Закон на Джаул-Ленц, Практическа електроника
Електричеството е съществена характеристика на нашата ера. Абсолютно всичко наоколо е обвързано с него. Всеки съвременен човек, дори без техническо образование, знае, че електрическият ток, протичащ през проводниците, може да ги нагрее в някои случаи, често до много високи температури. Изглежда, че това е известно на всички и не си струва да се споменава. Как обаче да се обясни това явление? Защо и как се нагрява проводникът?
Опитите на Ленц
Бързо напред към 19 век, ерата на натрупване на знания и подготовка за технологичния скок на 20 век. Епоха, когато по целия свят различни учени и просто самоуки изобретатели почти всеки ден откриват нещо ново, често отделяйки огромно количество време за изследване и в същото време без да представят крайния резултат.
Един от тези хора, българският учен Емил Христианович Ленц, е бил любител на електричеството, на тогавашното примитивно ниво, опитвайки се да изчислява електрически вериги. През 1832 г. Емилиус Ленц "заседнал" с изчисленията, тъй като параметрите на неговата моделирана верига "източник на енергия - проводник - консуматор на енергия" варирали значително от опит до опит. През зимата на 1832-1833 г. ученият открил, че причината за нестабилността е парче платинена жица, което донесъл от студа. Затопляйки или охлаждайки проводника, Ленц също забеляза, че има известна връзка между силата на тока, електрическото съпротивление и температурата на проводника.
При определени параметри на електрическата верига проводникът бързо се размразява и дори леко се нагрява. В онези дни практически нямаше измервателни уреди - беше невъзможно да се измери точно силата на тока или съпротивлението. Но това беше български физик и той прояви изобретателност. Ако това е пристрастяване, защо да не бъдеобратимо?
За да измери количеството топлина, генерирана от проводника, ученият конструира най-простия "нагревател" - стъклен съд, в който има разтвор, съдържащ алкохол и платинен спирален проводник, потопен в него. Чрез прилагане на различни количества електрически ток към жицата, Ленц измерва времето, необходимо на разтвора да се нагрее до определена температура. Източниците на електрически ток в онези дни бяха твърде слаби, за да загреят разтвора до сериозна температура, така че не беше възможно визуално да се определи количеството на изпарения разтвор. Поради това процесът на изследване беше много дълъг - хиляди възможности за избор на параметри на източника на захранване, проводник, дълги измервания и последващ анализ.
Формула на Джаул-Ленц
В резултат на това, десетилетие по-късно, през 1843 г., Емилиус Ленц излага на публичен показ резултата от своите експерименти под формата на закон. Оказа се обаче, че го е изпреварил! Преди няколко години английският физик Джеймс Прескот Джаул вече проведе подобни експерименти и също представи резултатите си пред обществеността. Но след като внимателно провери всички трудове на Джеймс Джаул, българският учен установи, че неговите собствени експерименти са много по-точни, натрупан е по-голям обем изследвания, следователно българската наука има с какво да допълни английското откритие.
Научната общност взе предвид и двата резултата от изследването и ги обедини в едно, като по този начин преименува закона на Джаул на закона на Джаул-Ленц. Законът гласи, чеколичеството топлина, отделено от проводник, когато през него протича електрически ток, е равно на произведението от силата на този ток на квадрат, съпротивлението на проводника и времето, през което токът протича през проводника. Или формула:
Q е количеството генерирана топлина (джаули)
I - сила на тока,протичащ през проводника (ампери)
R - съпротивление на проводника (ома)
t е времето за преминаване на тока през проводника (секунди)
Защо проводникът се нагрява
Как се обяснява нагряването на проводника? Защо се нагрява, а не остава неутрален или хладен? Нагряването възниква поради факта, че свободните електрони, движещи се в проводника под въздействието на електрическо поле, бомбардират атомите на металните молекули, като по този начин им предават собствената си енергия, която се превръща в топлина. Казано по-просто: преодолявайки материала на проводника, електрическият ток, така да се каже, „търка“, сблъсква се с електрони срещу молекулите на проводника. Е, както знаете, всяко триене е придружено от нагряване. Следователно проводникът ще се нагрее, докато през него тече електрически ток.
Следва и от формулата - колкото по-високо е съпротивлението на проводника и колкото по-голям е токът, протичащ през него, толкова по-голямо ще бъде нагряването. Например, ако свържете меден проводник (съпротивление 0,018 Ohm mm² / m) и алуминиев проводник (0,027 Ohm mm² / m) последователно, тогава, когато през веригата протича електрически ток, алуминият ще се нагрее повече от медта поради по-високото съпротивление. Ето защо, между другото, не се препоръчва да усуквате медни и алуминиеви проводници един с друг в ежедневието - ще има неравномерно нагряване на мястото на усукване. В резултат - изгаряне с последваща загуба на контакт.
Приложение на закона на Джаул-Ленц в живота
Откриването на закона на Джаул-Ленц имаше огромни последици за практическото приложение на електрическия ток. Още през 19 век стана възможно да се създадат по-точни измервателни уреди, базирани на свиването на телена спирала, когато се нагрява от протичащ ток с определена стойност - първите стрелкови волтметри иамперметри. Появиха се първите прототипи на електрически нагреватели, тостери, пещи за топене - използван е проводник с високо съпротивление, което позволява да се получи доста висока температура.
Изобретени са предпазители, биметални прекъсвачи (аналози на съвременни термични защитни релета), базирани на разликата в нагряването на проводници с различно съпротивление. И, разбира се, след като открихме, че при определена сила на тока проводник с високо съпротивление може да се нагрее до червено, този ефект беше използван като източник на светлина. Появиха се първите електрически крушки.
Проводник (въглена пръчка, бамбукова нишка, платинена жица и др.) се поставя в стъклена колба, въздухът се изпомпва, за да се забави процеса на окисление, и се получава непрекъснат, чист и стабилен източник на светлина - електрическа крушка
Заключение
По този начин можем да кажем, че почти цялата електрическа и електротехника се основава на закона на Джаул-Ленц. Откривайки този закон, стана възможно предварително да се предвидят някои бъдещи проблеми в развитието на електроенергията. Например, поради нагряването на проводника, предаването на електрически ток на голямо разстояние е придружено от загуби на този ток за топлина. Съответно, за да се компенсират тези загуби, е необходимо да се подцени предаваният ток, като се компенсира това с високо напрежение. И вече при крайния потребител, намалете напрежението и вземете по-висок ток.
Законът на Джаул-Ленц следва безмилостно от една ера на технологично развитие в друга. И днес постоянно го наблюдаваме в ежедневието - законът се проявява навсякъде и хората не винаги са доволни от него. Много горещ процесор на персонален компютър, загуба на светлина поради изгоряло медно-алуминиево усукване, релефновложка за предпазител, електрическо окабеляване, изгоряло поради високо натоварване - всичко това е същият закон на Джаул-Ленц.