увеличивается экспоненциально, что обозначено как «Thermal Runaway».Вторая особенность — линейное увеличение рассеиваемой энергии, которое является результатом ограничения тока, налагаемого силовым резистором, включенным последовательно с образцом. Рассеяние энергии в конечном итоге выравнивается из-за снятия приложенного напряжения. Это простое приближение дает ограничивающую оценку увеличения температуры образца на 2500 ° C после двух минут ограниченного током теплового неуправляемого нагрева. Этот интенсивный нагрев объясняет размягчение и последующее испарение стекла, в результате чего остаются отложения, богатые щелочью и кремнеземом, которые видны на рис.1.

Рис. 9

Рассеяние энергии и соответствующее повышение температуры образца (в пределе отсутствия тепловыделения) за пределами печи T для стекла NS при 150 В постоянного тока при 350 ° C. Диссипация энергии рассчитывается по формуле. 1 и повышение температуры по формуле. 2. Примечание. Красная пунктирная линия указывает на режим линейного ограничения тока из-за включенного последовательно включенного силового резистора.

Графики на рис. 9 основаны на простых приближениях, но они, кажется, правильно показывают величину температуры, при которой может происходить размягчение и испарение стекла.Большинство образцов размягчаются после ~ 30 с теплового разгона, и согласно рис. 9 однородная температура стекла будет порядка 1500 ° C. Чтобы оценить справедливость этого предположения, использовалось тепловизионное изображение для непосредственного измерения фактической температуры поверхности образца. Это также позволило детально наблюдать процесс теплового разгона, в том числе то, как соответствующее большое тепловложение распределяется в образце. Роль обедненного слоя вблизи анода наглядно показывает график профиля температуры на рис.3. Здесь в течение первых 20 с пробоя диэлектрика, вызванного протеканием большого тока, сильно локализованные области стекла вблизи анода нагреваются. Считается, что локализованный нагрев соответствует процессу термического пробоя диэлектрика, который, вероятно, инициируется на неровностях поверхности или диэлектрических неоднородностях, где напряженность электрического поля локально максимальна ¹¹. Это могло бы объяснить неравномерный нагрев, наблюдаемый на рисунках 2 и 3.

Различия в EFIS, наблюдаемые между приложенными напряжениями постоянного и переменного тока, как полагают, связаны с разницей в рассеиваемой мощности во время EFIS для двух случаев, что приводит к до самонагрева и теплового разгона ²¹.Сравнение проводится для NS с 150 В постоянного тока на рис. 4 и 150 В переменного тока при 1 кГц на рис. 5. Обратите внимание, что образец на ИК-изображениях расположен в центре с анодом вверху и катодом внизу. для случая DC. На рисунке 4 сравнивается тот же образец NS с напряжением 150 В постоянного тока при двух значениях T _печи, 353,5 ° C и 363,6 ° C. Поскольку скорость нагрева печи составляла 10 ° C / мин, а два изображения были сняты с интервалом 40 секунд, огромная разница в температуре образцов объясняется тепловым разгоном.Для случая постоянного тока на рис. 4 самая высокая температура была измерена на анодной стороне стекла, как и на рис. 2. В течение 40 секунд температура образца подскочила примерно на 1400 ° C и стала очень неоднородной. В случае переменного тока на рис. 5 два изображения были получены с интервалом примерно 270 с в печи T = 385,3 ° C и 428,6 ° C. Между двумя изображениями температура образца увеличилась с 500,8 ° C до 514,4 ° C, показывая, что изменение в печи T было больше, чем в стеклянном образце, скорее всего, из-за более однородного внутреннего поля и соответствующего распределения тепла под Переменного тока, чем в аналогичном случае постоянного тока.Очевидно, резистивный нагрев в AC-EFIS может быть более управляемым по сравнению с резким тепловым разгоном DC-EFIS.

Наблюдаемая разница в ИК-изображениях для полей постоянного и переменного тока подтверждается измеренной плотностью мощности на единицу объема. Мощность в DC-EFIS рассчитывалась по напряжению и току, а в AC-EFIS — по среднеквадратичному напряжению и току [Мощность, рассчитанная на основе среднеквадратичных значений напряжения и тока, включает ненагревающий компонент, в результате чего коэффициент мощности меньше чем один.Его значение трудно определить напрямую из-за постоянно меняющейся температуры и сопротивления обедненного слоя, но этот фактор не изменит настоящего вывода.]. Например, для стекла NS, испытанного при 150 В постоянного тока, максимальная плотность мощности составила 91 мВт / мм ³, тогда как при 150 В — 1 кГц переменного тока максимальная плотность мощности составила 55 мВт / мм ³. Аналогичная тенденция была измерена с составом 5Л5НС при напряжении 150 В. При постоянном токе максимальная плотность мощности составляла 78 мВт / мм ³, но при 150 В — 1 кГц переменного тока удельная мощность составляла 54 мВт / мм ³.Следует отметить, что при постоянном токе рассеивание мощности намного более локально вблизи анода по сравнению со случаем переменного тока, что преувеличивает разницу в плотности мощности на единицу объема.

Самонагрев НЗ в переменном токе является равномерным, и самое горячее измерение было в центре образца между электродами. Этот профиль указывает на то, что резистивный джоулев нагрев, вероятно, является результатом колебательного напряжения, которое заставляет протекать ток и джоулева нагревание начинается и прекращается каждый полупериод частоты.Для сравнения, использование постоянного напряжения приводит к экстремальному локальному нагреву и размягчению стекла, в то время как переменный ток способствует равномерному нагреву и постепенному размягчению. Как обсуждалось в предыдущей работе AC-EFIS ²¹, приложение переменного напряжения создает два процесса, которым подвергаются подвижные катионы. В первом полупериоде переменного напряжения электрод имеет временное положительное смещение, которое отводит подвижные катионы от границы раздела электрод / стекло в объем. Миграция ионов доминирует над диффузией в этом полупериоде.Во втором полупериоде смещение временно меняется на противоположное, теперь имеется большой градиент концентрации катионов, приводящий к диффузии катионов обратно к обедненному слою, и обратное смещение напряжения также вызывает миграцию катионов обратно. Этот процесс, вероятно, предотвращает пробой диэлектрика и интенсивный локальный нагрев, как измерено в DC-EFIS.

Экспоненциальный рост тока на рис. 7a показывает положительную обратную связь резистивного нагрева. Однако рост тока достигает асимптоты, демонстрирующей конкуренцию между тепловыделением за счет резистивного нагрева и тепловыми потерями из-за конвекции в электроды и излучения в окружающую печь.Расчетные температуры вместе с тепловым профилем хорошо согласуются с экспериментальными измерениями. Тепловидение показало, что температуры выше 1300 ° C (см. Рис. 2) часто достигаются при использовании постоянного напряжения. Максимальная температура 1868 ° C была измерена в NS вблизи области обедненного слоя во время DC-EFIS при 150 В после ~ 30 с пробоя диэлектрика, как показано на рис. 4. Эти расчеты показывают, что размягчение стекла происходит от анода к катоду, как показано на рис. передача тепла от обедненного слоя в объем стеклянного образца.Это предположение подтверждается рис. 4б. Моделирование методом конечных элементов предсказывает общую температуру истощенного слоя около 1600 ° C, в то время как инфракрасное изображение измеряет около 1800 ° C. Расхождение в значениях могло быть результатом моделирования FEA образца как одномерного твердого тела, которое не учитывает накопление тепла в центре стекла с радиальным градиентом температуры. Модель также использовала для расчетов не зависящую от температуры теплопроводность.

В настройке модели FEA ограничение тока с помощью логического оператора было наложено на 0.3A, что было больше, чем асимптота, достигнутая во время FEA. Подобный максимум тока около 0,23 А был аналогичным образом измерен экспериментально во время EFIS, как показано на рис. 7a. Последовательный силовой резистор теоретически ограничивал максимальный ток до 0,5 А, но никогда не был полностью достигнут экспериментально ²⁰. Сравнение теоретической и экспериментальной асимптот тока показывает, что процесс EFIS является самоподдерживающимся. Ток, протекающий через стекло, рассеивается в виде тепла, которое увеличивает температуру и увеличивает ионную миграцию и диффузию.Однако создание богатой диоксидом кремния области увеличивает сопротивление образца, предотвращая дальнейшее экспоненциальное увеличение тока. Это ограничение тепловыделения не соблюдалось во время AC-EFIS ²¹. Рассеивание мощности постоянно увеличивалось во время AC-EFIS, но событие размягчения происходило при более низкой температуре печи. Последний факт был отмечен в результате более равномерного нагрева и постепенного размягчения образца, в отличие от DC-EFIS, который был резким и резким ²¹.В принципе, асимптотический ток будет наблюдаться также в AC-EFIS, если используется достаточно низкая частота, чтобы дать достаточно времени для образования слоя обеднения щелочными ионами и сохранения его стабильности на обоих электродах.

Для оптимизации тепловыделения моделирование профилей температуры методом FEA для различных значений δ выявляет проницательную тенденцию на рис. 8. При очень малых δ, скажем при 5 нм, удельное сопротивление обедненного слоя не создавало локализованного нагрева вблизи анод. Вместо этого в объеме стекла наблюдался равномерный джоулев нагрев.Тепло, которое генерировалось в обедненном слое 5 нм, могло быстро рассеиваться в электрод за счет теплопроводности. Максимальная температура, которую испытывал обедненный слой, приходилась на его толщину 100 нм. Значение δ выше 100 нм начинает ограничивать количество тока, который может проходить через образец из-за большего сопротивления обедненного слоя. В свою очередь, уменьшенный ток уменьшил сопутствующие эффекты джоулева нагрева, как показано на рис. 8. Следовательно, тепловой разгон либо расширяется до более длительного временного масштаба, либо подавляется до тех пор, пока теплопотери уже не являются незначительными по сравнению с тепловыделением и достигают устойчивое состояние.Это понимание, полученное с помощью теплового моделирования, объясняет динамический джоулев нагрев, наблюдаемый с помощью экспериментального тепловизора.

Видео тепловизоров показывают, что нагрев во время EFIS вблизи анода сильно локализован и неравномерен. Локализованная «горячая точка» также имеет тенденцию изгибаться в боковом направлении на границе раздела анод / стекло. Результаты модели FEA объясняют это наблюдение, когда интенсивный локализованный нагрев создает большое значение δ из-за термически усиленной миграции катионов. Затем δ может вырасти до порядка 50 мкм, как измерено с помощью линейных сканеров EDS ²¹.При достижении относительно «толстого» обедненного слоя в 50 мкм тепловое бегство в этой локальной области подавляется ограниченным током через более резистивный слой. Этот процесс служит петлей отрицательной обратной связи способности диэлектрического материала поддерживать ток в этой локализованной области. Однако в области, прилегающей к локализованному нагреву, условия могут способствовать продолжению пробоя диэлектрика, переходя в боковом направлении в соседнюю область, которая была нагрета в результате близкого теплового разгона, но сохранила « оптимальное » значение δ на ~ 100 нм. .Процесс теплового разгона продолжается в этой новой области, пока он, в свою очередь, также не будет подавлен растущим обедняющим слоем, заставляя его снова перемещаться в соседнюю область и так далее. По мере того как соседние области «горячих точек» соединяются друг с другом, коллективное сопротивление расширенного обедненного слоя будет уменьшаться, и будет генерироваться достаточно тепла для инициирования EFIS. Таким образом, передача тепла из обедненного слоя в объемную часть в конечном итоге приведет к тому, что температура объемного образца достигнет температур размягчения, что позволит возникать вязкому течению.

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

Образование
Исследовать
Инновации
Прием + помощь
Студенческая жизнь
Новости
Выпускников
О Массачусетском технологическом институте
Подробнее ↓
- Прием + помощь
- Студенческая жизнь
- Новости
- Выпускников
- О Массачусетском технологическом институте

Меню ↓ Поиск Меню Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

Закон Джоуля Ленза.Закон Джоуля-Ленца Число тепла через сопротивление и напряжение

Содержание:

Известный русский физик Ленц и английский физик Джоуль, проводя эксперименты по изучению тепловых воздействий электрического тока, независимо вывели закон Джоуля-Ленца. Этот закон отражает взаимосвязь количества тепла, выделяемого в проводнике, и электрического тока, проходящего через этот проводник в течение определенного периода времени.

Свойства электрического тока

Когда электрический ток проходит через металлический проводник, его электроны постоянно сталкиваются с различными внешними частицами.Это могут быть обычные нейтральные молекулы или молекулы, потерявшие электроны. Электрон в процессе движения может отсоединить от нейтральной молекулы другой электрон. В результате его кинетическая энергия теряется, и вместо молекулы происходит образование положительного иона. В других случаях электрон, наоборот, соединяется с положительным ионом и образует нейтральную молекулу.

В процессе столкновений электронов и молекул происходит расход энергии, в дальнейшем превращающийся в тепло.Затраты определенного количества энергии связаны со всеми движениями, во время которых им приходится преодолевать сопротивление. В это время происходит преобразование работы, затрачиваемой на преодоление сопротивления трения, в тепловую энергию.

Формула и определение закона Джоуля-Ленца

Согласно закону Джоуля Ленза, электрический ток, проходящий через проводник, сопровождается количеством тепла, прямо пропорциональным площади и сопротивлению, а также времени протекания этого тока по проводнику.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = i 2 RT, в которой q отображает количество выделенного тепла, I -, R — сопротивление проводника, Т это период времени. Величина «К» является тепловым эквивалентом работы и применяется в тех случаях, когда количество тепла измеряется в калориях, сила тока — в Омах, а время — в секундах. Числовое значение K равно 0,24, что соответствует току в 1 ампер, что при сопротивлении проводника в 1 Ом количество тепла равно 0.За 1 секунду выделяется 24 ккал. Поэтому для расчетов количества выделенного тепла в калориях используется формула q = 0,24i 2 Rt.

При использовании системы единиц количество тепла измеряется в Джоулях, поэтому величина «К» по закону Джоуля-Ленца будет равна 1, а формула будет иметь вид : Q = i 2 RT. В соответствии с i = u / r. Если это значение текущей силы подставить в основную формулу, оно приобретет следующий вид: Q = (U 2 / R) T.

Базовая формула Q = i 2 RT очень удобна для использования при расчете количества тепла, которое выделяется в случае последовательного подключения. Сила тока во всех проводниках будет одинаковой. При последовательном соединении сразу нескольких проводников каждый из них будет выделять столько тепла, что будет пропорционально сопротивлению проводника. Если можно последовательно соединить три одинаковых провода из меди, железа и никеля, то максимальное количество тепла будет выделено последним.Это связано с самым высоким сопротивлением никеля и более сильным нагревом этой проволоки.

При параллельном соединении одинаковых проводов значение электрического тока в каждом из них будет разным, а напряжение на концах одинаковым. В этом случае для расчетов больше подходит формула Q = (U 2 / R) T. Количество тепла, выделяемого проводником, будет обратно пропорционально его проводимости. Таким образом, закон Джоуля — Ленца широко используется для расчета установок электрического освещения, различных нагревательных и нагревательных устройств, а также других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Закон Джоуля Ленза. Действие и мощность электрического тока

Задание на «Законы постоянного тока». Задание может быть интересно ученикам 10 классов и выпускникам для подготовки к ЕГЭ. Кстати, такая задача была на экзамене в части 1 с несколько другим вопросом (нужно было найти соотношение количества тепла, выделяемого на резисторах).

Какие резисторы выделяются наибольшим (наименьшим) количеством тепла? R1 = R4 = 4 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 2.Дайте решение. Чтобы ответить на вопрос поставленной задачи, необходимо сравнить количество тепла, выделяемого на каждом из их резисторов. Для этого воспользуемся формулой закона Джоуля — Ленца. То есть основной задачей будет определение силы тока (или сравнения), протекающего через каждый резистор.

По законам последовательного соединения ток, протекающий через резисторы R1 и R2, а также R3 и R4, одинаков. Для определения силы тока в верхней и нижней ветвях воспользуемся законом параллельного соединения, согласно которому напряжение на этих ветвях одинаково.После напряжения на нижней и верхней ветвях по закону Ома для участка цепи имеем: Подставляя числовые значения сопротивления сопротивления, получаем: то есть получаем соотношение между токами, возникающими в верхнем а в нижней ветви: определяя силу тока через каждый из этих резисторов, мы определяем количество тепла, выделяемого на каждом из резисторов. Сравнивая числовые коэффициенты, делаем вывод, что максимальное количество тепла выделяется на четвертом резисторе, а минимальное количество тепла — на втором.

Вы можете оставить комментарий или поставить трекбэк со своего сайта.

Написать комментарий

fizika-doma.ru.

Тепловая мощность — формула расчета

Теплотехникам приходится иметь дело с собственниками частных домов, квартир или любых других объектов. Это основа основ строительного дизайна.

Разобраться в сути этих расчетов в официальных бумагах не так уж и сложно, как кажется.

Для меня вы также можете научиться выполнять расчеты, чтобы решить, какую изоляцию применять, какой толщины должна быть какая мощность для установки котла и достаточно ли радиаторов в этой области.

Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти, если разобраться, что такое тепловая мощность. Формула, определение и объем — читайте в статье.

Что такое тепловой расчет?

Проще говоря, тепловой расчет помогает точно узнать, сколько тепла хранит и теряет здание, и сколько энергии должно производить отопление для поддержания комфортных условий в жилом помещении.

При оценке теплопотерь и степени подвода тепла учитываются следующие факторы:

Что такое объект: сколько в нем этажей, наличие угловых комнат, жилого или производственного помещения и т. Д.
Сколько человек будет «жить» в доме.
Важная деталь — зона остекления. И размеры кровли, стен, пола, дверей, высота потолков и т.д.
Какова продолжительность отопительного сезона, климатические особенности региона.
Снайперы определяют стандарты температуры, которые должны быть в помещении.
Толщина стен, перекрытий, выбранные утеплители и их свойства.

Также могут быть приняты во внимание другие условия и особенности, например, рабочие и выходные, мощность и тип вентиляции, ориентация жилья по сторонам света и т. Д.можно считать.

Зачем нужен тепловой расчет?

Как удалось обойтись без тепловых расчетов застройщиков прошлого?

Сохранившиеся купеческие дома показывают, что все делалось просто с запасом: окна меньше, стены утолщаются. Получилось тепло, но это экономически не выгодно.

Теплотехнический расчет позволяет построить наиболее оптимальное. Материалов берут больше — не меньше, а ровно столько, сколько нужно.Уменьшаются габариты конструкции и затраты на ее возведение.

Расчет точки росы позволяет строить так, чтобы материалы не портились как можно дольше.

Для определения необходимой мощности котла без расчетов не обойтись. Его общая мощность складывается из затрат энергии на обогрев помещений, нагрева горячей воды для хозяйственных нужд и возможности перекрытия тепловых потерь от вентиляции и кондиционирования. Запас мощности добавляется в пиковые холода.

При газификации объекта требуется согласование со службами. Рассчитан годовой расход газа на отопление и общая мощность тепловых источников в гигаклотах.

Нужны расчеты при выборе элементов системы отопления. В его основе система труб и радиаторов — можно узнать, какой должна быть их длина, площадь поверхности. Потери мощности учитываются при развороте трубопровода, на стыках и проходе арматуры.

При расчете стоимости тепловой энергии может пригодиться знание того, как перевести Гкал в кВт и обратно. В следующей статье подробно описана эта тема с примерами расчетов.

В этом примере приведен полный расчет теплого водяного пола.

А вы знаете, что количество секций радиаторов отопления не отводят «от потолка»? Их количество приведет к тому, что в доме будет холодно, а чрезмерное их количество создаст тепло и приведет к чрезмерной сухости воздуха.Согласно http://microklimat.pro/sistemy-otopleniya/raschet-sistem-otopleniya/kolichestva-sekcij-radiatorov.html приведены примеры правильного расчета радиаторов.

Расчет тепловой мощности: формула

Рассмотрим формулу и приведем примеры, как произвести расчет для зданий с другим коэффициентом рассеивания.

VX (Delta) TXK = ккал / ч (тепловая мощность), где:

Первый показатель «V» — это количество расчетного помещения;
Дельта «Т» — разница температур — величина, показывающая, на сколько градусов в помещении теплее, чем на улице;
«К» — коэффициент дисперсии (его еще называют «коэффициентом теплопередачи»).Значение взято из таблицы. Обычно число колеблется от 4 до 0,6.

Примерные значения коэффициента дисперсии для упрощенного расчета

Если это недовольный металл или доска, то «К» будет = 3 — 4 единицы.
Одинарная кирпичная кладка и минимальная изоляция — «К» = от 2 до 3 до 3.
Стена в два кирпича, стандартное перекрытие, окна и
двери — «К» = от 1 до 2.
Самая теплая вариант.Стеклопакеты, кирпичные стены с двойным утеплителем и т. Д. — «К» = 0,6 — 0,9.

Более точный расчет можно произвести, рассчитав точные размеры свойств поверхности домов в М2 (окна, двери и т. Д.), Произведя расчеты для них отдельно и сложив полученные показатели.

Пример расчета тепловой мощности

Берем некое помещение площадью 80 м2 с высотой потолка 2,5 м и считаем, какая мощность котла потребуется для его обогрева.

Сначала посчитаем кубатуру: 80 х 2,5 = 200 м3. Наш дом утеплен, но недостаточно — коэффициент рассеивания 1,2.

Морозы до -40 ° С, а в помещении хочу комфортных +22 градуса, перепад температур (Дельта «Т») получается 62 ° С.

Подставляем в формулу мощности тепловые потери количества и разворота:

200 х 62 х 1,2 = 14880 ккал / ч.

Полученные килокалории перевести в киловатты с помощью преобразователя:

1 кВт = 860 ккал;
14880 Ккал = 17302.3 Вт.

Округлим в большую сторону с запасом, и понимаем, что в самый сильный мороз -40 градусов нам потребуется 18 кВт энергии в час.

Умножаем периметр дома на высоту стен:

(8 + 10) х 2 х 2,5 = 90 м2 поверхности стен + 80 м2 потолка = 170 м2 поверхности, контактирующей с холодом. Рассчитанные нами выше тепловые потери составили 18 кВт / ч, мы делим площадь дома на расчетную потребляемую энергию, которую теряет 1 м2 около 0.1 кВт или 100 Вт в час при температуре на -40 ° С, а в помещении +22 ° С.

Эти данные могут быть основой для расчета необходимой толщины утеплителя на стенах.

Приведем еще один пример расчета, в некоторых моментах он посложнее, но точнее.

Формула:

Q = S X (Delta) T / R:

Q — искомая величина теплопотерь дома в ВТ;
S — площадь охлаждающих поверхностей в м2;
T- разница температур в градусах Цельсия;
R — тепловое сопротивление материала (M2 x K / W) (квадратные метры, умноженные на Кельвины и разделенные на Ватты).

Итак, чтобы найти «q» того же дома, что и в примере выше, вычислим площадь его поверхностей «S» (мы не будем рассматривать пол и окна).

«S» в нашем случае = 170 м2, из которых 80 м2 потолок и 90 м2 — стены;
Т = 62 ° С;
R-термическое сопротивление.

Ищем «R» по таблице термического сопротивления или по формуле. Формула расчета коэффициента теплопроводности такая:

R = H / K.Т. (N — толщина материала в метрах, К.Т. — коэффициент теплопроводности).

В данном случае у дома стена из двух кирпичей толщиной 5 см, покрытая пеной толщиной 10 см. Потолок покрыт опилками толщиной 30 см.

Система отопления частного дома должна быть устроена с учетом экономии затрат на электроэнергию. Расчет системы отопления частного дома, а также рекомендации по выбору котлов и радиаторов — читайте внимательно.

Чем и как утеплить деревянный дом изнутри, вы узнаете, прочитав эту информацию. Выбор теплоизоляции и технологии утепления.

Из таблицы коэффициентов теплопроводности (измеряется Вт / (M2 x K), ватты делятся на квадратный метр по Кельвину). Находим значения для каждого материала, они будут:

кирпич — 0,67;
пенопласт — 0,037;
пилы — 0,065.

Подставляем данные в формулу (R = H / K.Т.):

R (потолок толщиной 30 см) = 0,3 / 0,065 = 4,6 (м2 х К) / Вт;
R (кирпичная стена 50 см) = 0,5 / 0,67 = 0,7 (М2 х К) / Вт;
R (Пенопласт 10 см) = 0,1 / 0,037 = 2,7 (М2 х К) / Вт;
R (стены) = R (кирпич) + R (пенопласт) = 0,7 + 2,7 = 3,4 (м2 х К) / Вт.

Теперь можно перейти к расчету теплопотерь «Q»:

Q для потолка = 80 х 62 / 4,6 = 1078,2 Вт.
Q стенка = 90 х 62 / 3,4 = 1641.1 Вт.
Осталось сложить 1078,2 + 1641,1 и перевести в кВт, получается (если сразу округлить) 2,7 кВт энергии за 1 час.

Можно обратить внимание на то, насколько сильно получилась разница в первом и втором случае, хотя объем домов и температура за окном в первом и втором случае были совершенно одинаковыми.

Все дело в степени полезности домов (хотя, конечно, данные могли бы быть другие, если бы мы рассчитывали пол и окна).

Заключение

Приведенные выше формулы и примеры показывают, что при теплотехнических расчетах очень важно учитывать как можно больше факторов, влияющих на теплопотери. Сюда входит и вентиляция, и площадь окон, и степень их усталости и т. Д.

А подход, когда 1 кВт мощности котла берется на 10 м2 дома — слишком приблизительный, чтобы серьезно полагаться на него. Это.

Видео по теме

microklimat.pro.

13 тепловой расчет

10. Тепловой расчет.

Конструкция МКС должна быть такой, чтобы выделяющееся при ее работе тепло не приводило в самых неблагоприятных условиях эксплуатации к выходу из строя элементов в результате перегрева. К основным тепловым элементам следует отнести в первую очередь резисторы, активные элементы и компоненты. Мощность, рассеиваемая конденсаторами и индукторами, мала. ЭМС с переключением на пленку, благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок, способствует отводу тепла от наиболее нагретых элементов и выравниванию температуры карты GIS и кристалла полупроводниковой ИС.

Рис. 10.1. Варианты крепления доски к корпусу.

Тепловой расчет резисторов.

Тепловое сопротивление резистора рассчитывается по формуле (10.1)

P = 0,03 [Вт / см ° C] — коэффициент теплопроводности материала подложки;

ΔP = 0,06 см — толщина доски.

Rt = 0,06 / 0,03 = 2 см2 ∙ ° C / Вт

Рассчитайте температуру пленочных резисторов по формуле

PR — мощность, выделяемая на резисторе;

SR — площадь, занимаемая резистором на плате;

P0 — суммарная мощность, выделяемая всеми компонентами микросхемы;

СП — Площадь пл.

ПР = 0,43 МВт — мощность, выделяемая на резисторе;

SR = 0,426мм2 — площадь, занимаемая резистором;

Sn = 80 мм2 — план платы;

Rt = 2 см2 ∙ ° C / Вт — тепловое сопротивление резистора;

Tocr.Sr = 40С — максимальная температура окружающей среды;

T = 125С = Максимально допустимая температура пленочных резисторов.

TR = (0,43 ∙ 10-3 ∙ 200) /0,426+ (24,82 ∙ 10-3 ∙ 200) /80+40\u003d40,26 С

Температура остальных резисторов рассчитывается аналогично с помощью MathCAD программа.Результаты расчетов представлены в Табл. 10.1

Табл. 10.1.

Из таблицы видно, что для всех пленочных резисторов соблюдается указанный тепловой режим.

Тепловой расчет присоединяемого элемента.

Термическое сопротивление рассчитаем по формуле:

k = 0,003 [Вт / см ° C] — коэффициент теплопроводности клея;

ΔK1 = 0,01 см — толщина клея.

R = (0,06 / 0.03) + (0,01 / 0,003) = 5,33 см2 ∙ ° C / Вт

Рассчитайте температуру присоединяемого элемента по формуле:

Расчет транзистора Кт202а, VT14

PNE = 2,6 МВт — мощность, выделяемая на транзистор;

СНЭ = 0,49 мм2 — площадь, занимаемая транзистором;

P0 = 24,82 МВт — мощность, выделяемая всеми компонентами платы;

Sn = 80 мм2 — план платы;

T0C = 40С — максимальная температура окружающей среды;

T = 85С = Максимально допустимая температура транзистора.

TNE = (2,6 ∙ 10-3 ∙ 533) /0,49+ (24,82 ∙ 10-3 ∙ 533) /80+40\u003d42,99 9

Следовательно, указанный тепловой режим соблюдается.

Температура остальных транзисторов рассчитывается аналогично с помощью программы MathCAD. Результаты расчетов представлены в таблице 10.2

Таблица 10.2.

Из таблицы видно, что для всех транзисторов соблюдается указанный тепловой режим. Следовательно, тепловой режим для всей схемы выполняется.

studfiles.net

Тепловая мощность электрического тока и ее практическое применение

Причина нагрева проводника заключается в том, что энергия движущегося в нем электрона (другими словами, энергия тока) при последовательном столкновении частиц с молекулярным Решетка ионы металлического элемента превращаются в теплый вид энергии, или q, формируется понятие «тепловая мощность».

Текущая операция измеряется с использованием Международной системы System System с применением Джоули (Дж), текущая мощность определяется как «Ватт» (Вт).Отходя от системы на практике, могут применяться, помимо прочего, что генерируемые единицы измерения силы тока. Среди них ватт-час (Вт × ч), киловатт-час (сокращенно квт × ч). Например, 1 Вт × ч обозначает текущую операцию с удельной мощностью 1 Вт и продолжительностью в один час.

Если электроны движутся по фиксированному проводнику от металла, в этом случае вся полезная работа производимого тока распределяется на нагрев металлической конструкции, и, исходя из положений закона сохранения энергии, это можно описать формулой Q = A = IUT = I2RT = (U2 / R) * t.Такие отношения с точностью выражают знаменитый закон Джоуля-Ленца. Исторически впервые его определил опытный ученый Д. Джоуль в середине 19 века, а вместе с тем, независимо от него, другой ученый — Э. Ленц. Практическое применение. Тепловая энергия найдена в техническом исполнении с изобретением в 1873 г. русского инженера А. Ладыгина обыкновенной детской лампы.

Термический ток активируется в ряде электрических устройств и промышленных установок, а именно в термоизмерительных приборах, нагревательных типах электроплит, электросварочном и инвентарном оборудовании, очень распространены бытовые приборы на электрическом нагревании — варочные, паяльники и т. Д. чайники, утюг.

Противостоит тепловому эффекту в пищевой промышленности. При большой доле использования используется возможность электроконтактного нагрева, что гарантирует тепловую мощность. Это обусловлено тем, что ток и его тепловая мощность, воздействуя на пищевой продукт, имеющий определенную степень сопротивления, вызывают в нем равномерный нагрев. Это можно привести как пример того, как делают колбасы: через специальный дозатор мясной начинки поступают металлические формы, стенки которых одновременно являются электродами.Обеспечивает постоянную равномерность нагрева по площади и объему продукта, поддерживается заданная температура, поддерживается оптимальная биологическая ценность пищевого продукта, вместе с этими факторами продолжительность технологических работ и энергозатраты остаются наименьшими. .

Удельная тепловая мощность электрического тока (ω), другими словами, количество тепла, которое выделяется в единице объема за определенную единицу времени, рассчитывается следующим образом.Элементарный цилиндрический проводник (ДВ), с поперечным сечением проводимости DS, длиной DL, параллельной направлению тока, и сопротивлением выражается уравнениями R = P (DL / DS), DV = DSDL.

Согласно определениям закона Джоуля-Ленца, за отведенное время (DT) будет различаться уровень тепла, равный DQ = I2RDT = P (DL / DS) (JDS) 2DT = PJ2DVDT. В этом случае Ω = (DQ) / (DVDT) = PJ2 и, применив закон OLO для установления плотности тока j = Γe и отношения p = 1 / γ, сразу получаем выражение ω = je = γe2.Он дает понятие закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

fB.ru.

Embedder page »Тепловые расчеты

Все электронные компоненты выделены тепловыделением, поэтому возможность рассчитать радиаторы, чтобы не налетать в атаку на пару порядков очень пригодится любому электрону.

Тепловые расчеты очень просты и имеют много общего с расчетами электронных схем. Вот посмотрите на обычную проблему теплового расчета, с которой я только что столкнулся

Задача

Нужно выбрать радиатор для линейного стабилизатора на 5 вольт, который питается максимум от 12 вольт и дает 0.5а. Максимальная выделяемая мощность составляет (12-5) * 0,5 = 3,5 Вт

Погружение в теорию

Чтобы не производить сущностей, люди почесали клеща и поняли, что тепло очень похоже на электрический ток, а для теплового при расчетах можно использовать обычный закон Ома, только

Напряжение (U) заменяется температурой (t)

Ток (I) заменяется мощностью (P)

Сопротивление заменяется тепловым сопротивлением. Обычное сопротивление имеет размерность вольт / ампер, а теплота —

В результате закон ОМА заменяется его тепловым аналогом:

Небольшое замечание — чтобы обозначить, что имеется в виду тепловое (а не электрическое) сопротивление, к букве R добавьте букву: на клавиатуре у меня есть такая буква, а копировать из таблицы символов лень, поэтому буду использовать букву R.

Продолжить

В кристалле стабилизатора выделяется тепло, и наша цель не допустить его перегрева (не допустить перегрева кристалла, а не корпуса, это важно!).

До какой температуры можно нагревать кристалл, написано в даташите:

Обычно предельная температура кристалла называется Tj (j = junction = переход — термочувствительные внутренности микросхем в основном состоят из PN переходов.Можно считать, что температура перехода равна температуре кристалла)

Без радиатора

Тепловая схема выглядит очень просто:

Специально для случаев использования корпуса без радиатора термостойкость кристалла -атмосфера (RJ-a) записана в даташитах (RJ-A) (какой J вы уже знаете, a = ambient = environment)

Обратите внимание, что температура «земли» не равна нулю, а равна до температуры окружающей среды (TA).Температура воздуха зависит от того, в каких условиях находится радиатор, если он на улице, можно поставить Ta = 40 ° С, а если в закрытом ящике, то температура может быть значительно выше!

Запишем по тепловому закону Ома: TJ = P * RJ-A + TA. Подставляем p = 3,5, rj-a = 65, получаем TJ = 227,5 + 40 = 267,5 ° С. Мультимито, однако!

Цепляем радиатор

Тепловая схема нашего примера со стабилизатором на радиаторе принимает вид:

RJ-C — сопротивление от кристалла до радиатора корпуса (C = CASE = футляр).Приведено в даташете. В нашем случае — 5 ° C / Вт — из техпаспорта
RC-R — это сопротивление корпуса радиатора. Не все так просто. Это сопротивление зависит от того, что находится между корпусом и радиатором. Например, силиконовая прокладка имеет коэффициент теплопроводности 1-2 Вт / (М * ° С), а паста ПТТ-8 — 0,75 Вт / (М * ° С). Тепловое сопротивление можно получить из коэффициента теплопроводности по формуле:
R = толщина прокладки / (коэффициент теплопроводности * площадь одной стороны прокладки)
Часто RC-R можно вообще игнорировать.Например, в нашем случае (мы используем корпус ТО220, с пастой ППТ-8 средняя глубина снимаемой пасты с потолка составляет 0,05 мм). Суммарный RC-R = 0,5 ° С / Вт. При мощности 3,5Вт разница температуры корпуса стабилизатора и радиатора составляет 1,75 Градуса. Это не много. Для нашего примера возьмем RC-R = 2 ° C / Вт

RR-A — тепловое сопротивление между радиатором и атмосферой. Определяется геометрией радиатора, наличием обдува и массой других факторов.Этот параметр гораздо проще измерить, чем рассчитать (см. В конце статьи). Например — RR-C = 12,5 ° C / W

Ta = 40 ° C — здесь мы прикидываем, что температура атмосферы редко бывает выше, для точности можно принять 50 градусов.

Подставляем все эти данные в закон Ома, и получаем TJ = 3,5 * (5 + 2 + 12,5) + 40 = 108,25 ° C

Это существенно меньше предела 150 ° C. Такой радиатор может быть использован.При этом кожух радиатора будет теплым до Тс = 3,5 * 12,5 + 40 = 83,75 ° С. Такая температура уже способна размягчить некоторые пластики, поэтому нужно быть осторожным.

Измерение сопротивления радиатор-атмосфера.

Скорее у вас уже есть куча радиаторов, которые можно использовать. Тепловое сопротивление измеряется очень легко. Это нужно для сопротивления и питания.

Устойчивость к царапинам на радиаторе с помощью термоборона:

Подключаем блок питания, и выставляем напряжение так, чтобы на сопротивлении выделялась некоторая мощность.Лучше конечно прогреть радиатор с той мощностью, которую он разгонит в конечном устройстве (а в том положении, в котором он будет, это важно!). Я обычно оставляю такую конструкцию на полчаса, чтобы она хорошо согревала.

После замера температуры можно рассчитать тепловое сопротивление

RR-A = (T-TA) / P. Например, у меня радиатор прогрелся до 81 градуса, а температура воздуха 31 градус. Таким образом, RR-a = 50/4 = 12,5 ° С / Вт.

Накидка области радиатора

В старинном справочнике радиолюбителей была внесена таблица, по которой можно было оценить площадь радиатора.2 радиатора. Этот график дает перегруженную площадь зоны, и не учитывает кучу факторов, таких как принудительный обдув, геометрия ребер, ИТП.

bsvi.ru.

Сообщение от администратора:

Ребята! Кто давно хотел выучить английский?
Пройдите I. получите два бесплатных урока в школе английского Skyeng!
Сам там занимаюсь — очень круто. Прогресс очевиден.

В приложении можно учить слова, тренировать аудиторию и произношение.

Попробуй. Два урока бесплатно по моей ссылке!
Пресс

Количество тепла, выделяемого в единицу времени в рассматриваемой области цепи, пропорционально произведению силы тока на этом участке и сопротивления участка

Закон Лоула Ленца в цельной форме в тонких проволоках:

Если ток изменяется с течением времени, проводник фиксируется и в нем происходят химические превращения, то в проводнике выделяется тепло.

— Мощность тепла, выделяемого в единице среды во время протекания электрического тока, пропорциональна плотности электрического тока величиной электрического поля.

Преобразование электрической энергии в тепловую широко применяется в электрических печах и различных электронагревательных устройствах. Тот же эффект в электрических машинах и устройствах приводит к непроизвольным затратам энергии (потерям энергии и снижению эффективности). Тепло, вызывающее нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку; При перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокращение срока службы установки.

В формуле мы использовали:

Количество тепла

Операция ТКА

Напряжение в проводе

Сила тока в проводнике

Временной интервал

Джеймс Прескотт Джоуль (слева) и Эмили Христианович Ленц (справа)

Человечество веками использовало электрические обогреватели всех типов, благодаря свойствам электрического тока, для выделения тепла при прохождении через проводник. У этого явления есть отрицательный фактор — перегрев проводки из-за слишком большого тока часто приводил к короткому замыканию и возгоранию.Выделение тепла от срабатывания электрического тока изучалось в школьном курсе физики, но многие забыли эти знания.

Впервые зависимость выделения тепла от мощности электрического тока была сформулирована и математически определена Джеймсом Джоулем в 1841 году, а чуть позже, в 1842 году, независимо от него, Эмилем Ленцем. В честь этих физиков был назван закон Джоуля-Ленцы, согласно которому мощность электронагревателей и потери тепла на рассеяние в линиях электропередачи.

Определение закона Джоуля — Ленца

В словесном определении, согласно исследованию Джоуля и Ленца, закон звучит так:

Количество тепла, выделяемого в определенном количестве проводника, когда электрический ток прямо пропорционален произведению плотности электрического тока и величины напряженности электрического поля

По формуле этот закон выглядит так:

Выражение закона Джоуля — Ленза

Поскольку описанные выше параметры редко используются в повседневной жизни, и, учитывая, что почти все бытовые расчеты по выделению тепла при работе электрического тока касаются тонких проводников (кабелей, проводов, нити накаливания, шнуры питания, токопроводящие дорожки на плате и т. д.), Используя закон Джоуля Ленца с формулой, представленной в интегрированном виде:

Интегральная форма закона

В словесном определении закон Джоуля Ленца звучит так:

Словесное определение Закона Джоуля — Ленза

Если мы примем, что ток и сопротивление проводника не изменяются с течением времени, то закон Джоуля — Ленца можно записать в упрощенной форме:

Применяя Ома и алгебраические преобразования, получаем следующие эквивалентные формулы:

Эквивалентные выражения для нагрева согласно закону Ома

Применение и практическое значение закона Джоуля — Ленза

Исследования Джоуля и Ленца по рассеиванию тепла при работе с электрическим током значительно продвинули научное понимание физических процессов, а выведенные основные формулы не изменились и используются по сей день в различных областях науки и техники.В области электротехники можно выделить несколько технических задач, в которых количество тепла, выделяемого при обтекании, является критическим значение При расчете таких параметров:

тепловые линии в ЛЭП;
характеристики проводов электрических сетей;
тепловая мощность (количество тепла) электронагревателей;
температура срабатывания выключателей;
температура плавления предохранителя;
Тепловыделение различной электроаппаратуры и элементов радиотехники.

Электроприборы, использующие тепловой режим тока

Тепловое воздействие электрического тока в проводах линий электропередачи (ЛП) нежелательно из-за значительных потерь электроэнергии на отвод тепла.

По разным данным в линиях электропередач теряется до 40% всей производимой в мире электроэнергии. Чтобы снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, поднимите напряжение в ЛАМ, производя расчеты по производным формулам закона Джоуля — Ленза.

Диаграмма всех видов потерь электроэнергии, среди которых потери тепла в воздухопроводах составляют львиную долю (64%)

Очень упрощенно тепловая операция тока может быть описана следующим образом: Электрографы перемещаются между молекулами, а время от времени — между молекулами. время столкнулось с ними, почему их тепловые колебания становятся более интенсивными. Наглядная демонстрация теплового тока и ассоциативные объяснения процессов показаны на видео ниже:

Расчет потерь электроэнергии в ЛЭП

В качестве примера вы можете взять гипотетический участок линии электропередачи от электростанции до трансформаторной подстанции.Так как провода ЛАП и потребителя энергии (трансформаторной подстанции) соединены последовательность Через них протекал один и тот же ток I. Согласно рассматриваемому закону Джоуля, закон Ленца — количество тепла, выделяемого на проводах q Вт (теплопотери), рассчитывается по формуле:

Мощность, производимая электрическим током (Q c) в нагрузке, рассчитывается по закону Ома:

Таким образом, при равенстве токов, в первую формулу можно вставить вместо выражения Q C / U C, так как i = Q C / U C:

Если не учитывать зависимость сопротивления проводников от изменения температуры, то R w можно считать неизменным (постоянным).Таким образом, при стабильном энергопотреблении потребителя (трансформаторной подстанции) тепловыделение в проводах LAP будет равно , обратно пропорционально Квадратное напряжение в конечной точке линии. Другими словами, чем больше напряжение питания, тем меньше потери электроэнергии.

Для передачи электроэнергии высокого напряжения требуются большие опоры LAP

Действие закона Джоуля — Ленза в повседневной жизни

Эти расчеты справедливы и в повседневной жизни при передаче электроэнергии на небольшие расстояния — например, от ветрогенератора к инвертору.При автономном энергоснабжении оценивается каждый ватт, производимый низковольтной ветряной турбиной, и может быть более выгодно поднять напряжение трансформатором непосредственно от ветрогенератора, чем тратить большое поперечное сечение кабеля для снижения потерь электроэнергии во время передачи. .

При значительном удалении низковольтного ветрогенератора переменного тока для снижения потерь электроэнергии будет выгоднее подключать через повышающий трансформатор

В бытовых сетях расстояния электропроводки чрезвычайно малы для уменьшения тепловых потерь на подъем напряжения, поэтому при расчете электропроводки учитывается тепловой режим работы по току, согласно закону Джоуля — Ленца при выборе сечения проводов до нагрев не приводил к оплавлению и возгоранию изоляции и окружающих материалы.Выбор силового кабеля и электропроводки осуществляется по таблицам и нормативным документам ПУЭ, и подробно описаны на других страницах этого ресурса.

Коэффициенты силы тока и сечения проводников

При расчете температуры нагрева радиотехнических элементов биметаллическая пластина автоматического выключателя или предохранителя используется по закону Ленцы-Ленца в интегральной форме, так как при повышении температуры сопротивление эти материалы меняются.При этих сложных расчетах учитывается также теплопередача, нагрев от других источников тепла, собственная теплоемкость и многие другие факторы.

Программное моделирование тепловыделения полупроводникового прибора

Полезный тепловой режим электрического тока

Топливная работа электрического тока широко применяется в электронагревателях, в которых используется последовательное соединение проводников с разным сопротивлением. Этот принцип работает следующим образом: один и тот же ток течет в соединенных последовательно, один и тот же ток течет, это означает, что согласно закону Джоуля-Ленца тепло будет распространяться больше от материала проводника с большим сопротивлением.

Спираль с повышенным сопротивлением нагревается, но питающие провода остаются холодными

Таким образом, шнур питания и питающие провода электроклюсов остаются относительно холодными, а нагревательный элемент нагревается до температуры красного свечения. В качестве материала проводников нагревательных элементов используются сплавы с повышенным (по сравнению с медной и алюминиевой электропроводкой) удельным сопротивлением — нихром, константан, вольфрам и другие.

Резьба ламп накаливания изготовлена из тугоплавких сплавов вольфрама.

При параллельном соединении проводов тепловыделение будет больше на нагревательном элементе с меньшим сопротивлением, так как при его уменьшении увеличивается ток относительного соседнего компонента цепи.В качестве примера наглядным примером свечения двух ламп накаливания разной мощности является наличие более мощной лампы тепловыделения и светового потока.

Если прозвонить лампочку, то окажется, что у более мощной лампы меньшее сопротивление. На видео ниже автор демонстрирует последовательное и параллельное подключение, но, к сожалению, в комментариях ошибся — он будет ярче лампы с более ярким большим сопротивлением , а не наоборот.

Закон Джоуля — Ленца — это закон физики, определяющий количественную меру теплового воздействия электрического тока.Этот закон сформулировал в 1841 г. английский ученый Д. Джоуль и полностью отдельно от него в 1842 г. знаменитый русский физик Э. Ленц. Поэтому он получил свое двойное имя — закон Джоуля — Ленза.

Определение закона и формулы

Словесная формулировка имеет следующий вид: теплота тепла, выделяемого в проводнике при протекании через него, пропорциональна произведению значения плотности электрического поля на величину напряжения.

Математически закон Джоуля — Ленза выражается следующим образом:

ω = j e = ϭ e²,

где ω — количество тепла, выделяемого в установке. объем;

E и J — напряжение и плотность, соответственно, электрического поля;

Σ — проводимость среды.

Физический смысл закона Джоуля — Ленза

Этот закон можно объяснить следующим образом: ток, проходящий через проводник, есть движение электрического заряда под действием.Таким образом, электрическое поле выполняет некоторую работу. Эта работа уходит на нагрев проводника.

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

Но нельзя допускать чрезмерного нагрева проводов током и электрооборудованием, так как это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при работе проводов, когда могут быть довольно большие токи.

В интегрированной форме Для тонких проводников Закон Джоуля — Lenza Звучит следующим образом: Количество тепла, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата тока на стойкость сайта.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

Q = ∫ K I² R T,

в данном случае Q — количество выделенного тепла;

I — текущее значение;

R — активное сопротивление жил;

т — время выдержки.

Значение параметра K принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разряда единиц, в которых измеряются значения, указанные в формуле.

Закон Джоуля-Ленцы довольно распространен, поскольку не зависит от природы сил, генерирующих ток.

Из практики можно утверждать, что это справедливо как для электролитов, так и для проводников и полупроводников.

Сфера применения

Сферы применения в жизни закона Джоуля Ленза — огромное количество. Например, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга при электросварке, нагревательная нить в электронагревателе и МН.Доктор Это самый распространенный физический закон в повседневной жизни.

Разное