![]() |
![]() |
|
![]() | ![]() |
Закон теплового действия тока Джоуля–Ленца. Дата: 1841. Методы: количественное исследование. Прямота эксперимента: прямое наблюдение. Искусственность изучаемых условий: естественные условия. Исследуемые фундаментальные принципы: закон сохранения и превращения энергии, дрейфовый характер тока в металлах.
Закон Джоуля–Ленца был независимо
открыт английским физиком Джеймсом Прексоттом Джоулем (1818–1889; портрет слева)
и его русским коллегой Эмилием Христиановичем Ленцем (1804–1865, портрет справа).
Сам закон, носящий имена этих двух ученых, утверждает, что протекание тока с
плотностью в единицу времени. Для линейных проводников он принимает
более известную из школы форму: ток Открытие закона Джоуля–Ленца явилось важной ступенью на пути к открытию и последующему утверждению закона сохранения энергии, более того, сам Джоуль считается одним из автором последнего. Сегодня может показаться очевидным, что энергия есть некая универсальная характеристика любой замкнутой системы и что теплота, электричество, механическое движение и др. являются формами материи, с вполне определенным количеством энергии, содержащейся в них. Однако во времена, когда кинетическая природа теплоты была совсем неочевидной, установление эквивалента электрической, механической и тепловой энергии было крайне важным. Эквивалентность двух последних ее видов была получена в другом опыте Джоуля, который помещен в раздел «Молекулярная и статистическая физика». Как следствие, Джоуль нашел переводной коэффициент между единицами теплоты (калориями) и механической энергии (впоследствии джоулями). В эксперименте, поставленном
Джоулем (1841, 1843) и независимо от него Ленцем (1843), использовался калориметр
(см. рис. справа), т.е. теплоизолированный прибор с большой, но известной
теплоемкостью и термометром, в который был помещен проводник с Джоулю наблюдаемый им процесс выделения тепла был интересен и с точки зрения закона сохранения энергии. Поэтому, чтобы можно было оценить ушедшую в тепло энергию, он использовал в качестве источника энергии падающий груз на нити, вращавшей ротор динамо-машины (см. электромагнитная индукция). В данном случае эта энергия равна просто изменению механической энергии груза в поле тяготения. Закон Джоуля–Ленца также бросает свет на теорию тока в металлах. Действительно, к такому выводу практически непосредственно приводит теория, в которой ток переносится свободными зарядами — электронами — которые дрейфуя сквозь кристаллическую решетку, отдают ей часть энергии своего упорядоченного движения. Эта энергия переходит в энергию хаотического движения ионов кристаллической решетки, что соответствует нагреванию проводника. Наконец, установленный закон в
форме, выражающей мощность тепловыделения через напряжение на участке цепи имеет простой механический смысл: электрическое поле внутри
проводника, создающее ток, совершает над носителями заряда работу, и она
полностью переходит в тепло. Действительно, в механике мощность силы причем интегрирование ведется вдоль проводника. Считая, что
ток квазистационарный, и плотность свободных зарядов не зависит от точки
проводника, а также помня, что электрическое поле и скорость дрейфа направлены
вдоль проводника, мы можем представить выражение для мощности как произведение
тока Об этом трении также свидетельствует быстрое затухание инерционного тока в опытах Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси, проведенных в начале XX века. Об этих опытах вы можете прочесть в соответствующем разделе. <<К предыдущему эксперименту | Электродинамика | К следующему эксперименту>> |
|