on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 9 гостей.
Вход в систему
Яндекс.Метрика

62.3 Перенос энергии при выделении теплоты.

 Протекание электрического тока по проводнику сопровождается выделением теплоты. Покажем, что и в этом случае энергия поступает к нагревающемуся проводнику через электромагнитное поле.
 Пусть электрический ток силой I протекает по однородному цилиндрическому проводнику радиуса r и длины l (рис. 577).


рис. 577

 За промежуток времени Δt в проводнике выделяется количество теплоты, определяемое законом Джоуля-Ленца

где R − электрического сопротивление проводника. Выразим эту величину через характеристики электромагнитного поля в проводнике.
 Точнее мы будем рассматривать поля в точках находящихся под боковой поверхностью проводника, примыкающих к ней изнутри проводника. Дело в том, что непосредственно на поверхности проводника распределяются поверхностные заряды, создающие поле внутри проводника. Поэтому внутри проводника электрическое поле существует и заставляет двигаться заряженные частицы, а вне проводника электрическое поле отсутствует, так сам проводник остается электрически нейтральным. Магнитное поле существует как внутри так вне проводника с током.
 Электрическое поле внутри проводника является однородным, вектор его напряженности E направлен вдоль оси проводника, а его модуль может быть определен из закона Ома для участка цепи:

где Δφ − разность потенциалов между концами проводника (приложенное электрическое напряжение). Электрический ток создает магнитное поле, силовые линии которого образуют концентрические окружности с центрами на оси проводника. Индукция этого поля непосредственно у поверхности определяется по формуле

 Выражая значения силы тока через напряженность электрического поля из формулы (2) IR = El и индукцию магнитного поля из формулы (3)

преобразуем выражение (1) к виду

 Таким образом, мощность выделяющейся теплоты равно потоку вектора Пойтинга

через боковую поверхность проводника, площадь которой равна sбок = 2πrl.
Обратите внимание, что и в этом случае векторы E и B перпендикулярны друг другу и направлены по касательным к боковой поверхности, поэтому вектор S перпендикулярен поверхности и направлен внутрь проводника. Таким образом, заключаем: количество теплоты, выделяющейся в некотором объеме, в единицу времени равно потоку вектора Пойтинга через поверхность, ограничивающую данный объем.
 При изменении направления тока изменяться на противоположные направления векторов E и B, а направление вектора потока энергии S останется неизменным. Очевидно, что количество выделяющейся теплоты не зависит от направления тока, и при любом направлении тока энергия должна «втекать» в проводник, вследствие чего и направление потока энергии не зависит от направления тока.
Опять мы пришли к неожиданному выводу: энергия втекает в проводник из окружающего пространства через боковую поверхность. То есть энергия электрического тока передается не по проводам, в проводах она только теряется. Так при отсутствии электрического сопротивления отсутствует электрическое поле, поэтому отсутствует поток энергии направленный внутрь проводника.
 Зачем же тогда они нужны эти провода? Оказывается, их роль заключается в создании электромагнитного поля нужной конфигурации, такой, чтобы поле в окружающем проводник пространстве могло передавать энергию потребителю.
 Аналогично можно рассмотреть разгон заряженных частиц в электрическом поле, так как в обоих случаях электрическое поле совершает работу над заряженными частицами, только в одном случае эта работа приводит к увеличению кинетической энергии, а в другом расходуется на преодоление сил сопротивления (в результате чего выделяется теплота). Но это различие относится к области механики, а не электродинамики.