Při průchodu elektrického proudu vodičem se uvolňuje tepelná energie. Její množství lze určit pomocí Joule-Lentzova zákona, který stanoví proporcionalitu mezi množstvím tepla uvolněného v vodiči, jeho odporem, silou proudu a dobou proudění. Odpověď na otázku, kolik tepla se uvolní, lze získat vědomím napětí a počtu nábojů proudících vodičem.
V tomto úkolu jsou uvedeny hodnoty napětí a počet Kolumb náboje procházejícího vodičem. Napětí je 120 V a počet nábojů je 500 Kl. Chcete-li určit množství uvolněného tepla, musíte vynásobit hodnotu napětí minulým nábojem.
Teplo (Q) uvolněné ve vodiči při proudění lze určit vzorcem:
Q = V * Q
kde Q je množství uvolněného tepla, v je napětí ve vodiči, Q je množství minulého náboje.
Nastavením hodnot napětí a počtu nábojů získáme:
Q = 120 V * 500 Kl = 60 000 J
Při průchodu 500 Kl náboje přes vodič s napětím 120 V se tak uvolní 60 000 J tepla.
Množství přiděleného tepla při průchodu proudu vodičem
Když elektrický proud prochází vodičem, interaguje s odporem vodiče a způsobuje jeho zahřátí. Množství přiděleného tepla lze vypočítat pomocí Joule-Lenzova zákona.
Joule-Lenzův zákon tvrdí, že množství uvolněného tepla (Q) při proudění (I) přes vodič s odporem (R) lze určit podle vzorce:
- Q - množství přiděleného tepla v joulech (J)
- I-proud v ampérech (a)
- R-odpor vodiče v ohmech (Ω)
- t-doba, po kterou proud teče, v sekundách (C)
V tomto případě, pokud vodič s napětím 120 V prošel 500 KL (počet nábojů), známe pouze napěťovou sílu (V) a počet nábojů (q). Pro výpočet odporu vodiče (R) je nutné znát jeho materiál a geometrické vlastnosti.
Chcete-li však vypočítat množství přiděleného tepla, když proud prochází vodičem, můžete použít jiný vzorec:
- Q - množství přiděleného tepla v joulech (J)
- V-napětí ve voltech (v)
- q - počet nábojů v přívěskách (Cl)
Pro tento případ lze tedy množství přiděleného tepla (Q) vypočítat podle vzorce Q = 120 * 500 = 60 000 joulů (J).
Pojem tepla a jeho měření
Jednotkou měření tepla v Si je Joule (J). K měření množství přiděleného tepla se používají rovnice tepelné rovnováhy, které berou v úvahu výkon a dobu interakce těles.rovnice umožňují určit množství tepla přiděleného v procesu interakce.
V tomto případě lze pro výpočet množství přiděleného tepla použít rovnici:
- Q - množství přiděleného tepla (v joulech);
- U - napětí na vodiči (ve voltech);
- I - proud procházející vodičem (v ampérech);
- t - doba, po kterou proud běží (v sekundách).
Pro tento úkol lze tedy vypočítat množství přiděleného tepla následovně:
Q = 120 V * 500 Cl * t
Zákon Joule-Lenza a jeho aplikace
Joule-Lenzův zákon (nebo Jouleův zákon) vytváří spojení mezi ztrátou elektrické energie v vodiči a jeho odporem. Podle tohoto zákona je proud protékající vodičem úměrný napětí a nepřímo úměrný jeho odporu.
Podle vzorce Joule-Lenzova zákona lze vypočítat množství uvolněného tepla v vodiči. Vzorec má vzhled:
kde Q je množství tepla přidělené v vodiči (v joulech), I je proud protékající vodičem (v ampérech), R je odpor vodiče (v ohmech), t je doba, po kterou proud protéká (v sekundách).
Aplikace zákona Joule-Lenza je široce rozšířena v různých oblastech vědy a techniky. Používá se například k výpočtu tepelných ztrát v elektrických sítích a spotřebičích a k návrhu topných článků a elektronických zařízení. Tento zákon se také používá k měření tepelného výkonu různých zařízení a materiálů.
Stanovení izolovaného tepla podle vzorce
Izolované teplo v elektrickém vodiči lze určit pomocí vzorce:
Q = U * I * t
- Q - množství přiděleného tepla, měřeno v joulech (J);
- U - napětí na vodiči, měřeno ve voltech (v);
- I - proud protékající vodičem se měří v ampérech (a);
- t - doba, po kterou proud prochází vodičem, se měří v sekundách (C).
K určení množství přiděleného tepla je tedy nutné znát hodnoty napětí, proudu a času, během kterého proud prochází vodičem.
Příklad výpočtu přiděleného tepla
Pro výpočet přiděleného tepla je nutné znát hodnotu napětí na vodiči a množství náboje, který jím protéká.
V tomto příkladu lze pro vodič s napětím 120 V A 500 Cl (Cl přívěsek) použít vzorec:
- Q-množství přiděleného tepla (v joulech)
- U-napětí na vodiči (ve voltech)
- Q protékající vodičem náboj (v přívěskech)
Vkládání hodnot do vzorce:
Q = 120 V * 500 KL = 60 000 J
Vodič s napětím 120 V a 500 Cl protékajícím nábojem tedy uvolní 60 000 J tepla.
Vliv parametrů vodiče na přidělené teplo
Teplo uvolněné na vodiči při průchodu elektrického proudu závisí na několika parametrech vodiče. Zahrnují odpor vodiče, napětí a proud, který jím prochází.
Základním parametrem, který určuje množství uvolněného tepla, je odpor vodiče. Čím vyšší je odpor vodiče, tím více tepla bude uvolněno při průchodu proudu. Je to proto, že při průchodu elektrického proudu vodičem se jeho elektrony srazí s atomy vodiče, což způsobuje energetické ztráty a produkci tepla.
U vodiče s konstantním napětím je množství uvolněného tepla úměrné druhé mocnině proudu procházejícího vodičem. To znamená, že čím větší je proud, tím více tepla bude uvolněno. Velikost proudu lze ovládat pomocí regulace napětí nebo výběru vodiče s určitým odporem.
Tabulka níže ukazuje závislost daného příkladu na parametrech Průzkumníka souborů:
| Napětí (V) | Proud (a) | Odpor (Ohm) | Izolované teplo (W) |
|---|---|---|---|
| 120 | 500 | 0.24 | 7200 |
| 120 | 1000 | 0.12 | 14400 |
| 240 | 500 | 0.48 | 14400 |
| 240 | 1000 | 0.24 | 28800 |
Jak je vidět z tabulky, se zvýšením napětí nebo proudu se také zvyšuje přidělené teplo. Pokud je však odpor vodiče příliš velký, lze pozorovat významný pokles napětí nebo proudu, a tedy i pokles uvolněného tepla. Proto je důležité najít rovnováhu mezi těmito parametry při výběru Průzkumníka pro konkrétní účel.