Нагревание проводников электрическим током. Объяснение этого явления. Закон Джоуля-Ленца.

Ответы на вопрос

Отвечает Алиева Алина.

Нагревание проводников электрическим током — это превращение части электрической энергии в внутреннюю энергию (теплоту) проводника при прохождении через него тока. В результате проводник повышает температуру и может нагреваться вплоть до плавления (если ток достаточно большой и тепло плохо отводится).

Почему проводник нагревается при прохождении тока

В металлическом проводнике носителями заряда являются свободные электроны. Под действием электрического поля они начинают двигаться направленно — возникает электрический ток. Но проводник не идеален: в кристаллической решётке есть ионы, тепловые колебания атомов, примеси, дефекты. Электроны постоянно сталкиваются с атомами и дефектами решётки и «тормозятся».

Электрическое поле ускоряет электроны и сообщает им энергию.
При столкновениях электроны передают эту энергию частицам решётки.
Энергия хаотического движения частиц решётки растёт → температура повышается.
То есть электрическая энергия превращается в тепловую (внутреннюю).

Именно этим объясняется сопротивление проводника: оно отражает, насколько сильно движение электронов затруднено столкновениями. Чем больше сопротивление, тем интенсивнее выделяется теплота при одном и том же токе (или при одном и том же напряжении — в зависимости от условий).

От чего зависит нагрев

Нагрев зависит от:

Силы тока: чем больше ток, тем сильнее нагрев.
Сопротивления: чем больше сопротивление участка, тем больше выделяется теплоты.
Времени прохождения тока: чем дольше течёт ток, тем больше суммарно выделится теплоты.
Условий теплоотвода (это уже не формула, а физика процесса): один и тот же ток может почти не нагреть проводник с хорошим охлаждением и сильно нагреть — без охлаждения.

Закон Джоуля–Ленца

Закон Джоуля–Ленца количественно описывает количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении тока:

Q = I^2 R t

где

$Q$ — количество теплоты (в джоулях, Дж),
$I$ — сила тока (в амперах, А),
$R$ — сопротивление участка (в омах, Ом),
$t$ — время (в секундах, с).

Что важно в этой формуле

Теплота пропорциональна квадрату тока. Это означает: если ток увеличить в 2 раза, нагрев увеличится в 4 раза.
Теплота прямо пропорциональна сопротивлению: при одинаковом токе участок с большим $R$ выделит больше тепла.
Теплота прямо пропорциональна времени: в 2 раза дольше — в 2 раза больше теплоты.

Связь с мощностью

Часто удобнее говорить не о теплоте $Q$ , а о мощности нагревания (сколько энергии выделяется за 1 секунду):

P = \frac{Q}{t} = I^2 R

Также, используя закон Ома $U = IR$ , можно получить эквивалентные формы:

P = UI

P = \frac{U^2}{R}

и для теплоты:

Q = UI t

Q = \frac{U^2}{R} t

Какую форму выбирать — зависит от того, что известно в задаче (ток, напряжение, сопротивление).

Примеры проявления нагревания током

Нагревательные приборы (электроплита, утюг, кипятильник): специально берут материал с подходящим сопротивлением и делают спираль/нагреватель так, чтобы выделялось много тепла.
Лампа накаливания: тонкая вольфрамовая нить имеет достаточно большое сопротивление и нагревается до высокой температуры, излучая свет.
Плавкие предохранители: тонкий элемент рассчитан так, чтобы при превышении тока быстро нагреться и расплавиться, разрывая цепь.
Потери в линиях электропередачи: часть энергии неизбежно превращается в тепло на сопротивлении проводов, поэтому ток стараются уменьшать, повышая напряжение (так как потери $\propto I^2 R$ ).

Итоговое объяснение явления

Нагревание проводника током возникает из-за того, что направленное движение электронов в реальном материале сопровождается столкновениями, при которых энергия электрического поля передаётся кристаллической решётке и переходит во внутреннюю энергию. Количество выделившейся теплоты за время $t$ описывается законом Джоуля–Ленца: $Q = I^2Rt$ .