Закон Джоуля-Ленца. Плавкий предохранитель.

Наверняка многие из вас обращали внимание на то, что при прохождении тока через проводник он нагревается и порой довольно сильно. В чем же тут причина и как можно рассчитать степень нагрева? Сегодня мы обсудим все эти вопросы и найдем на них ответы.

В одной из предыдущих статей мы разбирались с понятием тока и выяснили, что возникновение такого явления как электрический ток связано, в первую очередь, с перемещением заряженных частиц (электронов/ионов) по проводнику. Так вот, эти перемещающиеся частицы сталкиваются с молекулами и атомами вещества, из которого состоит проводник, и передают им часть своей кинетической энергии. В результате этого процесса внутренняя энергия проводника увеличивается, что и приводит к нагреву. Очевидно, что чем больше ток (большее количество электронов перемещается по проводнику), тем больше будет возникать столкновений и, соответственно, проводник будет нагреваться сильнее.

Закон Джоуля-Ленца.

Зависимость количества теплоты от параметров электрической цепи вывели двое ученых - Д. Джоуль и Э. Ленц. Причем они пришли к одинаковому результату независимо друг от друга. И закон этот, что абсолютно логично, получил название - закон Джоуля-Ленца. Формулировка выглядит следующим образом.

При прохождении электрического тока по проводнику количество тепла, выделяемого током в проводнике, прямо пропорционально силе тока, взятой во второй степени, величине сопротивления проводника и времени действия тока.

Запишем вышеобозначенное в виде формулы:

Q = I^2Rt

Применив закон Ома, мы можем получить несколько измененные выражения для расчета количества теплоты, выделяемого электрическим током:

Q = UIt

Q = \frac{U^2}{R}\medspace t

Явление нагрева проводника при прохождении по нему тока широко применяется в различных бытовых приборах - утюгах, чайниках , обогревателях и т. д. Ключевым элементом любого из этих устройств является нагревательный элемент, который чаще всего выполнен в форме спирали. Так, к примеру, выглядит нагревательный элемент паяльного фена:

Плавкий предохранитель.

Кроме того, явление нагрева проводников используется в очень важном элементе практически любой электрической цепи, а именно в плавком предохранителе:

Итак, разберемся, как он работает и какие функции на себя возлагает.

Любой электрический прибор, любая электрическая цепь рассчитаны на определенные значения тока. При превышении этой величины происходит чрезмерный нагрев элементов цепи и проводников. А это приводит в лучшем случае к выходу прибора из строя, а в худшем - к воспламенению. Для того, чтобы обезопасить цепь необходимо как-то ограничить протекающий по ней ток. Вот именно эта задача и стоит перед плавким предохранителем.

Главной частью предохранителя является тонкая проволока из легкоплавкого материала, которая расположена внутри специальной трубки. Толщина проволоки рассчитана так, что она выдерживает определенное значение протекающего через нее тока. А при превышении силы тока свинцовая проволока плавится, и цепь оказывается разомкнутой. Таким образом, сам предохранитель выходит из строя, но, разрывая электрическую цепь, спасает все остальные элементы от краха. Конструктивно плавкий предохранитель выполнен так, что никаких нежелательных побочных эффектов, таких как взрывы, возникновение огня, извержения, не возникает. Полезнейший элемент 👍

На этой позитивной ноте мы заканчиваем наш сегодняшний разговор о процессе нагрева проводников при прохождении электрического тока, до встречи.