Prawo Joule’a-Lenza opisuje ilość ciepła wydzielanego w przewodniku lub odbiorniku rezystancyjnym podczas przepływu prądu elektrycznego. Jest szczególnie ważne przy analizie pracy grzejników, farelek, czajników elektrycznych, lutownic i innych urządzeń grzejnych.
Podstawowy wzór
Ilość ciepła wydzielonego w czasie określa wzór:
Q = I² · R · t
gdzie:
- Q — ilość wydzielonego ciepła,
- I — prąd płynący przez odbiornik,
- R — rezystancja odbiornika,
- t — czas przepływu prądu.
Ponieważ moc cieplna jest ilością energii wydzielanej w jednostce czasu, można zapisać:
P = Q / t
Dla odbiornika rezystancyjnego obowiązują też zależności:
P = U · I
P = I² · R
P = U² / R
Stałe napięcie a zmiana rezystancji
W zadaniach egzaminacyjnych często przyjmuje się, że napięcie zasilania pozostaje stałe. Wtedy najwygodniejszy jest wzór:
P = U² / R
Oznacza to, że moc jest odwrotnie proporcjonalna do rezystancji. Jeśli rezystancja spirali grzejnej zmniejszy się dwukrotnie, to moc wzrośnie dwukrotnie.
Przykład
Grzejnik ma rezystancję R i jest zasilany stałym napięciem U.
Po skróceniu spirali o połowę jej rezystancja zmniejsza się do R/2.
P₂ = U² / (R/2) = 2 · U² / R = 2P₁
Moc, a więc także ilość ciepła wydzielana w tym samym czasie, zwiększy się dwukrotnie.