Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца (Гребенюк Ю.В.)

Введение

Когда по проводнику проходит электрический ток, на первый взгляд кажется, что ничего не происходит — ток «невидим». Но если потрогать провод, по которому длительно течёт ток, можно заметить, что он нагревается. Это явление называют нагреванием проводников электрическим током, или тепловым действием тока.

Причина проста: при движении электронов по проводнику они сталкиваются с атомами вещества и передают им часть своей энергии. В результате увеличивается внутренняя энергия проводника, и он нагревается. Именно это явление лежит в основе работы многих бытовых приборов: утюгов, кипятильников, электрочайников, плит, ламп накаливания и даже предохранителей.

Одним из первых это явление исследовали английский физик Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Ленц. Они независимо установили количественную зависимость между количеством выделяющегося тепла, силой тока, сопротивлением и временем прохождения тока. Этот закон получил название закона Джоуля–Ленца.

Опыты, демонстрирующие нагревание проводников

Опыт 1. Нагревание металлической спирали

К источнику тока подключают спираль из нихромовой проволоки. Через несколько секунд спираль начинает накаляться и излучать свет. Это наглядно показывает, что электрический ток совершает работу, преобразуя электрическую энергию в тепловую.

Опыт 2. Влияние силы тока

Если увеличить силу тока, то спираль нагревается быстрее и ярче светится. Значит, количество теплоты увеличивается с ростом силы тока.

Опыт 3. Влияние сопротивления

Соединяют два проводника из разных материалов, имеющих разные сопротивления. При одинаковом токе проводник с большим сопротивлением нагревается сильнее. Это показывает, что выделение теплоты зависит и от сопротивления вещества.

Опыт 4. Влияние времени

Включим ток на короткое и на длительное время. Чем дольше через проводник течёт ток, тем больше он нагревается. Следовательно, количество теплоты пропорционально времени.

Закон Джоуля–Ленца

Результаты опытов позволяют установить закон, описывающий тепловое действие тока:

Количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Математически это выражается формулой:

$display style Q equals I squared R t$

где:

$Q$ — количество выделившегося тепла (Дж),
$I$ — сила тока (А),
$R$ — сопротивление проводника (Ом),
$t$ — время прохождения тока (с).

Этот закон показывает, что даже небольшое увеличение силы тока приводит к значительному увеличению выделяющегося тепла, потому что зависимость квадратичная.

Применение закона Джоуля–Ленца

В быту: электрочайники, утюги, обогреватели и плиты используют тепловое действие тока для нагрева предметов.
В промышленности: в электрических печах плавят металлы, нагревают материалы, выполняют сварку.
В электробезопасности: закон помогает рассчитать, какой ток опасен для проводов. Если сила тока слишком велика, провод может расплавиться или вызвать пожар.
В измерительных приборах: на эффекте Джоуля–Ленца работают термометры сопротивления и амперметры с термоэлементами.

Единицы измерения

Количество теплоты измеряется в джоулях (Дж).
Иногда используют калории, где

$display style 1 text end text text кал end text equals 4 , 19 text end text text Дж end text straight.$

Пример расчёта

Задача. Через нихромовую проволоку сопротивлением $R equals 10 text end text text Ом end text$ течёт ток $I equals 2 text end text text А end text$ в течение $t equals 5 text end text text мин end text$ . Найдите количество теплоты, выделившееся в проводнике.

Решение:

$display style t equals 5 text end text text мин end text equals 300 text end text text с end text$ $display style Q equals I squared R t equals 2 squared times 10 times 300 equals 4 times 10 times 300 equals 12000 text end text text Дж end text$

Ответ: $Q equals 12 text end text text кДж end text$

Факторы, влияющие на нагревание

Сила тока — главный фактор; чем больше ток, тем сильнее нагрев.
Сопротивление проводника — зависит от материала, длины и толщины проволоки.
Время — чем дольше течёт ток, тем больше выделяется теплоты.

Практическое значение закона

При проектировании электрических цепей инженеры обязательно учитывают тепловое действие тока. Например:

выбирают толщину проводов, чтобы избежать перегрева;
устанавливают предохранители и автоматы, срабатывающие при превышении допустимого тока;
используют сплавы с высоким сопротивлением (нихром, константан) для изготовления нагревательных элементов.

Вопросы для самопроверки

Почему проводники нагреваются при прохождении электрического тока?
Сформулируйте закон Джоуля–Ленца.
От каких величин зависит количество выделяемого тепла?
Что произойдёт, если увеличить силу тока в 2 раза?
Почему проводник с большим сопротивлением нагревается сильнее?
В каких приборах используется тепловое действие тока?
Что произойдёт, если по тонкому медному проводу пропустить слишком сильный ток?
Как закон Джоуля–Ленца связан с законом Ома?
В каких единицах измеряется количество теплоты?
Почему закон Джоуля–Ленца важен для электробезопасности?

Последнее изменение: Четверг, 6 Ноябрь 2025, 16:20