Закон Джо́уля — Ле́нца — фізичний закон, що дає кількісну оцінку теплової дії електричного струму. Закон був експериментально встановлений у 1841 році англійським фізиком Джеймсом Прескоттом Джоулем і незалежно від нього російським вченим Емілієм Ленцом у 1842 роціЗакон Джоуля — Ленца // Большая советская энциклопедия: в 30 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1972. — Т. 8 : Дебитор — Евкалипт. — 592 с. .
Фізичною природою виділення тепла при проходженні струму через провідник є те, що потенціальна енергія носіїв заряду, які подолали ділянку кола зменшується, а кінетична енергія залишається в середньому однаковою на початку й у кінці шляху. Втрачена носіями заряду енергія дисипує, тобто передається коливанням атомів провідника і переходить у тепло.
Визначення Формулювання закону звучить наступним чином:
Кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом, прямо пропорційна силі струму, напрузі й часу проходження струму через провідник.
Математичний запис закону: ,
де:
— сила струму; — спад напруги на ділянці кола; — час проходження струму.
Застосувавши закон Ома для ділянки кола, закон Джоуля — Ленца можна записати як , де — опір провідника.
Закон Джоуля — Ленца в диференційній формі Закон Джоуля — Ленца можна записати також для елементарного об'єму провідника , в якому за час виділятиметься теплота:
,
де — опір елементарного об'єму, а — елементарна сила струму, що протікає через елемент поверхні площею .
,
де — питомий опір.
З закону Ома . З другого боку,
,
де — електропровідність, а — напруженість електричного поля.
Ввівши поняття елементарної питомої потужності струму — кількості теплоти, що виділяється в одиниці об'єму за одиницю часу, можна записати:
.
Тоді
.
Питома теплова потужність струму дорівнює добутку провідності на квадрат напруженості.
Практичне значення
Зниження втрат енергії При передаванні електроенергії теплова дія струму є небажаною, оскільки це призводить до втрат енергії. Оскільки потужність, що передається, лінійно залежить як від напруги, так і від сили струму, а потужність нагріву залежить від сили струму квадратично, то вигідно підвищувати напругу перед передаванням електроенергії, знижуючи при цьому силу струму. Однак, підвищення напруги знижує електробезпеку ліній електропередачі.
Електронагрівальні прилади В основі роботи багатьох електронагрівальних приладів лежить закон Джоуля — Ленца. Такі прилади використовують нагрівальний елемент, що є провідником з високим опором. Підвищення опору досягається вибором сплаву з високим питомим опором (наприклад, ніхрому, константану), збільшенням довжини провідника і зменшенням його поперечного перерізу.
Плавкі запобіжники
Для захисту електричних кіл від протікання надмірно великих струмів використовується відрізок провідника зі спеціальними характеристиками. Це провідник малого перерізу і виготовлений з такого сплаву, що при допустимому струмі нагрів провідника не перегріває його, а при надмірно великих струмах перегрів провідника стає настільки значним, що провідник розплавлюється і розмикає коло.
Див. також Закон Ома
Джерела