Legge Joule-Lenz: storia

È abbastanza difficile immaginare la vita di una persona moderna senza elettricità. È diventato uno degli attributi principali e più preziosi dell'esistenza moderna. In effetti, chiunque abbia mai lavorato con l'elettricità sa che ha la tendenza a riscaldarsi quando viene passato attraverso i cavi di corrente. Perché dipende?

Ciò che è attuale

La corrente è il movimento ordinato di particelle cariche chiamate elettroni. E se la corrente scorre attraverso un conduttore, in essa cominciano a verificarsi diversi processi fisici, vale a dire che gli elettroni si scontrano con le molecole.

Le molecole sono neutre o quelle che hanno perso la loro particella carica negativamente. Come risultato delle collisioni, entrambi gli elettroni possono diventare molecole neutre, oppure un elettrone che forma uno ione caricato positivamente viene espulso da un'altra di tali molecole. Durante queste collisioni consumate energia cinetica particelle cariche. È questa energia che diventa calda.

La resistenza può influenzare il riscaldamento del conduttore di calore. Ad esempio, puoi prendere un determinato corpo e trascinarlo per terra. La terra in questo caso è resistenza. Cosa succederà a lui? Correttamente, tra il corpo e la superficie si verificherà forza di attrito che a sua volta riscalda il corpo. La corrente in questo caso si comporta allo stesso modo.

dipendenza

E, ascoltando tutto quanto sopra, gli scienziati sono stati in grado di determinare questa relazione tra forza attuale, resistenza e quantità di calore. Questa dipendenza è chiamata legge di Joule-Lenz, la cui formula è nota a tutti i fisici. Nel 1832-33, il fisico russo Emilie Lentz scoprì che con effetti termici su conduttori metallici, la loro conduttività era fondamentalmente cambiata. Ciò complicò davvero il lavoro dello scienziato e rese difficile il calcolo circuiti elettrici.

Quindi il giovane scienziato ebbe l'idea che forse c'era qualche relazione tra la forza attuale e la temperatura del conduttore. Ma come essere? A quel tempo, non c'erano dispositivi elettrici accurati per misurare la resistenza corrente, la resistenza, non c'era nemmeno una fonte di EMF stabile. Lenz non si è fermato, ha deciso di condurre l'esperimento.

Esperimenti di fisica russa

L'essenza di questa esperienza era tanto semplice quanto geniale, che persino uno scolaro può ripeterlo. Lo scienziato progettò un dispositivo speciale che serviva a misurare la quantità di calore rilasciata dal conduttore. Questo dispositivo si rivelò essere una nave normale, nella quale Lenz versò una soluzione di alcool diluito e mise un conduttore - un filo di platino, al quale era applicata la corrente elettrica.

Dopo che il dispositivo è stato creato, lo scienziato ha iniziato a condurre esperimenti. Misurò l'esatta quantità di tempo richiesto per l'alcol nella nave da riscaldare a 10 ^o C. Molti mesi e anni furono spesi per questo. E nel 1843, 10 anni dopo, fu pubblicata una legge, la cui essenza era che il riscaldamento di un conduttore con corrente è proporzionale al quadrato del dipendente per il riscaldamento della corrente.

Joule e Lenz

Ma non era lì! Si scopre che alcuni anni fa, il fisico inglese James Prescott Joule condusse esperimenti simili e ha già pubblicato le sue osservazioni. Come essere? Lenz non si arrese e studiò attentamente il lavoro di Joule e giunse alla conclusione che, anche se eseguivano gli stessi esperimenti, gli esperimenti di Lenz erano molto più accurati. A questo proposito, la comunità scientifica ha aggiunto all'opera l'emendamento di Joule Lenz e questa legge è diventata nota come legge Joule-Lenz. La formulazione matematica della legge è la seguente:

Q = I * U * t, dove:

• I - forza attuale, A;
• U - tensione, V;
• t è il tempo impiegato dalla corrente per passare il conduttore, p.

La legge stessa è la seguente: la quantità di energia termica rilasciata nel conduttore attraverso cui scorre corrente elettrica uguale al prodotto di corrente, tensione e tempo di passaggio della corrente attraverso un conduttore.

La legge di Ohm

Tuttavia, questa affermazione sarà sempre vera? Puoi provare a derivarlo usando la legge di Ohm. A giudicare da ciò, U = I * R, dove R è resistenza, Ohm.

Data la legge di Ohm, è possibile sostituire il valore nella formula Q = I * U * t = I ² * R * t. Da ciò possiamo concludere che la quantità di calore dipende direttamente dalla resistenza del conduttore. Anche per la legge Joule-Lenz questa affermazione sarà vera: I = Q = I * U * t.

Tutte e tre le formule saranno corrette, tuttavia Q = I ² * R * t sarà vero per tutte le situazioni. Gli altri due sono anche corretti, tuttavia, in determinate circostanze.

Guide

Ora sui conduttori. Inizialmente, Joule e Lenz usavano i fili di platino nei loro esperimenti, come menzionato sopra. In tutti gli esperimenti simili, gli scienziati di quel tempo usavano soprattutto conduttori metallici, poiché erano abbastanza economici e stabili. Non è sorprendente, perché fino ad ora i conduttori metallici sono il principale tipo di conduttori, in relazione al quale inizialmente si riteneva che la legge Joule-Lenz fosse applicabile solo a loro. Tuttavia, poco dopo è stato scoperto che questa legge è applicabile non solo ai conduttori metallici. Lui è fedele a qualcuno di loro. I conduttori stessi sulla classificazione possono essere suddivisi in:

• Metallico (rame, ferro, argento, ecc.). Il loro ruolo principale è giocato da particelle caricate negativamente (elettroni) che fluiscono attraverso il conduttore.
• Liquido. In essi, gli ioni sono responsabili del movimento delle cariche - questi sono gli atomi in cui troppi o troppo pochi elettroni.
• Gassoso. A differenza dei loro colleghi, in tali conduttori, la corrente è determinata dal movimento di entrambi gli ioni e degli elettroni.

E nonostante le differenze, in ogni caso, con un aumento di corrente o resistenza, la quantità di calore aumenterà.

Applicazione della legge da parte di altri fisici

La scoperta della legge di Joule-Lenz prometteva grandi prospettive. Dopo tutto, infatti, questa legge ha permesso la creazione di una sorta di diversi riscaldatori elettrici ed elementi. Ad esempio, un po 'più tardi dopo la scoperta della legge, gli scienziati hanno notato che quando alcuni elementi vengono riscaldati, iniziano a brillare. Volevano sperimentare con loro usando conduttori diversi, e nel 1874 l'ingegnere russo Alexander Nikolaevich Lodygin inventò una moderna lampada ad incandescenza, il cui filo era fatto di tungsteno.

La legge di Joule-Lenz e in ingegneria elettrica - per esempio, quando si creano fusibili. Un fusibile è un certo elemento di un circuito elettrico, il cui design è realizzato in modo tale che quando la corrente scorre attraverso di esso sopra un valore ammissibile (ad esempio, quando corto circuito) si surriscalda, si scioglie e apre il circuito di potenza. Anche un normale bollitore elettrico o microonde, che praticamente tutti hanno, funziona secondo questa legge.

conclusione

È piuttosto difficile determinare il contributo di questi scienziati all'elettronica moderna e all'ingegneria elettrica, ma una cosa è certa: l'emergere della legge Joule-Lenz ha trasformato la percezione dell'elettricità della gente e ha dato una conoscenza più specifica di cosa sia un campo elettrico in un conduttore con corrente.

Senza dubbio, la legge scoperta da questi grandi fisici divenne un passo decisivo in tutta la scienza, fu grazie a questa scoperta che furono successivamente fatti altri successi più o meno grandi di altri scienziati. Tutta la scienza è uno stretto intreccio di scoperte, alcuni problemi risolti e irrisolti. La legge esaminata in questo articolo ha influenzato in un certo modo molti studi e ha lasciato un segno indelebile e del tutto distinto nella scienza.