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^[1]:

${\displaystyle Q=RI^{2}t,}$

gdzie:

${\displaystyle Q}$ – ilość wydzielonego ciepła [J],

${\displaystyle I}$ – natężenie prądu elektrycznego [A],

${\displaystyle R}$ – opór elektryczny przewodnika [Ω],

${\displaystyle t}$ – 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

${\displaystyle U=IR,}$

gdzie ${\displaystyle U}$ jest napięciem na końcach przewodnika.

Z definicji mocy prądu elektrycznego

${\displaystyle P=UI,}$

po wstawieniu napięcia z prawa Ohma

${\displaystyle P=RI\cdot I,}$

${\displaystyle P=RI^{2}.}$

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

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

${\displaystyle Q=RI^{2}t.}$

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