Định luật Jun Lenxơ là một định luật quan trọng trong chương trình vật lý 9 nói riêng và vật lý phổ thông nói chung. Định luật Jun Lenxơ được phát biểu ra sao và có hệ thức thế nào? Tất cả những thắc mắc đó sẽ được giải đáp dưới đây.
Mục lục bài viết
1. Sự ra đời của định luật Jun Lenxơ:
Sự hình thành của Định luật Joule-Lenz liên quan đến nhiều nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực điện từ học và nhiệt động học trong thế kỷ 19.
James Prescott Joule: James Joule, một nhà khoa học người Anh, đã thực hiện nhiều thí nghiệm để nghiên cứu về quan hệ giữa nhiệt độ và năng lượng. Joule đã phát triển ý tưởng rằng năng lượng không thể được tạo ra hoặc tiêu hao một cách tự nhiên mà chỉ có thể chuyển đổi từ một hình thức sang hình thức khác. Ông đã tiến hành các thí nghiệm nơi ông đo nhiệt độ tăng lên khi dòng điện chảy qua một đoạn dây dẫn. Joule đã công bố kết quả của mình vào những năm 1840, đưa ra phát hiện về việc nhiệt độ của một đoạn dây dẫn tăng lên tỉ lệ với bình phương của dòng điện và điện trở của dây.
Heinrich Friedrich Emil Lenz: Đồng thời, Heinrich Lenz, một nhà vật lý người Nga, cũng đang nghiên cứu về tương tác giữa điện năng và nhiệt năng. Ông đã đưa ra một quy tắc năm 1834, sau này được biết đến như Định luật Lenz, mô tả rằng một dòng điện tạo ra bởi biến đổi trong từ trường sẽ tạo ra một từ trường ngược lại mục tiêu của nó.
Kết hợp các ý tưởng của Joule và Lenz, ta có Định luật Joule-Lenz hay định luật Jun len xơ, mô tả mối quan hệ giữa nhiệt độ và năng lượng điện. Định luật này đã đóng góp quan trọng cho việc hiểu sự chuyển đổi giữa các hình thức năng lượng và giúp xây dựng cơ sở cho lý thuyết về điện và nhiệt học.
2. Phát biểu định luật Jun Lenxơ:
Định luật Jun Len xơ được phát biểu như sau: Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua.
Cụ thể, nói cách khác, khi dòng điện chảy qua một vật liệu có điện trở, một phần của năng lượng điện được tiêu hao và biến thành nhiệt, làm tăng nhiệt độ của vật liệu. Đây là nguyên nhân tạo ra hiện tượng tỏa nhiệt trong các thiết bị điện như bóng đèn, máy tính, và các mạch điện khác.
3. Hệ thức định luật Jun Lenxơ:
Định luật Jun Len xơ cũng cho biết rằng điện năng được chuyển hóa thành nhiệt năng. Đây là một trong những hiện tượng quan trọng trong vật lý cũng như được ứng dụng rộng rãi để sản xuất các thiết bị cần thiết trong đời sống.
Qua phát biểu của định luật Jun Len xơ, hệ thức của định luật như sau:
Trong đó:
R: là điện trở của vật dẫn. Đơn vị của R là Ohm (Ω).
I: là cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn. Đơn vị của cường độ dòng điện là Ampe (A).
t: là thời gian mà dòng điện chạy qua vật dẫn. Đơn vị của thời gian là giây (s)
Q: là nhiệt lượng tỏa ra từ vật dẫn. Đơn vị của Q là Jun (J).
Lưu ý: Ngoài những đơn vị được đề cập như trên thì khi áp dụng vào giải các bài tập tính toán, các em cũng cần chú ý đến mối quan hệ giữa đơn vị Jun (J) và đơn vị calo (cal). Tỷ lệ quy đổi như sau:
1 J = 0,24 cal ; 1 cal = 4,18 J
4. Ứng dụng định luật Jun Lenxơ:
Định luật Jun-len-xơ được dùng để xác định mối liên hệ giữa nhiệt lượng tỏa ra, cường độ dòng điện và điện trở vật dẫn. Đây là cơ sở để sản xuất ra các thiết bị điện đáp ứng được độ an toàn và phòng tránh tình trạng nhiệt năng quá lớn gây ra cháy, nổ nguy hiểm trong quá trình sử dụng.
Ngoài ra, dựa trên hệ thức của định luật Jun Len xơ, có thể tính toán được lượng nhiệt năng tỏa ra của vật. Từ đó, người ta sẽ lựa chọn đúng được những nguyên vật liệu phù hợp với từng loại thiết bị nhất định.
Thông thường, các thiết bị có điện năng được chuyển đổi thành nhiệt năng sẽ sử dụng dây dẫn được làm từ Constantan hoặc Nikêlin.
5. Bài tập vận dụng định luật Jun Lenxơ:
Bài 1: Phát biểu nào sau đây là không đúng?
Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua:
A. Tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn với thời gian dòng điện chạy qua.
B. Tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và với thời gian dòng điện chạy qua.
C. Tỷ lệ thuận với bình phương hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn, với thời gian dòng điện chạy qua và tỉ lệ nghịch với điện trở dây dẫn.
D. Tỷ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn, với cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện chạy qua.
Đáp án: A. (Dựa vào lý thuyết và hệ thức về định luật Jun Len xơ)
Bài 2: Tại sao với cùng một dòng điện chạy qua thì dây tóc bóng đèn nóng lên tới nhiệt độ cao còn dây nối với bóng đèn thì hầu như không nóng lên?
Trả lời:
Vì dây tóc bóng đèn và dây nối mắc nối tiếp nhau nên dòng điện chạy qua cả hai có cùng cường độ. Theo định luật Jun Len xơ, nhiệt lượng tỏa ra ở dây tóc và ở dây nối tỉ lệ với điện trở của từng đoạn dây.
Ngoài ra, dây tóc có điện trở lớn nên nhiệt lượng tỏa ra nhiều, do đó dây tóc nóng lên đến nhiệt độ cao và phát sáng. Còn dây nối có điện trở nhỏ nên nhiệt lượng tỏa ra ít và truyền phần lớn cho môi trường xung quanh. Vì vậy, dây nối hầu như sẽ không nóng lên.
Bài 3: Một bếp điện khi hoạt động bình thường có điện trở R = 80Ω và cường độ dòng điện qua bếp khi đó là I = 2,5A.
a) Tính nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 1s.
b) Dùng bếp điện để đun sôi 1,5l nước có nhiệt độ ban đầu là 25 độ C thì thời gian đun nước là 20 phút. Coi rằng nhiệt lượng cung cấp để đun sôi nước là có ích, tính hiệu suất của bếp. Cho biết nhiệt dung riêng của nước là c = 4200J/kg.K.
c) Mỗi ngày sử dụng bếp điện này 3 giờ. Tính tiền điện phải trả cho việc sử dụng bếp điện đó trong 30 ngày, nếu giá 1kW.h là 700 đồng.
Bài giải:
a) Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 1s là: (Có thể xác định công suất tỏa nhiệt của bếp là P = 500W).
b) Nhiệt lượng mà bếp tỏa ra trong 20 phút là:
Qtp = Q.20.60 = 500.20.60 = 600000 (J).
Nhiệt lượng cần để đun sôi lượng nước đã cho là:
Qi = c.m.(t2 – t1) = 4200.1,5.(100-25) = 472500 (J)
Hiệu suất của bếp là: H = Qi/Qtp = 472500/600000 = 78,75%.
c) Lượng điện năng mà bếp tiêu thụ trong 30 ngày (tính theo đơn vị kW.h) là:
A = P.t = 500.30.3 = 45000 (W.h) = 45 (kW.h)
Tiền điện phải trả cho việc sử dụng bếp điện là:
T = 45.700 = 315000 (đồng).
Bài 4: Hai điện trở R1 = R2 = 100 Ω. Người ta mắc hai điện trở đó lần lượt bằng hai cách: song song và nối tiếp, rồi nối vào mạch điện có hiệu điện thế 100V
a) Tính dòng điện qua các điện trở trong mỗi trường hợp.
b) Xác định nhiệt lượng tỏa ra trên mỗi điện trở trong hai trường hợp trong thời gian 30 phút. Có nhận xét gì về kết quả tìm được.
Bài giải:
a) Trường hợp hai điện trở mắc nối tiếp: Rnt = R1 + R2 = 200 (Ω).
-
Cường độ dòng điện chạy qua bộ là: Int = U/Rnt = 100/200 = 0,5(A)
-
Trường hợp hai điện trở mắc song song: Rss = (R1.R2) / (R1+R2) = 50 (Ω).
-
Cường độ dòng điện qua bộ là: Iss = U/Rss = 100/50 = 2 (A).
b) Khi hai điện trở mắc nối tiếp, nhiệt lượng tỏa ra là:
Q = I^2.Rnt.t = 0,52.200.30.60 = 90000 (J)
Khi hai điện trở mắc song song, nhiệt lượng tỏa ra là:
Q = I^2.Rss.t = 22.50.30.60 = 360000 (J)
Từ các phép toán trên, ta thấy được khi mắc điện trở song song thì nhiệt lượng tỏa ra lớn gấp 4 lần so với khi mắc điện trở nối tiếp.
Bài 5: Một đường dây nối từ mạng điện thành phố tới mạng điện một gia đình là dây dẫn bằng đồng có tổng chiều dài 60m có tiết diện 0,6mm2, có điện trở suất 1,7.10-8Ω.m. Biết tổng công suất sử dụng các thiết bị điện của gia đình đó là 176W. Thời gian sử dụng điện mỗi ngày trung bình khoảng 4 giờ. Tính:
a) Điện trở toàn bộ đường dây nối từ mạng chung tới gia đình đó.
b) Cường độ dòng điện chạy trong dây khi sử dụng công suất đã cho trên.
c) Nhiệt lượng tỏa ra trên dây này trong 10 ngày.
Bài giải:
a) Điện trở của toàn bộ đường dây nối từ mạng chung tới gia đình đó là:
R = ρ.l/S = (1,7.10-8.60)/(0,6.10-6) = 1,7 (Ω).
b) Cường độ dòng điện chạy qua dây khi sử dụng công suất dẫn cho trên là:
I = P/U=176/200 = 0,8 (A)
c) Nhiệt lượng tỏa ra trên dây này trong 10 ngày là:
Q =I^2.R.t = 1,7.0,82.10.4.3600 = 156672 (J)
Bài 6: Cho chiều dài của một dây xoắn trong bếp điện là 7m và tiết diện là 0,01mm2. Biết rằng 1,1.10-6 Ω.m là điệu trở suất, hỏi:
a) Độ lớn của điện trở trong dây xoắn là bao nhiêu?
b) Trong trường hợp mắc bếp vào một hiệu điện thế có độ lớn là 220V thì trong khoảng thời gian là 25 phút thì bếp tỏa ra một lượng nhiệt là bao nhiêu?
c) Giả sử sự hao phí nhiệt được bỏ qua thì trong khoảng thời gian là 25 phút thì bếp có thể làm cho bao nhiêu lượng nước từ trạng thái 250C đạt được trạng thái sôi (1000C)? (Biết rằng nước có nhiệt dung riêng là 4200J/kgK).
Bài giải:
a) Điện trở chạy trong dây dẫn có độ lớn là:
R = ρ.l/S = (1,1.10-6.7) / (0,1.10-6) = 77 (Ω).
b) Trong trường hợp mắc bếp vào một hiệu điện thế có độ lớn là 220V thì dây xoắn có dòng điện chạy qua với một cường độ là:
I = U/R = 220/77 = 2,86 (A)
Trong khoảng thời gian là 25 phút thì dây xoắn tỏa ra một lượng nhiệt lượng là:
Qtỏa = I^2.R.t = 2,862.77.25.60 = 944643,8 (J)
c) Để nước từ trạng thái 250C đạt được đến trạng thái là 1000C thì cần thu vào một lượng nhiệt lượng là:
Qthu = m.c.Δt
Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng thì ta có được số nhiệt lượng tỏa ra bằng số nhiệt lượng thu vào
944643,8 = m.c.Δt = m.4200.(100 – 25)
m = 3 (kg)
=> Lượng nước được làm sôi từ nhiệt độ 250C là 3 lít (vì khối lượng riêng của nước là 1kg/ lít)
Bài 7: Người ta dùng bếp điện để đun sôi 2 lít nước từ nhiệt độ t = 2000C. Để đun sôi lượng nước đó trong 20 phút thì phải dùng bếp điện có công suất bao nhiêu? Biết nhiệt dung riêng của nước c = 4,18.103 J/kg.độ, hiệu suất của bếp H = 80%.
Bài giải:
Nhiệt lượng cần thiết để đun sôi nước: Q1 = m.c.(t2 – t1)
Nhiệt lượng có ích do bếp cung cấp trong thời gian t: Q2 = H.P.t
Trong đó P là công suất của bếp, H là hiệu suất
Ta có phương trình cân bằng nhiệt: Q1 = Q2
⇒ m.c.(t2 – t1) = H.P.t
Vậy phải dùng bếp điện có công suất là 697W.
