Joule-Lenzov zakon: zgodovina

Težko si je predstavljati življenje sodobne osebe brez elektrike. Postala je ena glavnih in najbolj dragocenih lastnosti sodobnega obstoja. Pravzaprav vsaka oseba, ki je že kdaj delala z elektriko, ve, da se nagibajo k segrevanju, ko se prenašajo skozi tekoče žice. Zakaj je to odvisno?

Kaj je trenutno

Tok je urejeno gibanje nabitih delcev, imenovanih elektroni. In če tok teče skozi prevodnik, se v njem začnejo pojavljati različni fizični procesi, in sicer elektroni trčijo z molekulami.

Molekule so nevtralne ali tiste, ki so izgubile negativno nabite deleže. Kot posledica trkov lahko bodisi elektroni postanejo nevtralne molekule ali pa elektron, ki tvori pozitivno nabiti ion, iztrga iz druge takšne molekule. Med temi trki se porabi kinetična energija nabitih delcev. Ta energija postane topla.

Odpornost lahko vpliva na ogrevanje prevodnika toplote. Na primer, lahko vzamete določeno telo in ga povlečete po tleh. Zemlja je v tem primeru odpor. Kaj se bo zgodilo z njim? Pravilno bo med telesom in površino prišlo sila trenja ki pa ogreva telo. Tok se v tem primeru obnaša na enak način.

Odvisnost

In ko so poslušali vse zgoraj navedeno, so znanstveniki lahko ugotovili to razmerje med trenutno močjo, odpornostjo in količino toplote. Ta odvisnost se imenuje Joule-Lenzov zakon, katerega formula je znana vsem fizikom. Leta 1832-33 je ruska fizika Emilie Lentz odkrila, da se je njihova toplotna prevodnost s toplotnimi učinki na kovinske vodnike bistveno spremenila. To je dejansko zapletlo delo znanstvenika in ga otežilo izračunavanje električnih tokokrogov.

Potem je mladi znanstvenik imel zamisel, da morda obstaja kakšna povezava med trenutno močjo in temperaturo prevodnika. Toda kako biti? Takrat ni bilo natančnih električnih naprav za merjenje jakosti toka, odpornosti, ni bilo niti stabilnega EMF. Lenz se ni ustavil, zato se je odločil, da bo izvedel poskus.

Ruski poskusi fizike

Bistvo te izkušnje je bilo tako preprosto kot vse domiselno, da jo lahko ponovi tudi šolar. Znanstvenik je izdelal posebno napravo, ki je služila za merjenje količine toplote, ki jo sprosti vodnik. Ta naprava se je izkazala za navadno posodo, v katero je Lenz nalil raztopino razredčenega alkohola in nastavil prevodnik - platinsko žico, na katero je bil uporabljen električni tok.

Po izdelavi naprave je znanstvenik začel izvajati poskuse. Izmeril je točen čas, potreben, da se alkohol v posodi segreje na 10 ^° C. Veliko ni bilo porabljenega le za mesece, temveč tudi za let. In leta 1843, 10 let kasneje, je bil objavljen zakon, katerega bistvo je bilo, da je ogrevanje vodnika s tokom tekoče sorazmerno s kvadratom zaposlenega za ogrevanje toka.

Joule in Lenz

Toda ni bilo tam! Izkazalo se je, da je pred nekaj leti angleški fizik James Prescott Joule opravil podobne poskuse in je že objavil svoja opažanja. Kako biti? Lenz se ni odrekel in previdno preučil delo Jouleja in prišel do zaključka, da so bili Lenzovi poskusi, čeprav so izvedli iste poskuse, veliko bolj natančni. V zvezi s tem je znanstvena skupnost dodala delo Jouleu Lenzu spremembo in ta zakon je postal znan kot Joule-Lenzov zakon. Matematična formulacija zakona je naslednja:

Q = I * U * t, kjer:

• I - jakost toka, A;
• U - napetost, V;
• t je čas, ki ga potrebuje tok za prehod vodnika, str.

Sam zakon je naslednji: količina toplotne energije, ki se sprosti v prevodniku, skozi katerega teče električni tok enako zmnožku toka, napetosti in časa prehoda toka skozi prevodnik.

Ohmov zakon

Ali bo ta izjava vedno resnična? Lahko ga poskusite izpeljati z Ohmovim zakonom. Glede na to, U = I * R, kjer je R upor, Ohm.

Glede na Ohmov zakon, lahko nadomestite vrednost v formuli Q = I * U * t = I ² * R * t. Iz tega lahko sklepamo, da je količina toplote neposredno odvisna od upora prevodnika. Tudi za Joule-Lenzov zakon bo ta trditev resnična: I = Q = I * U * t.

Vse tri formule bodo pravilne, vendar bo Q = I ² * R * t veljalo za vse situacije. Druga dva pa sta prav tako pravilna pod določenimi pogoji.

Vodniki

Zdaj o prevodnikih. Na začetku so Joule in Lenz v svojih poskusih uporabili platinske žice, kot je navedeno zgoraj. V vseh podobnih poskusih so takratni znanstveniki uporabljali večinoma kovinske vodnike, ker so bili dokaj poceni in stabilni. Ni presenetljivo, ker so do sedaj kovinski vodniki glavni tip prevodnikov, v povezavi s katerim se je sprva verjel, da je bil Joule-Lenzov zakon uporaben samo zanje. Malo kasneje pa je bilo ugotovljeno, da se ta zakon ne uporablja samo za kovinske vodnike. Vsak od njih je resničen. Že same vodnike po klasifikaciji lahko razdelimo na:

• Kovinski (baker, železo, srebro itd.). Glavno vlogo v njih igrajo negativno nabiti delci (elektroni), ki tečejo skozi vodnika.
• Tekočina. V njih so joni odgovorni za gibanje nabojev - to so atomi, v katerih je preveč ali premalo elektronov.
• Plin. V nasprotju s svojimi sodelavci se v takih prevodnikih tok določa z gibanjem obeh ionov in elektronov.

In kljub razlikam, v vsakem primeru, s povečanjem toka ali upora, se bo količina toplote povečala.

Uporaba zakona s strani drugih fizikov

Odkritje zakona Joule-Lenz je obljubilo velike možnosti. Konec koncev, v resnici, ta zakon dovolil ustvarjanje neke vrste različnih električnih grelnikov in elementov. Na primer, malo kasneje po odkritju zakona so znanstveniki opazili, da ko se določeni elementi segrejejo, začnejo sijati. Želeli so eksperimentirati z njimi z uporabo različnih prevodnikov, leta 1874 pa je ruski inženir Alexander Nikolaevich Lodygin izumil sodobno žarnico, katere nit je bila izdelana iz volframa.

Zakon Joule-Lenz in elektrotehnika - na primer pri izdelavi varovalk. Varovalka je določen element v električnem tokokrogu, katerega zasnova je narejena tako, da kadar tok teče skozi njo nad dovoljeno vrednostjo (npr. kratek stik pregreje se, topi in odpre električni krog. Tudi običajni električni kotliček ali mikrovalovna pečica, ki ga imajo praktično vsi, deluje v skladu s tem zakonom.

Zaključek

Zelo težko je določiti prispevek teh znanstvenikov k sodobni elektroniki in elektrotehniki, ena stvar pa je zagotovo - pojav Joule-Lenzovega zakona je obrnil ljudi dojemanje električne energije in dal bolj specifično znanje o tem, kaj je električno polje v prevodniku s tokom.

Brez dvoma je zakon, ki so ga odkrili ti veliki fiziki, postal odločilen korak v celotni znanosti, zahvaljujoč odkritju pa so bili kasneje izvedeni drugi bolj ali manj veliki dosežki drugih znanstvenikov. Vsa znanost je tesno prepletanje odkritij, nekaj rešenih in nerešenih problemov. Pravo, preučeno v tem članku, je vplivalo na številne študije na določen način in pustilo neizbrisno in precej jasno znamenje znanosti.