Электр тогының жылулық әсері, Джоуль-Ленц заңы. Физика, 8 сынып, қосымша материал.

Оқу мақсаты: 8.4.2.13 –Джоуль Ленц заңын есептер шығаруда қолдану.

Теориялық материалдар:

Электр тогы өткізгіштен өткенде өткізгіш қызады. Бұл құбылысты 1800 жылы француз ғалымы Антуан Фуркруа ашқан. Ол темір спираль арқылы ток жүргізіп оны өте жоғары температураға дейін қыздырған. Токтың жылулық єсерімен 41 жылдан кейін ағылшын физигі Дж. Джоуль, тағы бір жылдан соң орыс ғалымы Э.Х. Ленц айналысқан. Олар мынадай қорытындыға келді

Тогы бар өткізгіш шығарған жылу мөлшері ток күшінің квадратының, өткізгіш кедергісінің және ток өткен уақыттың көбейтіндісіне тең.

Қазір бұл заңды Джоуль — Ленц заңы деп атайды. Математикалық түрде мына түрде өрнектеледі: Q = I²Rt. Өткізгіштің ток өткенде қызуы ток тасымалдаушы бөлшектердің жолында кездескен заттың атомдары, немесе иондарымен әсерлесуімен түсіндіріледі. Осы әсерлесулер нәтижесінде өткізгіштің ішкі энергиясы артып, ол қызады. Қызған өткізгіш өзі алған жылуды қоршаған ортаға береді. Джоуль — Ленц заңы анықтайтын жылу мөлшері осы энергия болып табылады.

Джоуль — Ленц заңы тєжірибе жүзінде ашылған. Бірақ оның теориялық негізін де түсіндіруге болады. Электр тогы өткізгіштен өткенде жұмыс А= IUt атқарылады. Ал U=IR. Сондықтан: A = I²Rt.

Токтың жылулық әрекетін еске түсіріп, өткізгіш арқылы ток жүрген кезде бөлінетін жылуды есептеуге арналған Джоуль-Ленц формуласын енгізу ұсынылады.

Осы кезеңде электр энергиясын өлшеу үшін Джоуль ғана емес, оның құнын анықтау кезінде кВтсағ деген өлшем бірлікті қолданатынына тоқталу керек.

Металдардағы еркін электрондар электр өрісі әрекетінен орын ауыстырғанда кристалдық тор түйіндерінде орналасқан иондармен соқтығысып және оларға өз энергияларының бір бөлігін берумен түсіндіріледі.

Иондар үлкен жылдамдықпен тербеле бастайды,өткізгіштің ішкі энергиясы артады және температурасы көтеріледі.

Электр энерғиясының жылу энергиясына өтуі Ленц — Джоуль заңымен анықталады. Бұл заңды токтың жылулық әсер заңы деп те атайды.

Орыс ғалымы Ленц және ағылшын физигі Джоуль бір мезгілде және бір-бірінен тәуелсіз электр тогы өткізгіш арқылы өткенде, өткізгіште бөлінетін жылу мөлшері ток квадратына, өткізгіш кедергісіне және токтың өткізгіштен өту мерзіміне тура пропорционал болатындығын анықтады. Бұл ереже Ленц — Джоуль заңы деп аталады. Егер ток әрекеті жасалған жылу мөлшерін Q әрпімен өткізгіштен өтетін ток күшін I әрпімен, өткізгіш кедергісін R әрпімен және, токтың өткізгіштен ағып өту уақытын t әрпімен белгілесек, онда Ленц — Джоуль заңының өрнегін былай жазуға болады:

Q = І²R t{\displaystyle Q=I^{2}Rt\,}

I=U/R және R=U/t, болғандықтан: Q = UІt = U²t/R.