Физика / Электричество

Закон Джоуля-Ленца

Закон Джоуля — Ленца определяет теплоту, выделенную током в резисторе: Q = I²Rt. При постоянных сопротивлении и времени удвоение тока увеличивает выделенную теплоту в четыре раза.

Опубликовано: Обновлено:

Формула

$$Q = I^2Rt$$
physical-scheme Схема: закон Джоуля-Ленца

Текстовая схема показывает, какие величины из условия подставляются в формулу и какой элемент требуется найти.

проводник с током: количество теплоты равно I²Rt.

Обозначения

$Q$
количество теплоты, Дж
$I$
сила тока, А
$R$
сопротивление, Ом
$t$
время, с

Условия применения

  • Ток и сопротивление резистора считаются постоянными за рассматриваемое время; учитывается электрическое сопротивление этого элемента.
  • Теплота Q относится к выделению в проводнике, а не обязательно к энергии, которую получило нагреваемое им тело.

Ограничения

  • Если сопротивление заметно изменяется при нагреве, использование одного значения R приближенно; длительный процесс делят на интервалы.
  • Найденное Q не определяет температуру без массы, теплоемкости и условий теплообмена. Полезная теплота воды может быть меньше Q.

Подробное объяснение

В резисторе электрическая энергия переходит во внутреннюю энергию. При постоянном напряжении работа тока равна UIt. Для омического участка U = IR, поэтому Q = I²Rt. Если вместо тока известно напряжение, из I = U/R получается другая форма: Q = U²t/R.

Важно указывать, что остается постоянным. При неизменном токе увеличение сопротивления увеличивает Q. При неизменном напряжении увеличение сопротивления уменьшает ток и, согласно Q = U²t/R, уменьшает Q. Эти выводы не противоречат друг другу: речь о разных условиях питания.

Квадрат тока означает сильную зависимость нагревания от нагрузки. При удвоении I и прежних R, t теплота увеличится в четыре раза. При удвоении только времени она увеличится в два раза. Проверка единиц дает А²·Ом·с = В·А·с = Дж.

Выделенная в резисторе энергия не равна автоматически энергии воды или воздуха рядом с ним. Часть остается в самом нагревателе, часть передается посуде и окружающей среде. Если нужен нагрев воды, сначала определяют дошедшую до нее теплоту и лишь затем используют Q = cmΔt. Закон Джоуля — Ленца также не заменяет полную энергетическую схему двигателя: электрическая энергия в нем может превращаться в механическую работу.

Как пользоваться формулой

  1. Выберите резистор, для которого заданы ток и сопротивление, и проверьте постоянство режима.
  2. Переведите время в секунды, ток в амперы и сопротивление в омы перед вычислением.
  3. Возведите ток в квадрат и умножьте на сопротивление и время; при заданном U используйте Q = U²t/R.
  4. Подпишите теплоту в джоулях и отдельно учтите потери, если далее рассчитывается нагрев другого тела.

Историческая справка

В 1840 году Джеймс Джоуль сообщил результаты исследований тепла, возникающего при прохождении тока. Такие опыты позволяли количественно сравнивать электрический режим проводника и его нагревание. Важным результатом стала зависимость тепловыделения от квадрата силы тока, а не просто от тока.

Исследования электрического нагревания вошли в более широкий круг опытов Джоуля о превращении работы в теплоту. Современная запись Q = I²Rt выражает этот результат через амперы, омы, секунды и джоули. Проверка через U = IR связывает его с энергетическим расчетом омического участка цепи.

В русском учебном употреблении закрепилось название «закон Джоуля — Ленца». Для применения формулы существеннее всего различать теплоту, выделенную в проводнике, и последующий теплообмен. Даже если энергия рассеивается и температура почти постоянна, ток продолжает передавать энергию: постоянная температура не означает отсутствия тепловыделения.

Историческая линия формулы

Джоуль экспериментально исследовал количественную связь тока и тепловыделения; в русском курсе используется название закона Джоуля — Ленца. Современную формулу применяют к сопротивлению проводника в заданном режиме, не распространяя ее без уточнения на всю работу любого электрического устройства.

Пример

Через резистор сопротивлением 5 Ом в течение 2 минут идет ток 0,4 А. Найдем выделенную теплоту. Время t = 120 с. Q = I²Rt = 0,4² × 5 × 120 = 0,16 × 600 = 96 Дж. Проверка через напряжение: U = IR = 0,4 × 5 = 2 В. Тогда UIt = 2 × 0,4 × 120 = 96 Дж. При увеличении тока до 0,8 А и прежних R, t теплота стала бы 384 Дж, то есть выросла бы в четыре раза. Значение 96 Дж еще не говорит, на сколько градусов нагрелся резистор: для этого нужны его масса, теплоемкость и сведения об отдаче энергии окружающей среде.

Частая ошибка

Не заменяйте I² на 2I: квадрат и удвоение дают разные результаты. Не делайте вывод «больше R — больше нагрев» без условия постоянного тока. Не подставляйте время в минутах. Не путайте выделение энергии в резисторе с повышением его температуры: температура зависит также от теплоемкости и охлаждения.

Практика

Задачи с решением

Постоянное напряжение

Условие. Резистор 20 Ом подключен к 10 В на 30 с. Найдите Q.

Решение. Q = U²t/R = 100 × 30 / 20 = 150 Дж.

Ответ. 150 Дж

Изменение тока

Условие. При прежних R и t ток уменьшился втрое. Как изменится выделенная теплота?

Решение. Q пропорционально I², поэтому множитель равен (1/3)² = 1/9.

Ответ. Уменьшится в девять раз.

Калькулятор

Теплота в резисторе

Подставьте величины в указанных единицах.

Заполнить примером:
Введите значенияКалькулятор покажет ответ, промежуточные величины и ход подстановки.

Дополнительные источники

  • OpenStax, College Physics 2e, §20.4 Electric Power and Energy: https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/20-4-electric-power-and-energy
  • American Physical Society, December 1840: Joule’s Abstract on Converting Mechanical Power Into Heat: https://www.aps.org/apsnews/2009/12/joule-abstract-converting-mechanical-heat

Связанные формулы

Физика

Работа электрического тока

$A = UIt$

Работа электрического тока показывает переданную электрическую энергию. При постоянных напряжении и силе тока A = UIt; ту же энергию можно найти как произведение мощности на время.

Физика

Мощность электрического тока

$P = UI$

Мощность потребителя постоянного тока равна произведению напряжения на его выводах и силы тока через него: P = UI. Результат в ваттах показывает получаемую энергию за секунду.

Физика

Закон Ома для участка цепи

$I = \frac{U}{R}$

Закон Ома для участка цепи связывает силу тока, напряжение и сопротивление: ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.

Физика

Сопротивление однородного проводника

$R = \rho \frac{l}{S}$

Сопротивление однородного проводника равно ρl/S: оно растет с длиной и удельным сопротивлением материала и уменьшается при большем сечении.