قانون ژول چیست ؟

اطلاعات اولیه

در زندگی روزانه خود بسیاری از وسایل الکتریکی را ملاحظه می‌کنیم که در اثر عبور جریان الکتریکی گرم می‌شوند. از این نمونه می‌توان به انواع لامپهای نورانی ، انواع بخاری برقی و هیتر اشاه کرد. زمانی که از یک جسم رسانا جریان الکتریکی عبور می‌کند، این جسم بسته به نوع ماده تشکیل دهنده آن در مقابل عبور جریان از خود مقاومت نشان می‌دهد که این مقاومت را اصطلاحا مقاومت الکتریکی می‌گویند. این امر سبب گرم شدن آن می‌شود. جسم رسانا هر قدر هم که رسانای خوبی باشد، دارای اندکی مقاومت الکتریکی است.
آزمایش قانون ژول
اندازه گیری‌هایی را که به قانون ژول منجر شدند می‌توان با قرار دادن رسانایی با مقاومت معلوم R داخل یک گرماسنج و گذراندن جریان I به مدت معلوم t انجام داد. مقدار گرمای ایجاد شده Q را می‌توان از روابط مربوط به گرماسنجی معین کرد. با تکرار آزمایش با مقادیر مختلف R و I و t بستگی Q به R و t و I بدست می‌آید. با استفاده از قانون اهم ، می‌توان I را برحسب ولتاژ دو سر رسانا و مقاومت R بدست آورد. بنابراین اگر اختلاف پتانسیل دو سر رسانا را با V نشان دهیم، در این صورت قانون ژول به صورت در می‌آید.

به این ترتیب می‌توان به جای یک رسانا از چند رسانا که بطور موازی به هم بسته شده‌اند، استفاده کرد. در اتصال موازی رساناها ، جریان در رساناها متفاوت است، ولی ولتاژ دو سر آنها مقدار یکسانی خواهد بود و بر عکس اگر رساناها را بطور سری به هم وصل کنیم، جریان رساناها یکسان بوده و در عوض ولتاژ دو سر آنها متفاوت خواهد بود.
قانون ژول و کار
جریانی که از یک مدار می‌گذرد، می‌تواند اثرهای گوناگونی ایجاد کند. علاوه بر گرم کردن رساناها، این جریان می‌تواند تبدیلهای شیمیایی یا جابجایی عقربه مغناطیسی را باعث شود. در این مورد جریان الکتریکی ، کار انجام می‌دهد. در آزمایشهایی که توسط ژول و لنز انجام شد، جریان از رساناهای ساکن می‌گذشت. به این دلیل ، تنها نتیجه عبور جریان گرم کردن این رساناها بود. بنا بر قانون بقای انرژی ، تمام کار انجام شده توسط جریان به گرما تبدیل می‌شد.

می‌توان کار انجام شده توسط نیروهای الکتریکی را موقع گذشتن جریان از رسانا به آسانی محاسبه کرد. اگر اختلاف پتانسیل دو انتهای رسانا را با U نشان دهیم، کار انجام شده برای انتقال واحد بار از داخل رسانا از نظر عددی با U برابر است. در صورتی که مقدار بار الکتریکی ، q برابر شود، کار انجام شده نیز q مرتبه بزرگتر می‌شود. اگر بر اثر عبور جریان I در مدت زمان t ، بار q انتقال یافته باشد () در آن صورت کار انجام شده برابر خواهد بود. بنابراین نتیجه می‌گیریم که اگر جسم رسانا ساکن باشد، در این صورت کار انجام شده توسط جریان کاملا به گرما تبدیل می‌شود.
بیان قانون ژول برحسب توان الکتریکی
اگر کار انجام شده توسط جریان را در فاصله زمانی معین بدانیم، می‌توانیم توان جریان را محاسبه کنیم. توان در حالت کلی به صورت کار انجام شده در واحد زمان تعریف می‌شود. بنابراین اگر توان الکتریکی را با P نشان دهیم، چون کار انجام شده توسط جریان در جسم رسانای ساکن کلا به گرما تبدیل می‌شود، لذا توان الکتریکی جریان مستقیم در هر رسانایی با حاصل‌ضرب ولتاژ (اختلاف پتانسیل) دو سر رسانا در جریان الکتریکیی که از آن عبور می‌کند، برابر است.