Процесс преобразования электрической энергии в тепловую играет большую роль в практическом применении, что широко используется в разных нагревательных приборах в промышленной и бытовой сфере.
В то же время, тепловые потери нежелательны по причине того, что могут сопровождаться непроизводительными расходами энергии. Это может касаться, например, электрических машин, трансформаторов и прочих устройств, что существенно снижает их КПД.
Закон Джоуля-Ленца
Первым сформулировал зависимость выделения теплоты от силы электрического тока Джеймс Джоуль, что произошло в 1841 году. Позднее это сделал Эмиль Ленц. Так появляется закон Джоуля-Ленца, позволяющий рассчитывать мощность электронагревателей наряду с потерями на тепловыделение в линиях электропередач.
В словесной формулировке, согласно исследованиям этих ученых, закон будет звучать таким образом: количество выделяемой в определенном объеме проводника теплоты в момент протекания электрического тока оказывается прямо пропорциональным произведению величины напряженности электрического поля и плотности электрического тока. Формула записывается так:
w=→j→E=QE2, где:
- w представляет мощность выделяемого тепла в единице объема;
- →j считается плотностью электрического тока;
- →E - напряженность электрического поля;
- Q -проводимость среды.
Принимая во внимание неизменность со временем силы тока и сопротивления проводника, можно записывать закон Джоуля-Ленца более упрощенно:
Q=I2Rt
Применяя закон Ома в совокупности с алгебраическими преобразованиями, получаем следующие эквивалентные формулы:
Q=U2tR=UIt
Исследования физиков Джоуля и Ленца относительно тепловыделения от действия электрического тока значительно продвинули научное понимание определенных физических процессов, а выведенные при этом основные формулы, не претерпев изменений, продолжают активно использоваться в различных научно-технических отраслях.
В сфере электротехники выделяют несколько технических задач, где количество теплоты, которая будет выделяться при протекании тока, имеет критически важное значение при расчете таких параметров, как:
- теплопотери в ЛЭП;
- характеристики для проводов сетей электропроводки;
- тепловая мощность электронагревателей;
- температура срабатывания автовыключателей;
- температура плавления плавких предохранителей;
- тепловыделение разных электротехнических аппаратов, а также элементов радиотехники.
Тепловое действие электротока в проводах ЛЭП является нежелательным из-за весомых потерь электроэнергии на тепловое выделение. Согласно различным данным, в ЛЭП теряется до 40% всей производимой в мировом формате электрической энергии. С целью сокращения потерь в процессе передачи электроэнергии на большие расстояния, напряжение в ЛЭП поднимают (с произведением расчетов на основании производных формул закона Джоуля-Ленца).
Расчеты потерь электроэнергии в линии электропередач
Как пример, гипотетически берется участок ЛЭП от электростанции до трансформаторной подстанции. По причине того, что провода ЛЭП и потребитель электрической энергии (трансформаторная подстанция) соединены последовательным образом, через них будет течь один и тот же ток I. Тогда, на основании закона Джоуля – Ленца, количество теплоты Qw, которая выделится на проводах, рассчитывают, согласно формуле:
Qw=RwI2
Производимая электротоком мощность Qc в нагрузке определяется на основании закона Ома:
Qс=UсI
При условии равенства токов, таким образом, в первую формулу вместо I вставляется выражение QcUc:
Qw=RwQ2cU2c
При условии игнорирования зависимости сопротивления проводников от изменения температуры, Rw можно считать неизменной величиной (константой). При стабильном энергопотреблении потребителя (трансформаторной подстанции), таким образом, выделение тепловой энергии в проводах ЛЭП будет считаться обратно пропорциональным квадрату напряжения в конечной точке линии. Иными словами, чем больше окажется напряжение электропередачи, тем меньшими станут потери электроэнергии.
Энергия в электроцепи
В источнике электроэнергии, равно как и в нагрузке (в резисторах), мы наблюдаем необратимое преобразование электрической энергии в тепловую
Совершаемая источником электроэнергии за время t работа (направленная на разделение зарядов сторонними силами в источнике) будет определяться формулой:
w=EQ=EIt.
В приемнике электроэнергии при напряжении U и токе I расходуется энергия по формуле:
Wпр=UQ=UIt=I2Rt=U2tR
Мощность P характеризуется интенсивностью преобразования энергии из одного вида в иную за единицу времени. Мощность источника для цепей постоянного тока будет такой:
P=wt=E+I
Мощность приемника тогда определяется по формуле:
P=wt=U+I=R+I2=U2R
В системе СИ энергия и мощность измеряются в Джоулях (Дж) и Ваттах (Вт) соответственно. Для всех приведенных выше величин применяются кратные и дольные единицы измерения. Энергию часто выражают в киловатт-часах.