Джеймс Джоуль, англичанин с душой пивовара, обожал два занятия: варить пиво и проводить научные эксперименты. Казалось бы, его профессия должна была привести к химии, особенно органической, но судьба распорядилась иначе — парня тянуло к физике.
В середине XIX века весь научный мир был в восторге от электричества и его тайн. Один из самых интригующих вопросов: почему проводник нагревается, когда по нему идет ток? Этот же головоломка зацепила и Джоуля, заставив его бросить все силы на опыты. В 1840–1841 годах он провел серию экспериментов: брал разные провода, погружал их в воду и пропускал через них ток переменной силы. Выяснилось, что нагрев зависит не только от тока, но и от материала провода.
В 1841 году Джоуль опубликовал статью, где поделился важным законом: если увеличить силу тока в два раза, выделение тепла вырастет в четыре раза. Так проявилась квадратичная связь между током и разогревом. Почти одновременно с ним русский ученый с немецкими корнями Эмилий Ленц, работавший в Петербургской академии наук, повторил опыты в 1842–1843 годах. Но Ленц пошел дальше, проведя более точные замеры и математически оформив зависимость. Сегодня этот принцип носит двойное имя — закон Джоуля-Ленца, показывая, как электричество превращается в тепло. Формула проста: количество тепла пропорционально квадрату тока, сопротивлению провода и времени.
А что внутри провода во время этого шоу? Свободные электроны под действием поля ускоряются и двигаются в одном направлении. Но не в прямом смысле — их дрейфовая скорость крошечная, всего миллиметры в секунду, пока они сохранно кружат в хаотичном тепловом танце со скоростью сотен километров в час. Электронов миллиарды, и всем им нужно в одну сторону, так что неизбежно столкновение с атомами решетки. А атомы-то сами вибрируют вокруг своих мест. Эта "встряска" от электронов и вызывает нагрев: молекулы раскачиваются сильнее, и провод накаляется.
Есть и дополнительные причины. Электроны могут биться о примеси или дефекты в металле, или даже друг о друга — всё это добавляет жара. И, конечно, сопротивление материала играет большую роль, но об этом в другой раз.
Любопытный факт: Джоуль, чтобы доказать эквивалент тепла и механической работы, даже создал специальную гребную машину и мерил, насколько его собственное тепло при весле соответствует подъемной силе. Необычно? Конечно, кто еще крутил педали для науки!
Еще один штрих: Эмилий Ленц, помимо этого закона, открыл "правило Ленца" в электромагнетизме — оно объясняет, почему электромагниты, например, в лифтах, стопорятся и защищают от внезапных падений. Представьте, это как автопилот для электрических чудес.
И вот третий интересный нюанс: в сверхпроводниках при экстремально низких температурах сопротивление падает до нуля, и закон Джоуля-Ленца перестает работать — электроны скользят без нагрева, как лыжники по идеальному снегу. Как будто материя решила игнорировать физику!
Нужно оборудование?
Звоните: 8 (800) 777-23-97
Точных Вам измерений!