Joule-Lenz lag: dess formulering och tillämpning
Lydelse
I en riktig ledare, när ström flyter genom den, utförs arbete mot friktionskrafter. Elektroner rör sig genom en tråd och kolliderar med andra elektroner, atomer och andra partiklar. Som ett resultat genereras värme. Joule-Lenz-lagen beskriver mängden värme som släpps ut när ström flyter genom en ledare. Det är direkt proportionellt mot strömstyrkan, motståndet och flödetiden.
I integrerad form ser Joule-Lenz-lagen ut så här:
Strömstyrkan indikeras av bokstaven I och uttrycks i Amperes, Resistance - R in Ohms, och tiden t - i sekunder. Mätenheten för värme Q - Joule, för att konvertera till kalorier måste du multiplicera resultatet med 0,24. I det här fallet är 1 kalori lika med mängden värme som måste föras till rent vatten för att höja temperaturen med 1 grad.
En sådan formelinmatning är giltig för en del av en krets med en serieanslutning av ledare, när en ström flyter i dem, men olika spänningar sjunker vid ändarna. Produkten från strömmen kvadrat med motståndet är lika med kraft. Samtidigt är effekten direkt proportionell mot spänningens kvadrat och omvänt proportionell mot motståndet. För en elektrisk krets med en parallellanslutning kan Joule-Lenz-lagen sedan skrivas som:
I differentiell form ser det ut så här:
Där j är strömtätheten A / cm2, E är det elektriska fältstyrkan, sigma är ledarens specifika motstånd.
Det bör noteras att för en homogen del av kretsen kommer elementens motstånd att vara densamma. Om det finns ledare med olika motstånd i kretsen uppstår en situation när den maximala mängden värme släpps på den som har störst motstånd, vilket kan sluts av genom att analysera formeln i Joule-Lenz-lagen.
FAQ
Hur hittar du tiden? Detta avser perioden med strömflöde genom ledaren, det vill säga när kretsen är stängd.
Hur hittar jag en ledares motstånd? För att bestämma motståndet med hjälp av formeln, som ofta kallas "skenan", är det:
Här anger bokstaven "Po" resistiviteten, den mäts i Ohm * m / cm2, l och S är längden och tvärsnittsarean. Vid beräkningen reduceras kvadratmeter och centimeter och Ohms kvar.
Resistivitet är ett tabellvärde och det är olika för varje metall. Koppar är ordningsföljd som är mindre än för högbeständiga legeringar som volfram eller nikrom. För vad den tillämpas kommer vi att överväga nedan.
Låt oss gå vidare till träning
Joule-Lenz-lagen är av stor betydelse för beräkningar av elektroteknik. Först och främst kan du använda det när du beräknar värmeenheter. En ledare används ofta som ett värmeelement, men inte en enkel (som koppar), men med hög motstånd. Oftast är det nichrom eller cantal, fechral.
De har en stor resistivitet. Du kan använda koppar, men sedan kommer du att spendera mycket kabel (sarkasm, koppar används inte för detta ändamål). För att beräkna värmeeffekten för en uppvärmningsenhet måste du bestämma vilken kropp och i vilka volymer du behöver värma, ta hänsyn till den mängd värme som krävs och hur länge den behöver överföras till kroppen. Efter beräkningar och transformationer får du motståndet och strömstyrkan i denna krets. Välj material från ledaren, dess tvärsnitt och längd baserat på data om resistiviteten.
Joule-Lenz lag för överföring av el över ett avstånd
På kraftöverföring över avstånd ett betydande problem uppstår - förluster på transmissionsledningar (kraftledningar). Joule-Lenz-lagen beskriver mängden värme som frigörs av en ledare när strömmen flyter. Kraftledningar matar hela företag och städer, och för detta krävs mycket kraft, som ett resultat av en stor ström. Eftersom värmemängden beror på ledarens motstånd och strömmen, så att kabeln inte värms upp, måste du minska mängden värme. Det är inte alltid möjligt att öka tvärsnittet av ledningar, eftersom detta är kostsamt vad gäller kostnaden för koppar själv och kabelns vikt, vilket medför en ökning av kostnaden för bärkonstruktionen. Högspänningsledningar visas nedan. Det här är massiva metallkonstruktioner som är utformade för att höja kabeln till en säker höjd över marken för att undvika elektrisk stöt.
Därför är det nödvändigt att minska strömmen för att öka spänningen. Mellan städer har kraftledningar vanligtvis en spänning på 220 eller 110 kV, och hos konsumenten sjunker den till önskat värde med hjälp av transformatorstationer (KTP) eller ett antal KTP som gradvis sänker till säkrare värden för överföring, till exempel 6 kV.
Således, med samma effektförbrukning vid en spänning på 380/220 V, kommer strömmen att minska hundratusentals gånger lägre. Och enligt Joule-Lenz-lagen bestäms mängden värme i detta fall av kraften som går förlorad på kabeln.
Säkringar och säkringar
Joule-Lenz-lagen gäller för säkringar. Dessa är de element som skyddar den elektriska eller elektroniska enheten från överdrivna strömmar för den, som kan uppstå till följd av en kraftig kraftförsörjning kortslutning på kretskortet eller lindningarna (i fallet med motorer) för att skydda mot ytterligare förstörelse av det elektriska systemet som helhet och eld. De består av ett hölje, en isolator och tunn tråd. Tråden väljs i en sådan sektion att den nominella strömmen flyter genom den, och när den överskrids brännar mängden värme som genereras den.
Som ett resultat av ovanstående drar vi slutsatsen att Joule-Lenz-lagen har funnit bred tillämpning och är mycket viktig för elektroteknik. Tack vare informationen om mängden värme som tillhandahålls i beräkningarna med hjälp av de formler som anges ovan, kan vi lära oss om driftsätten för enheterna, välja nödvändigt material och tvärsnitt för att öka säkerheten, tillförlitligheten och hållbarheten hos enheten eller kretsen som helhet.
Det är där vi slutar vår artikel. Vi hoppas att informationen var användbar och intressant för dig. Slutligen rekommenderar vi att du tittar på en video som den här frågan diskuteras mer i detalj:
Visst vet du inte:
Läser in...
