Закон теплового действия тока

При пропускании через металлический проводник электрического тока происходит столкновение электронов либо с нейтральными молекулами, либо с молекулами, которые потеряли электроны. Таким образом, движущийся электрон либо становится частью молекулы, которая потеряла свой электрон и образует нейтральную молекулу, либо вышибает из нейтральной молекулы электрон, затрачивая собственную кинетическую энергию, и образовав новый положительный ион. Во время столкновения молекул проводника с электронами расходуется энергия, именно она превращается в тепло. На любое движение, для осуществления которого требуется преодолеть сопротивление, затрачивается определенная энергия. Так, к примеру, чтобы переместить какое-либо тело нужно преодолеть сопротивление трения, а работа, которая затрачивается на это действие, превращается в тепло. Собственно, электрическое сопротивление проводника можно сравнить с сопротивлением трению, поскольку оно играет такую же роль. Таким образом, чтобы провести ток через проводник источнику тока требуется затратить некоторую энергию, она-то и превращается в тепло. Такой переход электроэнергии в тепловую нашел свое отражение в законе теплового действия тока, получившем название: закон Джоуля-Ленца.

Еще в 1832—1833 гг. Ленц обратил внимание на то, что при нагревании металлических проводников их проводимость существенно изменяется. Это осложняло расчет электрических цепей. Определить количественную зависимость между током и выделяемой им теплотой было невозможно, так как не было ни точных приборов для измерения тока, ни источника постоянной электродвижущей силы, ни надежного метода измерения сопротивления. Ленц использовал свои собственные или усовершенствованные им измерительные приборы и его «схема была собрана по последнему слову техники того времени».

Ленц предложил «свои» единицы тока и напряжения. Он же сконструировал прибор-сосуд для измерения количества выделяемого в проволоке тепла. В сосуд заливался разбавленный спирт, обладающий значительно меньшей электропроводностью, чем вода, использованная в опытах Джоуля. Через платиновую проволоку пропускался ток. Ученый провел большую серию опытов, при которых измерялось время, необходимое для нагревания жидкости на 10 °C.

В 1843 г. Ленц опубликовал закон, сформулированный следующим образом: «Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока».

Джоуль опубликовал открытый им аналогичный закон в 1841 г. Реакция Ленца была по-научному корректной. Он подчеркнул, что, хотя его результаты «в основном совпадают с результатами Джоуля, они свободны от тех обоснованных возражений, которые вызывают работы Джоуля». Джоуль выполнил значительно меньше измерений и пользовался прибором, дававшим ряд погрешностей. Поэтому закон о тепловом действии тока благодаря исключительной точности и обстоятельности измерений Ленца вошел в историю науки под названием «закон Джоуля-Ленца».

Так или иначе, оба ученых исследовали явление нагревания проводников электрическим током, они установили опытным путём следующую закономерность: количество теплоты, которое выделяется в проводнике с током, прямо пропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы тока и времени прохождения тока.

Позже дополнительные исследования выявили, что данное утверждение справедливо для всех проводников: жидких, твёрдых и даже газообразных. В связи с этим открытая закономерность стала законом.

Итак, рассмотрим сам закон Джоуля-Ленца и его формулу, которая выглядит так:

— Закон Джоуля-Ленца Где: Q — количество теплоты, выделяемое током (Дж); I — сила тока, проходящего по проводнику (А); R — это сопротивление, оказываемое проводником (Ом); t — время, затрачиваемое на прохождение тока © Подтверждение закона Джоуля-Ленца.

Теперь подробнее рассмотрим схему установки, с помощью которой на практике можно подтвердить закон Джоуля-Ленца, она представлена на рисунке слева.

Сопротивление проводника вычисляется с помощью формуле:

В формуле напряжение U делится на силу тока I. Термометром измеряется повышение температуры воды в экспериментальном сосуде. Используя формулы:

и.

вычисляются количество теплоты, которые должны совпадать по результатам опыта.

Заметим также, что закон Джоуля-Ленца подтверждается не только с помощью эксперимента, но и выводится теоретическим путём, так, как это сделано ниже:

Заметьте, что полученная формула очень похожа на математическую формулу закона Джоуля-Ленца, но в её левой части стоит не количество теплоты, а работа тока А. Даёт ли это нам право считать, что данные величины равны? Для этого воспользуемся первым законом термодинамики и выразим работу из него:

а это значит, .

Где: Q — это количество теплоты, которое было отдано проводником (на что указывает знак «-» впереди); ДU — изменение внутренней энергии того или иного проводника, нагреваемого током; A — совершённая над проводником работа.

Хотя сам проводник остается неподвижным, но внутри него постоянно движутся электроны, которые наталкиваются на ионы в кристаллической решётке проводника и передают им часть кинетической энергии. И, для получения устойчивого результата поток электронов не должен ослабевать, для этого силы электрического поля, которое создаёт источник электроэнергии, постоянно совершают над ними работу. Поэтому A — это ни что иное, как работа сил электрического поля для перемещения внутри проводника электронов.