Закон Джоуля-Ленца
Автор naturalscience.ru   

В XIX веке, независимо друг от друга, англичанин Д. Джоуль и русский ученый Э. Ленц изучали нагревание проводников электрическим током и экспериментальным путем установили следующий закон: количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Получим закон Джоуля-Ленца теоретическим путем. Используя закон Ома, запишем формулу для вычисления работы тока A=IUt в двух других формах.

В левых частях нижних равенств стоит работа тока. Выясним, как она связана с количеством теплоты, выделяющимся в проводнике с током. Для этого запишем первый закон термодинамики (см. § ...) и выразим из него работу, совершенную над проводником:

Вспомним, что DU - это изменение внутренней энергии тела (проводника), Q - количество теплоты, отданное проводником (на это указывает "минус"), A' - работа, совершенная над проводником.

Какая же работа совершается над проводником? Вы помните, что тепловое действие тока мы объясняем ударами электронов об ионы кристаллической решетки, в результате чего часть кинетической энергии электронов передается ионам, и их колебания усиливаются. А поскольку направленное движение электронов возникает за счет энергии электрического поля, то работу в проводнике с током совершают силы электрического поля.

Выясним теперь, что происходит с внутренней энергией проводника. Если ток в цепи только что включили, то проводник будет постепенно нагреваться, а его внутренняя энергия - увеличиваться. По мере роста температуры будет возрастать величина Dt° - разность между температурой проводника и температурой окружающей среды. Согласно закономерности Ньютона (см. § ...), будет возрастать и мощность теплоотдачи проводника в окружающую среду. Через некоторое время это приведет к тому, что температура проводника перестанет увеличиваться.

С этого момента внутренняя энергия проводника перестанет изменяться, то есть величина DU станет равной нулю. Тогда первый закон термодинамики для этого состояния проводника запишется так: A' = -Q. То есть если внутренняя энергия проводника не меняется, то работа тока полностью превращается в теплоту.

Используя этот вывод, запишем все три формулы для вычисления работы тока в другом виде.

 

Формула, заключенная в рамку, и была получена Джоулем и Ленцем опытным путем.


На рисунке показана схема установки, при помощи которой можно экспериментально проверить справедливость закона Джоуля-Ленца. Силу тока измеряют амперметром, сопротивление проводника - вычисляют, используя показания вольтметра.

Термометром измеряют повышение температуры жидкости в калориметре. По формулам Q=I2Rt и Q=cmDt° подсчитывают количества теплоты. Теоретически оба значения должны совпадать. Это и проверяют на опыте.