JOULE EFEKT: OBJAŠNJENJE, PRIMJERI, VJEŽBE, APLIKACIJE - FIZIČKA - 2024

Joule učinak ili Jouleov zakon je rezultat transformacije električne energije u toplinu, koja se odvija kada električna struja prolazi kroz vodič. Taj je učinak prisutan kad god je uključen bilo koji uređaj ili uređaj kojem je potrebna električna energija.

Drugi put je nepoželjan i nastoji se svesti na najmanju moguću mjeru, zato se na stolno računalo dodaju ventilatori kako bi se razišla toplina, jer može prouzrokovati kvar unutarnjih komponenti.

Uređaji koji koriste Joule efekt za proizvodnju topline imaju otpor koji se zagrijava kada kroz njega prođe struja, nazvan grijaći element.

Obrazloženje

Joule efekt ima svoje podrijetlo na mikroskopskoj ljestvici u česticama, kako onima koje čine materijal, tako i onima koje nose električni naboj.

Atomi i molekule neke tvari su u njihovom najstabilnijem položaju unutar tvari. Sa svoje strane, električna struja se sastoji od uređenog pokreta električnih naboja, koji dolaze iz pozitivnog pola baterije. Kad izađu odavde, imaju puno potencijalne energije.

Kako prolaze, nabijene čestice utječu na one materijale i uzrokuju ih da vibriraju. Oni će pokušati povratiti ravnotežu koju su prethodno imali, dostavljajući višak energije svojoj okolini u obliku osjetljive topline.

Količina oslobođene topline Q ovisi o intenzitetu struje I, vremenu za koje cirkulira unutar vodiča Δt i otporničkog elementa R:

Gornja jednadžba naziva se Joule-Lenzov zakon.

Primjeri

Dva fizičara, Britanac James Joule (1818.-1889.) I Rus Heinrich Lenz (1804-1865.), Neovisno su primijetili da žica koja nosi struju ne samo da postaje vruća, nego se i struja smanjuje tijekom procesa.

Tada je utvrđeno da je količina topline koja se otpora otpora proporcionalna:

- Kvadrat intenziteta cirkulirajuće struje.

- Vrijeme koje je spomenuta struja ostalo teče kroz provodnik.

- Otpor navedenog vodiča.

Jedinice topline su iste jedinice energije: joule, skraćeno J. J. Joule je prilično mala jedinica energije, pa se često koriste i druge, na primjer, kalorije.

Za pretvaranje joula u kalorije jednostavno pomnožite s faktorom 0,24, tako da jednadžba koja je dana na početku izravno izražena u kalorijama:

Joule efekt i transport električne energije

Joule efekt je dobrodošao za proizvodnju lokalizirane topline, poput plamenika i sušila za kosu. Ali u drugim slučajevima, ima neželjene efekte, kao što su:

- Vrlo veliko zagrijavanje u vodičima može biti opasno, uzrokovati požare i opekline.

- Elektronički uređaji s tranzistorima smanjuju njihove performanse i mogu se pokvariti čak i ako se pregriju.

- Žice koje nose električnu energiju uvijek imaju grijanje, čak i neznatno, što dovodi do značajnih gubitaka energije.

To je zato što kablovi koji nose struju iz elektrana prolaze stotinama kilometara. Toliko energije koju nose ne dosegne svoje odredište, jer se troši na putu.

Da bi se to izbjeglo, traži se da vodiči imaju najmanji mogući otpor. Na to utječu tri važna čimbenika: duljina žice, područje poprečnog presjeka i materijal od kojeg je izrađena.

Najbolji vodiči su metali, pri čemu su zlato, srebro, platina ili bakar neki od najučinkovitijih. Žice kablova izrađene su od bakrenih filamenata, metala koji, iako se ne vodi tako dobro, od zlata, mnogo je jeftiniji.

Što je žica duža, to će je veći otpor imati, ali čineći ih debljima otpor se smanjuje, jer to olakšava kretanje nosača naboja.

Još jedna stvar koja se može učiniti je smanjiti intenzitet struje, kako bi se grijanje svelo na minimum. Transformatori su odgovorni za pravilno upravljanje intenzitetom, zato su toliko važni u prijenosu električne energije.

vježbe

Vježba 1

Radijator pokazuje da je snage 2000 W i spojen je na 220 V utičnicu. Izračunajte sljedeće:

a) Intenzitet struje koja teče kroz radijator

b) Količina električne energije koja se transformira nakon pola sata

c) Ako svu tu energiju uložimo u zagrijavanje 20 litara vode koja je u početku na 4 ° C, koja će biti maksimalna temperatura na koju se voda može zagrijati?

Rješenje za

Snaga se definira kao energija po jedinici vremena. Ako u jednadžbi danoj na početku prebacimo faktor Δt udesno, imat ćemo precizno energiju po jedinici vremena:

Otpor grijaćeg elementa možemo znati kroz Ohmov zakon: V = IR, iz čega proizlazi da je I = V / R. Tako:

Dakle trenutni rezultati:

Rješenje b

U ovom slučaju Δt = 30 minuta = = 30 x 60 sekundi = 1800 sekundi. Potrebna je i vrijednost otpora, koja je očišćena iz Ohmovog zakona:

Vrijednosti su supstituirane u Joule-ovom zakonu:

Rješenje c

Količina topline Q potrebna za podizanje količine vode na određenu temperaturu ovisi o specifičnoj toplini i promjeni temperature koju treba dobiti. Izračunava se prema:

Ovdje je m masa vode, C _e specifična toplina, koja se već uzima kao podatak za problem, a ΔT je promjena temperature.

Masa vode je ta koja iznosi 20 L. Izračunava se uz pomoć gustoće. Gustoća vode ρ _vode je omjer mase i volumena. Osim toga, morate pretvoriti litre u kubične metre:

Budući da je m = gustoća x zapremina = ρV, masa je.

Imajte na umu da je potrebno prijeći iz stupnjeva Celzijusa u kelvin, dodajući 273,15 K. Zamjena gore navedenog u jednadžbi topline:

Vježba 2

a) Pronađite izraze snage i prosječne snage za otpor spojen na izmjenični napon.

b) Pretpostavimo da imate sušilo za kosu snage 1000 W spojeno na 120 V utičnicu, kroz njega pronađite otpor grijaćeg elementa i vršnu struju - maksimalnu struju.

c) Što se događa sa sušilicom kad je spojena na 240 V utičnicu?

Rješenje za

Napon slavine je naizmjenični, u obliku V = V _o. sen ωt. Obzirom da je vrijeme promjenjivo, vrlo je važno definirati efektivne vrijednosti napona i struje, koje su označene s podpisom "rms", što znači korijenski srednji kvadrat.

Ove vrijednosti za struju i napon su:

Kada se primjenjuje Ohmov zakon, struja kao funkcija vremena je sljedeća:

U takvom slučaju snaga u otporniku koji je presijecana izmjeničnom strujom je:

Vidi se da snaga također varira s vremenom i da je to pozitivna količina, jer je sve u kvadratu, a R je uvijek> 0. Srednja vrijednost ove funkcije izračunava se integracijom u ciklusu i rezultatima:

Snaga izgleda u pogledu efektivnog napona i struje ovako:

Rješenje b

Primjena zadnje jednadžbe s priloženim podacima:

_{Srednja vrijednost} P = 1000 W i V _rms = 120 V

Stoga je maksimalna struja kroz grijaći element sljedeća:

Otpor se može riješiti jednadžbom srednje snage:

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

To je otprilike 4 puta veće od snage za koju je dizajniran grijaći element, koja će izgorjeti ubrzo nakon uključivanja u ovaj utičnicu.

Prijave

Žarulje sa žarnom niti

Žarulja sa žarnom niti proizvodi svjetlost, a također i toplinu, što možemo primijetiti odmah kada je povežemo. Element koji proizvodi oba učinka je vrlo tanka provodnička nit koja zbog toga ima visoku otpornost.

Zahvaljujući ovom povećanju otpora, iako se struja smanjila u žarulji, Joule-ov efekt koncentriran je do te mjere da dolazi do žarulje. Vlakna, izrađena od volframa zbog svog visokog tališta od 3400 ºC, emitira svjetlost i toplotu.

Uređaj treba biti zatvoren u prozirnu staklenu posudu koja je napunjena inertnim plinom, poput argona ili dušika pri niskom tlaku, kako bi se izbjeglo propadanje niti. Ako se ne napravi na ovaj način, kisik u zraku troši žarulju i žarulja prestaje raditi.

Magneto-toplinski prekidači

Magnetski učinci magneta nestaju pri visokim temperaturama. Ovo se može koristiti za stvaranje uređaja koji prekida protok struje, kada je pretjeran. Ovo je magnetotermički prekidač.

Dio kruga kroz koji struja teče zatvoren je magnetom pričvršćenim na oprugu. Magnet se zalijepi u krug zahvaljujući magnetskoj privlačnosti i ostaje takav, sve dok nije oslabljen zagrijavanjem.

Kad struja pređe određenu vrijednost, magnetizam slabi i opruga odvaja magnet, uzrokujući otvaranje kruga. A budući da struji treba zatvoriti krug da bi mogao teći, on se otvara i protok struje se prekida. To sprečava da se kablovi zagrijavaju, što može prouzrokovati nesreće poput požara.

Osigurači

Drugi način da zaštitite strujni krug i pravodobno prekinete struju je pomoću osigurača, metalne trake koja se zagrijavanjem efektom Joule rastopi, ostavljajući krug otvoren i prekidajući struju.

Slika 2. Osigurač je element zaštitnog kruga. Metal se topi kada kroz njega prođe pretjerana struja. Izvor: Pixabay.

Ohmička pasterizacija grijanja

Sastoji se od prolaska električne struje kroz hranu, koja prirodno ima električni otpor. Za to se koriste elektrode napravljene od antikorozivnog materijala. Temperatura hrane raste, a toplina uništava bakterije pomažući ih duže očuvati.

Prednost ove metode je u tome što se zagrijavanje događa u mnogo manje vremena nego što to zahtijeva uobičajena tehnika. Dugo zagrijavanje uništava bakterije, ali i neutralizira osnovne vitamine i minerale.

Ohimsko grijanje, koje traje samo nekoliko sekundi, pomaže u očuvanju prehrambenih sadržaja hrane.

eksperimenti

Sljedeći se eksperiment sastoji od mjerenja količine električne energije pretvorene u toplinsku energiju mjerenjem količine topline koju apsorbira poznata masa vode. Da biste to učinili, zavojnica za grijanje uronjena je u vodu, kroz koju prolazi struja.

materijali

- 1 šalica polistirena

- Multimetar

- Celzijusov termometar

- 1 podesivi izvor napajanja, raspon 0-12 V

- Ravnoteža

- Priključni kablovi

- Štoperica

Postupak

Zavojnica se zagrijava efektom joule, a samim tim i vodom. Moramo izmjeriti masu vode i njenu početnu temperaturu i utvrditi na kojoj ćemo je temperaturi zagrijavati.

Slika 3. Eksperimentirajte kako biste utvrdili koliko se električne energije pretvara u toplinu. Izvor: F. Zapata.

Uzastopna očitanja obavljaju se svake minute, bilježeći vrijednosti struje i napona. Kad je zapis dostupan, isporučena električna energija se izračunava pomoću jednadžbi:

Q = I ².R. Δt (Jouleov zakon)

V = IR (Ohmov zakon)

Usporedite s količinom topline koju apsorbira vodena voda:

Q = m. C _e. ΔT (vidi riješenu vježbu 1)

Kako se energija čuva, obje bi količine trebale biti jednake. Međutim, iako polistiren ima nisku specifičnu toplinu i ne apsorbira gotovo nikakvu toplinsku energiju, atmosfera će i dalje biti neki. Eksperimentalna pogreška također se mora uzeti u obzir.

Gubici u atmosferi su minimizirani ako se voda zagrijava na isti broj stupnjeva iznad sobne temperature kao i prije početka pokusa.

Drugim riječima, ako je voda bila na 10 ° C, a temperatura okoline 22 ° C, vodu morate povisiti na 32 ° C.

Reference

1. Kramer, C. 1994. Fizika prakse. McGraw Hill. 197.
2. Sito. Joule efekt. Oporavilo od: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 5. Elektrostatika. Uredio Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela s primjenama. 6. ^st. Ed Prentice Hall.
5. Hipertekstualna. Kakav je Joule efekt i zašto je postao nešto transcendentalno u našem životu. Oporavak od: hipertekstualne.com
6. Wikipedia. Joule efekt. Oporavak od: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule grijanje. Oporavak od: en. wikipedia.org.