Все, что нас окружает, связано с электричеством. Сегодня любой человек, даже без технического образования, знает, что электрический ток, протекающий по проводам, в некоторых случаях может нагревать их, часто до очень высоких температур.

Кажется, что это известно всем и не стоит упоминания. Однако как объяснить это явление? Почему и как происходит нагрев проводника? Эксперименты Ленца возвращают нас в 19 век - эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому скачку 20 века. Эпоха, когда различные ученые и изобретатели-самоучки по всему миру почти ежедневно открывали что-то новое, часто тратя много времени на исследования, не имея ни малейшего представления о конечном результате.

Один из таких людей, русский ученый Эмилий Христианович Ленц, увлекшись электричеством, на тогдашнем примитивном уровне пытался рассчитать электрические цепи. В году Эмилий Ленц "застрял" с расчетами, так как параметры смоделированной им цепи "источник энергии - проводник - потребитель энергии" сильно варьировались от опыта к опыту.

Ученый обнаружил, что причиной нестабильности зимой года был кусок платиновой проволоки, который он принес с мороза. Нагревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил, что существует корреляция между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.

При определенных параметрах цепи проводник быстро оттаивал и даже немного нагревался. В те времена измерительных приборов практически не было - невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил изобретательность.

Если это взаимосвязь, то почему бы ей не быть обратимой? Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, ученый сконструировал простой "нагреватель" - стеклянный сосуд, содержащий спиртосодержащий раствор и погруженную в него платиновую спираль-проводник. Подавая на проводник различное количество электрического тока, Ленц измерял время, необходимое для того, чтобы раствор нагрелся до определенной температуры.

В те времена источники электрического тока были слишком слабыми, чтобы нагреть раствор до серьезной температуры, поэтому визуально определить количество испарившегося раствора было невозможно. Из-за этого процесс исследования занимал очень много времени - тысячи вариантов подбора параметров источника тока, проводника, длительные измерения и последующий анализ.

Закон Джоуля-Ленца В итоге, спустя десятилетие, в году Эмиль Ленц довел результат своих экспериментов до сведения научного сообщества в виде закона. Однако оказалось, что его опередили! За пару лет до этого английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные эксперименты и также представил свои результаты общественности.

Но тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, российский ученый обнаружил, что его собственные эксперименты гораздо точнее, исследований было проведено больше, поэтому российской науке есть чем дополнить британское открытие. Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединило их в один, таким образом, закон Джоуля был переименован в закон Джоуля-Ленца.

Закон гласит, что количество тепла, выделяемое проводником при протекании через него электрического тока, равно произведению квадрата силы этого тока, сопротивления проводника и времени, в течение которого ток протекает через проводник. Почему он нагревается, а не остается нейтральным или охлаждается?

Нагревание происходит потому, что свободные электроны, движущиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая преобразуется в тепловую.

Проще говоря, электрический ток "трется" о материал проводника, так сказать, и электроны сталкиваются с молекулами проводника.

Проще говоря, это означает, что, проходя через материал проводника, электрический ток "трется" о молекулы проводника.

Как известно, любое трение сопровождается нагреванием. Следовательно, проводник будет нагреваться до тех пор, пока по нему проходит электрический ток. Это также следует из формулы - чем выше удельное сопротивление проводника и чем больше ток, протекающий через него, тем выше будет нагрев. Поэтому, кстати, в быту не рекомендуется скручивать вместе медные и алюминиевые провода - в месте скрутки будет происходить неравномерный нагрев. Результат - сгорание, за которым последует потеря контакта. <Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создание более точных измерительных приборов, основанных на сокращении витка провода при нагревании его протекающим током определенной величины - первых циферблатных вольтметров и амперметров.

Появились первые прототипы электронагревателей, тостеров, плавильных печей - использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получать достаточно высокую температуру.

Изобрели плавкие предохранители - биметаллические автоматические выключатели, аналоги сегодняшних реле тепловой защиты, основанные на разнице в нагреве проводников с разным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив, что при определенном токе проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреваться до красна, этот эффект был использован в качестве источника света. Так появились первые электрические лампочки. Проводник углеродная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.

Открытие этого закона позволило уже заранее предсказать некоторые будущие проблемы в развитии электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери, необходимо снизить передаваемый ток, компенсируя его высоким напряжением. И уже у оконечного потребителя, понизив напряжение, получить более высокий ток.

Для того чтобы компенсировать эти потери, необходимо понизить передаваемый ток, компенсируя его более высоким напряжением.

Закон Джоуля-Ленца постоянно проявлялся от одной эпохи технологического развития к другой. Даже сегодня мы постоянно видим его в повседневной жизни - он повсюду, и люди не всегда рады этому. Плохо нагретый чип компьютера, потеря света из-за сгоревшей скрутки "медь-алюминий", перегоревшая вставка предохранителя, перегоревшая электропроводка высокого давления - все это один и тот же закон Джоуля-Ленца.

Популярные статьи.


Навигация

Comments

  1. Супер просто супер


Add a Comment

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *