Wyjaśnienie efektu Joule, przykłady, ćwiczenia, aplikacje

On Efekt Joule o Prawo Joule'a jest wynikiem transformacji energii cieplnej, która ma miejsce, gdy prąd elektryczny przechodzi przez kierowcę. Ten efekt jest obecny, pod warunkiem, że każde urządzenie lub urządzenie, które wymaga prądu do pracy.

Tak więc efekt Joule obserwuje się codziennie. Czasami jest to przydatne, takie jak urządzenia domowe i kuchenne (podgrzewacz wody, suszarki do włosów, talerze, piece itp.)

Innym razem jest niepożądany i stara się go zminimalizować, więc komputer biurkowy jest dodawany wentylatory w celu rozproszenia ciepła, ponieważ może powodować awarie wewnętrznych komponentów.

Urządzenia, które wykorzystują efekt Joule do wytwarzania ciepła, mają opór ogrzewany, gdy jest przekazywany, nazywany Element grzewczy.

[TOC]

Wyjaśnienie

Efekt Joule ma swoje pochodzenie w mikroskopowej skali cząstek, zarówno tych, którzy tworzą materiał, jak i te, które transportują ładunek elektryczny.

Atomy i cząsteczki w substancji znajdują się w najbardziej stabilnej pozycji. Ze swojej strony prąd elektryczny składa się z uporządkowanego ruchu ładunków elektrycznych, które pochodzą z dodatniego słupa akumulatora. Wychodząc tam, mają dużo energii potencjalnej.

Na ich drodze obciążone cząsteczki wpływają na cząsteczki materiału i sprawiają, że wibrują. Spróbują odzyskać równowagę, jaką wcześniej mieli, dostarczając nadmiar energii do swojego środowiska w postaci dostrzegalnego ciepła.

Ilość odłączonego ciepła zależy od intensywności prądu Siema, Czas, który krąży w sterowniku Δt i elementu rezystancyjnego R:

Q = i².R. ΔT (dżule)

Poprzednie równanie nazywa się prawem Joule-Lenz.

Przykłady

Dwóch fizyków, Brytyjski James Joule (1818–1889) i rosyjski Heinrich Lenz (1804–1865), niezależnie, że drut, który transportował prąd nie tylko ogrzewany, ale jego prąd spadł podczas procesu.

Następnie ustalono, że ilość ciepła rozproszonego przez opór jest proporcjonalny do:

- Kwadrat intensywności prądu.

- Czas, w którym prąd pozostał przepływający przez kierowcę.

- Opór wspomnianego kierowcy.

Jednostki ciepła to te same jednostki energii: dżuli, skrócone jako j. Joule jest dość małą jednostką energii, więc na przykład używane są inne takie jak kalorie.

Aby przekształcić dżule w kalorie, wystarczy pomnożyć przez współczynnik 0,24, tak że równanie podane na początku, zostało wyrażone bezpośrednio w kalorii:

Q = 0,24. Siema².R. ΔT (kalorie)

Efekt Joule i transport energii elektrycznej

Efekt Joule może wytwarzać zlokalizowane ciepło, takie jak suszarki rogu i włosów. Ale w innych przypadkach ma niechciane skutki, takie jak:

- Bardzo duże ocieplenie kierowców może być niebezpieczne, powodując pożary i oparzenia.

- Urządzenia elektroniczne z tranzystorami zmniejszają ich wydajność i mogą się nie powieść, nawet jeśli zbyt dużo się podgrzewają.

- Druty transportujące energię elektryczną zawsze doświadczają ogrzewania, nawet jeśli jest łagodna, co prowadzi do znaczących strat energii.

To dlatego, że kable, które prąd przenoszą z roślin elektrycznych, mają setki kilometrów. Wtedy znaczna część energii, którą noszą, nie dociera do celu, ponieważ jest zmarnowana po drodze.

Może ci służyć: magnetyzm: właściwości magnetyczne materiałów, zastosowania

Aby tego uniknąć, kierowcy starają się mieć jak najwięcej oporu. Wpływają na to trzy ważne czynniki: długość drutu, powierzchnia krzyżowa i materiał, z którym jest wytwarzany.

Najlepszymi sterowcami są metale, to złoto, srebro, platyna lub miedź niektóre z najbardziej wydajnych. Druty kabli są wytwarzane na podstawie miedzianych włókien, metalu, który chociaż nie jeździ tak dobrze, jak złoto, jest znacznie tańszy.

Im dłużej drut, tym większy opór, ale poprzez wytwarzanie ich grubszej, opór zmniejsza się, ponieważ ułatwia to ruch nośników obciążenia.

Kolejną rzeczą, którą można zrobić, jest zmniejszenie intensywności prądu, aby ogrzewanie zostało zminimalizowane. Transformatory są odpowiedzialne za prawidłowe kontrolowanie intensywności, więc są one tak ważne w transmisji energii elektrycznej.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Chłodnica wskazuje, że ma moc 2000 W i jest związany z przyjmowaniem 220 v. Oblicz następujące:

a) intensywność prądu, który krąży przez chłodnicy

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

c) Jeśli cała ta energia jest odwrócona w ogrzewaniu 20 litrów wody, która początkowo jest w temperaturze 4 ° C, jaka będzie maksymalna temperatura, w której można ogrzać wodę?

Dane: ciepło właściwe wody wynosi CE = 4180 J/kg.K

Rozwiązanie

Moc jest definiowana jako energia na jednostkę czasu. Jeśli w równaniu podanym na początku przekazujemy współczynnik Δt Po prawej stronie będzie precyzyjnie energia na jednostkę czasu:

Q = i².R. ΔT → P = Q/ δt = i². R

Odporność elementu grzewczego może być znana poprzez prawo Ohma: V = i.R, z którego to następuje I = v/r. W związku z tym:

P = i². (V/i) = i. V

Zatem prąd to:

I = p / v = 2000 w / 220 v = 9.09 a.

Rozwiązanie b

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

R = v / i = 220 v / 9.09 a = 24.2 Ohm

Wartości są zastępowane w prawie Joule:

Q = (9.09 a)². 24.2 Ohm . 1800 s = 3.600.000 J = 3600 kJ.

Rozwiązanie c

Ilość ciepła Q konieczne do podniesienia ilości wody w określonej temperaturze zależy od ciepła właściwego i zmiany temperatury, którą należy uzyskać. Jest obliczany przez:

Q = m. C_I. Δt

Tutaj M To masa wody, C_I Jest to ciepło właściwe, które ma już problem i Δt Jest to zmienność temperatury.

Masa wody jest tym, co jest w 20 l. Oblicza się za pomocą gęstości. Gęstość wody ρ_woda Jest to iloraz między masą a objętością. Ponadto musisz przekształcić litrów na metry sześcienne:

20 l = 0.02 m³

Jak m = gęstość x objętość = ρv, Ciasto jest.

M = 1000 kg/m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

ΔT = temperatura końcowa - temperatura początkowa = t_F - 4 ºC = t_F - 277.15 K

Zauważ, że musisz przejść od stopni Celsjusza do Kelvina, dodając 273.15 K. Zastąpienie powyższego w równaniu cieplnym:

3.600.000 J = 20 kg x 4180 J/kg . K . (T_F - 277.piętnaście)

T_F = 3.600.000 J/(20 kg x 4180 J/kg . K) + 277.15 k = 320. 2 k = 47.05 ºC.

Ćwiczenie 2

a) Znajdź wyrażenia mocy i średniej mocy dla oporu podłączonego do napięcia alternatywnego.

Może ci służyć: pozorna gęstość: rozstrzygnięte formuły, jednostki i ćwiczenia

b) Załóżmy, że masz suszarkę do włosów z 1000 W mocy podłączoną do spożycia 120 V, znajdź odporność elementu grzewczego i prądu szczytowego - maksymalny narożnik - który go przecina.

c) Co stanie się z suszarką podczas łączenia go z przyjmowaniem 240 V?

Rozwiązanie

Napięcie strzału jest naprzemienne, formy V = v_albo. Sen ωt. Ponieważ jest z czasem zmienne, jest to bardzo ważneRMS”, Akronim dla Root średnia kwadrat.

Te wartości prądu i napięcia to:

Siema_RMS = 0.707 i_albo

V_RMS = 0.707 v_albo

Podczas stosowania prawa Ohma obecny jako funkcja czasu jest:

I = v/r = v_albo. sin ωT /r = i_albo. sin ωT

W takim przypadku moc w oporze przekraczanym przez prąd naprzemiennie jest:

P = i².R = (i_albo. sin ωT)².R = i_albo².R . Sen² ωt

Widać, że moc jest również zmienia się w czasie i że jest to dodatnia ilość, ponieważ wszystko jest przycięte na kwadrat, a R jest zawsze> 0. Średnia wartość tej funkcji jest obliczana przez integrację z cyklem i wyniki:

P_połowa = ½. Siema_albo².R = i_RMS².R

Pod względem efektywnego napięcia i prądu moc pozostaje taka:

P_połowa = V_RMS. Siema_RMS

Siema_RMS = P_połowa / V_RMS = P_połowa / 0.707 v_albo

Rozwiązanie b

Zastosowanie ostatniego równania z dostarczanymi danymi:

P_połowa = 1000 W i V_RMS = 120 v

Siema_RMS = P_połowa / V_RMS = 1000 W / 120 V = 8.33 a

Dlatego maksymalny prąd przez element ogrzewania to:

Siema_albo = I_RMS /0.707 = 8.33 A/0.707 = 11.8 a

Opór można usunąć ze średniego równania mocy:

P_połowa = I_RMS².R → R = P_połowa / SIEMA_RMS² = 1000 W / (8.33 a)² = 14.41 Ohm.

Rozwiązanie c

W przypadku połączenia z przyjmowaniem 240 V średnia moc zmienia się:

Siema_RMS = V_RMS / R = 240 v / 14.41 OHM = 16.7 a

P_połowa = V_RMS. Siema_RMS = 240 V x 16.7 do ≈ 4000 W

Jest to około 4 -krotność mocy, dla której zaprojektowany jest element grzewczy, który zostanie spalony wkrótce po podłączeniu do tego strzału.

Aplikacje

Żarówki

Żarówka żarowa wytwarza światło, a także ciepło, które możemy natychmiast zauważyć podczas jej podłączania. Element, który wytwarza oba efekty, jest bardzo cienki filament kierowcy, dlatego ma wysoki opór.

Dzięki temu wzrostowi oporności, chociaż prąd spadł w włóknie, efekt dżouła jest skoncentrowany do tego stopnia, że ​​występuje. Filament, wykonany z wolframu, ponieważ ma wysoką temperaturę topnienia 3400 ° C, emituje światło, a także ciepło.

Urządzenie musi być zablokowane w przezroczystym szklanym pojemniku, który jest wypełniony gazem obojętnym, takim jak argon lub azot niskiego ciśnienia, aby uniknąć pogorszenia się filamentu. Jeśli nie jest to zrobione w ten sposób, tlen powietrza zużywa filamentu, a żarówka przestaje pracować nad ustawą.

Przełączniki w teatrze magneto

Magnetyczne efekty magnesów znikają w wysokich temperaturach. Można tego użyć do stworzenia urządzenia, które przerywa przejście prądu, gdy jest on nadmierny. Składa się to z przełącznika magnetotermalnego.

Część obwodu, przez który prąd jest zamknięty za pomocą magnesu podlegającego dokowi. Magnes przylega do obwodu dzięki przyciąganiu magnetycznemu, a zatem pozostaje, podczas gdy nie jest on osłabiony z powodu ogrzewania.

Może ci służyć: energia potencjalna: cechy, typy, obliczenia i przykłady

Gdy prąd przekracza pewną wartość, magnetyzm osłabia się, a dokerowanie zdejmuje magnes, powodując otwarcie obwodu. A ponieważ prąd wymaga zamknięcia obwodu do przepływu, otwiera. W ten sposób zapobiega się ogrzewaniu kabli, które mogłyby powodować wypadki, takie jak pożary.

Bezpieczniki

Innym sposobem ochrony obwodu i terminowego przerywania prądu przepustki jest bezpiecznik, metalowy pasek, który po ogrzewaniu przez działanie dżul, stopi, pozostawiając obwód otwarty i przerywając prąd.

Rysunek 2. Bezpiecznik jest elementem ochronnym obwodu. Metal topi się, gdy jest przecinany przez nadmierny prąd. Źródło: Pixabay.

Pasteryzacja przez omowe ogrzewanie

Polega na przekazywaniu prądu elektrycznego przez żywność, która naturalnie ma opór elektryczny. W tym celu stosuje się elektrody wykonane z materiału antykoorosiowego. Temperatura żywności wzrasta, a ciepło niszczy bakterie, pomagając je dłużej zachować.

Zaletą tej metody jest to, że ocieplenie występuje w znacznie krótszym czasie niż wymagane za pomocą konwencjonalnych technik. Długotrwałe ocieplenie niszczy bakterie, ale także neutralizuje niezbędne witaminy i minerały.

Omakowe ogrzewanie, które trwa zaledwie kilka sekund, pomaga zachować zawartość odżywienia żywności.

Eksperymenty

Poniższy eksperyment polega na pomiaru ilości energii elektrycznej przekształconej w energię cieplną, mierząc ilość ciepła pochłoniętej przez znaną masę wody. W tym celu cewka grzewcza jest zanurzona w wodzie, przez którą przechodzi prąd.

Materiały

- 1 szklanka polistyrenu

- Multimetr

- Termometr Celsjusza

- 1 źródło mocy regulowanej, zakresu 0-12 v

- Balansować

- Kable połączeń

- Chronometr

Procedura

Cewka jest ogrzewana przez efekt Joule, a zatem woda też. Musisz zmierzyć masę wody i jej początkową temperaturę i ustalić, jaką temperaturę ją podgrzejemy.

Rysunek 3. Eksperyment, aby ustalić, ile energii elektrycznej przekształca się w ciepło. Źródło: f. Zapata.

Kolejne odczyty są przyjmowane co minutę, rejestrując wartości prądu i napięcia. Po dostępnej rejestracji energia elektryczna dostarczana przez równania:

Q = i².R. Δt (Prawo dżul)

V = i.R (Prawo Ohma)

I porównaj z ilością ciepła pochłanianego przez masę wody:

Q = m. C_I. Δt (Patrz ćwiczenie rozwiązane 1)

W miarę zachowania energii obie ilości powinny być takie same. Jednak chociaż polistyren ma ciepło właściwe i prawie nie wchłania energii cieplnej, będą również pewne straty w kierunku atmosfery. Musisz także wziąć pod uwagę błąd eksperymentalny.

Straty atmosfery są minimalizowane, jeśli woda jest podgrzewana taka sama liczba stopni powyżej temperatury otoczenia, która była poniżej przed rozpoczęciem eksperymentu.

Innymi słowy, jeśli woda wynosiła 10 ° C, a temperatura otoczenia wynosiła 22 ° C, musisz wziąć wodę do 32 ºC.

Bibliografia

1. Kramer, c. 1994. Praktyki fizyki. McGraw Hill. 197.
2. Sito. Efekt Joule. Odzyskany z: eltamiz.com.
3. Figueroa, zm. (2005). Seria: Fizyka nauk i inżynierii. Tom 5. Elektrostatyka. Pod redakcją Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, zm. 2006. Fizyka: zasady z aplikacjami. 6^th. Ed Prentice Hall.
5. Hipertekstualny. Jaki jest efekt dżouła i dlaczego stało się to coś transcendentalnego dla naszego życia. Odzyskany z: hipertekstualny.com
6. Wikipedia. Efekt Joule. Odzyskane z: jest.Wikipedia.org.
7. Wikipedia. Ogrzewanie Joule. Źródło: w:. Wikipedia.org.