Топлинен ефект на тока (Закон на Джаул-Ленц)

Вече може би знаеш, че когато електричеството премине през някакъв материал като този проводник тук, тогава започва да произвежда топлина. Това е същата причина мобилният ти телефон да загрява, когато играеш на игри. От една страна можем да кажем, че това е прахосване на електричество, понеже част от електрическата енергия бива преобразувана в нежелана топлина. Но от друга страна означава, че така можем да създадем топлина от електричество. Вече не е нужно да разчитаме само на огъня. Това е принципът зад ютиите и тостерите, и дори осветителните крушки. Светлината, която получаваме, е поради топлината, която е генерирана от електричеството. И, разбира се, един екстремен пример е когато мълния удари дърво. Топлината, която тя произвежда, е толкова много, че то се подпалва. Без значение дали е за добро, или за лошо, в това видео ще видиш защо този електрически ток, който е пълен с електрони, произвежда топлина, и също ще научим как да изчислим количеството топлина, генерирана от електричеството. Добре, нека започнем с името на този феномен. Това просто се нарича топлинно въздействие на тока. Но често се нарича нагряване на Джаул защото Джеймс Джаул е първият физик, установил връзката между електричеството и топлината в детайли. Ако се чудиш – да, международната единица за енергия – джаул, е наречена на същия човек. Нека се върнем към въпроса си. Какво причинява джауловото загряване във всички тези случаи? Основната причина за това е сблъсъкът между електроните и атомите. Нека разгледаме това в малко повече подробности. За да разберем откъде идва тази топлина, нека увеличим този проводник и да кажем, че увеличим чак до атомно ниво. Така можем да видим отделните атоми, които съставят проводника. Когато имаме електричен ток, имаме електрони, които протичат през този материал. И ето кое е важното нещо – тези електрони не протичат в права линия. Вместо това, когато срещнат атом на пътя си, те отскачат от този атом. Тоест тези електрони непрекъснато се блъскат и отскачат от различни атоми, докато се движат напред. По време на този сблъсък тези електрони прехвърлят част от енергията си към атомите. Помисли – това е все едно един много малък камък удря един голям камък; той прехвърля някаква енергия към големия камък, нали? Подобно, електронът прехвърля някаква енергия на атомите и, като резултат, атомите започват да вибрират, започват да се нагряват и сега можеш да си представиш какво ще се случи, ако имахме много и много електрони, които се сблъскват с тези атоми. Тези атоми започват силно да вибрират и когато атомите от някой материал започнат да вибрират, материалът се нагрява. Когато имаме електричен ток, когато имаме електрони, протичащи през някакъв материал, поради сблъсъците между електроните и атомите, тези електрони прехвърлят част от енергията си към атомите, което кара тези атоми да вибрират и, като резултат, материалът се нагрява. Сега, когато имаме някаква представа как работи джауловото нагряване, да видим дали можем да намерим връзка между количеството генерирана топлина и електричеството. Нека се отървем от тази картинка и да помислим за една нажежаема жичка от крушка. Да кажем, че токът през крушката е I и да приемем, че разликата в потенциала през нажежаемата жичка е V. За да изчислим количеството генерирана топлина, просто трябва да използваме запазването на енергия. Знаем, че електрическата енергия се преобразува в топлина. Например, ако установим, че 100 джаула електрическа енергия биват "изгубени" на всяка секунда, това означава, че за всяка секунда се произвеждат 100 джаула топлина. Просто трябва да изчислим колко електрична енергия бива изгубена тук всяка секунда и сме готови. В предишно видео вече сме виждали как да направим това. Виждали сме, че количеството електрическа енергия, което е изгубено или получено в секунда, което често наричаме електрическа мощност, е просто произведението на напрежението и тока. Ако те интересува откъде идва това, обсъждали сме го в детайли в едно предишно видео, така че ще е чудесна идея да се върнеш назад и да гледаш видеото върху това. Но това число ни казва колко електрическа енергия бива изгубена всяка секунда и тъй като тя бива преобразувана в топлина, това означава, че също ни казва колко топлина се генерира тук в секунда. Тоест това число... Нека запишем, че това число представлява топлината, отделена за една секунда. Това е количеството топлина, генерирана за една секунда. За десет секунди генерираната топлина ще е 10 пъти това число. Като цяло, сега можем да запишем количеството генерирана топлина. То ще е това число, количеството генерирана в секунда топлина, по t. И готово. Това не е нова формула, понеже вече знаем как да изчислим изгубената или получена електрическа мощност. Тази формула ни казва, че ако имаме по-голям ток, тогава ще имаме повече генерирана топлина, и това е логично – ако имаме повече ток, тогава оттук ще преминават повече електрони в секунда и, като резултат, ще имаме повече сблъсквания в секунда. Тоест ще имаме повече топлина, генерирана за една секунда. Формулата също казва, че по-високо напрежение означава повече топлина. Защо е това? Помни, това е разликата в потенциала, която е индикатор за това колко потенциална енергия ще имат тези заряди, тези електрони. Повече напрежение означава, че ще имат повече енергия. И съм сигурен, че ще се съгласиш, че ако нещо удари тези атоми с повече енергия, атомите ще вибрират по-силно и, като резултат, ще очакваме да бъде генерирана повече топлина. Когато мълния удари едно дърво, и напрежението, и токът са изключително високи, и, като резултат, генерираната топлина е изключително висока – достатъчна да изгори дървото. Добре. Ами ако не знаем и напрежението, и тока, но може би знаем напрежението и съпротивлението или тока и съпротивлението, можем ли пак да изчислим количеството генерирана топлина? Отговорът е "да", понеже знаем каква е връзката между напрежение, ток и съпротивление. Законът на Ом ни казва, че напрежението е ток по съпротивление и в тази формула можем да заместим V с IR, а после ще получим IR*I и това ще ни даде (I^2)R*t. Това е друга формула спрямо тока и съпротивлението. И, подобно, тук можем да заместим I с V/R. В този случай ще получим V/R. Тоест (V^2)/R по t. И това е формула, която ни казва колко топлина се генерира по отношение на напрежението и съпротивлението. И това не са различни формули. Те са една и съща формула, произлизат от една и съща формула. Не мисли за тях като за 3 различни формули. Всъщност това е формулата ни и просто заместваме закона на Ом в нея и получаваме другите две. Това е всичко. Но преди да приключим, искам да поговоря за няколко технически детайла. Едното е, че когато имаме топлина, генерирана от електричеството, често я наричаме разсеяна мощност. Ако искат да изчислим разсеяната мощност, трябва да изчислим колко топлина е генерирана в секунда. И второто нещо е – когато Джаул правил експеримента си, за да открие зависимостта между електричеството и топлината, той открил тази формула експериментално, без да прави никакви изчисления, и заради това формулата често се нарича закон на Джаул за нагряването (Първи закон на Джаул). Тогава не сме знаели откъде идва тази формула. Но днес знаем, че тази формула е идентична с тази и също с тази. И днес можем да третираме всяка от тези три формули като закона на Джаул за нагряването.