Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца (Ерюткин Е.С.)

Введение

Когда по проводнику проходит электрический ток, мы обычно не видим его движение — ведь электроны невидимы. Однако ток способен вызывать различные действия, одно из которых — тепловое. При включении утюга, электрочайника или лампы накаливания мы наблюдаем, как электрическая энергия превращается в тепло. Откуда берётся это тепло? Почему проводники нагреваются, хотя через них просто течёт ток?

Чтобы ответить на эти вопросы, учёные XVIII–XIX веков проводили многочисленные опыты. Среди них особенно выделяются работы английского физика Джеймса Джоуля и русского учёного Эмилия Ленца, которые независимо друг от друга установили количественную зависимость между током, сопротивлением и количеством выделяющегося тепла. Их открытие стало одним из важнейших в электричестве и вошло в историю как закон Джоуля–Ленца.

Виды проводников

Проводники — это вещества, по которым может течь электрический ток. Они различаются по своим свойствам и по тому, как именно в них перемещаются заряды.

1. Металлы.
Основные носители тока в металлах — свободные электроны. Металлические проводники (медь, алюминий, железо, серебро) имеют низкое сопротивление и легко проводят ток.

2. Электролиты.
В растворах кислот, солей и щелочей ток создаётся движением ионов — положительных и отрицательных.

3. Полупроводники.
К ним относятся кремний, германий и некоторые оксиды. Их проводимость зависит от температуры, освещённости и примесей.

4. Газовые среды и плазма.
В газах электрический ток может проходить только при наличии ионизации, то есть образования заряженных частиц.

В рамках этой темы нас интересуют металлические проводники, так как именно в них проявляется закон Джоуля–Ленца.

Возникновение тепла в проводнике

При прохождении тока электроны движутся через кристаллическую решётку металла и сталкиваются с атомами. В каждом столкновении часть их кинетической энергии передаётся атомам, вызывая их более интенсивные колебания. В результате увеличивается внутренняя энергия проводника — он нагревается.

Чем больше сила тока и сопротивление провода, тем сильнее он нагревается. Если сопротивление слишком велико или провод слишком тонкий, он может расплавиться. Именно на этом эффекте основана работа предохранителей — они перегорают, защищая цепь от перегрузки.

Опыты Джоуля и Ленца

Опыт Джоуля.
Джеймс Джоуль исследовал, как количество тепла, выделяемое током, зависит от силы тока, сопротивления проводника и времени. Он установил, что при увеличении силы тока в два раза количество выделяемого тепла увеличивается в четыре раза (т. е. пропорционально квадрату силы тока).

Опыт Ленца.
Эмилий Ленц провёл подобные эксперименты в России и подтвердил результаты Джоуля. Он предложил точную формулировку закона и дал ему чёткое математическое выражение.

Закон Джоуля–Ленца

Результаты опытов Джоуля и Ленца сводятся к следующему закону:

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

Математическая запись закона:

$display style Q equals I squared R t$

где:

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

Таким образом, если увеличить ток вдвое, количество выделяющегося тепла возрастёт в четыре раза, а если увеличить сопротивление — вдвое, тепло также увеличится вдвое.

Единицы измерения и примеры

Количество теплоты, выделяемое в проводнике, измеряют в джоулях (Дж).

Пример:
Через спираль сопротивлением $R equals 5 text end text text Ом end text$ течёт ток $I equals 2 text end text text А end text$ в течение $t equals 3 text end text text мин end text$ .

$display style t equals 3 text end text text мин end text equals 180 text end text text с end text$ $display style Q equals I squared R t equals 2 squared times 5 times 180 equals 3600 text end text text Дж end text equals 3 , 6 text end text text кДж end text straight.$

Значение теплового действия тока

Тепловое действие электрического тока широко используется:

в быту — для нагрева (электроплитки, утюги, обогреватели);
в промышленности — для сварки и плавления металлов;
в электротехнике — для защиты цепей (плавкие предохранители, термореле).

Но чрезмерное нагревание опасно: оно может привести к пожару или повреждению приборов, поэтому в электрических устройствах важно правильно подбирать сопротивление проводов и силу тока.

Пример задачи

Задача.
Найти количество теплоты, выделяющееся в проводнике сопротивлением $R equals 12 text end text text Ом end text$ , если по нему течёт ток $I equals 3 text end text text А end text$ в течение $5 text end text text мин end text$ .

Решение:

$display style t equals 5 text end text text мин end text equals 300 text end text text с end text$ $display style Q equals I squared R t equals 3 squared times 12 times 300 equals 9 times 12 times 300 equals 32400 text end text text Дж end text equals 32 , 4 text end text text кДж end text straight.$

Ответ: $Q equals 32 , 4 text end text text кДж end text$ .

Вопросы для самопроверки

Почему проводники нагреваются при прохождении электрического тока?
Какие виды проводников вы знаете? В каких из них выполняется закон Джоуля–Ленца?
Что показали опыты Джоуля и Ленца?
Сформулируйте закон Джоуля–Ленца.
От каких физических величин зависит количество выделяющегося тепла?
В каких единицах измеряется количество теплоты?
Почему при увеличении силы тока вдвое количество теплоты возрастает вчетверо?
Приведите примеры использования теплового действия тока в быту и промышленности.
Почему провод с большим сопротивлением нагревается сильнее?
Почему необходимо учитывать закон Джоуля–Ленца при проектировании электрических цепей?

Последнее изменение: Четверг, 6 Ноябрь 2025, 16:25