JOULE-EFFEKT: FORKLARING, EKSEMPLER, ØVELSER, APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Den jouleeffekt eller Joules lov er resultatet af omdannelsen af elektrisk energi til varme, som finder sted, når en elektrisk strøm passerer gennem en leder. Denne effekt er til stede, når ethvert apparat eller enhed, der har brug for elektricitet for at fungere, er tændt.

Andre gange er det uønsket, og det søges at minimere det, det er derfor, fans bliver føjet til desktop-pc'en for at sprede varmen, da det kan forårsage svigt i de interne komponenter.

Enhederne, der bruger Joule-effekten til at producere varme, har inde i en modstand, der varmer op, når en strøm ledes gennem den, kaldet et varmeelement.

Forklaring

Joule-effekten har sin oprindelse i mikroskopisk skala i partikler, både dem, der udgør et materiale, og dem, der bærer elektrisk ladning.

Atomer og molekyler i et stof er i deres mest stabile position inden for stoffet. Den elektriske strøm består på sin side af en ordnet bevægelse af elektriske ladninger, der kommer fra batteriets positive pol. Når de kommer ud derfra, har de en masse potentiel energi.

Når de passerer påvirker de ladede partikler materialets og får dem til at vibrere. Disse vil forsøge at genvinde den balance, de tidligere havde, og levere overskydende energi til deres omgivelser i form af mærkbar varme.

Mængden af ​​frigivet varme Q afhænger af intensiteten af ​​strømmen I, den tid, som den cirkulerer inden i lederen Δt og det modstandsdygtige element R:

Ovenstående ligning kaldes Joule-Lenz-loven.

eksempler

To fysikere, den britiske James Joule (1818-1889) og den russiske Heinrich Lenz (1804-1865), observerede uafhængigt af hinanden, at en strømførende ledning ikke kun blev varm, men at dens strøm faldt under processen.

Derefter blev det konstateret, at mængden af ​​varme, der adskilles af modstanden, er proportional med:

- Kvadratet af intensiteten af ​​den cirkulerende strøm.

- Den tid, hvor den nævnte strøm forblev flyder gennem lederen.

- Modstanden fra den nævnte leder.

Varmeenhederne er de samme energienheder: joules, forkortet som J. Joule er en forholdsvis lille energienhed, så andre bruges ofte, f.eks. Kalorier.

For at omdanne joules til kalorier skal du blot multiplicere med faktoren 0,24, så ligningen, der er givet i starten, udtrykkes direkte i kalorier:

Joule-effekt og elektrisk energitransport

Joule-effekten er velkommen til at producere lokal varme, som brændere og hårtørrere. Men i andre tilfælde har det uønskede effekter, såsom:

- En meget stor opvarmning i lederne kan være farlig og forårsage brand og forbrændinger.

- Elektroniske enheder med transistorer nedsætter deres ydelse og kan mislykkes, selvom de bliver for varme.

- De ledninger, der bærer elektrisk energi, oplever altid opvarmning, selv lidt, hvilket fører til bemærkelsesværdige energitab.

Dette skyldes, at kabler, der fører strøm fra kraftværker, kører i hundreder af kilometer. Så meget af den energi, de bærer, når ikke sin destination, fordi den er spildt undervejs.

For at undgå dette søges det, at lederne har mindst mulig modstand. Dette påvirkes af tre vigtige faktorer: ledningens længde, tværsnitsarealet og det materiale, hvorfra det er lavet.

De bedste ledere er metaller, hvor guld, sølv, platin eller kobber er nogle af de mest effektive. Kablerne er lavet af kobbertråd, et metal, som, selv om det ikke fører så godt som guld, er meget billigere.

Jo længere en ledning er, jo mere modstand har den, men ved at gøre dem tykkere, falder modstanden, fordi dette letter bevægelsen af ​​ladningsbærerne.

En anden ting, der kan gøres, er at reducere strømstyrken, så opvarmningen minimeres. Transformatorer er ansvarlige for at kontrollere intensiteten korrekt, det er derfor, de er så vigtige i transmission af elektrisk energi.

Øvelser

Øvelse 1

En radiator angiver, at den har en effekt på 2000W og er tilsluttet 220 V-stikket. Beregn følgende:

a) Intensiteten af ​​strømmen, der strømmer gennem radiatoren

b) Mængde elektrisk energi, der er omdannet efter en halv time

c) Hvis al denne energi investeres i opvarmning af 20 liter vand, der oprindeligt er ved 4 ºC, hvad vil da være den maksimale temperatur, som vandet kan opvarmes til?

Løsning på

Strøm er defineret som energi pr. Enhedstid. Hvis vi i ligningen, der er givet i begyndelsen, passerer faktoren Δt til højre, vil vi have nøjagtigt energi pr. Tidsenhed:

Opvarmningselementets modstand kan kendes gennem Ohms lov: V = IR, hvorfra det følger, at I = V / R. Dermed:

Således er de nuværende resultater:

Løsning b

I dette tilfælde Δt = 30 minutter = = 30 x 60 sekunder = 1800 sekunder. Værdien af ​​modstanden kræves også, hvilket er klart fra Ohms lov:

Værdierne erstattes i Joules lov:

Opløsning c

Mængden af ​​varme Q, der er nødvendig for at hæve en mængde vand til en bestemt temperatur, afhænger af den specifikke varme og variationen i temperaturen, der skal opnås. Det beregnes af:

Her m er massen af vand, C _e er den specifikke varme, som allerede er taget som data for problemet og AT er temperaturen variation.

Massen af ​​vand er den i 20 L. Det beregnes ved hjælp af densitet. Vandtætheden ρ _vand er forholdet mellem masse og volumen. Derudover skal du konvertere liter til kubikmeter:

Da m = densitet x volumen = ρV, er massen.

Bemærk, at det er nødvendigt at gå fra grader celsius til kelvin, tilføje 273,15 K. Ved at erstatte ovenstående i varmeforligningen:

Øvelse 2

a) Find udtryk for strøm og gennemsnitseffekten for en modstand, der er forbundet til en vekslende spænding.

b) Antag, at du har en hårtørrer med 1000 W strøm tilsluttet 120 V-stikket, find modstanden fra varmeelementet og spidsstrømmen - maksimal strøm - gennem det.

c) Hvad sker der med tørretumbleren, når den er tilsluttet en 240 V-stik?

Løsning på

Tapspændingen skifter i form V = V _o. sen ωt. Fordi det er variabelt i tiden, er det meget vigtigt at definere de effektive værdier for både spænding og strøm, som er betegnet med underskriptet "rms", der står for rod middelværdi kvadrat.

Disse værdier for strøm og spænding er:

Når man anvender Ohms lov, er strømmen som funktion af tiden som:

I et sådant tilfælde er kraften i en modstand krydset af en vekselstrøm:

Man ser, at strømmen også varierer med tiden, og at det er en positiv mængde, da alt er kvadratisk, og R altid er> 0. Middelværdien af ​​denne funktion beregnes ved integration i en cyklus og resultater:

Med hensyn til effektiv spænding og strøm ser strømmen sådan ud:

Løsning b

Anvendelse af den sidste ligning med de medfølgende data:

_{Gennemsnitlig} P = 1000 W og V _rms = 120 V

Derfor er den maksimale strøm gennem varmeelementet:

Modstand kan løses fra ligningen af ​​middelkraft:

P- _middel = V _rms. I _rms = 240 V x 16,7 A - 4000 W

Dette er cirka 4 gange den effekt, som varmeelementet er designet til, som vil brænde ud kort efter, at det er sat i denne stikkontakt.

Applikationer

Glødepærer

En glødepære producerer lys og også varme, som vi umiddelbart kan bemærke, når vi tilslutter den. Elementet, der frembringer begge effekter, er et meget tyndt ledertråd, som derfor har en høj modstand.

Takket være denne stigning i modstand, skønt strømmen er faldet i glødetråden, koncentreres Joule-effekten i en sådan grad, at glødetråd opstår. Glødetråden, der er lavet af wolfram på grund af det høje smeltepunkt på 3400 ºC, udsender lys og også varme.

Enheden skal være indkapslet i en gennemsigtig glasbeholder, der er fyldt med en inert gas, såsom argon eller nitrogen ved lavt tryk, for at undgå forringelse af glødetråden. Hvis det ikke gøres på denne måde, forbruger iltet i luften glødetråden, og pæren holder op med at arbejde øjeblikkeligt.

Magneto-termiske afbrydere

Magneternes magnetiske virkninger forsvinder ved høje temperaturer. Dette kan bruges til at oprette en enhed, der afbryder strømmen, når den er for stor. Dette er en magnetotermisk afbryder.

En del af kredsløbet, gennem hvilket strømmen strømmer, lukkes af en magnet fastgjort til en fjeder. Magneten klæber fast på kredsløbet takket være den magnetiske tiltrækning og forbliver det, så længe den ikke er svækket ved opvarmning.

Når strømmen overstiger en bestemt værdi, svækkes magnetismen, og fjederen løsner magneten, hvilket får kredsløbet til at åbne. Og da strømmen har brug for, at kredsløbet skal lukkes for at strømme, åbnes det, og strømmen af ​​strømmen afbrydes. Dette forhindrer, at kablerne opvarmes, hvilket kan forårsage ulykker såsom brande.

Sikringer

En anden måde at beskytte et kredsløb og afbryde strømmen af ​​strøm på rettidig måde er ved hjælp af en sikring, en metalstrimmel, der, når den opvarmes af Joule-effekten, smelter, hvilket forlader kredsløbet åben og afbryder strømmen.

Figur 2. En sikring er et kredsløbsbeskyttelseselement. Metal smelter, når det ledes gennem en for stor strøm. Kilde: Pixabay.

Ohmisk opvarmningspasteurisering

Den består af at føre en elektrisk strøm gennem fødevarer, der naturligt har elektrisk modstand. Til dette bruges elektroder lavet af antikorrosivt materiale. Madens temperatur stiger, og varmen ødelægger bakterierne, hvilket hjælper med at bevare den i længere tid.

Fordelen ved denne metode er, at opvarmning sker på meget mindre tid end den, der kræves ved konventionelle teknikker. Langvarig opvarmning ødelægger bakterier, men neutraliserer også vigtige vitaminer og mineraler.

Ohmisk opvarmning, der varer kun få sekunder, hjælper med at bevare ernæringsindholdet i mad.

Eksperimenter

Det følgende eksperiment består i at måle den mængde elektrisk energi, der omdannes til termisk energi, måling af mængden af ​​varme, der absorberes af en kendt masse af vand. For at gøre dette nedsænkes en opvarmningsspole i vand, hvorigennem en strøm ledes.

materialer

- 1 polystyrenkop

- Multimeter

- Celsius termometer

- 1 justerbar strømkilde, område 0-12 V

- Balance

- Tilslutningskabler

- Stopur

Behandle

Spolen opvarmes af joule-effekten og derfor også vandet. Vi skal måle massen af ​​vand og dets indledende temperatur og bestemme, til hvilken temperatur vi vil varme det op.

Figur 3. Eksperiment for at bestemme, hvor meget elektrisk energi der omdannes til varme. Kilde: F. Zapata.

Der foretages successive aflæsninger hvert minut, hvor strøm- og spændingsværdier registreres. Når posten er tilgængelig, beregnes den leverede elektriske energi ved hjælp af ligningerne:

Q = I ².R. Jout (Joule's Law)

V = IR (Ohms lov)

Og sammenlign med mængden af ​​varme, der absorberes af vandmassen:

Q = m. C _e. ΔT (se løst øvelse 1)

Da energi bevares, skal begge mængder være ens. Selvom polystyren har lav specifik varme og absorberer næsten ingen termisk energi, vil der stadig være nogle tab for atmosfæren. Den eksperimentelle fejl skal også tages i betragtning.

Tab i atmosfæren minimeres, hvis vandet opvarmes til det samme antal grader over stuetemperatur, som det var under, inden eksperimentet startede.

Med andre ord, hvis vandet var ved 10 ºC og omgivelsestemperaturen var 22 ºC, er du nødt til at bringe vandet op til 32 ºC.

Referencer

1. Kramer, C. 1994. Physics Practices. McGraw Hill. 197.
2. Sigten. Joule-effekt. Gendannes fra: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik til videnskab og teknik. Volumen 5. Elektrostatik. Redigeret af Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. 6 ^th. Ed Prentice Hall.
5. Hypertextual. Hvad er Joule-effekten, og hvorfor den er blevet noget transcendentalt i vores liv. Gendannes fra: hypertextual.com
6. Wikipedia. Joule-effekt. Gendannet fra: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule opvarmning. Gendannes fra: en. wikipedia.org.