قانون جول لينز: صياغته وتطبيقه
الصياغة
في الموصل الحقيقي ، عندما يتدفق التيار عبره ، يتم تنفيذ العمل ضد قوى الاحتكاك. تتحرك الإلكترونات عبر سلك وتتصادم مع إلكترونات وذرات وجسيمات أخرى. نتيجة لذلك ، يتم توليد الحرارة. يصف قانون Joule-Lenz مقدار الحرارة المنبعثة عندما يتدفق التيار عبر موصل. يتناسب بشكل مباشر مع القوة الحالية والمقاومة ووقت التدفق.
في شكل متكامل ، يبدو قانون جول لينز كما يلي:
يُشار إلى القوة الحالية بالحرف I ويتم التعبير عنها بالأمبير ، والمقاومة - R بالأوم ، والوقت t - بالثواني. وحدة قياس الحرارة Q - جول ، للتحويل إلى السعرات الحرارية ، تحتاج إلى ضرب النتيجة في 0.24. في هذه الحالة ، يساوي 1 سعر حراري كمية الحرارة التي يجب إحضارها إلى الماء النقي من أجل زيادة درجة حرارته بمقدار درجة واحدة.
يكون إدخال الصيغة هذا صالحًا لقسم الدائرة مع توصيل سلسلة من الموصلات ، عندما يتدفق تيار واحد فيها ، ولكن ينخفض جهد مختلف في النهايات. ناتج التيار المربوط بالمقاومة يساوي القوة. في نفس الوقت ، تتناسب الطاقة بشكل مباشر مع مربع الجهد وتتناسب عكسياً مع المقاومة. ثم بالنسبة لدائرة كهربائية ذات اتصال متوازي ، يمكن كتابة قانون Joule-Lenz على النحو التالي:
في شكل تفاضلي ، يبدو كما يلي:
حيث j هي الكثافة الحالية A / cm2، E هي قوة المجال الكهربائي ، سيجما هي المقاومة المحددة للموصل.
تجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة لقسم متجانس من الدائرة ، ستكون مقاومة العناصر هي نفسها. إذا كانت هناك موصلات ذات مقاومة مختلفة في الدائرة ، ينشأ موقف عندما يتم إطلاق أكبر قدر من الحرارة على تلك التي تتمتع بأكبر مقاومة ، والتي يمكن استنتاجها من خلال تحليل صيغة قانون جول لينز.
أسئلة متكررة
كيف تجد الوقت؟ يشير هذا إلى فترة تدفق التيار عبر الموصل ، أي عند إغلاق الدائرة.
كيف تجد مقاومة الموصل؟ لتحديد المقاومة باستخدام الصيغة ، والتي تسمى غالبًا "السكة" ، هي:
هنا ، يشير الحرف "Po" إلى المقاومة ، ويتم قياسه بـ أوم * م / سم 2 ، و L و S هما الطول ومساحة المقطع العرضي. في الحسابات ، تم تخفيض الأمتار المربعة والسنتيمترات وبقي أوم.
المقاومة هي قيمة مجدولة وهي مختلفة لكل معدن. النحاس هو حجم أصغر من سبائك عالية المقاومة مثل التنغستن أو نيتشروم. لما يتم تطبيقه سننظر أدناه.
دعنا ننتقل إلى الممارسة
لقانون جول-لينز أهمية كبيرة في حسابات الهندسة الكهربائية. بادئ ذي بدء ، يمكنك تطبيقه عند حساب أجهزة التدفئة. غالبًا ما يتم استخدام الموصل كعنصر تسخين ، ولكن ليس عنصرًا بسيطًا (مثل النحاس) ، ولكن بمقاومة عالية. في معظم الأحيان يكون نيتشروم أو كانتال ، براسي.
لديهم مقاومة كبيرة. يمكنك استخدام النحاس ، ولكن بعد ذلك ستنفق الكثير من الكابلات (السخرية ، لا يستخدم النحاس لهذا الغرض). لحساب الطاقة الحرارية لجهاز التسخين ، تحتاج إلى تحديد أي جسم وفي أي أحجام تحتاج إلى تسخينه ، مع مراعاة كمية الحرارة المطلوبة ومدة نقلها إلى الجسم. بعد الحسابات والتحولات ، ستحصل على المقاومة وقوة التيار في هذه الدائرة. بناءً على البيانات الخاصة بالمقاومة ، حدد مادة الموصل ومقطعه العرضي وطوله.
قانون جول لينز لنقل الكهرباء عن بعد
في نقل الطاقة عبر المسافات تنشأ مشكلة كبيرة - خسائر على خطوط النقل (خطوط النقل). يصف قانون Joule-Lenz كمية الحرارة التي يطلقها الموصل عندما يتدفق التيار. تغذي خطوط الطاقة شركات ومدن بأكملها ، ولهذا السبب ، هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة ، ونتيجة لذلك ، تيار كبير. نظرًا لأن كمية الحرارة تعتمد على مقاومة الموصل والتيار ، بحيث لا يسخن الكبل ، فأنت بحاجة إلى تقليل كمية الحرارة. ليس من الممكن دائمًا زيادة المقطع العرضي للأسلاك ، لأنه هذا مكلف من حيث تكلفة النحاس نفسه ووزن الكابل ، مما يستتبع زيادة في تكلفة الهيكل الداعم. خطوط الكهرباء عالية الجهد موضحة أدناه. وهي عبارة عن هياكل معدنية ضخمة مصممة لرفع الكابل إلى ارتفاع آمن فوق سطح الأرض لتجنب الصدمات الكهربائية.
لذلك ، من الضروري تقليل التيار ، من أجل القيام بذلك ، يزيدون من الجهد. بين المدن ، عادة ما يكون لخطوط الكهرباء جهد 220 أو 110 كيلو فولت ، وعند المستهلك ينخفض إلى القيمة المطلوبة بمساعدة المحولات الفرعية (KTP) أو عدد من KTP ينخفض تدريجيًا إلى قيم أكثر أمانًا للإرسال ، على سبيل المثال 6 كيلو فولت.
وبالتالي ، مع نفس استهلاك الطاقة بجهد 380/220 فولت ، سينخفض التيار مئات وآلاف المرات. وفقًا لقانون Joule-Lenz ، يتم تحديد مقدار الحرارة في هذه الحالة من خلال الطاقة المفقودة على الكابل.
المصاهر والصمامات
ينطبق قانون جول لينز على الصمامات. هذه هي العناصر التي تحمي الجهاز الكهربائي أو الإلكتروني من التيارات المفرطة ، والتي يمكن أن تحدث نتيجة لارتفاع جهد الإمداد ، ماس كهربائى على لوحة الدائرة أو اللفات (في حالة المحركات) للحماية من المزيد من تدمير النظام الكهربائي ككل والحريق. وهي تتكون من مبيت وعزل وسلك رفيع. يتم اختيار السلك في مثل هذا المقطع بحيث يتدفق التيار المقنن من خلاله ، وعندما يتم تجاوزه ، فإن كمية الحرارة المتولدة تحرقه.
نتيجة لما سبق ، نستنتج أن قانون Joule-Lenz وجد تطبيقًا واسعًا وهو مهم جدًا للهندسة الكهربائية. بفضل المعلومات حول كمية الحرارة التي توفرها الحسابات وفقًا للصيغ الموضحة أعلاه ، يمكننا التعرف على أوضاع التشغيل للأجهزة ، وتحديد المواد اللازمة والمقطع العرضي لزيادة السلامة والموثوقية والمتانة للجهاز أو الدائرة ككل.
هذا حيث ننهي مقالنا. نأمل أن تكون المعلومات المقدمة مفيدة ومثيرة للاهتمام بالنسبة لك. أخيرًا ، نوصي بمشاهدة مقطع فيديو يتم فيه مناقشة هذه المشكلة بمزيد من التفاصيل:
بالتأكيد أنت لا تعرف:
جار التحميل ...
