Законы электротехники на страже пожарной безопасности: закон Джоуля-Ленца
При прохождении электрического тока по проводнику выделяется тепло. Объяснить данное явление с точки зрения физики довольно просто: при подключении проводника к сети электроны двигаются в одном направлении под действием электрического поля, сталкиваясь с атомами проводника и передавая им свою кинетическую энергию. Чем выше скорость движения заряженных частиц, тем чаще происходят столкновения и больше выделяется кинетической энергии. Полученная энергия трансформируется в тепло, проводник нагревается. Выходит, что протекание электрического тока приводит к выделению тепла.
Но можно ли как-то влиять на количество возникающего тепла? Этим вопросом в конце XIX века озадачились английский физик Джеймс Прескотт Джоуль и российский физик немецкого происхождения Эмилий Христианович Ленц. Свои научные открытия они сделали независимо друг от друга, вследствие чего закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока, получил двойное имя – закон Джоуля-Ленца: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока, или Q = I2∙ R ∙ t.
Другими словами, для получения максимального количества тепла можно увеличивать силу тока (свободных электронов много, сталкиваются они часто, проводник греется сильнее) или сопротивление (чем меньше сечение проводника, тем выше его сопротивление и тем больше он нагревается).
На практике закон Джоуля-Ленца описывает принцип действия электронагревательных приборов: увеличение сопротивление участка электрической цепи приводит к локализованному выделению тепла, поэтому в качестве нагревательного элемента утюга и чайника используют проводник с высоким сопротивлением, например, нихром (а в лампах накаливания – вольфрам).
Знание закона Джоуля-Ленца не будет лишним при выборе электропроводки: если сила тока в проводнике превысит предельно допустимое значение, возможен сильный нагрев, расплавление и возгорание. Поэтому на промышленных предприятиях с высоким уровнем пожарной опасности предпочтение отдают проводам и кабелям с медными жилами (удельное сопротивление меди сечением 1 мм2 равно 0,017 Ом против 0,028 Ом у алюминия). Выбор сплава для плавкой вставки в плавком предохранителе также подчиняется закону Джоуля-Ленца.
Бытует мнение, что для людей, не знающих физику, вся жизнь наполнена волшебством. Изучив законы электротехники, можно смело сказать, что электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, подчиняющееся определенным правилам. Закону Джоуля-Ленца отведем особое место, ведь он действительно стоит на страже пожарной безопасности. Именно благодаря зависимости между количеством тепла, силой тока и сопротивлением человечество стало передавать электричество по линиям электропередач на большие расстояния, повышая напряжение и снижая тепловые потери. Кто знает, как изменилась бы обстановка с пожарами, если бы мы до сих пор использовали в повседневной жизни лучину и керосиновые лампы.
