Теплова потужність електричного струму і її практичне застосування

Причина нагрівання провідника криється в тому, що енергія рухомих в ньому електронів (іншими словами, енергія струму) при послідовному зіткненні частинок з іонами молекулярної решітки металевого елемента перетворюється в теплий тип енергії, або Q, так утворюється поняття «теплова потужність».

Роботу струму вимірюють за допомогою міжнародної системи одиниць СІ, застосовуючи до неї джоулі (Дж), потужність струму визначають як «ват» (Вт). Відступаючи від системи на практиці, можуть застосовувати в тому числі і позасистемні одиниці, що вимірюють роботу струму. Серед них ват-година (Вт - год), кіловат-годину (скорочено кВт - год). Наприклад, 1 Вт - ч позначає роботу струму з питомою потужністю 1 ват і тривалістю часу на одну годину.

Якщо електрони рухаються по нерухомому провіднику з металу, в цьому випадку вся корисна робота виробленого струму розподіляється на нагрівання металевої конструкції, і, виходячи з положень закону збереження енергії, це можна описати формулою Q = A = IUt = I²Rt = (U²/ R) * t. Такі співвідношення з точністю висловлюють відомий закон Джоуля-Ленца. Історично він вперше був визначений дослідним шляхом ученим Д. Джоулем в середині 19-го століття, і в той же час незалежно від нього ще одним вченим - Е.Ленцем. Практичне застосування теплова потужність знайшла в технічному виконанні з винаходу в 1873 році російським інженером А. Ладигіним звичайної лампи розжарювання.

Теплова потужність струму задіюється в цілому ряді електричних приладів і промислових установок, а саме, в теплових вимірювальних приладах, нагрівального типу електричних печах, електрозварювальної і инвенторной апаратурі, дуже поширені побутові прилади на електричному нагрівальному ефекті - кип'ятильники, паяльники, чайники, праски.

Знаходить себе тепловий ефект і в харчовій промисловості. З високою часткою використання застосовується можливість електроконтактного нагріву, що гарантує теплова потужність. Він обумовлюється тим, що струм і його теплова потужність, роблячи вплив на харчовий продукт, який володіє певним ступенем опору, викликає в ньому рівномірне розігрівання. Можна привести в приклад те, як виробляються ковбасні вироби: через спеціальний дозатор м'ясний фарш надходить в металеві форми, стінки яких одночасно служать електродами. Тут забезпечується постійна рівномірність нагріву по всій площі та об'єму продукту, підтримується задана температура, зберігається оптимальна біологічна цінність харчового продукту, разом з цими факторами тривалість технологічних робіт і витрата енергії залишаються найменшими.

Питома теплова потужність електричного струму (omega-), іншими словами - кількість теплоти, що виділяється в одиниці об'єму за певну одиницю часу, розраховується наступним чином. Елементарний циліндричний об'єм провідника (dV), з поперечним провідниковим розтином dS, довжиною dl, паралельної напрямку струму, і опором складають рівняння R = p (dl / dS), dV = dSdl.

Згідно з визначеннями закону Джоуля-Ленца, за відведений час (dt) у взятому нами обсязі виділиться рівень теплоти, що дорівнює dQ = I²Rdt = p (dl / dS) (jdS)²dt = pj²dVdt. В такому випадку omega - = (dQ) / (dVdt) = pj² і, застосовуючи тут закон Ома для встановлення щільності струму j = gamma-E і співвідношення p = 1 / gamma-, ми відразу отримуємо вираз omega- = jE = gamma-E^2. Воно в диференціальної формі дає поняття про закон Джоуля-Ленца.