Jouleeffekt Forklaring, eksempler, øvelser, applikasjoner

Han Jouleeffekt O Joule's lov er resultatet av transformasjonen av varmeenergi, som finner sted når en elektrisk strøm går gjennom en sjåfør. Denne effekten er til stede forutsatt at enhver enhet eller enhet som trenger strøm for å fungere.

Så Joule -effekten blir observert daglig. Noen ganger er det nyttig, for eksempel hvit- og kjøkkenapparater (varmtvannsbereder, hårføner, tallerkener, ovner, etc.)

Andre ganger er det uønsket og det søker å minimere det, så skrivebord PC blir lagt til fans for å spre varme, siden det kan forårsake feil i de interne komponentene.

Enhetene som bruker Joule -effekten for å produsere varme, har en motstand som blir oppvarmet når den føres, kalt varmeelement.

[TOC]

Forklaring

Joule -effekten har sin opprinnelse i mikroskopisk skala i partiklene, både de som utgjør et materiale og de som transporterer den elektriske ladningen.

Atomer og molekyler i et stoff er i sin mest stabile posisjon i dette. For sin del består den elektriske strømmen av en ordnet bevegelse av elektriske ladninger, som kommer fra den positive batteripolen. Når de drar der, har de mye potensiell energi.

I deres vei påvirker belastede partikler de av materialet og setter dem til å vibrere. Disse vil prøve å gjenopprette balansen de tidligere hadde, og leverer overflødig energi til miljøet i form av merkbar varme.

Mengden varme som løsnet, avhenger av intensiteten til strømmen Yo, Tiden det sirkulerer inne i sjåføren Δt og av det resistive elementet R:

Q = i².R. ΔT (Joules)

Den forrige ligningen kalles Joule-Lenzs lov.

Eksempler

To fysikere, den britiske James Joule (1818-1889) og den russiske Heinrich Lenz (1804-1865) observerte uavhengig at en ledning som transporterte strømmen ikke bare ble oppvarmet, men strømmen avtar under prosessen.

Det ble da fastslått at mengden varme spredt av motstand er proporsjonal med:

- Kvadratet med intensiteten til strømmen.

- Tiden som strømmen forble flyktet av sjåføren.

- Motstanden til nevnte sjåfør.

Heatenhetene er de samme energienhetene: Joules, forkortet som J. Joule er en ganske liten energienhet, så andre som kalorier brukes vanligvis for eksempel.

For å transformere joules til kalorier er det nok å multiplisere med 0,24 -faktoren, slik at ligningen som er gitt i begynnelsen, uttrykkes direkte i kalorier:

Q = 0,24. Yo².R. Δt (kalorier)

Jouleeffekt og elektrisk strømtransport

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

- En veldig stor oppvarming hos sjåfører kan være farlig, forårsake branner og forbrenninger.

- Elektroniske enheter med transistorer reduserer ytelsen og kan mislykkes selv om de varmer for mye.

- Ledningene som transporterer strøm opplever alltid en oppvarming, selv om den er mild, noe som fører til bemerkelsesverdige energitap.

Det er fordi kablene som transporterer strøm fra de elektriske plantene har hundrevis av kilometer. Da når en god del av energien de bærer ikke sin destinasjon, fordi den er bortkastet underveis.

Kan tjene deg: Magnetisme: Magnetiske egenskaper til materialer, bruksområder

For å unngå dette er det søkt sjåfører å ha så mye motstand som mulig. Tre viktige faktorer påvirker dette: Lengden på ledningen, krysset og materialet det er laget.

De beste sjåførene er metaller, å være gull, sølv, platina eller kobber noen av de mest effektive. Kablene på kablene er laget basert på kobberfilamenter, et metall som, selv om det ikke kjører så vel som gull, er det mye billigere.

Jo lengre en ledning, jo større vil motstanden ha, men ved å produsere dem tykkere avtar motstanden, fordi dette letter bevegelsen til lastbærerne.

En annen ting som kan gjøres er å redusere intensiteten til strømmen, slik at oppvarmingen minimeres. Transformatorene er ansvarlige for å kontrollere intensiteten riktig, så de er så viktige i overføringen av strøm.

Øvelser

Oppgave 1

En radiator indikerer at den har en kraft av 2000w og er koblet til å ta 220 v. Beregn følgende:

a) Intensiteten til strømmen som sirkulerer gjennom radiatoren

b) mengde elektrisk energi som er blitt transformert etter en halv time

c) Hvis all denne energien er reversert i oppvarming av 20 liter vann som opprinnelig er ved 4 ° C, er det som vil være den maksimale temperaturen som vannet kan varmes opp?

Data: Den spesifikke vannvarmen er CE = 4180 J/kg.K

Løsning på

Kraft er definert som energi per tidsenhet. Hvis vi i ligningen gitt i begynnelsen passerer vi faktoren Δt Til høyre vil det være nøyaktig energi per tidsenhet:

Q = i².R. ΔT → p = q/ Δt = i². R

Motstanden til varmeelementet kan være kjent gjennom Ohms lov: V = i.R, hvorfra det følger det I = v/r. derfor:

P = i². (V/i) = i. V

Dermed er strømmen:

I = P / V = ​​2000 W / 220 V = 9.09 a.

Løsning b

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

R = v / i = 220 V / 9.09 a = 24.2 ohm

Verdiene erstattes i Joule's lov:

Q = (9.09 a)². 24.2 ohm . 1800 S = 3.600.000 j = 3600 kJ.

Løsning c

Mengden varme Q nødvendig for å heve en mengde vann ved en viss temperatur avhenger av den spesifikke varmen og temperaturvariasjonen som må oppnås. Det beregnes av:

Q = m. C_og. Δt

Her m Det er vannmassen, C_og Det er den spesifikke varmen, som allerede har problemet med problemet og Δt Det er temperaturvariasjon.

Vannmassen er det som er i 20 l. Det beregnes ved hjelp av tetthet. Vanntetthet ρ_vann Det er kvotienten mellom massen og volumet. I tillegg må du konvertere liter til kubikkmeter:

20 l = 0.02 m³

Som m = tetthet x volum = ρv, Deigen er.

m = 1000 kg/m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

Δt = slutttemperatur - starttemperatur = t_F - 4 ºC = t_F - 277.15 k

Merk at du må gå fra grader Celsius til Kelvin, og legge til 273.15 k. Bytte ut ovennevnte i varme ligningen:

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

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

Oppgave 2

a) Finn uttrykk for kraft og gjennomsnittlig kraft for en motstand koblet til en alternativ spenning.

Kan tjene deg: tilsynelatende tetthet: formel, enheter og øvelser løst

b) Anta at du har en hårføner med 1000W strøm koblet til 120 V -inntaket, finn motstanden til varmeelementet og toppstrømmen - maksimalt hjørne - som krysser det.

c) hva som skjer med tørketrommelen når du kobler det til en 240 V som tar?

Løsning på

Spenningen til skuddet er alternativ, for skjemaet V = v_enten. Sen ωt. Fordi det er variabelt over tid, er det veldig viktigRMS”, Forkortelse for ROOT GANG SQUARE.

Disse verdiene for strøm og spenning er:

Yo_RMS = 0.707 i_enten

V_RMS = 0.707 v_enten

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

I = v/r = v_enten. sin ωT /r = i_enten. sin ωt

I dette tilfellet er kraften i en motstand krysset av en vekselstrøm:

P = i².R = (i_enten. sin ωt)².R = i_enten².R . Sen² ωt

Man ser at kraften også varierer over tid, og at det er en positiv mengde, siden alt er kuttet til torget og R er alltid> 0. Gjennomsnittsverdien av denne funksjonen beregnes ved integrasjon i en syklus og resultater:

P_halv = ½. Yo_enten².R = i_RMS².R

Når det gjelder effektiv spenning og strøm, forblir kraften slik:

P_halv = V_RMS. Yo_RMS

Yo_RMS = S_halv / V_RMS = S_halv / 0.707 v_enten

Løsning b

Bruke den siste ligningen med dataene som er gitt:

P_halv = 1000 W og V_RMS = 120 v

Yo_RMS = S_halv / V_RMS = 1000 w / 120 V = 8.33 a

Derfor er den maksimale strømmen gjennom varmeelementet:

Yo_enten = Jeg_RMS /0.707 = 8.33 A/0.707 = 11.8 a

Motstand kan ryddes fra den gjennomsnittlige kraftligningen:

P_halv = Jeg_RMS².R → r = p_halv / Yo_RMS² = 1000 w / (8.33 a)² = 14.41 ohm.

Løsning c

Ved kobling til en 240 V tar den gjennomsnittlige strømmen:

Yo_RMS = V_RMS / R = 240 v / 14.41 ohm = 16.7 a

P_halv = V_RMS. Yo_RMS = 240 V x 16.7 til ≈ 4000 w

Dette er omtrent 4 ganger kraften som varmeelementet er designet for, som vil bli brent kort tid etter å ha blitt koblet til dette skuddet.

applikasjoner

Glødende pærer

En glødende pære produserer lys og også varme, som vi umiddelbart kan legge merke til når vi kobler den til. Elementet som gir begge effektene er et veldig tynt førerfilament, og det er derfor det har høy motstand.

Takket være denne økningen i motstand, selv om strømmen har gått ned i glødetråden, er joule -effekten konsentrert til det punktet at incandescence oppstår. Filamentet, laget av wolfram fordi det har et høyt smeltepunkt på 3400 ºC, avgir lys og også varme.

Enheten må være låst i en gjennomsiktig glassbeholder, som er fylt med en inert gass, for eksempel argon eller lavtrykksnitrogen, for å unngå forringelse av glødetråden. Hvis det ikke gjøres på denne måten, bruker oksygenet i luften glødetråden og pæren slutter å jobbe med loven.

Magneto-teaterbrytere

De magnetiske effektene av magneter forsvinner ved høye temperaturer. Dette kan brukes til å lage en enhet som avbryter passering av strøm, når den er overdreven. Dette består av en magnetotermisk bryter.

En del av kretsen som strømmen er lukket ved hjelp av en magnet underlagt en dock. Magneten holder seg til kretsen takket være den magnetiske attraksjonen og blir dermed gjenstår, mens den ikke svekkes på grunn av oppvarming.

Kan tjene deg: Potensiell energi: Kjennetegn, typer, beregning og eksempler

Når strømmen overstiger en viss verdi, svekkes magnetismen og kaien tar av magneten, noe som får kretsen til å åpne. Og etter hvert som strømmen trenger kretsen for å bli stengt for å strømme, åpnes den og den nåværende passasjen blir avbrutt. På denne måten forhindres oppvarmingen av kablene som kan forårsake ulykker som branner forhindret.

Sikringer

En annen måte å beskytte en krets og rettidig avbryte gjeldende pass er med en sikring, en metallstripe som når den blir oppvarmet av Joule -effekten, smelter, og lar kretsen være åpen og avbryte strømmen.

Figur 2. En sikring er et kretsbeskyttende element. Metall smelter når det krysses av overdreven strøm. Kilde: Pixabay.

Pasteurisering ved ohmisk oppvarming

Den består av å passere en elektrisk strøm gjennom mat, som naturlig har elektrisk motstand. For dette brukes elektroder laget av antikorrosivt materiale. Mattemperatur øker og varmen ødelegger bakterier, og hjelper til med å bevare dem lenger.

Fordelen med denne metoden er at oppvarming skjer på mye mindre tid enn den som kreves gjennom konvensjonelle teknikker. Langvarig oppvarming ødelegger bakterier, men nøytraliserer også vitaminer og mineraler som er essensielle.

Ohmisk oppvarming, som varer bare noen få sekunder, er med på å bevare ernæringsinnholdet i maten.

Eksperimenter

Følgende eksperiment består i å måle mengden elektrisk energi omgjort til termisk energi, og måle mengden varme absorbert av en kjent masse vann. For dette er en varmespole nedsenket i vann, gjennom hvilken strøm blir passert.

Materialer

- 1 glass polystyren

- Multimeter

- Celsius termometer

- 1 kilde til justerbar kraft, av rekkevidde 0-12 V

- Balansere

- Tilkoblingskabler

- Kronometer

Fremgangsmåte

Spolen blir oppvarmet av jouleeffekt, og derfor også vannet. Du må måle vannmassen og dens opprinnelige temperatur, og bestemme hvilken temperatur vi vil varme den opp.

Figur 3. Eksperiment for å bestemme hvor mye elektrisk kraft blir forvandlet til varme. Kilde: f. Zapata.

Påfølgende avlesninger tas hvert minutt, og registrerer strøm- og spenningsverdier. Når registreringen er tilgjengelig, leveres den elektriske energien, gjennom ligningene:

Q = i².R. Δt (Joule Law)

V = i.R (Ohms lov)

Og sammenligne med mengden varme som er absorbert av vannmassen:

Q = m. C_og. Δt (Se øvelse løst 1)

Når energi bevares, bør begge mengdene være de samme. Selv om polystyren har under spesifikk varme og nesten ikke absorberer termisk energi, vil det også være noen tap mot atmosfæren. Du må også ta hensyn til eksperimentell feil.

Tapene for atmosfæren minimeres hvis vannet varmes opp samme antall grader over omgivelsestemperaturen, som var under før du startet med eksperimentet.

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

Referanser

1. Kramer, ca. 1994. Fysikkpraksis. McGraw Hill. 197.
2. Silen. Jouleeffekt. Gjenopprettet fra: Eltamiz.com.
3. Figueroa, d. (2005). Serier: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 5. Elektrostatikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, d. 2006. Fysikk: Prinsipper med applikasjoner. 6^th. Ed Prentice Hall.
5. Hypertekstuell. Hva er Joule -effekten og hvorfor det har blitt noe transcendental for livene våre. Gjenopprettet fra: hypertekstuell.com
6. Wikipedia. Jouleeffekt. Gjenopprettet fra: er.Wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule oppvarming. Hentet fra: i. Wikipedia.org.