Prawo Joule’a (prąd elektryczny)

Prawo Joule’a, zwane również prawem Joule’a-Lenza, pozwala wyznaczyć ilość ciepła, które wydziela się podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny

Ilość ciepła wydzielanego w czasie przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny jest wprost proporcjonalna do iloczynu oporu elektrycznego przewodnika, kwadratu natężenia prądu i czasu jego przepływu.

Zależność tę można wyrazić wzorem:

$Q=RI^{2}t,$

gdzie:

$Q$ – ilość wydzielonego ciepła [J],

$I$ – natężenie prądu elektrycznego [A],

$R$ – opór elektryczny przewodnika [Ω],

$t$ – czas przepływu prądu [s].

Prawo to jest wyrazem zasady zachowania energii w odniesieniu do przepływu prądu. Wynika z niego, że energia prądu elektrycznego zamienia się w energię wewnętrzną przewodnika.

Wyprowadzenie

Prawo Joule’a można wyprowadzić z definicji mocy prądu elektrycznego i prawa Ohma. Korzystając ze wzoru, który wynika z prawa Ohma można zapisać związek między napięciem a natężeniem prądu

$U=IR,$

gdzie $U$ jest napięciem na końcach przewodnika.

Z definicji mocy prądu elektrycznego

$P=UI,$

po wstawieniu napięcia z prawa Ohma

$P=RI\cdot I,$

$P=RI^{2}.$

Ilość wydzielonego ciepła jest równa pracy wykonanej przez prąd elektryczny w czasie $t,$ stąd

$Q=W=Pt=RI^{2}t,$

$Q=RI^{2}t.$

Zastosowanie zjawiska

Zjawisko wydzielania się ciepła podczas przepływu prądu elektrycznego zaobserwowane zostało po raz pierwszy przez Jamesa Joule’a w 1841, a następnie niezależnie przez Heinricha Lenza w 1842. Jest obecnie wykorzystywane do zamiany energii elektrycznej na energię wewnętrzną. Ma to miejsce we wszystkich urządzeniach wyposażonych w grzałki elektryczne np. czajniki elektryczne, pralki, zmywarki, promienniki.

Zjawisko to jest jednak często niepożądane, na przykład przy przesyłaniu energii. Wówczas wydzielane ciepło jest energią traconą. W urządzeniach elektronicznych zjawisko Joule’a powoduje wydzielanie się ciepła wewnątrz aparatury i wymaga usuwania go stamtąd, aby urządzenie mogło stabilnie pracować. Dlatego np. komputery wymagają chłodzenia.

Zobacz też

• prawo Ohma
• prąd elektryczny
• zasada zachowania energii