Процесс превращения электроэнергии в тепло или свет неслучаен — он подчиняется строгим физическим правилам. Закон Джоуля — Ленца объясняет, почему одни приборы греются, а другие остаются холодными, и как избежать опасных перегрузок в сети. В статье рассказываем, кто открыл закон, в чем его суть и чем понимание его принципов полезно обычным людям.
Кто и как открыл закон Джоуля — Ленца
Физики долго стремились найти практическое применение электричества, осознавая его огромные возможности. Первым шагом в этом направлении стало открытие в 1826 году закона Ома, который систематизировал ключевые принципы новой области знаний. Опыты подтвердили, что электрическая энергия способна преобразовываться в тепло, что стало важным научным достижением. Однако для внедрения этих идей в инженерную практику требовались точные расчеты.
В середине XIX века англичанин Джеймс Джоуль и русский ученый Эмилий Ленц независимо друг от друга исследовали тепловое действие тока. Джоуль открыл связь между током, сопротивлением и выделяемым теплом. Ленц, известный работами по электромагнетизму, сформулировал аналогичный вывод, изучая нагрев проводников. Их открытия объединили в Закон Джоуля — Ленца, ставший основой для расчетов тепловых потерь в электрических цепях и давший толчок технологическому прогрессу.
Что гласит закон Джоуля — Ленца: суть простыми словами
Когда ток проходит через проводник, электроны сталкиваются с атомами материала, вызывая трение и нагрев. Чем больше сила тока и сопротивление, тем больше тепла выделяется. Например, тонкая спираль утюга раскаляется сильнее толстого провода, потому что ее сопротивление выше.
«Движение тока по цилиндрическому проводу похоже на то, как течет вязкая жидкость по трубе. Под действием сил давления, обеспечиваемого внешним источником, например, насосом, жидкость приходит в движение. Так как она вязкая, ее соседние слои движутся с разной скоростью, из-за чего между слоями появляется трение. Силы внутреннего трения противодействуют силам давления. Работа этих сил приводит к нагреву жидкости. Но на практике мы этого эффекта не чувствуем. Температура воды в трубе примерно одинаковая и на уровне насоса в подвале, и на десятом этаже.
Причина в низкой скорости движения воды. Если бы жидкость по трубам двигалась с большой скоростью, то труба ощутимо грелась бы», — объяснил работу закона Петр Крюков, старший преподаватель кафедры физики СУНЦ МГУ им. М.В. Ломоносова, соавтор учебно-методического пособия «Цепи постоянного тока».
Формула закона Джоуля — Ленца
Количество теплоты Q, выделяемой проводником с током, равно произведению квадрата силы тока (I), сопротивления (R) и времени прохождения тока (t).
Q = I² × R × t
Единицы измерения тепла по закону Джоуля — Ленца
Теплота измеряется в Джоулях (Дж). Таблицу всех единиц измерений для физических расчетов представили ниже.
| Величина | Единица измерения | Пример значения |
| Ток (I) | А (Ампер) | 2А |
| Сопротивление (R) | Ом | 50 Ом |
| Время (t) | с (секунды) | 10 с |
| Напряжение тока (U) | В (вольт) | 30 В |
| Теплота (Q) | Дж (Джоуль) | 2000 Дж |
Примеры задач с законом Джоуля — Ленца
Попробуем применить закон на практике и решить несколько задач из школьного курса по физике.
Задача №1
Рассчитайте теплоту, выделившуюся за 5 минут в проводнике сопротивлением 100 Ом при токе 0,5 А.
Решение:
1. Переведем время: 5 мин = 300 с.
2. Подставим в формулу: Q = I² × R × t = (0,5)² × 100 × 300 = 7500 Дж.
Задача №2
Электрический нагреватель сопротивлением 80 Ом подключен к сети с силой тока 3 А. Сколько времени потребуется, чтобы выделилось 14 400 Дж теплоты?
Решение:
1. Используем формулу закона Джоуля — Ленца:
Q = I² × R × t
2. Вычислим время:
t = Q : (I² × R)
3. Подставим значения:
t = 14 400 : (3² × 80) = 14 400 : (9 × 80)= 14 400 : 720 = 20 секунд.
Ответ: 20 секунд.
Применение закона Джоуля — Ленца в жизни
Закон Джоуля — Ленца — это не просто абстрактная формула из учебника. Он буквально «работает» в каждом доме. Его применение не ограничивается бытовой сферой.
- Нагревательные приборы. Чайник, утюг, фен, обогреватель — все они превращают электрическую энергию в тепло благодаря высокому сопротивлению спирали или нагревательного элемента.
- Безопасность: предохранители и автоматы. Предохранители в розетках и автоматические выключатели защищают от перегрузок. Если в сеть включить слишком много приборов, сила тока возрастет, и по закону Джоуля — Ленца выделится избыточное тепло. Это может расплавить изоляцию проводов и вызвать пожар.
- Энергоэффективность лампочек. У ламп накаливания 95% энергии уходит в тепло — нить вольфрама раскаляется до свечения. Это пример «побочного эффекта» закона Джоуля — Ленца. А в светодиодных лампах почти нет нагрева, так как сопротивление полупроводников мало, а энергия тратится в основном на свет.
- Пищевая промышленность. Явление, при котором проводник выделяет тепло из-за протекания электрического тока, называют джоулев нагрев. Оно позволяет быстро пастеризовать некоторые продукты: например, соусы, обычное и соевое молоко, густые супы. Электрический ток пропускают через пищу. Благодаря выделяющемуся теплу она обеззараживается.
Мнение эксперта
Вот что преподаватель физики Петр Крюков говорит о применении закона в обычной жизни:
«Закон объясняет, почему нельзя включать в одну розетку микроволновку, чайник и обогреватель, и почему выгоднее использовать светодиодные лампы. Понимая его принципы, мы можем безопаснее пользоваться электроприборами и даже экономить на электричестве».
Что нужно запомнить о законе Джоуля — Ленца
- Закон Джоуля — Ленца: когда ток проходит через проводник, внутри него возникают силы, противодействующие направленному движению заряженных частиц. Это приводит к тому, что часть энергии электрического тока преобразуется в тепловую. Чем выше сопротивление материала, тем больше тепла выделяется.
- Формула закона: Q = I² × R × t, где I — сила тока (Ампер), R — сопротивление (Ом), t — время в секундах.
- Закон применяется в работе бытовых приборов, защищает от перегрузки электросетей и помогает экономить электричество.
- Единица измерения теплоты (Q) — Джоуль.
