Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn, dây dẫn nóng lên và toả nhiệt ra môi trường. Hiện tượng này gọi là tác dụng nhiệt của dòng điện. Định luật Jun–Len-xơ cho ta công thức tính nhiệt lượng toả ra.
Định luật này mang tên hai nhà bác học Jun (James Prescott Joule) và Len-xơ (Heinrich Lenz), những người đã độc lập tìm ra mối liên hệ trên bằng thực nghiệm.
Vì tác dụng nhiệt tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện, nếu dòng điện tăng gấp đôi thì nhiệt lượng toả ra tăng gấp bốn lần. Đây là lí do các vật dẫn quá tải có thể bốc cháy.
Đề bài
Dòng điện 2 A chạy qua một dây dẫn có điện trở 10 Ω trong thời gian 30 giây. Tính nhiệt lượng toả ra trên dây.
Lời giải
Q = I²·R·t = 2² × 10 × 30 = 4 × 10 × 30 = 1200 J. Vậy nhiệt lượng toả ra là 1200 J.
Đề bài
Một bếp điện có điện trở 44 Ω, hoạt động ở hiệu điện thế 220 V trong 5 phút. Tính nhiệt lượng bếp toả ra.
Lời giải
I = U/R = 220/44 = 5 A. t = 5 phút = 300 s. Q = I²Rt = 5² × 44 × 300 = 25 × 44 × 300 = 330 000 J = 330 kJ.
Mô phỏng: Định luật Jun–Len-xơ
- Dây dẫn nóng lên (đỏ = nhiệt cao)
- Nhiệt lượng toả ra Q
- Dòng điện I
- Nhiệt lượng Q = I²Rt
- 1.200 J
- Quy đổi calo
- 287 cal
- Điện năng (kWh)
- 0,000333 kWh
- Cường độ dòng điện
- 2 A
Q = I²Rt. Tăng cường độ dòng điện lên gấp đôi thì nhiệt lượng tăng gấp bốn lần. Quan sát dây dẫn chuyển dần sang đỏ khi Q lớn.
- Bếp điện, bàn là, nồi cơm điện: ứng dụng có lợi của tác dụng nhiệt.
- Cầu chì: dây chì có nhiệt độ nóng chảy thấp, tự đứt khi dòng điện quá lớn để bảo vệ mạch.
- Hao phí trên đường dây tải điện: tác dụng nhiệt có hại, phải giảm bằng cách tăng hiệu điện thế truyền tải.
Tác dụng nhiệt quanh em
Cùng một định luật Q = I²Rt vừa giúp ích (đun nấu, sưởi) vừa gây nguy hiểm (cháy dây, chập điện) — tùy vào việc ta kiểm soát nó thế nào.
Bếp điện, bàn là, nồi cơm điện nóng lên để nấu ăn
Dây đốt (mayso, nicrom) có điện trở R lớn, lại dẫn dòng I đáng kể, nên theo Q = I²Rt toả rất nhiều nhiệt trong thời gian dùng. Đây là ứng dụng "có lợi" của tác dụng nhiệt.
Lý thuyết của bài: Q = I²Rt — muốn nhiều nhiệt thì tăng I, R hoặc t.
Dây tóc bóng đèn sợi đốt nóng tới hàng nghìn độ và phát sáng
Dây tóc vonfam mảnh, điện trở lớn nên nóng trắng khi có dòng. Chính nhiệt độ cực cao làm nó phát sáng. Cùng cơ chế Q = I²Rt, nhưng mục đích ở đây là lấy ánh sáng (dù phần lớn thành nhiệt).
Lý thuyết của bài: Nhiệt toả ra tỉ lệ bình phương cường độ dòng điện.
Cầu chì đứt khi có dòng điện quá lớn
Cầu chì là dây chì mảnh có nhiệt độ nóng chảy thấp. Khi dòng vượt mức (chập điện, quá tải), theo Q = I²Rt nhiệt toả tăng theo bình phương dòng, dây chì nóng chảy và đứt, cắt mạch bảo vệ thiết bị.
Lý thuyết của bài: Q ~ I² — dòng tăng gấp đôi thì nhiệt toả tăng gấp bốn.
Dây điện quá tải bị nóng, chảy vỏ cách điện và gây cháy
Khi cắm quá nhiều thiết bị, dòng I qua dây tăng lên. Vì nhiệt lượng tỉ lệ với I², dây nóng nhanh hơn nhiều so với tăng dòng. Vỏ nhựa chảy, gây chập cháy — đây là mặt "có hại" của tác dụng nhiệt.
Lý thuyết của bài: Q = I²Rt — dây dẫn toả nhiệt làm hao phí và gây nguy hiểm.
Vì sao đường dây tải điện phải giảm dòng bằng cách tăng hiệu điện thế?
Hao phí trên đường dây là Q = I²Rt. Muốn giảm hao phí mạnh, phải giảm I. Vì công suất P = U·I không đổi, muốn giảm I thì tăng U — đó là lí do người ta truyền tải ở hiệu điện thế cao (hàng trăm kV).
Lý thuyết của bài: Giảm I thì hao phí Q ~ I² giảm rất nhanh.
Vì sao Q = I²·R·t?
Trực giác:Dòng điện bị điện trở "cản", mỗi lần electron va chạm với ion mạng tinh thể thì mất năng lượng cho mạng dưới dạng nhiệt. Dòng càng mạnh (nhiều va chạm mỗi giây) và điện trở càng lớn (va chạm càng nhiều) thì nhiệt toả ra càng nhiều.
- 1Điện năng mà dòng điện bỏ ra trên đoạn dây chính là công A = U·I·t.
- 2Vì toàn bộ điện năng ở đây chuyển thành nhiệt (không có cơ năng, quang năng), nhiệt lượng Q bằng đúng công đó: Q = U·I·t.
- 3Dùng định luật Ôm U = I·R thay vào: Q = (I·R)·I·t = I²R·t.
- 4Chính vì vậy nhiệt lượng tỉ lệ với BÌNH PHƯƠNG dòng điện: dòng tăng 2 lần thì nhiệt tăng 4 lần — điều thực nghiệm Jun và Len-xơ đã kiểm chứng độc lập.
- 5Nếu đề cho U thay vì I, dùng Q = (U²/R)·t; nếu cho dòng không đổi, dạng Q = I²Rt tiện nhất.
Ý nghĩa: Q = I²Rt thực chất là công của dòng điện A = UIt khi toàn bộ điện năng biến thành nhiệt, kết hợp với U = IR. Nó giải thích cả việc đun nấu hữu ích lẫn nguy cơ cháy nổ khi quá tải.