§ 01 · Základy elektrotechniky
Joulův zákon
Tepelné účinky elektrického proudu — Q = R · I² · t a ztráty ve vedení.
01Znění zákona
- Joulův–Lenzův zákon: teplo vzniklé průchodem proudu vodičem je přímo úměrné odporu vodiče, druhé mocnině proudu a době průchodu.
- Q = R · I² · t [J]
- Ekvivalentní tvary: Q = U · I · t = U² / R · t = P · t.
- Jednotkou tepla i práce je joule (J); 1 kWh = 3 600 000 J.
02Výkon a práce
- P = U · I = R · I² = U² / R [W]
- W = P · t [J], v praxi se odečítá v kWh.
- Účinnost η = P2 / P1 — část energie se vždy ztrácí ve formě tepla.
03Ztráty ve vedení
- Ztrátový výkon vedení ΔP = R · I² — roste s druhou mocninou proudu.
- Zdvojnásobení proudu znamená čtyřnásobné ztráty, proto se energie přenáší vysokým napětím a malým proudem.
- Ztráty snížíme větším průřezem vodiče (menší odpor) nebo kratším vedením.
04Využití v praxi
- Topné spotřebiče: vařič, žehlička, bojler, přímotop, žárovka.
- Odporové materiály topných spirál: chromnikl, kanthal.
- Tavná pojistka: nadproud roztaví teplem tavný vodič a obvod se rozpojí.
- Nežádoucí důsledek: oteplení kabelů, motorů a vinutí transformátorů.
interaktivní schéma
Jouleův zákon — ohřev vody
Výkon P = I²·R
1 150 W
Teplo Q = I²·R·t
138 kJ
Ohřev vody ΔT = Q/(m·c)
33 °C
Spotřeba
0,0383 kWh
Průchodem proudu se vodič zahřívá: Q = I²·R·t. Dvojnásobný proud znamená čtyřnásobné teplo. Měrná tepelná kapacita vody c = 4186 J/(kg·°C); voda se ohřeje nejvýš na 100 °C (pak se vaří).