EFEKT JOULE'A: WYJAŚNIENIE, PRZYKŁADY, ĆWICZENIA, ZASTOSOWANIA - FIZYCZNY - 2026

Efekt Joule'a lub prawo Joule'a jest wynikiem przemiany energii elektrycznej w ciepło, która ma miejsce, gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik. Efekt ten występuje zawsze, gdy włączane jest jakiekolwiek urządzenie lub urządzenie, które do działania potrzebuje prądu.

Innym razem jest to niepożądane i stara się to zminimalizować, dlatego do komputera stacjonarnego dodaje się wentylatory, aby rozproszyć ciepło, ponieważ może to spowodować awarię komponentów wewnętrznych.

Urządzenia, które wykorzystują efekt Joule'a do wytwarzania ciepła, mają wewnątrz rezystancję, która nagrzewa się, gdy przepływa przez nie prąd, zwany elementem grzejnym.

Wyjaśnienie

Efekt Joule'a ma swoje źródło w mikroskopijnej skali cząstek, zarówno tych, które tworzą materiał, jak i tych, które przenoszą ładunek elektryczny.

Atomy i cząsteczki substancji znajdują się w najbardziej stabilnej pozycji w substancji. Ze swojej strony prąd elektryczny składa się z uporządkowanego ruchu ładunków elektrycznych, które pochodzą z bieguna dodatniego baterii. Kiedy się stamtąd wydostają, mają dużo potencjalnej energii.

Gdy przechodzą, naładowane cząsteczki uderzają w cząsteczki materiału i powodują ich wibracje. Będą próbowali odzyskać równowagę, którą mieli wcześniej, dostarczając nadmiar energii do otoczenia w postaci odczuwalnego ciepła.

Ilość uwolnionego ciepła Q zależy od natężenia prądu I, czasu, w jakim krąży ono wewnątrz przewodnika Δt i elementu rezystancyjnego R:

Powyższe równanie nazywa się prawem Joule-Lenza.

Przykłady

Dwóch fizyków, brytyjski James Joule (1818-1889) i Rosjanin Heinrich Lenz (1804-1865) niezależnie zaobserwowali, że drut przewodzący prąd nie tylko stał się gorący, ale jego prąd zmniejszył się w trakcie procesu.

Następnie ustalono, że ilość ciepła rozpraszanego przez opór jest proporcjonalna do:

- kwadrat natężenia prądu krążącego.

- Czas, w którym wspomniany prąd pozostawał płynący przez przewodnik.

- Opór wspomnianego przewodnika.

Jednostki ciepła to te same jednostki energii: dżule, w skrócie J. Dżul to dość mała jednostka energii, więc często używane są inne, takie jak na przykład kalorie.

Aby zamienić dżule na kalorie, wystarczy pomnożyć przez współczynnik 0,24, aby równanie podane na początku było bezpośrednio wyrażone w kaloriach:

Efekt Joule'a i transport energii elektrycznej

Efekt Joule'a jest mile widziany, aby wytworzyć miejscowe ciepło, takie jak palniki i suszarki do włosów. Ale w innych przypadkach ma niepożądane skutki, takie jak:

- Bardzo duże nagrzewanie się przewodów może być niebezpieczne, powodując pożary i oparzenia.

- Urządzenia elektroniczne z tranzystorami zmniejszają wydajność i mogą zawieść, nawet jeśli są zbyt gorące.

- Przewody przenoszące energię elektryczną zawsze się nagrzewają, nawet nieznacznie, co prowadzi do znacznych strat energii.

Dzieje się tak, ponieważ kable, które przenoszą prąd z elektrowni, biegną przez setki kilometrów. Tyle energii, którą niosą, nie dociera do celu, ponieważ jest marnowana po drodze.

Aby tego uniknąć, dąży się do tego, aby przewody miały jak najmniejszy opór. Mają na to wpływ trzy ważne czynniki: długość drutu, pole przekroju poprzecznego i materiał, z którego jest wykonany.

Najlepszymi przewodnikami są metale, przy czym najbardziej wydajne są złoto, srebro, platyna lub miedź. Druty kabli wykonane są z miedzianych włókien, metalu, który choć nie przewodzi tak dobrze jak złoto, jest znacznie tańszy.

Im dłuższy drut, tym większy będzie miał opór, ale zwiększając jego grubość, opór maleje, ponieważ ułatwia to ruch nośników ładunku.

Inną rzeczą, którą można zrobić, jest zmniejszenie natężenia prądu, aby zminimalizować nagrzewanie. Transformatory odpowiadają za prawidłowe sterowanie natężeniem, dlatego są tak ważne w przesyle energii elektrycznej.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Grzejnik wskazuje, że ma moc 2000W i jest podłączony do gniazda 220 V. Oblicz następujące:

a) Intensywność prądu przepływającego przez grzejnik

b) Ilość energii elektrycznej, która została przekształcona po pół godzinie

c) Jeśli cała ta energia zostanie zainwestowana w podgrzanie 20 litrów wody, która początkowo ma 4 ºC, jaka będzie maksymalna temperatura, do jakiej można tę wodę podgrzać?

Rozwiązanie

Moc jest definiowana jako energia na jednostkę czasu. Jeśli w równaniu podanym na początku przekażemy w prawo współczynnik Δt, będziemy mieli dokładnie energię na jednostkę czasu:

Opór elementu grzejnego można poznać za pomocą prawa Ohma: V = IR, z którego wynika, że ​​I = V / R. A zatem:

Zatem aktualne wyniki:

Rozwiązanie b

W tym przypadku Δt = 30 minut = = 30 x 60 sekund = 1800 sekund. Wymagana jest również wartość oporu, co jest wyczyszczone z prawa Ohma:

Wartości są podstawiane w prawie Joule'a:

Rozwiązanie c

Ilość ciepła Q potrzebna do podniesienia ilości wody do określonej temperatury zależy od ciepła właściwego i zmienności temperatury, którą należy uzyskać. Oblicza się go według:

Tutaj m jest masą wody, C _e jest ciepłem właściwym, które jest już przyjęte jako dane dla problemu, a ΔT jest zmianą temperatury.

Masa wody wynosi 20 litrów. Oblicza się ją na podstawie gęstości. Gęstość wody ρ _woda to stosunek masy do objętości. Dodatkowo musisz przeliczyć litry na metry sześcienne:

Ponieważ m = gęstość x objętość = ρV, masa wynosi.

Zauważ, że konieczne jest przejście od stopni Celsjusza do Kelwinów, dodając 273,15 K. Zastępując powyższe w równaniu ciepła:

Ćwiczenie 2

a) Znajdź wyrażenia określające moc i średnią moc dla rezystancji podłączonej do napięcia przemiennego.

b) Załóżmy, że masz suszarkę do włosów o mocy 1000 W podłączoną do gniazda 120 V, znajdź opór elementu grzejnego i prąd szczytowy - prąd maksymalny - przez nią.

c) Co dzieje się z suszarką, gdy jest podłączona do gniazda 240 V?

Rozwiązanie

Napięcie zaczepu zmienia się, w postaci V = V _o . sen ωt. Ponieważ jest zmienna w czasie, bardzo ważne jest zdefiniowanie wartości skutecznych zarówno napięcia, jak i prądu, które są oznaczone indeksem dolnym „rms”, co oznacza średnią kwadratową.

Te wartości prądu i napięcia to:

Stosując prawo Ohma, prąd w funkcji czasu jest następujący:

W takim przypadku moc w rezystorze, przez którą przepływa prąd przemienny, wynosi:

Widać, że moc również zmienia się w czasie i jest to wielkość dodatnia, ponieważ wszystko jest podniesione do kwadratu i R jest zawsze> 0. Średnia wartość tej funkcji jest obliczana przez całkowanie w cyklu i wyniki:

Pod względem efektywnego napięcia i prądu moc wygląda następująco:

Rozwiązanie b

Stosując ostatnie równanie z podanymi danymi:

_Średnie P = 1000 W i V _rms = 120 V.

Dlatego maksymalny prąd przepływający przez element grzejny wynosi:

Opór można rozwiązać z równania średniej mocy:

_Średnia P = V _rms . I _rms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W.

Jest to około 4-krotność mocy, dla której zaprojektowano element grzejny i która wypali się wkrótce po podłączeniu do tego gniazda.

Aplikacje

Żarówki

Żarówka żarowa wytwarza światło, a także ciepło, co możemy zauważyć natychmiast po jej podłączeniu. Elementem wywołującym oba efekty jest bardzo cienkie włókno przewodzące, które dzięki temu ma dużą rezystancję.

Dzięki temu wzrostowi rezystancji, chociaż prąd w żarniku zmniejszył się, efekt Joule'a jest skoncentrowany do tego stopnia, że ​​następuje żarzenie. Żarnik wykonany z wolframu dzięki wysokiej temperaturze topnienia 3400 ºC emituje światło, a także ciepło.

Urządzenie powinno być zamknięte w przezroczystym szklanym pojemniku, który jest wypełniony gazem obojętnym, takim jak argon lub azot pod niskim ciśnieniem, aby uniknąć zniszczenia żarnika. Jeśli nie zostanie to zrobione w ten sposób, tlen w powietrzu zużywa żarnik i żarówka natychmiast przestaje działać.

Łączniki magneto-termiczne

Magnetyczne efekty magnesów znikają w wysokich temperaturach. Można to wykorzystać do stworzenia urządzenia, które przerywa przepływ prądu, gdy jest on nadmierny. To jest przełącznik magnetotermiczny.

Część obwodu, przez który przepływa prąd, jest zamykana magnesem przymocowanym do sprężyny. Magnes przyczepia się do obwodu dzięki przyciąganiu magnetycznemu i pozostaje taki, dopóki nie zostanie osłabiony przez ogrzewanie.

Gdy prąd przekroczy określoną wartość, magnetyzm słabnie, a sprężyna odłącza magnes, powodując otwarcie obwodu. A ponieważ prąd wymaga zamknięcia obwodu, aby mógł płynąć, otwiera się, a przepływ prądu zostaje przerwany. Zapobiega to nagrzewaniu się kabli, co mogłoby spowodować wypadki, takie jak pożar.

Bezpieczniki

Innym sposobem zabezpieczenia obwodu i przerwania przepływu prądu w odpowiednim czasie jest zastosowanie bezpiecznika, paska metalu, który po podgrzaniu w wyniku efektu Joule'a topi się, pozostawiając obwód otwarty i przerywając prąd.

Rysunek 2. Bezpiecznik jest elementem zabezpieczającym obwód. Metal topi się, gdy przepływa przez niego nadmierny prąd. Źródło: Pixabay.

Pasteryzacja z ogrzewaniem omowym

Polega na przepuszczaniu prądu elektrycznego przez żywność, która w naturalny sposób ma opór elektryczny. W tym celu stosuje się elektrody wykonane z materiału antykorozyjnego. Temperatura jedzenia wzrasta, a ciepło niszczy bakterie, pomagając zachować je na dłużej.

Zaletą tej metody jest to, że ogrzewanie zachodzi w znacznie krótszym czasie niż wymagany w przypadku konwencjonalnych technik. Długotrwałe ogrzewanie niszczy bakterie, ale także neutralizuje niezbędne witaminy i minerały.

Ogrzewanie omowe, które trwa zaledwie kilka sekund, pomaga zachować wartości odżywcze żywności.

Eksperymenty

Kolejny eksperyment polega na pomiarze ilości energii elektrycznej zamienianej na energię cieplną poprzez pomiar ilości ciepła pochłoniętego przez znaną masę wody. Aby to zrobić, cewkę grzewczą zanurza się w wodzie, przez którą przepływa prąd.

materiały

- 1 kubek z polistyrenu

- Multimetr

- termometr Celsjusza

- 1 regulowane źródło zasilania, zakres 0-12 V.

- Saldo

- Przewody połączeniowe

- Stoper

Proces

Wężownica nagrzewa się w wyniku efektu dżuli, a tym samym również wody. Musimy zmierzyć masę wody i jej temperaturę początkową i określić do jakiej temperatury będziemy ją podgrzewać.

Rysunek 3. Eksperymentuj, aby określić, ile energii elektrycznej zamienia się w ciepło. Źródło: F. Zapata.

Kolejne odczyty dokonywane są co minutę, rejestrując wartości prądu i napięcia. Gdy rekord jest dostępny, dostarczoną energię elektryczną oblicza się za pomocą równań:

Q = I ² .R. Δt (prawo Joule'a)

V = IR (prawo Ohma)

I porównaj z ilością ciepła pochłoniętego przez wodę:

Q = m. C _e . ΔT (patrz rozwiązane ćwiczenie 1)

Ponieważ energia jest zachowana, obie wielkości powinny być równe. Jednakże, chociaż polistyren ma niskie ciepło właściwe i prawie nie pochłania energii cieplnej, nadal będą pewne straty do atmosfery. Należy również wziąć pod uwagę błąd eksperymentalny.

Straty do atmosfery są zminimalizowane, jeśli woda jest podgrzewana o taką samą liczbę stopni powyżej temperatury pokojowej, jak poniżej przed rozpoczęciem eksperymentu.

Innymi słowy, jeśli woda miała 10ºC, a temperatura otoczenia wynosiła 22ºC, to trzeba doprowadzić wodę do 32ºC.

Bibliografia

1. Kramer, C. 1994. Physics Practices. McGraw Hill. 197.
2. Sito. Efekt Joule'a. Odzyskany z: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Seria: Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 5. Elektrostatyka. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6 ^th . Ed Prentice Hall.
5. Hipertekstowy. Czym jest efekt Joule'a i dlaczego stał się czymś transcendentalnym w naszym życiu. Odzyskany z: hypertextual.com
6. Wikipedia. Efekt Joule'a. Odzyskane z: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Ogrzewanie Joule. Odzyskane z: en. wikipedia.org.