ЕФЕКТ НА ДЖАУЛ: ОБЯСНЕНИЕ, ПРИМЕРИ, УПРАЖНЕНИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

Ефектът на Джоул или законът на Джоул е резултат от преобразуването на електрическата енергия в топлина, което се случва, когато електрически ток преминава през проводник. Този ефект е налице всеки път, когато е включен всеки уред или устройство, което се нуждае от електричество.

Друг път е нежелателно и се стреми да го сведе до минимум, ето защо вентилаторите се добавят към настолния компютър, за да разсеят топлината, тъй като това може да причини повреда на вътрешни компоненти.

Устройствата, които използват ефекта на Joule за производство на топлина, имат вътрешно съпротивление, което се загрява при преминаване на ток през него, наречен нагревателен елемент.

обяснение

Ефектът на Джоул произхожда от микроскопична скала в частици, както тези, които съставляват материал, така и тези, които носят електрически заряд.

Атомите и молекулите в дадено вещество са в най-стабилното си положение в рамките на веществото. От своя страна електрическият ток се състои от подредено движение на електрически заряди, които идват от положителния полюс на акумулатора. Когато излязат оттам, те имат много потенциална енергия.

Докато преминават, заредените частици въздействат върху тези на материала и ги причиняват да вибрират. Те ще се опитат да възвърнат баланса, който преди са имали, доставяйки излишната енергия на заобикалящата ги среда под формата на чувствителна топлина.

Количеството отделена топлина Q зависи от интензитета на тока I, времето, за което циркулира вътре в проводника Δt и съпротивителния елемент R:

Горното уравнение се нарича закон на Жул-Ленц.

Примери

Двама физици, британецът Джеймс Джоул (1818-1889) и руснакът Хайнрих Ленц (1804-1865), независимо наблюдават, че проводникът с ток не само е нагрял, но и че токът му намалява по време на процеса.

Тогава беше установено, че количеството топлина, разсеяна от съпротивлението, е пропорционално на:

- Квадратът на интензитета на циркулиращия ток.

- Времето, през което споменатият ток остава да тече през проводника.

- Съпротивлението на споменатия проводник.

Единиците на топлина са същите енергийни единици: джаули, съкратено от J. Джоулът е доста малка единица енергия, така че често се използват други, например калории.

За да преобразувате джаули в калории, просто умножете по коефициент 0,24, така че уравнението, дадено в началото, се изразява директно в калории:

Ефект на джоул и транспорт на електрическа енергия

Ефектът Joule е добре дошъл за производство на локализирана топлина, като горелки и сешоари. Но в други случаи има нежелани ефекти, като например:

- Много голямо нагряване в проводниците може да бъде опасно, да доведе до пожари и изгаряния.

- Електронните устройства с транзистори намаляват тяхната производителност и могат да се провалят, дори ако се загреят твърде много.

- Проводниците, които носят електрическа енергия, винаги изпитват нагряване, дори леко, което води до значителни загуби на енергия.

Това е така, защото кабелите, които носят ток от електроцентралите, вървят на стотици километри. Толкова голяма част от енергията, която носят, не достига до местоназначението си, защото се губи по пътя.

За да се избегне това, се търси проводниците да имат възможно най-малко съпротивление. Това се влияе от три важни фактора: дължината на жицата, площта на напречното сечение и материалът, от който е направена.

Най-добрите проводници са металите, като злато, сребро, платина или мед са едни от най-ефективните. Проводниците на кабелите са изработени от медни нишки, метал, който макар и да не води толкова добре, колкото златото, е много по-евтин.

Колкото по-дълга е жица, толкова по-голямо съпротивление ще има, но като ги направи по-дебели, съпротивлението намалява, защото това улеснява движението на носителите на заряда.

Друго, което може да се направи, е да се намали интензивността на тока, така че отоплението да бъде сведено до минимум. Трансформаторите са отговорни за правилния контрол на интензивността, затова са толкова важни при предаването на електрическа енергия.

Упражнения

Упражнение 1

Един радиатор показва, че има мощност 2000W и е свързан към 220 V гнездото. Изчислете следното:

а) Интензитет на тока, протичащ през радиатора

б) Количество електрическа енергия, която се преобразува след половин час

в) Ако цялата тази енергия се инвестира в загряване на 20 литра вода, които първоначално са при 4 ° C, каква ще е максималната температура, до която може да се нагрее водата?

Решение за

Мощността се определя като енергия за единица време. Ако в уравнението, дадено в началото, предаваме коефициента Δt вдясно, ще имаме точно енергия за единица време:

Съпротивлението на нагревателния елемент може да бъде известно чрез закона на Ом: V = IR, от което следва, че I = V / R. По този начин:

Така настоящите резултати:

Решение b

В този случай Δt = 30 минути = = 30 х 60 секунди = 1800 секунди. Необходима е и стойността на съпротивлението, което е изчистено от закона на Ом:

Стойностите са заместени в закона на Джоул:

Решение c

Количеството топлина Q, необходимо за повишаване на количеството вода до определена температура, зависи от специфичната топлина и отклонението в температурата, което трябва да се получи. Изчислява се по:

Тук m е масата на водата, C _e е специфичната топлина, която вече се приема за данни за проблема, а ΔT е изменението на температурата.

Масата на водата е тази в 20 L. Тя се изчислява с помощта на плътност. Плътността на водата ρ _вода е съотношението маса към обем. Освен това трябва да конвертирате литри в кубически метра:

Тъй като m = плътност x обем = ρV, масата е.

Обърнете внимание, че е необходимо да преминете от градуса по Целзий към келвин, като добавите 273,15 K. Заместването на горното в уравнението на топлина:

Упражнение 2

а) Намерете изрази за мощност и средна мощност за съпротивление, свързано с променливо напрежение.

b) Да предположим, че имате сешоар с мощност 1000W, свързан към 120 V гнездото, намерете съпротивлението на нагревателния елемент и пиковия ток - максимален ток - през него.

в) Какво се случва със сушилнята, когато е свързан към 240 V гнездо?

Решение за

Напрежението на чешмата се редува под формата V = V _o. sen ωt. Тъй като е променлива във времето, е много важно да се определят ефективните стойности както на напрежение, така и на ток, които се означават с индекса „rms“, който означава корен среден квадрат.

Тези стойности за ток и напрежение са:

При прилагане на закона на Ом, токът като функция на времето е:

В такъв случай мощността в резистор, пресечена от променлив ток, е:

Вижда се, че мощността също варира с времето и че е положително количество, тъй като всичко е на квадрат и R е винаги> 0. Средната стойност на тази функция се изчислява чрез интегриране в цикъл и резултати:

По отношение на ефективно напрежение и ток, мощността изглежда така:

Решение b

Прилагане на последното уравнение с предоставените данни:

_Средно P = 1000 W и V _rms = 120 V

Следователно максималният ток през нагревателния елемент е:

Съпротивлението може да бъде решено от уравнението на средната мощност:

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

Това е приблизително 4 пъти повече от мощността, за която е проектиран нагревателният елемент, който ще изгори малко след включването му в този контакт.

Приложения

Крушки с нажежаема жичка

Крушка с нажежаема жичка произвежда светлина, а също и топлина, което можем да забележим веднага, когато я свържем. Елементът, който произвежда и двата ефекта, е много тънка проводничка, която следователно има висока устойчивост.

Благодарение на това увеличение на съпротивлението, въпреки че токът е намалял във нишката, ефектът на Джоул е концентриран до такава степен, че се появява нажежаема жичка. Нишката, изработена от волфрам поради високата си точка на топене 3400 ºC, излъчва светлина, а също и топлина.

Устройството трябва да бъде затворено в прозрачен стъклен съд, който е напълнен с инертен газ, като аргон или азот при ниско налягане, за да се избегне влошаване на нишката. Ако не бъде направено по този начин, кислородът във въздуха изразходва нишката и крушката спира да работи моментално.

Магнито-термични превключватели

Магнитните ефекти на магнитите изчезват при високи температури. Това може да се използва за създаване на устройство, което прекъсва потока на тока, когато е прекомерно. Това е магнитотермичен превключвател.

Част от веригата, през която протича токът, е затворена от магнит, прикрепен към пружина. Магнитът се придържа към веригата благодарение на магнитното привличане и остава такъв, стига да не е отслабен при нагряване.

Когато токът надвиши определена стойност, магнетизмът отслабва и пружината отделя магнита, причинявайки отваряне на веригата. И тъй като токът има нужда веригата да бъде затворена, за да тече, тя се отваря и потокът от ток се прекъсва. Това предотвратява нагряването на кабелите, което може да причини аварии като пожари.

предпазители

Друг начин за защита на веригата и прекъсване на тока навреме е с помощта на предпазител, метална лента, която при нагряване от ефекта на Джоул се разтопява, оставяйки веригата отворена и прекъсвайки тока.

Фигура 2. Предпазителят е защитен елемент на веригата. Металът се стопява при преминаване през прекомерен ток. Източник: Pixabay

Охмична пастьоризация на отопление

Състои се от преминаване на електрически ток през храната, който естествено има електрическо съпротивление. За това се използват електроди, изработени от антикорозивен материал. Температурата на храната се повишава, а топлината унищожава бактериите, помагайки да се запази за по-дълго.

Предимството на този метод е, че нагряването става за много по-малко време, отколкото изискваното от конвенционалните техники. Продължителното нагряване унищожава бактериите, но също така неутрализира основните витамини и минерали.

Омичното загряване, което продължава само няколко секунди, помага за запазване на хранителното съдържание на храната.

Експерименти

Следващият експеримент се състои в измерване на количеството електрическа енергия, преобразувана в топлинна енергия чрез измерване на количеството топлина, погълната от известна маса вода. За да направите това, нагревателна намотка се потапя във вода, през която се пропуска ток.

материали

- 1 чаша от полистирол

- Мултиметър

- Термометър за Целзий

- 1 регулируем източник на захранване, обхват 0-12 V

- Баланс

- Свързващи кабели

- Хронометър

процес

Бобината се загрява от ефекта на джаула и следователно и водата. Трябва да измерим масата на водата и нейната първоначална температура и да определим до каква температура ще я нагреем.

Фигура 3. Експериментирайте, за да определите колко електрическа енергия се трансформира в топлина. Източник: Ф. Сапата.

Последователни показания се правят всяка минута, като се записват стойностите на тока и напрежението. След като записът е наличен, доставената електрическа енергия се изчислява с помощта на уравненията:

Q = I ².R. Δt (закон на Джоул)

V = IR (закон на Ом)

И сравнете с количеството топлина, погълната от тялото на водата:

Q = m. C _e. ΔT (виж решено упражнение 1)

Тъй като енергията се запазва, и двете количества трябва да са равни. Въпреки че полистиролът има ниска специфична топлина и не абсорбира почти никаква топлинна енергия, все още ще има известни загуби на атмосферата. Експерименталната грешка също трябва да се вземе предвид.

Загубите в атмосферата са сведени до минимум, ако водата се нагрява със същия брой градуси над стайната температура, както беше по-долу, преди да започне експеримента.

С други думи, ако водата е била при 10 ° C и температурата на околната среда е била 22 ° C, тогава трябва да доведете водата до 32 ° C.

Препратки

1. Крамер, С. 1994. Физикални практики. McGraw Hill. 197.
2. Ситото. Джул ефект. Възстановено от: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Серия: Физика за наука и инженерство. Том 5. Електростатици. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Физика: Принципи на приложение. 6 ^-та. Ед Прентис Хол.
5. Hypertextual. Какъв е ефектът на Джоул и защо той се превърна в нещо трансцендентно в живота ни. Възстановена от: hypertextual.com
6. Wikipedia. Джул ефект. Възстановено от: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Джоул отопление. Възстановено от: en. wikipedia.org.