Ley de Joule-Lenz. Definición, fórmula, significado físico. Ley de Joule-Lenz

La ley de Joule-Lenz determina la cantidad de calor liberado en un conductor con resistencia durante el tiempo t al atravesarlo. corriente eléctrica.

Q = a*I*2R*t, donde
Q - cantidad de calor liberado (en julios)
a - coeficiente de proporcionalidad
I - intensidad actual (en amperios)
R - Resistencia del conductor (en ohmios)
t - Tiempo de viaje (en segundos)

La ley de Joule-Lenz explica que la corriente eléctrica es una carga que se mueve bajo la influencia de campo eléctrico. En este caso, el campo funciona, la corriente tiene potencia y se libera energía. Cuando esta energía pasa a través de un conductor metálico estacionario, se convierte en energía térmica, ya que su objetivo es calentar el conductor.

En forma diferencial, la ley de Joule-Lenz se expresa como la densidad de potencia térmica volumétrica de la corriente en el conductor será igual al producto de la potencia específica conductividad eléctrica por cuadrado de la intensidad del campo eléctrico.

Aplicación de la ley de Joule-Lenz

Las lámparas incandescentes fueron inventadas en 1873 por el ingeniero ruso Lodygin. Tanto en las lámparas incandescentes como en los aparatos de calefacción eléctrica se aplica la ley de Joule-Lenz. Ellos usan un elemento calefactor, que es un conductor de alta resistencia. Gracias a este elemento es posible conseguir una liberación de calor localizada en la zona. La generación de calor aparecerá al aumentar la resistencia, aumentar la longitud del conductor o elegir una aleación específica.

Un ámbito de aplicación de la ley de Joule-Lenz es la reducción de las pérdidas de energía.
Efecto térmico La corriente conduce a la pérdida de energía. Al transmitir electricidad, la potencia transmitida depende linealmente del voltaje y la corriente, y la potencia de calefacción depende de la corriente cuadráticamente, por lo que si aumenta el voltaje mientras reduce la corriente antes de suministrar electricidad, será más rentable. Pero un aumento de voltaje conduce a una disminución de la seguridad eléctrica. Para aumentar el nivel de seguridad eléctrica, la resistencia de la carga aumenta de acuerdo con el aumento de voltaje en la red.

Además, la ley de Joule-Lenz afecta la elección de los cables para los circuitos. Si los cables se seleccionan incorrectamente, el conductor y él mismo pueden calentarse mucho. Esto ocurre cuando la corriente excede el máximo. valores válidos y se libera demasiada energía. Con la selección correcta de cables, vale la pena seguir documentos reglamentarios.

Fuentes:

• Enciclopedia física

Existe una relación directamente proporcional entre corriente y voltaje, descrita por la ley de Ohm. Esta ley determina la relación entre corriente, voltaje y resistencia en el área. circuito eléctrico.

Instrucciones

Recuerde la corriente y el voltaje.
- La corriente eléctrica es un flujo ordenado de partículas cargadas (electrones). Para la determinación cuantitativa se utiliza el valor I, llamado intensidad actual.
- La tensión U es la diferencia de potencial en los extremos de una sección de un circuito eléctrico. Es esta diferencia la que hace que los electrones se muevan, como un fluido que fluye.

La intensidad de la corriente se mide en amperios. En los circuitos eléctricos, la intensidad de la corriente se determina mediante un amperímetro. La unidad de voltaje es, puedes medir el voltaje en un circuito usando un voltímetro. Monte un circuito eléctrico simple a partir de una fuente de corriente, una resistencia, un amperímetro y un voltímetro.

Cuando un circuito está cerrado y la corriente fluye a través de él, registre las lecturas del instrumento. Cambie el voltaje en los extremos de la resistencia. Verás que la lectura del amperímetro aumentará a medida que aumente el voltaje y viceversa. Esta experiencia demuestra directamente dependencia proporcional entre corriente y voltaje.

La energía del movimiento dirigido de partículas cargadas se gasta en calentar la red cristalina del conductor.

2. ¿Cuál es la cantidad de calor que recibe la red cristalina de un conductor procedente de partículas cargadas que se mueven direccionalmente?

La cantidad de calor recibido celda de cristal, es igual al trabajo realizado por la corriente eléctrica.

3. Formule la ley de Joule-Lenz. Escribe su expresión matemática.

La cantidad de calor liberado en el conductor es directamente proporcional al cuadrado de la corriente, la resistencia del conductor y

el tiempo que tarda la corriente en fluir a través de un conductor.

4. Definir la potencia de la corriente eléctrica. Da una fórmula para calcular esta potencia.

La potencia de la corriente eléctrica es el trabajo de un campo eléctrico realizado durante el movimiento ordenado de partículas cargadas a lo largo de un conductor, relacionado con el tiempo durante el cual se realiza este trabajo.

5. ¿Cómo depende la potencia liberada en los conductores portadores de corriente del tipo de conexión?

Si los conductores están conectados en serie, entonces la potencia es directamente proporcional a su resistencia. Si están en paralelo, entonces la potencia es inversamente proporcional a su resistencia.

La electricidad es una característica integral de nuestra era. Absolutamente todo lo que nos rodea está ligado a él. Cualquier hombre moderno, incluso sin educación técnica, sabe que la corriente eléctrica que fluye a través de cables puede en algunos casos calentarlos, a menudo hasta temperaturas muy altas. Parecería que esto es conocido por todos y no vale la pena mencionarlo. Sin embargo, ¿cómo explicar este fenómeno? ¿Por qué y cómo se calienta el conductor?

Avancemos rápidamente hasta el siglo XIX, la era de acumulación de conocimientos y preparación para el salto tecnológico del siglo XX. Una época en la que, en todo el mundo, varios científicos e inventores simplemente autodidactas descubren algo nuevo casi todos los días, dedicando a menudo una gran cantidad de tiempo a la investigación y, al mismo tiempo, sin presentar el resultado final.

Una de estas personas, el científico ruso Emilius Christianovich Lenz, estaba fascinado por la electricidad, en el entonces nivel primitivo, e intentaba calcular circuitos eléctricos. En 1832, Emilius Lenz estaba "atascado" con los cálculos, ya que los parámetros de su circuito simulado "fuente de energía - conductor - consumidor de energía" variaban mucho de un experimento a otro. En el invierno de 1832-1833, el científico descubrió que la causa de la inestabilidad era un trozo de alambre de platino que había traído del frío. Al calentar o enfriar un conductor, Lenz también observó que existía una cierta relación entre la intensidad de la corriente, la corriente eléctrica y la temperatura del conductor.

Con ciertos parámetros del circuito eléctrico, el conductor se descongeló rápidamente e incluso se calentó ligeramente. En aquellos días prácticamente no existían instrumentos de medición; era imposible medir con precisión ni la corriente ni la resistencia. Pero se trataba de un físico ruso y demostró ingenio. Si esto es una adicción, ¿por qué no debería ser reversible?

Para medir la cantidad de calor generado por el conductor, el científico diseñó un "calentador" simple: un recipiente de vidrio en el que se encontraba una solución que contenía alcohol y un conductor espiral de platino sumergido en él. Aplicando diferentes cantidades de corriente eléctrica al cable, Lenz midió el tiempo que tardaba la solución en calentarse hasta una determinada temperatura. En aquellos días, las fuentes eran demasiado débiles para calentar la solución a una temperatura importante, por lo que no era posible determinar visualmente la cantidad de solución que se había evaporado. Debido a esto, el proceso de investigación fue muy largo: miles de opciones para seleccionar los parámetros de la fuente de energía, el conductor, mediciones largas y análisis posteriores.

Fórmula de Joule-Lenz

Como resultado, una década después, en 1843, Emilius Lenz puso el resultado de sus experimentos en forma de ley para que la comunidad científica pudiera verla públicamente. Sin embargo, ¡resultó que estaba por delante de él! Hace un par de años, el físico inglés James Prescott Joule ya realizó experimentos similares y también presentó sus resultados al público. Pero, después de haber revisado cuidadosamente todos los trabajos de James Joule, el científico ruso descubrió que sus propios experimentos eran mucho más precisos, se había acumulado un mayor volumen de investigación, por lo que la ciencia rusa tenía algo para complementar el descubrimiento inglés.

La comunidad científica consideró ambos resultados de la investigación y los combinó en uno, cambiando así el nombre de la ley de Joule a ley de Joule-Lenz. La ley establece que la cantidad de calor liberado por un conductor cuando una corriente eléctrica lo atraviesa es igual al producto de la intensidad de esta corriente al cuadrado, la resistencia del conductor y el tiempo durante el cual la corriente fluye a través del conductor. O la fórmula:

Q=I 2 Rt

Dónde

Q - cantidad de calor generado (julios)

I - corriente que fluye a través del conductor (Amperios)

R - resistencia del conductor (Ohmios)

t - tiempo de paso de la corriente a través del conductor (segundos)

¿Por qué se calienta el conductor?

¿Cómo se explica el calentamiento del conductor? ¿Por qué se calienta y no permanece neutral ni se enfría? El calentamiento se produce debido al hecho de que los electrones libres que se mueven en un conductor bajo la influencia de un campo eléctrico bombardean los átomos de las moléculas metálicas, transfiriéndoles así su propia energía, que se convierte en calor. En pocas palabras: al superar el material del conductor, la corriente eléctrica parece “frotar”, chocando los electrones contra las moléculas del conductor. Pues como sabes, cualquier fricción va acompañada de calentamiento. En consecuencia, el conductor se calentará mientras la corriente eléctrica lo atraviesa.

También se deduce de la fórmula que cuanto mayor sea la resistividad del conductor y mayor sea la corriente que lo atraviese, mayor será el calentamiento. Por ejemplo, si conecta un conductor de cobre (resistividad de 0,018 ohmios mm²/m) y un conductor de aluminio (0,027 ohmios mm²/m) en serie, cuando la corriente eléctrica fluya a través del circuito, el aluminio se calentará más que el cobre debido a su mayor resistencia. Por lo tanto, por cierto, no se recomienda torcer cobre y alambres de aluminio entre sí: habrá un calentamiento desigual en el lugar de torsión. El resultado es una quemadura con la consiguiente pérdida de contacto.

Aplicación de la ley de Joule-Lenz en la vida.

El descubrimiento de la ley de Joule-Lenz tuvo enormes consecuencias para aplicación práctica corriente eléctrica. Ya en el siglo XIX fue posible crear más precisos. instrumentos de medición, basado en la contracción de una espiral de alambre cuando se calienta con una corriente que fluye de cierta magnitud: los primeros voltímetros y amperímetros punteros. Los primeros prototipos de calentadores eléctricos, tostadoras, hornos de fusión– un conductor con un alto resistividad, lo que permitió obtener una temperatura bastante alta.

Se inventaron fusibles y disyuntores bimetálicos (análogos de los relés de protección térmica modernos) basándose en la diferencia en el calentamiento de conductores con diferentes resistividades. Y, por supuesto, habiendo descubierto que con una determinada intensidad de corriente, un conductor con una alta resistividad puede calentarse al rojo vivo, este efecto utilizado como fuente de luz. Aparecieron las primeras bombillas.

Se colocó un conductor (varilla de carbón, hilo de bambú, alambre de platino, etc.) en un matraz de vidrio, se bombeó aire para ralentizar el proceso de oxidación y se obtuvo una fuente de luz no amortiguada, limpia y estable. bombilla

Conclusión

Por tanto, podemos decir que casi toda la ingeniería eléctrica y eléctrica se basa en la ley de Joule-Lenz. Habiendo descubierto esta ley, fue posible predecir de antemano algunos problemas futuros en el desarrollo de la electricidad. Por ejemplo, debido al calentamiento del conductor, la transmisión de corriente eléctrica a larga distancia va acompañada de pérdidas de esta corriente en calor. En consecuencia, para compensar estas pérdidas, es necesario reducir la corriente transmitida, compensándola con un alto voltaje. Y al consumidor final, bajar el voltaje y recibir una corriente más alta.

La ley de Joule-Lenz sigue incesantemente de una era de desarrollo tecnológico a otra. Incluso hoy en día lo observamos constantemente en la vida cotidiana: la ley aparece en todas partes y la gente no siempre está contenta con ella. Un procesador de computadora personal muy caliente, pérdida de luz debido a una torsión de cobre y aluminio quemada, un fusible roto, cableado eléctrico quemado debido a una carga alta: todo esto es la misma ley de Joule-Lenz.

Hola. Es poco probable que alguna vez necesites la ley de Joule-Lenz, pero está incluida en curso basico ingeniería eléctrica, y por eso ahora les hablaré de esta ley.

La ley de Joule-Lenz fue descubierta por dos grandes científicos de forma independiente: en 1841, James Prescott Joule, un científico inglés que hizo una importante contribución al desarrollo de la termodinámica. y en 1842 Emilius Christianovich Lenz, científico ruso de origen alemán, que hizo un gran aporte a la ingeniería eléctrica. Dado que el descubrimiento de ambos científicos se produjo casi simultáneamente e independientemente uno del otro, se decidió llamar a la ley un doble nombre, o mejor dicho, apellido.

Recuerda cuando, y no sólo eso, dije que la corriente eléctrica calienta los conductores por donde circula. Joule y Lenz determinaron una fórmula que puede usarse para calcular la cantidad de calor liberado.

Entonces, inicialmente, la fórmula era así:

La unidad de medida según esta fórmula eran las calorías y de esto se encargaba el coeficiente k, que es igual a 0,24, es decir, la fórmula para obtener datos en calorías queda así:

Pero como en el sistema de medidas SI, debido a la gran cantidad de cantidades medidas y para evitar confusiones, se adoptó la notación joule, la fórmula cambió un poco. k se volvió igual a uno y, por lo tanto, el coeficiente ya no estaba escrito en la fórmula y comenzó a verse así:

Aquí: Q es la cantidad de calor generado, medida en julios (símbolo SI - J);

I – corriente, medida en amperios, A;

R – resistencia, medida en ohmios, ohmios;

t – tiempo medido en segundos, s;

y U – voltaje, medido en voltios, V.

Mira con atención, ¿una parte de esta fórmula no te recuerda a nada? ¿Y mas especificamente? Pero esto es potencia, o más bien la fórmula de potencia de la ley de Ohm. Y, para ser sincero, nunca había visto en Internet una representación así de la ley de Joule-Lenz:

Ahora recordamos la tabla mnemotécnica y obtenemos al menos tres expresiones formuladas de la ley de Joule-Lenz, dependiendo de las cantidades que conozcamos:

Parecería que todo es muy simple, pero nos lo parece solo cuando ya conocemos esta ley, y luego ambos grandes científicos la descubrieron no teóricamente, sino experimentalmente, y luego pudieron fundamentarla teóricamente.

¿Dónde puede resultar útil esta ley de Joule-Lenz?

En ingeniería eléctrica existe el concepto de corriente permitida a largo plazo que fluye a través de cables. Esta es la corriente que el cable puede soportar. largo tiempo(es decir, indefinidamente), sin destruir el cable (y el aislamiento, si lo hubiera, porque el cable puede quedar sin aislamiento). Por supuesto, ahora puede tomar los datos del PUE (Reglas de instalación eléctrica), pero los recibió únicamente sobre la base de la ley Joule-Lenz.

En ingeniería eléctrica también se utilizan fusibles. Su principal cualidad es la fiabilidad. Para ello se utiliza un conductor de cierta sección transversal. Conociendo el punto de fusión de dicho conductor, puede calcular la cantidad de calor que es necesaria para que el conductor se funda a partir del flujo de grandes valores de corriente a través de él y, al calcular la corriente, puede calcular la resistencia que dicho conductor conductor debe tener. En general, como ya sabes, utilizando la ley de Joule-Lenz puedes calcular la sección o resistencia (los valores son interdependientes) del conductor del fusible.

Y también, recuerda, hablamos de eso. Allí, usando el ejemplo de una bombilla, conté la paradoja de que una lámpara más potente en conexión en serie Brilla más débil. Y probablemente recuerdes por qué: cuanto menor es la resistencia, mayor es la caída de voltaje a través de la resistencia. Y como la potencia es , y el voltaje cae muy fuerte, resulta que se liberará una gran resistencia. un gran número de calor, es decir, la corriente tendrá que trabajar más para superar una mayor resistencia. Y la cantidad de calor que liberará la corriente se puede calcular mediante la ley de Joule-Lenz. Si tomamos una conexión en serie de resistencias, entonces usamos mejor expresión a través del cuadrado de la corriente, es decir, la forma original de la fórmula:

Y para una conexión de resistencias en paralelo, dado que la corriente en las ramas paralelas depende de la resistencia, mientras que el voltaje en cada rama paralela es el mismo, la fórmula se representa mejor en términos de voltaje:

Todos ustedes usan ejemplos de la ley de Joule-Lenz en La vida cotidiana– En primer lugar, se trata de todo tipo de dispositivos de calefacción. Normalmente, utilizan alambre de nicromo y espesor ( sección transversal) y la longitud del conductor se seleccionan teniendo en cuenta que la exposición térmica prolongada no conduce a una rápida destrucción del cable. Exactamente de la misma manera, un filamento de tungsteno brilla en una lámpara incandescente. La misma ley determina el grado de posible calentamiento de casi cualquier dispositivo eléctrico y electrónico.

En general, a pesar de su aparente sencillez, la ley de Joule-Lenz juega un papel muy importante en nuestras vidas. Esta ley dio un gran impulso a los cálculos teóricos: generación de calor por corrientes, cálculo de la temperatura específica del arco, conductor y cualquier otro material eléctricamente conductor, pérdidas. energía eléctrica en equivalente térmico, etc.

Quizás te preguntes cómo convertir julios a vatios y eso es bastante preguntas frecuentes en Internet. Aunque la pregunta es algo engañosa, a medida que sigas leyendo entenderás por qué. La respuesta es bastante simple: 1 J = 0,000278 vatios*hora, mientras que 1 vatio*hora = 3600 julios. Permítanme recordarles que el consumo de energía instantáneo se mide en Watts, es decir, el consumo directo mientras el circuito está encendido. Y Joule determina el trabajo de una corriente eléctrica, es decir, la potencia actual durante un período de tiempo. Recuerde, en la ley de Ohm di una situación alegórica. La corriente es dinero, el voltaje es una tienda, la resistencia es un sentido de proporción y el dinero, la potencia es la cantidad de productos que puedes transportar (quitar) a la vez, pero qué tan lejos, con qué rapidez y cuántas veces puedes llevarlos. lejos está el trabajo. Es decir, es imposible comparar trabajo y potencia, pero se puede expresar en unidades que nos resulten más comprensibles: Watts y horas.

Creo que ahora no te resultará difícil aplicar la ley de Joule-Lenz en la práctica y en la teoría, si es necesario, e incluso convertir julios a vatios y viceversa. Y gracias a la comprensión de que la ley de Joule-Lenz es el producto de la energía eléctrica y el tiempo, puedes recordarla más fácilmente, e incluso si de repente olvidaste la fórmula básica, recordando solo la ley de Ohm puedes volver a obtener la ley de Joule-Lenz. ley. Y con esto me despido de vosotros.

Contenido:

El famoso físico ruso Lenz y el físico inglés Joule, al realizar experimentos para estudiar los efectos térmicos de la corriente eléctrica, derivaron de forma independiente la ley de Joule-Lenz. Esta ley refleja la relación entre la cantidad de calor generado en un conductor y la corriente eléctrica que pasa a través de este conductor durante un cierto período de tiempo.

Propiedades de la corriente eléctrica.

Cuando la corriente eléctrica pasa a través de un conductor metálico, sus electrones chocan constantemente con diversas partículas extrañas. Pueden ser moléculas neutras ordinarias o moléculas que han perdido electrones. En el proceso de movimiento, un electrón puede separar otro electrón de una molécula neutra. Como resultado, su energía cinética se pierde y en lugar de una molécula se forma un ion positivo. En otros casos, un electrón, por el contrario, se combina con un ion positivo y forma una molécula neutra.

En el proceso de colisiones de electrones y moléculas se consume energía, que posteriormente se convierte en calor. El gasto de una determinada cantidad de energía está asociado a todos los movimientos durante los cuales es necesario superar una resistencia. En este momento, el trabajo invertido en superar la resistencia a la fricción se convierte en energía térmica.

Fórmula y definición de la ley de Joule Lenz

Según la ley de Joule de Lenz, una corriente eléctrica que pasa a través de un conductor va acompañada de una cantidad de calor directamente proporcional al cuadrado de la corriente y la resistencia, así como al tiempo de paso de esta corriente a través del conductor.

En forma de fórmula, la ley de Joule-Lenz se expresa de la siguiente manera: Q = I 2 Rt, en el que Q muestra la cantidad de calor liberado, I - , R - resistencia del conductor, t - período de tiempo. El valor "k" representa el equivalente térmico del trabajo y se utiliza en los casos en que la cantidad de calor se mide en calorías, la corriente en , la resistencia en ohmios y el tiempo en segundos. El valor numérico de k es 0,24, que corresponde a una corriente de 1 amperio que, con una resistencia del conductor de 1 ohmio, libera una cantidad de calor igual a 0,24 kcal en 1 segundo. Por tanto, para calcular la cantidad de calor liberado en calorías se utiliza la fórmula Q = 0,24I 2 Rt.

Cuando se utiliza el sistema de unidades SI, la cantidad de calor se mide en julios, por lo que el valor de “k”, en relación con la ley de Joule-Lenz, será igual a 1, y la fórmula quedará así: Q = I 2 rt. Según I = U/R. Si este valor actual se sustituye en la fórmula básica, tomará la siguiente forma: Q = (U 2 /R)t.

Fórmula básica Q = I 2 Rt es muy conveniente de usar al calcular la cantidad de calor que se libera en el caso de una conexión en serie. La intensidad actual en todos los conductores será la misma. Cuando se conectan varios conductores en serie a la vez, cada uno de ellos liberará tanto calor que será proporcional a la resistencia del conductor. Si se conectan en serie tres cables idénticos de cobre, hierro y níquel, este último liberará la máxima cantidad de calor. Esto se debe a la mayor resistividad del níquel y al mayor calentamiento de este cable.

En coneccion paralela Los mismos conductores, el valor de la corriente eléctrica en cada uno de ellos será diferente, y el voltaje en los extremos será el mismo. En este caso, la fórmula Q = (U 2 /R)t es más adecuada para los cálculos. La cantidad de calor generada por un conductor será inversamente proporcional a su conductividad. Así, la ley de Joule-Lenz se utiliza ampliamente para calcular instalaciones de iluminación eléctrica, diversas calefacción y dispositivos de calefacción, así como otros dispositivos relacionados con la conversión de energía eléctrica en calor.

Ley de Joule-Lenz. Trabajo y potencia de la corriente eléctrica.