В прошлый раз мы поговорили о законе Джоуля-Ленца, отражающем связь между силой тока, пропускаемой через проводник и количеством тепла, который этот проводник в результате выделяет. Мы сказали о том, как экспериментально была обнаружена эта зависимость, однако мы ничего не сказали о том, что происходит в проводнике «под микроскопом». А там происходит интересное.
Что происходит в проводнике, когда по нему течет ток? Его свободные электроны начинают организованно ускоряться и двигаться в одном направлении, заданном электрическим полем.
Важный момент: свободные электроны не «ускоряются» в обычном смысле. Под действием электрического поля они приобретают дрейфовую скорость, которая очень мала (~мм/с). При этом они продолжают хаотическое тепловое движение (~сотни км/с).
Так как электронов много и всем им вдруг надо в одну сторону, то среди них обязательно найдутся такие, которые столкнутся с атомами кристаллической решетки проводника. Причем ведь и сами атомы не стоят, как вкопанные, а колеблются относительно своего узла кристаллической решетки.
Как-то мы уже обсуждали, что для описания колебания атомов была введена виртуальная частица – фонон. Помянем ее добрым словом, но здесь обращаться к ней не будем для простоты.
Так вот взаимодействие колеблющихся атомов проводника с потоком электронов в нем же и есть главная причина нагрева. Температура кристаллического тела, выделение им тепла в целом – это отражение того, насколько буйно колеблются его атомы. В проводнике, по которому течет ток, движутся электроны и ударяются в атомы, тем самым дополнительно раскачивают их, а значит способствуют разогреву проводника.
Есть и второстепенные факторы. Электроны могут сталкиваться с примесями и дефектами в металле. Это тоже вносит вклад в нагрев. В некоторых случаях электроны сталкиваются друг с другом, и порой это тоже приходится учитывать.
Ну и, разумеется, роль играет природа проводника, его сопротивление. Но об этом лучше поговорить отдельно.