Legge di Joule-Lenz: sua formulazione e applicazione
formulazione
In un vero conduttore, quando la corrente scorre attraverso di esso, il lavoro viene eseguito contro le forze di attrito. Gli elettroni si muovono attraverso un filo e si scontrano con altri elettroni, atomi e altre particelle. Di conseguenza, viene generato calore. La legge di Joule-Lenz descrive la quantità di calore rilasciato quando la corrente scorre attraverso un conduttore. È direttamente proporzionale alla forza, resistenza e tempo di flusso attuali.
In forma integrale, la legge di Joule-Lenz si presenta così:
La forza attuale è indicata dalla lettera I ed è espressa in Ampere, Resistenza - R in Ohm e tempo t - in secondi. L'unità di misura del calore Q - Joule, per convertire in calorie è necessario moltiplicare il risultato per 0,24. In questo caso, 1 caloria è uguale alla quantità di calore che deve essere portata all'acqua pura per aumentare la sua temperatura di 1 grado.
Tale immissione di formula è valida per una sezione di un circuito con un collegamento in serie di conduttori, quando una corrente scorre in essi, ma cadute di tensione diverse alle estremità. Il prodotto della corrente al quadrato della resistenza è uguale alla potenza. Allo stesso tempo, la potenza è direttamente proporzionale al quadrato della tensione e inversamente proporzionale alla resistenza. Quindi per un circuito elettrico con una connessione parallela, la legge di Joule-Lenz può essere scritta come:
In forma differenziale, si presenta così:
Dove j è la densità corrente A / cm2, E è l'intensità del campo elettrico, sigma è la resistenza specifica del conduttore.
Va notato che per una sezione omogenea del circuito, la resistenza degli elementi sarà la stessa. Se ci sono conduttori con diversa resistenza nel circuito, si verifica una situazione in cui viene rilasciata la massima quantità di calore su quella che ha la maggiore resistenza, che può essere conclusa analizzando la formula della Legge di Joule-Lenz.
Domande frequenti
Come trovare il tempo? Questo si riferisce al periodo di flusso di corrente attraverso il conduttore, cioè quando il circuito è chiuso.
Come trovare la resistenza di un conduttore? Per determinare la resistenza usando la formula, che spesso viene chiamata "rotaia", vale a dire:
Qui, la lettera "Po" indica la resistività, misurata in Ohm * m / cm2, 1 e S sono la lunghezza e l'area della sezione trasversale. Nei calcoli, i metri quadrati e i centimetri sono ridotti e gli ohm rimangono.
La resistività è un valore tabulare ed è diversa per ogni metallo. Il rame ha ordini di grandezza inferiori a quelli delle leghe ad alta resistenza come il tungsteno o il nicromo. Per ciò che viene applicato considereremo di seguito.
Passiamo alla pratica
La legge Joule-Lenz è di grande importanza per i calcoli dell'ingegneria elettrica. Prima di tutto, puoi applicarlo quando calcoli i dispositivi di riscaldamento. Un conduttore viene spesso utilizzato come elemento riscaldante, ma non semplice (come il rame), ma con un'alta resistenza. Molto spesso è nicromo o cantale, fecrale.
Hanno una grande resistività. Puoi usare il rame, ma poi spenderai molto cavo (sarcasmo, il rame non viene utilizzato per questo scopo). Per calcolare la potenza termica di un dispositivo di riscaldamento, è necessario determinare quale corpo e in quali volumi è necessario riscaldare, tenere conto della quantità di calore richiesta e per quanto tempo deve essere trasferito al corpo. Dopo calcoli e trasformazioni, otterrai la resistenza e la forza attuale in questo circuito. Sulla base dei dati sulla resistività, selezionare il materiale del conduttore, la sua sezione trasversale e lunghezza.
Legge Joule-Lenz per la trasmissione di elettricità a distanza
a trasmissione di potenza su distanze sorge un problema significativo: perdite sulle linee di trasmissione (linee di trasmissione). La legge di Joule-Lenz descrive la quantità di calore rilasciato da un conduttore quando scorre la corrente. Le linee elettriche alimentano intere aziende e città e, per questo, è necessaria molta energia, di conseguenza, una grande corrente. Poiché la quantità di calore dipende dalla resistenza del conduttore e dalla corrente, in modo che il cavo non si riscaldi, è necessario ridurre la quantità di calore. Non è sempre possibile aumentare la sezione dei fili, perché questo è costoso in termini di costo del rame stesso e del peso del cavo, il che comporta un aumento del costo della struttura di supporto. Le linee elettriche ad alta tensione sono mostrate di seguito. Si tratta di enormi strutture metalliche progettate per sollevare il cavo ad un'altezza di sicurezza dal suolo, al fine di evitare scosse elettriche.
Pertanto, è necessario ridurre la corrente, per fare ciò aumentano la tensione. Tra le città, le linee elettriche di solito hanno una tensione di 220 o 110 kV e al consumatore scende al valore desiderato utilizzando sottostazioni di trasformazione (KTP) o un numero di KTP che si abbassa gradualmente a valori più sicuri per la trasmissione, ad esempio 6 kV.
Pertanto, con lo stesso consumo di energia a una tensione di 380/220 V, la corrente diminuirà di centinaia e migliaia di volte. E secondo la legge Joule-Lenz, la quantità di calore in questo caso è determinata dalla potenza che si perde sul cavo.
Fusibili e micce
La legge Joule-Lenz si applica alle micce. Questi sono elementi che proteggono un dispositivo elettrico o elettronico da correnti eccessive che potrebbero verificarsi a seguito di un aumento dell'alimentazione, corto circuito sul circuito stampato o sugli avvolgimenti (nel caso dei motori) per proteggere dall'ulteriore distruzione del sistema elettrico nel suo complesso e dal fuoco. Sono costituiti da un alloggiamento, un isolante e un filo sottile. Il filo viene selezionato in una sezione tale che la corrente nominale lo attraversa e, quando viene superato, la quantità di calore generato lo brucia.
Come risultato di quanto sopra, concludiamo che la Legge Joule-Lenz ha trovato ampia applicazione ed è molto importante per l'ingegneria elettrica. Grazie alle informazioni sulla quantità di calore fornita dai calcoli secondo le formule sopra indicate, possiamo conoscere le modalità operative dei dispositivi, selezionare i materiali necessari e la sezione trasversale per aumentare la sicurezza, l'affidabilità e la durata del dispositivo o del circuito nel suo insieme.
È qui che finiamo il nostro articolo. Speriamo che le informazioni fornite siano state utili e interessanti per te. Infine, ti consigliamo di guardare un video in cui questo problema viene discusso in modo più dettagliato:
Sicuramente non sai:
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