Закон Джоуля-Ленца: історія виникнення

Досить важко уявити життя сучасної людини без електрики. Воно стало одним з головних і найбільш цінних атрибутів сучасного існування. Фактично будь-яка людина, який коли-небудь працював з електрикою, знає, що при проходженні струму по проводах у них є властивість нагріватися. Від чого ж це залежить?

Що таке струм

Струм – це впорядкований рух заряджених частинок, які називаються електронами. І якщо струм протікає по провіднику, то в ньому починають відбуватися різні фізичні процеси, а саме електрони стикаються з молекулами.

Молекули бувають нейтральні або ті, які втратили свою негативно заряджену частинку. В результаті зіткнень або електрони можуть ставати нейтральними молекулами, або при цьому вибивається з іншою такою ж молекули електрон, що позитивно заряджений іон. Під час цих зіткнень витрачається кінетична енергія заряджених частинок. Саме ця енергія і стає теплом. На тепловій нагрівання провідника може впливати і опір. Наприклад, можна взяти певне тіло і тягти його по землі. Земля в цьому випадку - опір. Що ж з ним буде? Правильно, між тілом і поверхнею буде відбуватися сила тертя, яка, в свою чергу, нагріває тіло. Струм в цьому випадку веде себе точно так само.

Залежність

І, слухаючи все вищезазначене, вченим вдалося визначити цю залежність між силою струму, опором і кількістю тепла. Ця залежність носить назву закон Джоуля-Ленца, формула якого відома всім фізикам. У 1832-1833 роках російським фізиком Емилием Ленцом було виявлено, що при тепловому впливі на металеві провідники їх провідність капітально змінювалася. Це фактично ускладнювало роботу вченого і заважало розраховувати електричні кола.

Тоді ж молодому вченому прийшла в голову думка про те, що, можливо, існує якась залежність між силою струму і температурою провідника. Але як бути? У той час були відсутні точні електричні прилади, що дозволяють виміряти силу струму, опір, не було навіть стабільного джерела ЕРС. Ленца це не зупинило, він вирішив провести досвід.

Досліди російського фізика

Суть цього досвіду була настільки проста, як і все геніальне, що його може повторити навіть школяр. Вчений сконструював спеціальний прилад, який служив для вимірювання кількості тепла, що виділяється провідником. Цим приладом виявився звичайний посудину, усередину якого Ленц заливав розчин розведеного спирту і ставив провідник – платинову дріт, на яку подавався електричний струм. Після того як прилад був створений, вчений почав проводити досліди. Він вимірював точна кількість часу, необхідне для того, щоб спирт у посудині був нагрітий до 10 про С. На це було витрачено багато місяців, а років. І в 1843 році, через 10 років, був опублікований закон, суть якого полягала в тому, що нагрівання провідника струмом пропорційно квадрату службовця для нагрівання струму.

Джоуль і Ленц

Але не тут-то було! Виявляється, кілька років тому англійський фізик Джеймс Прескотт Джоуль проводив аналогічні досліди, і вже опублікував свої спостереження. Як бути? Ленц не здався і уважно вивчив роботу Джоуля і прийшов до висновку, що, нехай вони і проводили однакові експерименти, досліди Ленца були набагато точніше. У зв'язку з чим наукове співтовариство додало до роботи Джоуля поправки Ленца і цей закон став називатися як закон Джоуля-Ленца. Математична формулювання закону виглядає таким чином:
Q = I *U*t, де:

I – сила струму, А;

U – напруга, В;

t – час, за яке струм витрачає на проходження провідника, с.

Сам же закон звучить так: кількість теплової енергії, що виділяється в провіднику, через який тече електричний струм, що дорівнює добутку сили струму, напруги і часу проходження струму через провідник.

Закон Ома

Проте чи завжди вірним це твердження? Можна спробувати вивести його, використовуючи закон Ома. Судячи по ньому U = I*R, де R - опір, Ом. Враховуючи закон Ома, можна підставити значення в формулу Q = I*U*t = I 2 *R*t. З цього можна зробити висновок, що кількість теплоти безпосередньо залежить і від опору провідника. Також для закону Джоуля-Ленца буде справедливо і це твердження: I = Q = I*U*t. Всі три формули будуть вірні, однак Q = I 2 *R*t буде вірною для будь-яких ситуацій. Дві інші теж є правильними, однак при певних обставинах.

Провідники

Тепер про провідниках. Спочатку у своїх дослідах Джоуль і Ленц використовували платинові дроту, як і було згадано вище. У всіх подібних експериментах вчені того часу використовували в основному металеві провідники, так як вони були досить недорогими і стабільними. Не дивно, адже досі металеві провідники – основний тип провідників, у зв'язку з ніж спочатку вважалося, що закон Джоуля-Ленца був застосовний тільки до них. Проте трохи пізніше було виявлено, що цей закон застосовний не тільки до металевих провідниках. Він вірний для будь-яких з них. Самі провідники за класифікацією можна розділити на:

Металеві (мідь, залізо, срібло тощо). Головну роль у них відіграють негативно заряджені частинки (електрони), які протікають по провіднику.

Рідкі. У них же за рух зарядів відповідають іони – це атоми, у яких або занадто багато, або занадто мало електронів.

Газоподібні. На відміну від своїх колег, таких провідниках струм визначається рухом як іонів, так і електронів.

І незважаючи на відмінності, в будь-якому випадку при збільшенні сили струму та опору збільшиться і кількість тепла.

Застосування закону іншими фізиками

Відкриття закону Джоуля-Ленца обіцяло величезні перспективи. Адже, по суті, цей закон дозволив створювати свого роду різні електронагрівальні прилади та елементи. Наприклад, трохи пізніше після відкриття закону вчені помітили, що при нагріванні певних елементів вони починають світитися. Вони захотіли погратися з ними, використовуючи різні провідники, і в 1874 році російський інженер Олександр Миколайович Лодигін винайшов сучасну лампу розжарювання, нитка якої була зроблена з вольфраму. Застосовується закон Джоуля-Ленца і в електротехніці – наприклад, при створенні плавких запобіжників. Плавкий запобіжник – це якийсь елемент електричний ланцюга, конструкція якого зроблена так, що при протіканні по ньому струму вище допустимого значення (наприклад, при короткому замиканні) він перегрівається, плавиться і розмикає силову ланцюг. Навіть звичайний електричний чайник або мікрохвильова піч, яка є фактично у кожного, працює згідно з цим законом.

Висновок

Досить важко визначити внесок цих учених у сучасну електроніку і електротехніку, але одне можна сказати точно – поява закону Джоуля-Ленца перевернуло уявлення людей про електриці і дало більш конкретні знання про те, що таке електричне поле в провіднику з струмом. Без сумніву, відкритий цими великими вченими-фізиками закон став визначальною ланкою у всій науці, саме завдяки цьому відкриттю згодом були здійснені інші більш чи менш грандіозні досягнення інших вчених. Вся наука являє собою тісне переплетення відкриттів, якихось дозволених і недозволених завдань. Розглянутий у цій статті закон певним чином вплинула на багато досліджень і залишив незгладимий і цілком виразний слід в науці.