JOULEOV EFEKT: VYSVETLENIE, PRÍKLADY, CVIČENIA, APLIKÁCIE - FYZICKÝ - 2025

Joule účinok alebo Joule zákon je výsledkom premeny elektrickej energie na teplo, ktorá sa koná, keď elektrický prúd prechádza vodičom. Tento efekt je prítomný vždy, keď je zapnutý akýkoľvek prístroj alebo zariadenie, ktoré potrebuje elektrickú energiu.

Inokedy je to nežiaduce a snaží sa ho minimalizovať, preto sa do stolného počítača pridávajú ventilátory, aby odvádzali teplo, pretože to môže spôsobiť zlyhanie vnútorných komponentov.

Zariadenia, ktoré používajú Jouleov efekt na produkciu tepla, majú vo vnútri odpor, ktorý sa zahrieva, keď ním prechádza prúd, nazývaný vykurovací prvok.

vysvetlenie

Jouleov efekt má svoj pôvod v mikroskopickej mierke v časticiach, tak tých, ktoré tvoria materiál, ako aj tých, ktoré nesú elektrický náboj.

Atómy a molekuly v látke sú vo svojej najstabilnejšej polohe v látke. Elektrický prúd sa skladá z usporiadaného pohybu elektrických nábojov, ktoré pochádzajú z kladného pólu batérie. Keď sa odtiaľto dostanú, majú veľa potenciálnej energie.

Pri prechode nabité častice narážajú na častice materiálu a spôsobujú ich vibrovanie. Budú sa snažiť znovu získať rovnováhu, ktorú mali predtým, dodávajúc prebytočnú energiu do svojho okolia vo forme vnímateľného tepla.

Množstvo uvoľneného tepla Q závisí od intenzity prúdu I, času, počas ktorého cirkuluje vo vodiči Δt a odporovom prvku R:

Vyššie uvedená rovnica sa nazýva Joule-Lenzov zákon.

Príklady

Dvaja fyzici, britský James Joule (1818-1889) a ruský Heinrich Lenz (1804-1865), nezávisle konštatovali, že vodič, ktorý vedie prúd, sa nielen zahrial, ale že jeho prúd sa v priebehu tohto procesu znížil.

Potom sa zistilo, že množstvo tepla rozptýlené odporom je úmerné:

- Štvorec intenzity obehového prúdu.

- Čas, počas ktorého prúd prúdil cez vodič.

- Odpor uvedeného vodiča.

Jednotky tepla sú rovnaké jednotky energie: jouly, skrátene J. J. joule je pomerne malá jednotka energie, preto sa často používajú iné jednotky, napríklad kalórie.

Ak chcete transformovať jouly na kalórie, jednoducho vynásobte faktorom 0,24, takže rovnica uvedená na začiatku je priamo vyjadrená v kalóriách:

Joulov jav a transport elektrickej energie

Efekt Joule je vítaný pri vytváraní lokálneho tepla, ako sú napríklad horáky a sušiče vlasov. V iných prípadoch však má nežiaduce účinky, napríklad:

- Veľmi vysoké zahrievanie vodičov môže byť nebezpečné a môže spôsobiť požiare a popáleniny.

- Elektronické zariadenia s tranzistormi znižujú ich výkon a môžu zlyhať, aj keď sú príliš horúce.

- Vodiče, ktoré prenášajú elektrickú energiu, sa vždy zohrejú, dokonca aj mierne, čo vedie k výrazným stratám energie.

Je to preto, že káble, ktoré prenášajú prúd z elektrární, bežia stovky kilometrov. Toľko energie, ktorú nesú, sa nedostane na miesto určenia, pretože je na ceste zbytočne.

Aby sa tomu zabránilo, požaduje sa, aby vodiče mali najmenší možný odpor. Toto je ovplyvnené tromi dôležitými faktormi: dĺžka drôtu, plocha prierezu a materiál, z ktorého je vyrobený.

Najlepšie vodiče sú kovy, z ktorých najúčinnejšie sú zlato, striebro, platina alebo meď. Drôty káblov sú vyrobené z medených nekonečných vlákien, z kovu, ktorý síce nevedie rovnako dobre ako zlato, ale je oveľa lacnejší.

Čím je drôt dlhší, tým väčší odpor bude mať, ale jeho silnejším sa odpor znižuje, pretože to uľahčuje pohyb nosičov náboja.

Ďalšou vecou, ​​ktorú je možné urobiť, je znížiť intenzitu prúdu, aby sa minimalizovalo zahrievanie. Transformátory sú zodpovedné za správne riadenie intenzity, a preto sú také dôležité pri prenose elektrickej energie.

cvičenie

Cvičenie 1

Chladič naznačuje, že má príkon 2000 W a je pripojený k zásuvke 220 V. Vypočítajte nasledujúce:

a) Intenzita prúdu pretekajúceho žiaričom

b) Množstvo elektrickej energie transformovanej po pol hodine

c) Ak sa všetka táto energia investuje do ohrevu 20 litrov vody pôvodne na 4 ° C, aká bude maximálna teplota, na ktorú sa voda môže ohriať?

Riešenie

Výkon je definovaný ako energia za jednotku času. Ak v rovnici uvedenej na začiatku odovzdáme faktor Δt doprava, budeme mať presne energiu za jednotku času:

Odpor vykurovacieho telesa je známy Ohmovým zákonom: V = IR, z čoho vyplýva, že I = V / R. teda:

Preto súčasné výsledky:

Riešenie b

V tomto prípade Δt = 30 minút = = 30 x 60 sekúnd = 1800 sekúnd. Vyžaduje sa tiež hodnota odporu, ktorá je zrejmá z Ohmovho zákona:

Hodnoty sú nahradené Joulovým zákonom:

Riešenie c

Množstvo tepla Q potrebné na zvýšenie množstva vody na určitú teplotu závisí od špecifického tepla a kolísania teploty, ktoré je potrebné získať. Vypočíta sa pomocou:

Tu m je množstvo vody, C _e je špecifické teplo, ktoré sa už považuje za údaje pre problém, a ΔT je zmena teploty.

Hmotnosť vody je 20 l. Vypočíta sa pomocou hustoty. Hustota vody ρ _vody je pomer hmotnosti k objemu. Okrem toho musíte prevádzať litre na kubické metre:

Pretože m = hustota x objem = ρV, hmotnosť je.

Všimnite si, že musíme prejsť z stupňov Celzia na Kelvin a pridať 273,15 K. Nahradenie vyššie uvedeného v rovnici tepla:

Cvičenie 2

a) Nájdite výrazy pre výkon a priemerný výkon pre odpor pripojený k striedavému napätiu.

b) Predpokladajme, že máte k 120 V zásuvke pripojený sušič vlasov s príkonom 1 000 W, pomocou neho nájdite odpor vykurovacieho telesa a špičkový prúd - maximálny prúd.

c) Čo sa stane so sušičkou, keď je pripojená k zásuvke 240 V?

Riešenie

Napájacie napätie sa strieda vo forme V = V _o . sen ωt. Pretože je časovo variabilný, je veľmi dôležité definovať efektívne hodnoty napätia a prúdu, ktoré sú označené indexom „rms“, ktorý predstavuje strednú hodnotu druhej odmocniny.

Tieto hodnoty pre prúd a napätie sú:

Pri použití Ohmovho zákona je aktuálny ako funkcia času:

V takom prípade je sila v rezistore prechádzajúca striedavým prúdom:

Je vidieť, že sila sa tiež mení s časom a že je to pozitívna veličina, pretože všetko je na druhú a R je vždy> 0. Stredná hodnota tejto funkcie sa vypočíta integráciou do cyklu a výsledkom je:

Pokiaľ ide o efektívne napätie a prúd, výkon vyzerá takto:

Riešenie b

Aplikácia poslednej rovnice s dodanými údajmi:

_Priemerný P = 1 000 W a V _rms = 120 V

Preto maximálny prúd cez vykurovacie teleso je:

Odpor možno vyriešiť z rovnice priemernej sily:

P _priemer = V _rms . Aj _rms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W

To je približne štvornásobok príkonu, pre ktorý je vykurovací článok určený, ktorý vyhorí krátko po zapojení do tejto zásuvky.

aplikácia

Žiarovky

Žiarovka produkuje svetlo a tiež teplo, ktoré si môžeme okamžite všimnúť, keď ho pripojíme. Prvkom, ktorý vytvára oba efekty, je veľmi tenké vodivé vlákno, ktoré má preto vysoký odpor.

Vďaka tomuto zvýšeniu rezistencie, hoci sa prúd znížil vo vlákne, je Jouleov efekt sústredený do tej miery, že dochádza k žíhaniu. Vlákno vyrobené z volfrámu vďaka vysokej teplote topenia 3400 ° C vyžaruje svetlo a tiež teplo.

Zariadenie by malo byť uzavreté v priehľadnej sklenenej nádobe, ktorá je naplnená inertným plynom, ako je argón alebo dusík pri nízkom tlaku, aby sa predišlo poškodeniu vlákna. Ak to neurobíte, kyslík vo vzduchu spotrebováva vlákno a žiarovka prestane okamžite pracovať.

Magneto-tepelné spínače

Magnetické efekty magnetov zmiznú pri vysokých teplotách. To sa dá použiť na vytvorenie zariadenia, ktoré preruší tok prúdu, keď je nadmerné. Jedná sa o magnetotermický spínač.

Časť obvodu, ktorou prúdi prúd, je uzavretá magnetom pripevneným na pružinu. Magnet sa prilepí na obvod vďaka magnetickej príťažlivosti a zostane tak, pokiaľ nie je oslabený zahrievaním.

Keď prúd prekročí určitú hodnotu, magnetizmus sa oslabí a pružina odpojí magnet, čo spôsobí otvorenie obvodu. A keďže prúd potrebuje, aby bol obvod uzavretý, aby sa pretekal, otvorí sa a tok prúdu sa preruší. Zabráni sa tak zahrievaniu káblov, čo by mohlo spôsobiť nehodu, napríklad požiar.

poistky

Ďalším spôsobom, ako chrániť obvod a včasne prerušiť prúdenie, je poistka, kovový pás, ktorý sa pri zahrievaní Joulovým efektom roztaví, ponechá obvod otvorený a preruší prúd.

Obrázok 2. Poistka je prvok na ochranu obvodu. Kov sa topí, keď prechádza nadmerným prúdom. Zdroj: Pixabay.

Ohmická pasterizácia kúrenia

Pozostáva z prenosu elektrického prúdu potravou, ktorá má prirodzene elektrický odpor. Na tento účel sa používajú elektródy vyrobené z antikorózneho materiálu. Teplota jedla stúpa a teplo baktérie ničí, čo pomáha chrániť ich dlhšie.

Výhodou tohto spôsobu je to, že k zahrievaniu dochádza v oveľa kratšom čase, ako je čas potrebný pri bežných technikách. Dlhodobé zahrievanie ničí baktérie, ale tiež neutralizuje esenciálne vitamíny a minerály.

Ohmické zahrievanie, ktoré trvá len niekoľko sekúnd, pomáha zachovať výživný obsah potravín.

pokusy

Nasledujúci experiment spočíva v zmeraní množstva elektrickej energie prevedenej na tepelnú energiu zmeraním množstva tepla absorbovaného známou hmotou vody. Za týmto účelom sa do vody ponorí vyhrievacia špirála, cez ktorú prechádza prúd.

materiály

- 1 šálka polystyrénu

- Multimeter

- Teplomer Celzia

- 1 nastaviteľný zdroj energie, rozsah 0-12 V

- Zostatok

- Pripojovacie káble

- Stopky

proces

Cievka sa zahrieva účinkom joulu, a teda aj vody. Musíme zmerať množstvo vody a jej počiatočnú teplotu a určiť, na akú teplotu ju chceme zahriať.

Obrázok 3. Experiment na zistenie, koľko elektrickej energie sa premieňa na teplo. Zdroj: F. Zapata.

Každú minútu sa odčítajú ďalšie údaje, pričom sa zaznamenávajú aktuálne a napäťové hodnoty. Akonáhle je záznam k dispozícii, dodávaná elektrická energia sa vypočíta pomocou rovníc:

Q = I ² .R. Δt (Jouleov zákon)

V = IR (Ohmov zákon)

A porovnajte s množstvom tepla absorbovaného vodnou hladinou:

Q = m. C _e . ΔT (pozri vyriešené cvičenie 1)

Pretože energia je zachovaná, obe množstvá by mali byť rovnaké. Napriek tomu, že polystyrén má nízku mernú teplotu a absorbuje takmer žiadnu tepelnú energiu, do atmosféry bude stále dochádzať. Do úvahy sa musí vziať aj experimentálna chyba.

Straty do atmosféry sa minimalizujú, ak sa voda pred začiatkom experimentu zohreje na rovnaký počet stupňov ako je teplota miestnosti.

Inými slovami, ak bola voda pri 10 ° C a okolitá teplota bola 22 ° C, musíte ju zohriať na 32 ° C.

Referencie

1. Kramer, C. 1994. Physics Practices. McGraw Hill. 197.
2. Sito. Jouleov efekt. Získané z: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 5. Elektrostatika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. 6 ^th . Ed Prentice Hall.
5. Hypertextual. Čo je Jouleov efekt a prečo sa v našom živote stalo niečo transcendentálne. Obnovené z: hypertextual.com
6. Wikipedia. Jouleov efekt. Obnovené z: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Vykurovanie joulom. Získané z: en. wikipedia.org.