6. Теплова дія струму. Закон Джоуля-Ленца.

Досліди показують, що в провіднику із струмом виділяється тепло і провідник при цьому нагрівається. Це пояснюється тим, що електричні заряди, рухаючись направлено, зустрічають опір у середовищі провідника.

Якщо в провіднику не виконується ніяка робота проти хімічних, чи механічних сил і спад напруги зумовлений лише електричним опором, то енергія струму повністю виділяється у вигляді тепла.

Джоуль і Ленц, працюючи незалежно один від одного, вивчали теплову дію електричного струму. При цьому вони досягли висновку, що кількість тепла Q, яка виділяється в провіднику на ділянці кола, прямо пропорціональна квадрату величини струму І², опорові R і часу проходження струму, тобто

(18)

де - коефіцієнт, що залежить від вибору одиниць вимірювання. Коли =Кал; =Дж, то .

У системі СІ Q і A вимірюється в Дж, тоді

.

Якщо підставити значення І з закону Ома, тоді

. (19)

Закон Джоуля-Ленца виражає величину енергії джерела, яка переходить у тепло.

Зробимо перетворення в останній формулі (19).

Виділимо ділянку однорідного провідника довжиною l і незмінним перерізом S, тоді

Формула (19) буде:

. (20)

(помножимо і розділимо (20) на l )

.

Врахуємо, що , а - питома електропровідність.

Позначимо - кількість тепла, що виділяється в кожній одиниці об’єму за 1 сек.

Тобто, – закон Джоуля-Ленца а диференційній формі. (21)

Видно, що в тепло перетворюється енергія електричного поля.

Механізм перетворення енергії електричного поля в нагрів провідника, тобто тепло – самостійно.

7. Напруга в електричному колі.

Р озглянемо найпростіше коло з резистором, що має опір R = 9Ом та джерелом ЕРС з ε = 9В.

В колі буде протікати струм, а на опорі R виникне падіння напруги , при цьому величина буде зростати від лівого краю опору до правого. Якщо інших опорів в колі немає (опором провідників нехтуємо), то на опорі R виділяється (падає) вся напруга, що створюється джерелом ЕРС, тобто .

Яка природа виникнення падіння напруги між краями резистора R?

Р озглянемо приклад з гідродинаміки.

Насос створює на вході до труби підвищений тиск . На іншому краю труби тиск Р₂ ,дорівнює атмосферному, приймемо Р_атм.= 0. Різниця тисків примусить молекули води тиснути одна на одну – виникне потік рідини. Тиск вздовж труби буде рівномірно спадать з 9 атм до 0. Потік рідини спрямований в сторону зменшення тиску.

Поставимо в середній частині труби ділянку з меншим перерізом.

Р_А=9 атм. Р_В=8 атм. Р_С=1 атм. Р_Д=0 атм.

Розподіл тиску вздовж магістралі категорично зміниться. Біля входу до вузької ділянки почнуть скупчуватись молекули води, і їх тиск почне збільшуватись. Раніше в точці А тиск води був 6 атм., тепер він підвищився до 8 атм.. В точці В тиск був 3 атм., тепер він упав до 1 атм., бо тут виникло розрідження – вода швидше відходить від точки В, ніж надходить до неї. Між точками А та В виникне перепад тиску . Однак загальний перепад тиску між краями труби не змінився; .

В електричному колі відбуваються процеси, подібні розглянутим для гідродинаміки.

Приєднаємо до т. А ділянки мідного дроту позивний полюс джерела ЕРС з . Негативний полюс заземлимо. Точку Д мідного дроту теж заземлимо.

Потенціал точок дроту (відносно землі) буде рівномірно спадати по довжині дроту. Різниця потенціалів на кожній із трьох виділених ділянок АВ, ВС та СД становитиме .

Включимо резистор замість ділянки ВС. При цьому його опір буде значно більшим, ніж опір ділянки ВС мідного дроту.

Розподіл потенціалу вздовж ділянки АД зміниться. Опір резистора R стримує рух електронів. Тому в точці С почнуть скупчуватись електрони і потенціал точки С порівняно з точкою Д знизиться. Навпаки, в точці В виникне нестача електронів, що приведе до виникнення тут нескомпенсованого “+” заряду, тобто до підвищення потенціалу.

Таким чином, перепад потенціалів на ділянках кола АВ та СД зменшиться, а між кінцями резистора ВС – збільшиться.

Як правило, з’єднувальні провідники мають надзвичайно малий опір, тому в реальному колі . Тобто на резисторі виділиться практично вся напруга, створена джерелом ЕРС: .