Warto przeczytać

W pierwszej połowie XIX wieku dwaj badacze, Anglik James Joule i Rosjanin niemieckiego pochodzenia Heinrich Lenz, odkryli niezależnie od siebie zjawisko polegające na tym, że w czasie przepływu prądu przez element obwodu wydziela się ciepło. Dzisiaj wiemy jakie są jego przyczyny.

Przepływ prądu elektrycznego to przemieszczanie się ładunków (elektronów), ze stałą prędkością unoszenia, wzdłuż obwodu. Źródło napięcia dostarcza im koniecznej do tego elektrycznej energii potencjalnej. Więcej na ten temat możesz przeczytać w e‑materiale „Jak definiuje się napięcie elektryczne?”. W przewodnikach posiadających opór elektryczny elektrony tracą swoją energię potencjalną (czyli wykonują pracę) wskutek zderzeń z jonami dodatnimi sieci krystalicznejSieć krystalicznasieci krystalicznej.

R2S9z6sMacACc

Rys. 1. Rysunek przedstawia symbolicznie obraz zderzeń jednego z elektronów z dodatnimi jonami sieci krystalicznej podczas przepływu prądu przez przewodnik. Przewodnik przedstawiono na rysunku w postaci rozciągniętego w poziomie pomalowanego na niebiesko owalu, w którym znajdują się jony sieci krystalicznej przedstawione w postaci białych kropek. Do tego przewodnika podłączono z lewej i z prawej strony złącza elektryczne w postaci czarnych poziomych linii. Elektrony poruszające się wewnątrz przewodnika widać w postaci zielonych kropek z zielonymi strzałkami oznaczającymi wektory ich prędkości skierowane poziomo w prawo. Jeden z elektronów poruszając się przez przewodnik odbija się od kolejnych jonów sieci krystalicznej. Tor jego ruchu przedstawiono na rysunku za pomocą czerwonej zygzakowatej linii.

Powoduje to zwiększenie energii drgań atomów wokół ich położeń równowagi. Zgodnie z prawami termodynamiki oznacza to wzrost temperatury przewodnika. O zjawiskach tych możesz także przeczytać w e‑materiale „Jak definiujemy moc wydzieloną na oporniku?”. Jednak przewodnik, który ma wyższą temperaturę niż otoczenie, będzie dążył do równowagi termicznej, czyli wypromieniuje nadmiar energii wewnętrznej w formie ciepła. To właśnie ciepło zauważyli Joule i Lenz w swoich doświadczeniach.

Wzór Joule’a–Lenza

Obliczmy, ile ciepła wypromieniuje przewodnik o oporze $R$, przez który płynie prąd o natężeniu $I$. Niezbędne będą nam do tego wnioski zawarte w e‑materiale „Jak definiuje się moc prądu elektrycznego?”. Stwierdzono tam, że moc prądu elektrycznego wydzielana na elemencie obwodu (czyli wartość pracy, jaką wykona ten prąd w jednostce czasu) wyrażona jest wzorem

gdzie $I$ to natężenie prądu przepływającego przez ten element, a $U$ to napięcie elektryczne panujące na jego końcach. Moc w fizyce, z definicji, jest to szybkość wykonywania pracy, innymi słowy wartość pracy wykonanej w jednostce czasu. Tak, jak napisaliśmy wyżej, praca wykonana przez prąd elektryczny (czyli przez wszystkie poruszające się elektrony) jest zamieniana na ciepło emitowane z przewodnika. Wykorzystując prawo Ohma, możemy więc stwierdzić, że:

gdzie zastosowaliśmy oznaczenia:

$Q$ – ilość ciepła wyemitowanego przez przewodnik podczas przepływu prądu,

$t$ – czas przepływu prądu,

$R$ – opór elektryczny przewodnika.

Prawo Ohma moglibyśmy także zastosować w odwrotny sposób, uzyskując wzór zawierający napięcie na końcach opornika, ale mechanizm wydzielania się ciepła jednoznacznie wskazuje na to, że jego ilość zależy od liczby przepływających i zderzających się z atomami ładunków elektrycznych. Dlatego we wzorze korzystamy z natężenia prądu.

Ostatecznie, zależność

nosi nazwę prawa Joule’a‑Lenza.

Zastosowania zjawiska Joule’a–Lenza

Ciepło jest potrzebne ludziom do życia w bardzo wielu sytuacjach. Gdy chcemy ogrzać pomieszczenie lub ugotować obiad, wówczas korzystamy z urządzeń elektrycznych, które wydzielają ciepło wskutek przepływu prądu. To najprostszy, najtańszy i najbezpieczniejszy sposób podgrzewania.

Czasami wydzielanie ciepła uważamy za niepożądany skutek uboczny przepływu prądu. Na przykład, w komputerach musimy stosować specjalne systemy chłodzenia procesora, a przesyłając energię elektryczną na odległość zmniejszamy straty stosując wysokie napięcie.

Jednym z ciekawych zastosowań zjawiska Joule’a‑Lenza są badania termowizyjneTermowizja (termografia)termowizyjne przeprowadzane w elektrotechnice. W trakcie pracy urządzenia elektrycznego monitoruje się temperaturę jego elementów za pomocą kamery termowizyjnej. Pozwala to wskazać elementy wadliwe, gdyż one nagrzewają się bardziej, niż działające prawidłowo lub wcale, jeśli wskutek awarii prąd nie płynie przez nie w ogóle.

R1I4Mg4pEGddl

Rys. 2. Rysunek przedstawia dwa zdjęcia trzech takich samych elementów elektrycznych, przez które płynie prąd. Na lewym zdjęciu widać te elementy w świetle widzialnym. Wyglądem przypominają szklane rurki z oboma końcami zamkniętymi miedzianymi nakładkami umieszczone w metalowych zaciskach. Zdjęcie z prawej strony przedstawia widok tych elementów w kamerze termowizyjnej. Środkowy element żarzy się na czerwono a pozostałych elementów prawie nie widać. Oznacza to, że środkowy element nagrzewa się dużo mocniej od pozostałych.

Słowniczek