JOULE-EFFEKT: FÖRKLARING, EXEMPEL, ÖVNINGAR, APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Den Joule-effekten eller Joules lag är resultatet av omvandlingen av elektrisk energi till värme, som äger rum när en elektrisk ström passerar genom en ledare. Denna effekt finns närhelst alla apparater eller enheter som behöver el för att fungera är på.

Andra gånger är det oönskat och man försöker minimera det, det är därför fläktar läggs till på stationär dator för att sprida värme, eftersom det kan orsaka fel på de interna komponenterna.

Enheterna som använder Joule-effekten för att producera värme, har inuti ett motstånd som värms upp när en ström passerar genom den, kallad ett värmeelement.

Förklaring

Joule-effekten har sitt ursprung på mikroskopisk skala i partiklar, både de som utgör ett material och de som har elektrisk laddning.

Atomer och molekyler i ett ämne är i sin mest stabila position i ämnet. För sin del består den elektriska strömmen av en ordnad rörelse av elektriska laddningar, som kommer från batteriets positiva pol. När de kommer ut därifrån har de mycket potentiell energi.

När de passerar påverkar de laddade partiklarna på materialet och får dem att vibrera. Dessa kommer att försöka återfå balansen de tidigare hade, och leverera överskotts energi till omgivningen i form av märkbar värme.

Mängden frigjord värme beror på intensiteten hos strömmen I, den tid för vilken den cirkulerar inuti ledaren Δt och det resistiva elementet R:

Ovanstående ekvation kallas Joule-Lenz-lagen.

exempel

Två fysiker, briten James Joule (1818-1889) och den ryska Heinrich Lenz (1804-1865) observerade oberoende av att en strömförande tråd inte bara blev varm utan att dess ström minskade under processen.

Sedan konstaterades att mängden värme som sprids av resistansen är proportionell mot:

- Kvadratet för intensiteten hos cirkulationsströmmen.

- Den tid som nämnda ström förblev flödar genom ledaren.

- Ledarens motstånd.

Värmeenheterna är samma energienheter: joule, förkortad som J. Joule är en ganska liten energienhet, så andra används ofta, till exempel kalorier.

För att omvandla joule till kalorier, multiplicerar du helt enkelt med faktorn 0,24, så att ekvationen som ges i början uttrycks direkt i kalorier:

Joule-effekt och elektrisk energitransport

Joule-effekten är välkommen att producera lokal värme, som brännare och hårtorkar. Men i andra fall har det oönskade effekter, till exempel:

- En mycket stor uppvärmning i ledarna kan vara farlig och orsaka bränder och brännskador.

- Elektroniska enheter med transistorer minskar deras prestanda och kan misslyckas även om de blir för varma.

- Ledningarna som bär elektrisk energi upplever alltid uppvärmning, till och med något, vilket leder till märkbara energiförluster.

Detta beror på att kablarna som transporterar ström från kraftverk går hundratals kilometer. Så mycket av energin som de bär når inte sin destination, eftersom den slösas bort på vägen.

För att undvika detta söks det att ledarna har minst möjliga motstånd. Detta påverkas av tre viktiga faktorer: trådens längd, tvärsnittsarean och materialet från vilket det är tillverkat.

De bästa ledarna är metaller, där guld, silver, platina eller koppar är några av de mest effektiva. Kablarnas kablar är tillverkade av koppartrådar, en metall som, även om den inte leder så bra som guld, är mycket billigare.

Ju längre en tråd är, desto mer motstånd kommer den att ha, men genom att göra dem tjockare minskar motståndet, eftersom detta underlättar laddningsbärarnas rörelse.

En annan sak som kan göras är att minska strömens intensitet, så att uppvärmningen minimeras. Transformatorer ansvarar för att kontrollera intensiteten ordentligt, det är därför de är så viktiga för överföring av elektrisk energi.

övningar

Övning 1

En radiator indikerar att den har en effekt på 2000W och är ansluten till 220 V-uttaget. Beräkna följande:

a) Intensiteten hos strömmen som strömmar genom kylaren

b) Mängd elektrisk energi som har transformerats efter en halvtimme

c) Om all denna energi investeras i att värma 20 liter vatten som initialt är vid 4 ºC, vad blir den maximala temperaturen som vattnet kan värmas upp till?

Lösning till

Kraft definieras som energi per tidsenhet. Om vi ​​i ekvationen som ges i början passerar faktorn Δt till höger kommer vi att ha exakt energi per tidsenhet:

Värmeelementets motstånd kan kännas genom Ohms lag: V = IR, varifrån det följer att I = V / R. Således:

Således kommer de nuvarande resultaten:

Lösning b

I detta fall Δt = 30 minuter = = 30 x 60 sekunder = 1800 sekunder. Värdet på motståndet krävs också, vilket rensas av Ohms lag:

Värdena ersätts i Joules lag:

Lösning c

Mängden värme Q som krävs för att höja en mängd vatten till en viss temperatur beror på den specifika värmen och variationen i temperatur som måste erhållas. Det beräknas av:

Här m är massan av vatten, C _e är den specifika värmen, som redan tas som data för det problem, och AT är variationen i temperatur.

Vattenmassan är den i 20 L. Det beräknas med hjälp av densitet. Vattnets densitet ρ _vatten är förhållandet massa till volym. Dessutom måste du konvertera liter till kubikmeter:

Eftersom m = densitet x volym = ρV är massan.

Observera att vi måste gå från grader Celsius till Kelvin och lägga till 273,15 K. Att ersätta ovanstående i värmeekvationen:

Övning 2

a) Hitta uttryck för effekt och medeleffekt för ett motstånd anslutet till en växelspänning.

b) Anta att du har en hårtork med 1000W ström ansluten till 120 V-uttaget, hitta motståndet hos värmeelementet och toppströmmen - maximal ström - genom det.

c) Vad händer med torktumlaren när den är ansluten till ett 240 V-uttag?

Lösning till

Kretsspänningen växlar i form V = V _o . sen ωt. Eftersom den är variabel i tid, är det mycket viktigt att definiera de effektiva värdena för både spänning och ström, som är betecknade med subskriptet "rms", som står för root-medelkvadrat.

Dessa värden för ström och spänning är:

Vid tillämpning av Ohms lag är strömmen som funktion av tiden som:

I ett sådant fall är kraften i ett motstånd som korsas av en växelström:

Man ser att kraften också varierar med tiden, och att det är en positiv kvantitet, eftersom allt är kvadrat och R är alltid> 0. Medelvärdet för denna funktion beräknas genom integration i en cykel och resultat:

När det gäller effektiv spänning och ström ser effekten ut så här:

Lösning b

Tillämpa den sista ekvationen med medföljande data:

_Medel P = 1000 W och V _rms = 120 V

Därför är den maximala strömmen genom värmeelementet:

Motstånd kan lösas från ekvationen av medelkraften:

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

Detta är ungefär fyra gånger det effekt som värmeelementet är utformat för, vilket kommer att brinna ut strax efter att det har anslutits till detta uttag.

tillämpningar

Glödlampor

En glödlampa producerar ljus och värme, vilket vi kan märka omedelbart när vi ansluter den. Elementet som producerar båda effekterna är ett mycket tunt ledartråd som därför har hög motstånd.

Tack vare denna ökning av motståndet, även om strömmen har minskat i glödtråden, är Joule-effekten koncentrerad till en sådan grad att glödtråd uppstår. Glödtråden, tillverkad av volfram på grund av sin höga smältpunkt 3400 ºC, avger ljus och värme.

Anordningen ska vara innesluten i en transparent glasbehållare, som är fylld med en inert gas, såsom argon eller kväve vid lågt tryck, för att undvika försämring av glödtråden. Om det inte görs på detta sätt förbrukar syret i luften glödtråden och glödlampan slutar fungera direkt.

Magneto-termiska omkopplare

Magneternas magnetiska effekter försvinner vid höga temperaturer. Detta kan användas för att skapa en enhet som avbryter strömmen när den är överdriven. Detta är en magnetotermisk switch.

En del av kretsen genom vilken strömmen strömmar stängs av en magnet fäst vid en fjäder. Magneten fastnar i kretsen tack vare den magnetiska attraktionen och förblir så, så länge den inte försvagas av värme.

När strömmen överskrider ett visst värde försvagas magnetismen och fjädern lossnar magneten, vilket gör att kretsen öppnar. Och eftersom strömmen behöver kretsen stängas för att flöda öppnas den och strömflödet avbryts. Detta förhindrar att kablarna värms upp, vilket kan orsaka olyckor som bränder.

Säkringar

Ett annat sätt att skydda en krets och avbryta strömflödet i tid är med hjälp av en säkring, en remsa av metall som smälter när den värms upp av Joule-effekten, lämnar kretsen öppen och avbryter strömmen.

Bild 2. En säkring är ett kretsskyddselement. Metall smälter när den passerar genom en alltför stor ström. Källa: Pixabay.

Ohmisk värmepasturisering

Den består av att leda en elektrisk ström genom mat, som naturligtvis har elektrisk motstånd. För detta används elektroder tillverkade av antikorrosivt material. Matens temperatur stiger och värmen förstör bakterierna, vilket hjälper till att bevara den längre.

Fördelen med denna metod är att uppvärmning sker på mycket kortare tid än vad som krävs av konventionella tekniker. Långvarig uppvärmning förstör bakterier men neutraliserar också viktiga vitaminer och mineraler.

Ohmisk uppvärmning, som varar bara några sekunder, hjälper till att bevara matens näringsinnehåll.

experiment

Nästa experiment består av att mäta mängden elektrisk energi omvandlad till termisk energi genom att mäta mängden värme som absorberas av en känd vattenmassa. För att göra detta nedsänks en värmeslinga i vatten, genom vilken en ström passerar.

material

- 1 polystyrenkopp

- Multimeter

- Celsius termometer

- 1 justerbar kraftkälla, intervall 0-12 V

- Balans

- Anslutningskablar

- Stoppur

Bearbeta

Spolen värms upp av joule-effekten och därför också vattnet. Vi måste mäta vattnets massa och dess initiala temperatur och bestämma till vilken temperatur vi ska värma den.

Figur 3. Experiment för att bestämma hur mycket elektrisk energi som förvandlas till värme. Källa: F. Zapata.

På varandra följande avläsningar görs varje minut och registrerar nuvarande och spänningsvärden. När posten är tillgänglig beräknas den levererade elektriska energin med ekvationerna:

Q = I ² .R. Jout (Joule's Law)

V = IR (Ohms lag)

Och jämföra med mängden värme som absorberas av vattendraget:

Q = m. C _e . ΔT (se löst övning 1)

Eftersom energi sparas bör båda kvantiteterna vara lika. Även om polystyren har låg specifik värme och absorberar nästan ingen värmeenergi kommer det fortfarande att finnas några förluster för atmosfären. Det experimentella felet måste också beaktas.

Förluster till atmosfären minimeras om vattnet värms upp samma antal grader över rumstemperatur som det var under innan experimentet påbörjades.

Med andra ord, om vattnet låg på 10 ° C och omgivningstemperaturen var 22 ºC, måste du föra vattnet upp till 32 ºC.

referenser

1. Kramer, C. 1994. Physics Practices. McGraw Hill. 197.
2. Silen. Joule-effekt. Återställd från: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik för vetenskap och teknik. Volym 5. Elektrostatik. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 ^{: e} . Ed Prentice Hall.
5. Hypertextuell. Vad är Joule-effekten och varför den har blivit något transcendentalt i våra liv. Återställd från: hypertextual.com
6. Wikipedia. Joule-effekt. Återställd från: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule uppvärmning. Återställd från: en. wikipedia.org.