Все электрические приборы подключаются к электрической сети с помощью проводов. Провод по своей сути является металлическим проводником электрического тока. Иногда возьмешь в руки провод, который питает мощное устройство, а он горячий.
Если проводка рассчитана неправильно, то может дойти и до момента расплавления провода, и до последующего короткого замыкания. В некоторых случаях, это может быть даже опасно.
Мы только что столкнулись с тепловым действием электрического тока. Всем проводникам свойственно нагреваться при прохождении через них тока. Одни нагреваются сильнее - другие слабее.
Это происходит из-за того, что каждый проводник, будь то полимерный или металлический материал, имеет некоторую структуру строения.
Электрический ток же есть направленное упорядоченное движение частиц. Частицы двигаются по проводнику как люди в переходе в метро, где расположены колонны. Когда человек один на весь переход колоны ему совершенно не мешают.
Проводник, которым в данном случае является колонный зал, обладает сопротивлением. При таком сопротивлении, когда в переходе один человек, ситуация вполне нормальная и человек не трется о стенки. Но запусти туда тысячу человеку и они будут толкаться и тереться об стены. В проводе всё также. Сопротивление аналог пропускной способности туннеля из примера.
Когда люди или заряды начинают тереться об элементы структуры (ну или колонный в нашем живом примере), вырабатывается тепло. Вот, собственно говоря, мы и наблюдали тепловое действие электрического тока. Подобная картина присуща и электролитам.
Отметим, что тепловое действие электрического тока во многих случаях является паразитным эффектом. Нагревание проводников повышает их сопротивление, а работа, которую можно было бы превратить в свет лампочки или кручение двигателя, рассеивается на проталкивание частичек через кристаллическую решетку и нагревает проводник, когда на это вовсе не нужно.
Очевидно, что это должно быть некоторой закономерностью. Да и выявить её нужно, ведь не один электрический прибор не сможет нормально работать без правильного расчёта этих параметров. Нам нужно знать, насколько нагреется проводник и в каких случаях.
Именно выводом этой закономерности заинтересовались ученые Джоуль и Ленц. Работали они не совместно, но к одинаковым результатам пришли практически одновременно. Потому и назвали закон именем Джоуля-Ленца.
Экспериментальным путем была выявлена закономерность, которая описывает количество теплоты, которое выделится на проводнике с током. Она равна произведение квадрата силы тока (I) в проводнике, на сопротивление этого проводника (R) и время работы такой установки (t).
Такая запись закона называется законом Джоуля-Ленца в интегральной форме. Но для порядка стоит записать формулу вот так:
В других источниках можно увидеть формулу, содержащую плотность тока. Так записывать закон даже правильнее, но при выводе силы тока из плотности тока и анализе напряженности мы получим абсолютно тот же результат.
Важным параметром тут является электрическое сопротивление. Не нужно забывать, что оно связан ос удельным сопротивлением и геометрическими параметрами проводника. Именно через эти характеристики можно выразить нужные для нас значения и определить искомые свойства. Скажем, зная эти данные, мы сможем рассчитать, возможно ли использовать в предполагаемой сети медный провод с сечением 1 мм квадратный и длиной 5 метров при использовании нагрузки 2 киловатта.
Зная закон Джоуля-Ленца, мы можем численно оценить тепловое действие электрического тока. Это позволит исключить неправильное конструирование электрических сетей и не подбирать проводники с заведомо неподходящими характеристиками. Ведь провод с неправильным сечением может и вовсе расплавиться. Поэтому, рассматриваемый закон является одним из основных законов современной физики и обязательно должен быть изучен.
Кроме того, на базе теплового действия электрического тока работают и полезные приборы. Скажем, в электрической лампочке накаливания нить разогревается до момента, пока не начнет испускать видимое излучение или светить. Эту температуру тоже можно высчитывать по рассматриваемому закону. Также важно это и при расчёте электрических нагревателей или приборов для приготовления пищи. Ведь для кипячения воды нужно довести воду до 100 градусов. Значит, устройство должно иметь подходящий электрический нагреватель.
