§47. Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля—Ленца
Когда электрический ток проходит через проводник, его свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решётки. Эти столкновения препятствуют движению электронов и приводят к тому, что часть электрической энергии превращается во внутреннюю энергию проводника — он нагревается.
Количество тепла, которое выделяется при прохождении тока, зависит от нескольких факторов: силы тока, сопротивления проводника и времени, в течение которого ток протекает по цепи. Эта зависимость выражена законом Джоуля—Ленца:
Q = I² · R · t,
где
Q — количество выделившегося тепла,
I — сила тока,
R — сопротивление проводника,
t — время.
Этот закон был установлен одновременно двумя учёными — Эмилием Ленцем в России и Джеймсом Джоулем в Англии — в 1844 году.
Почему проводник нагревается
При движении электронов они постоянно сталкиваются с ионами решётки и передают им часть своей энергии. Внутренняя энергия проводника увеличивается, что проявляется в его нагревании.
Если вся работа электрополя идёт исключительно на нагревание проводника, то:
A = U · I · t = Q = I²Rt.
Применение
Тепловой эффект электрического тока широко используется в быту и технике, например:
- в электрических плитках,
- утюгах,
- кипятильниках,
- обогревателях,
- тепловентиляторах.
Во всех этих устройствах нагрев происходит из-за выделения тепла в проводнике при прохождении тока.