JOULE-EFFEKT: FORKLARING, EKSEMPLER, ØVELSER, APPLIKASJONER - FYSISK - 2026

The Joule-effekt eller Joule 's lov er et resultat av omformingen av elektrisk energi til varme, som finner sted når en elektrisk strøm passerer gjennom en leder. Denne effekten er til stede når ethvert apparat eller enhet som trenger strøm for å fungere, er slått på.

Andre ganger er det uønsket, og det blir forsøkt å minimere det, det er derfor vifter blir lagt til på stasjonær PC for å spre varmen, siden det kan forårsake svikt i de interne komponentene.

Enhetene som bruker Joule-effekten for å produsere varme, har inne i en motstand som varmes opp når en strøm føres gjennom den, kalt et varmeelement.

Forklaring

Joule-effekten har sin opprinnelse i mikroskopisk skala i partikler, både de som utgjør et materiale og de som har elektrisk ladning.

Atomer og molekyler i et stoff er i sin mest stabile posisjon i stoffet. På sin side består den elektriske strømmen av en ordnet bevegelse av elektriske ladninger, som kommer fra den positive polen til batteriet. Når de kommer ut derfra har de mye potensiell energi.

Når de passerer påvirker de ladede partiklene materialets og får dem til å vibrere. Disse vil prøve å gjenvinne balansen de tidligere hadde, og levere overflødig energi til omgivelsene i form av merkbar varme.

Mengden varme som frigjøres Q avhenger av intensiteten til strømmen I, tiden det sirkulerer inne i lederen Δt og det motstandselementet R:

Ovennevnte ligning kalles Joule-Lenz-loven.

eksempler

To fysikere, britene James Joule (1818-1889) og russeren Heinrich Lenz (1804-1865) observerte uavhengig av at en strømførende ledning ikke bare ble varm, men strømmen minket under prosessen.

Da ble det slått fast at varmemengden som er spredt av motstanden, er proporsjonal med:

- Kvadratet av intensiteten til sirkulasjonsstrømmen.

- Tiden som den aktuelle strømmen forble flyter gjennom lederen.

- Motstanden til nevnte leder.

Varmenhetene er de samme energienhetene: joules, forkortet som J. Joule er en ganske liten energienhet, så andre blir ofte brukt, for eksempel kalorier.

For å transformere joules til kalorier, multipliser ganske enkelt med faktoren 0,24, slik at ligningen gitt i begynnelsen blir direkte uttrykt i kalorier:

Joule-effekt og elektrisk energitransport

Joule-effekten er velkommen til å produsere lokal varme, som brennere og hårføner. Men i andre tilfeller har det uønskede effekter, for eksempel:

- En veldig flott oppvarming i lederne kan være farlig og forårsake brann og brannskader.

- Elektroniske enheter med transistorer reduserer ytelsen og kan mislykkes selv om de blir for varme.

- Ledningene som fører elektrisk energi opplever alltid oppvarming, til og med litt, noe som fører til betydelige energitap.

Dette fordi kablene som fører strøm fra kraftverk kjører i hundrevis av kilometer. Så mye av energien de bærer når ikke målet, fordi det er bortkastet på vei.

For å unngå dette, blir det søkt at lederne har minst mulig motstand. Dette påvirkes av tre viktige faktorer: ledningens lengde, tverrsnittsarealet og materialet den er laget av.

De beste lederne er metaller, hvor gull, sølv, platina eller kobber er noe av det mest effektive. Ledningene til kablene er laget av kobberfilamenter, et metall som, selv om det ikke leder så bra som gull, er mye billigere.

Jo lenger en ledning er, jo mer motstand vil den ha, men ved å gjøre dem tykkere, reduseres motstanden, fordi dette letter bevegelsen til ladningsbærerne.

En annen ting som kan gjøres er å redusere strømstyrken, slik at oppvarmingen blir minimert. Transformatorer er ansvarlige for å kontrollere intensiteten riktig, det er derfor de er så viktige for overføring av elektrisk energi.

Øvelser

Oppgave 1

En radiator indikerer at den har en effekt på 2000W og er koblet til 220 V-kontakten. Beregn følgende:

a) Intensiteten til strømmen som strømmer gjennom radiatoren

b) Mengde elektrisk energi som har blitt transformert etter en halv time

c) Hvis all denne energien blir investert i å varme opp 20 liter vann som opprinnelig er ved 4 ºC, hva vil da være den maksimale temperaturen som vannet kan varmes opp til?

Løsning på

Kraft er definert som energi per tidsenhet. Hvis vi i ligningen gitt i begynnelsen passerer faktoren Δt til høyre, vil vi ha nøyaktig energi per tidsenhet:

Motstanden til varmeelementet kan være kjent gjennom Ohms lov: V = IR, hvorfra det følger at I = V / R. Og dermed:

Dermed resultatene:

Løsning b

I dette tilfellet Δt = 30 minutter = = 30 x 60 sekunder = 1800 sekunder. Verdien av motstanden er også påkrevd, noe som er klarert fra Ohms lov:

Verdiene er erstattet i Joules lov:

Løsning c

Mengden varme Q som er nødvendig for å heve en mengde vann til en viss temperatur, avhenger av den spesifikke varmen og variasjonen i temperatur som må oppnås. Det beregnes av:

Her er m vannmassen, C _e er den spesifikke varmen, som allerede er tatt som data for problemet, og ΔT er variasjonen i temperatur.

Vannmassen er den i 20 L. Det beregnes ved hjelp av tetthet. Tettheten av vann ρ _vann er forholdet mellom masse og volum. I tillegg må du konvertere liter til kubikkmeter:

Siden m = tetthet x volum = ρV, er massen.

Legg merke til at vi må gå fra grader celsius til kelvin, og legge til 273,15 K. Å erstatte ovennevnte i varmeforligningen:

Oppgave 2

a) Finn uttrykk for kraft og gjennomsnittseffekten for en motstand koblet til en vekslende spenning.

b) Anta at du har en hårføner med 1000W strøm tilkoblet 120 V-kontakten, finn motstanden til varmeelementet og toppstrømmen - maksimal strøm - gjennom den.

c) Hva skjer med tørketrommelen når den er koblet til en 240 V-kontakt?

Løsning på

Kretsspenningen veksler, i formen V = V _o . sen ωt. Fordi det er variabelt i tid, er det veldig viktig å definere de effektive verdiene for både spenning og strøm, som er betegnet med underskriptet "rms", som står for root mean square.

Disse verdiene for strøm og spenning er:

Når du bruker Ohms lov, er strømmen som en funksjon av tiden som:

I et slikt tilfelle er kraften i en motstand krysset av en vekselstrøm:

Man ser at kraften også varierer med tiden, og at det er en positiv mengde, siden alt er kvadratisk og R alltid er> 0. Middelverdien for denne funksjonen beregnes ved integrasjon i en syklus og resultater:

Når det gjelder effektiv spenning og strøm, ser strømmen slik ut:

Løsning b

Bruke den siste ligningen med de medfølgende dataene:

_Gjennomsnitt P = 1000 W og V _rms = 120 V

Derfor er den maksimale strømmen gjennom varmeelementet:

Motstand kan løses fra likningen av middelkraft:

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

Dette er omtrent fire ganger wattvarmen varmeelementet er designet for, som vil brenne ut like etter at det er koblet til dette uttaket.

applikasjoner

Glødepærer

En glødepære produserer lys og også varme, som vi umiddelbart kan merke når vi kobler den til. Elementet som produserer begge effektene er et veldig tynt ledertråd, som derfor har en høy motstand.

Takket være denne økningen i motstand, selv om strømmen har sunket i glødetråden, er Joule-effekten konsentrert i en slik grad at glødetråd oppstår. Filamentet, laget av wolfram på grunn av det høye smeltepunktet på 3400 ºC, avgir lys og varme.

Enheten skal være innkapslet i en gjennomsiktig glassbeholder, som er fylt med en inert gass, for eksempel argon eller nitrogen ved lavt trykk, for å unngå forringelse av glødetråden. Hvis det ikke gjøres på denne måten, forbruker oksygenet i luften glødetråden og pæren slutter å virke øyeblikkelig.

Magneto-termiske brytere

Magnetiske effekter av magneter forsvinner ved høye temperaturer. Dette kan brukes til å lage en enhet som avbryter strømmen når den er for stor. Dette er en magnetotermisk bryter.

En del av kretsen som strømmen strømmer gjennom, lukkes av en magnet festet til en fjær. Magneten fester seg til kretsen takket være den magnetiske tiltrekningen og forblir det, så lenge den ikke er svekket ved oppvarming.

Når strømmen overstiger en viss verdi, svekkes magnetismen og fjæren løsner magneten, noe som får kretsen til å åpne. Og siden strømmen trenger at kretsen skal lukkes for å strømme, åpnes den og strømmen av strøm blir avbrutt. Dette forhindrer at kablene oppvarmes, noe som kan forårsake ulykker som branner.

sikringer

En annen måte å beskytte en krets og avbryte strømmen på rett tid er ved hjelp av en sikring, en metallstrimmel som, når den varmes opp av Joule-effekten, smelter, og lar kretsen være åpen og avbryte strømmen.

Figur 2. En sikring er et kretsbeskyttelseselement. Metall smelter når det blir ført gjennom for stor strøm. Kilde: Pixabay.

Ohmisk varmepasteurisering

Den består av å føre en elektrisk strøm gjennom mat, som naturlig har elektrisk motstand. Elektroder laget av antikorrosivt materiale brukes til dette. Temperaturen på maten stiger, og varmen ødelegger bakteriene, og hjelper til med å bevare den lenger.

Fordelen med denne metoden er at oppvarming skjer på mye kortere tid enn det som kreves ved konvensjonelle teknikker. Langvarig oppvarming ødelegger bakterier, men nøytraliserer også viktige vitaminer og mineraler.

Ohmisk oppvarming, som varer bare noen sekunder, hjelper til med å bevare næringsinnholdet i maten.

eksperimenter

Det neste eksperimentet består i å måle mengden elektrisk energi konvertert til termisk energi, måle mengden varme som absorberes av en kjent masse vann. For å gjøre dette blir en varmebatteri nedsenket i vann, gjennom hvilken en strøm føres gjennom.

materialer

- 1 isoporkopp

- Multimeter

- Celsius termometer

- 1 justerbar strømkilde, rekkevidde 0-12 V

- Balanse

- Tilkoblingsledninger

- Stoppeklokke

Prosess

Spolen varmes opp av joule-effekten og derfor også vannet. Vi må måle massen av vann og dens begynnelsestemperatur, og bestemme til hvilken temperatur vi skal varme den opp.

Figur 3. Eksperiment for å bestemme hvor mye elektrisk energi som blir transformert til varme. Kilde: F. Zapata.

Påfølgende målinger blir tatt hvert minutt, og registrerer nåværende og spenningsverdier. Når posten er tilgjengelig, beregnes den tilførte elektriske energien ved å bruke ligningene:

Q = I ² .R. Jout (Joules lov)

V = IR (Ohms lov)

Og sammenlign med mengden varme som absorberes av vannmassen:

Q = m. C _e . ΔT (se løst oppgave 1)

Siden energi er konservert, bør begge mengder være like. Selv om polystyren har lav spesifikk varme og absorberer nesten ingen termisk energi, vil det likevel være noen tap for atmosfæren. Den eksperimentelle feilen må også tas med i betraktningen.

Tap i atmosfæren minimeres hvis vannet varmes opp samme antall grader over romtemperatur som det var under før eksperimentet startet.

Med andre ord, hvis vannet var ved 10 ºC og omgivelsestemperaturen var 22 ºC, må du føre vannet opp til 32 ºC.

referanser

1. Kramer, C. 1994. Physics Practices. McGraw Hill. 197.
2. Siktet. Joule-effekt. Gjenopprettet fra: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 5. Elektrostatikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 ^th . Ed Prentice Hall.
5. Hypertekstuell. Hva er Joule-effekten og hvorfor den har blitt noe transcendental i livene våre. Gjenopprettet fra: hypertextual.com
6. Wikipedia. Joule-effekt. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule oppvarming. Gjenopprettet fra: no. wikipedia.org.