Закон Джоуля — Ленца: почему проводник нагревается от тока

Как это было

В первой половине XIX века электричество постепенно превращалось из предмета лабораторных опытов в средство передачи сигналов и получения механического движения. При этом исследователи видели, что проволока, по которой идёт ток, становится тёплой. Требовалось определить, как именно количество выделяемой теплоты связано с электрическими величинами. Без такой зависимости было трудно сравнивать результаты разных опытов и рассчитывать электрические устройства.

Эмилий Ленц работал в Петербурге и занимался вопросами электромагнетизма. В опытах с проводниками он изучал нагревание при прохождении тока и установил количественное соотношение. В том же круге задач работал Джеймс Джоуль в Англии. Их исследования показали: нагревание можно описывать не приблизительным наблюдением, а строгим физическим законом.

Работа Ленца стала частью развивавшейся науки об электрических цепях. Она дополнила исследования сопротивления, силы тока и электромагнитных явлений, которыми занимались физики этого времени.

Как это работало

Когда электрический ток проходит через проводник с сопротивлением, часть электрической энергии превращается во внутреннюю энергию вещества: проводник нагревается. Для постоянного тока количество выделившейся теплоты рассчитывают по формуле Q = I²Rt. Здесь I — сила тока, R — сопротивление, t — время прохождения тока.

Квадрат силы тока — существенная часть закона. Если при неизменных сопротивлении и времени ток увеличится вдвое, теплоты выделится вчетверо больше. Чем дольше течёт ток, тем больше энергии переходит в тепло. Эта зависимость позволяет заранее оценить нагрев провода или нагревательного элемента.

Что было дальше

Закон используют при расчёте электрических нагревателей, плавких предохранителей, проводки и другого оборудования. Он объясняет и полезное нагревание в электроприборах, и нежелательные потери энергии в линиях передачи. Для инженера это способ определить, насколько сильно будет нагреваться участок цепи при заданном токе.

Название «закон Джоуля — Ленца» сохраняет память о двух независимых исследованиях. Сама закономерность вошла в основные уравнения электротехники и остаётся необходимой при проектировании электрических систем.