Vysvetlenie efektu joule, príklady, cvičenia, aplikácie

On Efekt joule o Jouleov zákon je výsledkom transformácie tepelnej energie, ktorá sa odohráva, keď elektrický prúd prechádza vodičom. Tento efekt je za predpokladu, že akékoľvek zariadenie alebo zariadenie, ktoré potrebuje na prácu elektrinu.

Takže efekt joule sa pozoruje každý deň. Niekedy je to užitočné, napríklad domáce a kuchynské spotrebiče (ohrievač vody, sušičky vlasov, taniere, kachle atď.)

Inokedy je to nežiaduce a snaží sa ho minimalizovať, takže sa k počítaču s počítačom pridáva na rozptýlenie tepla, pretože môže spôsobiť zlyhania vnútorným komponentom.

Zariadenia, ktoré používajú efekt joule na výrobu tepla, majú odpor, ktorý sa zahrieva, keď sa prechádza, nazývané vykurovací prvok.

[TOC]

Vysvetlenie

Efekt Joule má svoj pôvod na mikroskopickej stupnici v časticiach, tak tých, ktoré tvoria materiál, ako aj tie, ktoré prepravujú elektrický náboj.

Atómy a molekuly v látke sú vo svojej najstabilnejšej polohe vo vnútri. Elektrický prúd pozostáva z riadneho pohybu elektrických nábojov, ktoré pochádzajú z kladného pólu batérie. Pri odchode majú veľa potenciálnej energie.

Na svojej ceste načítané častice ovplyvňujú časti materiálu a kladú ich na vibrovanie. Pokúsia sa obnoviť rovnováhu, ktorú mali predtým, a dodávali prebytočnú energiu do svojho prostredia vo forme vnímateľného tepla.

Množstvo oddeleného tepla závisí od intenzity prúdu Jo, Čas, ktorý cirkuluje vo vnútri vodiča Δt a odporového prvku R:

Q = i².R. ΔT (joules)

Predchádzajúca rovnica sa nazýva Joule-Lenzov zákon.

Príklady

Dvaja fyzici, British James Joule (1818-1889) a ruský Heinrich Lenz (1804-1865) nezávisle poznamenali, že drôt, ktorý transportoval prúd, sa nielen zahrieval, ale jeho prúd sa počas procesu znižoval.

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

- Štvorec intenzity aktuálneho prúdu.

- Čas, keď prúd zostal tečúci vodičom.

- Odpor uvedeného vodiča.

Jednotky tepla sú rovnaké jednotky energie: joules, skrátené ako j. Joule je pomerne malá jednotka energie, takže sa zvyčajne používajú aj iné ako kalórie.

Na transformáciu joulov na kalórie stačí vynásobiť faktorom 0,24, takže rovnica uvedená na začiatku je vyjadrená priamo v kalóriách:

Q = 0,24. Jo².R. ΔT (kalórie)

Efekt joule a elektrická energia

Efekt Joule je vítaný pri výrobe lokalizovaného tepla, ako sú sušičky rohov a vlasov. Ale v iných prípadoch to má nechcené účinky, napríklad:

- Veľmi veľké otepľovanie vodičov môže byť nebezpečné, čo spôsobuje požiare a popáleniny.

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

- Drôty, ktoré prepravujú elektrinu, vždy zažívajú kúrenie, aj keď je mierne, čo vedie k pozoruhodným stratám energie.

Je to preto, že káble, ktoré prepravujú prúd z elektrických rastlín, majú stovky kilometrov. Potom veľká časť energie, ktorú nosia.

Môže vám slúžiť: magnetizmus: magnetické vlastnosti materiálov, použitie

Aby sa tomu zabránilo, vodiči sa snažia mať čo najväčší odpor. Ovplyvňujú to tri dôležité faktory: dĺžka drôtu, prierezová oblasť a materiál, s ktorým sa vyrába.

Najlepší vodiči sú kovy, sú zlato, striebro, platina alebo meď niektoré z najúčinnejších. Drôty káblov sú vyrábané na základe medených vlákien, kovu, ktorý, hoci nie je v pohybe, je to oveľa lacnejšie.

Čím dlhší drôt, tým väčší bude mať odpor, ale výrobou ich hrubším, odpor klesá, pretože to uľahčuje pohyb nosičov zaťaženia.

Ďalšou vecou, ​​ktorú je možné urobiť, je zníženie intenzity prúdu, aby sa zahrievanie minimalizovalo. Transformátory sú zodpovedné za správne riadenie intenzity, takže sú tak dôležité pri prenose elektriny.

Cvičenia

Cvičenie 1

Radiátor naznačuje, že má silu 2000 W a je spojený s prijímaním 220 V. Vypočítajte nasledujúce:

a) Intenzita prúdu, ktorý cirkuluje chladič

b) množstvo elektrickej energie, ktorá sa transformovala po pol hodine

c) Ak je všetka táto energia obrátená pri zahrievaní 20 litrov vody, ktorá je spočiatku pri 4 ° C, aká bude maximálna teplota, pri ktorej sa môže voda zahriať?

Údaje: Špecifické teplo vody je CE = 4180 j/kg.Klimatizovať

Roztok

Výkon je definovaný ako energia na jednotku času. Ak je v rovnici uvedenej na začiatku, prejdeme týmto faktorom Δt Vpravo bude existovať presne energia na jednotku času:

Q = i².R. ΔT → p = q/ δt = i². R

Odolnosť vykurovacieho prvku môže byť známa prostredníctvom Ohmovho zákona: V = i.R, z čoho to nasleduje I = v/r. preto:

P = i². (V/i) = i. Vložka

Preto je prúd:

I = p / v = 2000 w / 220 V = 9.09 a.

Riešenie B

V tomto prípade Δt = 30 minút = = 30 x 60 sekúnd = 1800 sekúnd. Vyžaduje sa aj hodnota odporu, čo je zrejmé zo zákona Ohm:

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

Hodnoty sa nahradia Jouleovým zákonom:

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

Riešenie c

Množstvo tepla Otázka potrebné na zvýšenie množstva vody pri určitej teplote závisí od špecifického tepla a odchýlky teploty, ktorú je potrebné získať. Vypočíta sa:

Q = m. C_a. Δt

Tu m Je to hmotnosť vody, C_a Je to špecifické teplo, ktoré už má problém s problémom a Δt Je to variácia teploty.

Hmotnosť vody je to, čo je v 20 l. Vypočíta sa pomocou hustoty. Hustota vody ρ_{vodná voda} Je to kvocient medzi hmotnosťou a objemom. Okrem toho musíte konvertovať litre na kubické merače:

20 L = 0.02 m³

Ako M = hustota x objem = ρv, Cesto je.

m = 1000 kg/m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

Δt = konečná teplota - počiatočná teplota = t_F - 4 ° C = t_F - 277.15 k

Všimnite si, že musíte ísť z stupňov Celzia do Kelvina a pridať 273.15 k. Nahradenie vyššie uvedeného v tepelnej rovnici:

3.600.000 j = 20 kg x 4180 j/kg . Klimatizovať . (T_F - 277.pätnásť)

Tón_F = 3.600.000 j/(20 kg x 4180 j/kg . K) + 277.15 K = 320. 2 k = 47.05 ° C.

Cvičenie 2

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

Môže vám slúžiť: Zjavná hustota: vzorec, jednotky a cvičenia vyriešené

b) Predpokladajme, že máte sušič vlasov s 1 000 W energie pripojeným k príjmu 120 V, nájdite odpor vykurovacieho prvku a špičkový prúd - maximálny roh - ktorý ho prechádza.

c) Čo sa stane so sušičkou pri jej pripojení k užívaniu 240 V?

Roztok

Napätie výstrelu je striedavé, formy V = v_ani. Sen Ωt. Pretože je v priebehu času variabilný, je to veľmi dôležitéRms“, Skratka pre Koreňový priemer štvorcový.

Tieto hodnoty pre prúd a napätie sú:

Jo_Rms = 0.707 i_ani

Vložka_Rms = 0.707 V_ani

Pri uplatňovaní Ohmovho zákona je prúd ako funkcia času:

I = v/r = v_ani. hriech ΩT /r = i_ani. hriech Ωtón

V tomto prípade je sila v odbore prekročená striedavým prúdom:

P = i².R = (i_ani. hriech Ωt)².R = i_ani².R . SEN² Ωt

Je zrejmé, že sila sa v priebehu času mení a že je to pozitívne množstvo, pretože všetko je rezané na štvorec a R je vždy> 0. Priemerná hodnota tejto funkcie sa vypočíta integráciou do cyklu a výsledkom:

P_polovica = ½. Jo_ani².R = i_Rms².R

Pokiaľ ide o efektívne napätie a prúd, sila zostáva taká:

P_polovica = V_Rms. Jo_Rms

Jo_Rms = P_polovica / V_Rms = P_polovica / 0.707 V_ani

Riešenie B

Uplatňovanie poslednej rovnice s uvedenými údajmi:

P_polovica = 1000 W a V_Rms = 120 V

Jo_Rms = P_polovica / V_Rms = 1 000 w / 120 V = 8.33 a

Preto maximálny prúd cez vykurovací prvok je:

Jo_ani = I_Rms /0.707 = 8.33 A/0.707 = 11.8 a

Odpor je možné vyčistiť z priemernej výkonovej rovnice:

P_polovica = I_Rms².R → r = P_polovica / Jo_Rms² = 1 000 w / (8.33 a)² = 14.41 ohm.

Riešenie c

V prípade pripojenia k užívaniu 240 V sa priemerná sila mení:

Jo_Rms = V_Rms / R = 240 V / 14.41 ohm = 16.7 a

P_polovica = V_Rms. Jo_Rms = 240 v x 16.7 až ≈ 4000 W

To je približne 4 -násobok výkonu, pre ktorú je vykurovací prvok navrhnutý, ktorý bude spálený krátko po pripojení k tomuto výstrelu.

Žiadosti

Žiarovka

Žiarovka vytvára svetlo a tiež teplo, ktoré si môžeme všimnúť okamžite pri jeho pripojení. Prvok, ktorý vytvára oba efekty, je veľmi tenké vlákno vodiča, a preto má vysoký odpor.

Vďaka tomuto zvýšeniu rezistencie, hoci prúd sa vo vlákne znížil, Joule Effect je koncentrovaný do bodu, v ktorom dochádza k žiareniu. Vlákno, vyrobené z volfrámu, pretože má vysoký bod topenia 3400 ° C, emituje svetlo a tiež zahrieva.

Zariadenie musí byť zamknuté v priehľadnom sklenenom nádobe, ktorý je naplnený inertným plynom, ako je argón alebo nízkotlakový dusík, aby sa zabránilo zhoršeniu vlákna. Ak sa tak nestane, kyslík vzduchu spotrebuje vlákno a žiarovka prestane pracovať na zákone.

Spínače magneto-divadla

Magnetické účinky magnetov zmiznú pri vysokých teplotách. Toto sa dá použiť na vytvorenie zariadenia, ktoré preruší priechod prúdu, keď je nadmerné. Pozostáva z magnetotermálneho spínača.

Časť obvodu, cez ktorú je prúd uzavretý pomocou magnetu, ktorý je predmetom doku. Magnet sa drží na obvode vďaka magnetickej príťažlivosti, a tak zostáva, zatiaľ čo nie je oslabený v dôsledku zahrievania.

Môže vám slúžiť: Potenciálna energia: Charakteristiky, typy, výpočet a príklady

Keď prúd presahuje určitú hodnotu, magnetizmus oslabí a prístavisko zloží magnet, čo spôsobí otvorenie obvodu. A keďže prúd potrebuje, aby sa obvod uzavrel na tok, otvára sa a aktuálny priechod je prerušený. Týmto spôsobom sa zabráni zahrievaniu káblov, ktoré by mohli spôsobiť nehody, ako sú požiare.

Poistky

Ďalším spôsobom ochrany obvodu a včasného prerušenia prúdového prihrávky je poistka, kovový prúžok, ktorý, keď je zahrievaný joulovým efektom, topí sa, ponecháva obvod otvorený a prerušuje prúd.

Obrázok 2. Poistka je ochranný prvok obvodu. Kov sa topí, keď je prekročený nadmerným prúdom. Zdroj: Pixabay.

Pasterizácia ohmickým zahrievaním

Skladá sa z prenosu elektrického prúdu cez potraviny, ktoré majú prirodzene elektrický odpor. Na tento účel sa používajú elektródy vyrobené z antikorózneho materiálu. Teplota potravín sa zvyšuje a teplo ničí baktérie, čo im pomáha zachovať ich dlhšie.

Výhodou tejto metódy je to, že otepľovanie sa vyskytuje v oveľa menšom čase, ako je to potrebné prostredníctvom konvenčných techník. Predĺžené otepľovanie ničí baktérie, ale neutralizuje aj vitamíny a minerály, ktoré sú nevyhnutné.

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

Experimenty

Nasledujúci experiment spočíva v meraní množstva elektrickej energie zmenenej na tepelnú energiu, meranie množstva tepla absorbovaného známou hmotnosťou vody. Z tohto dôvodu je zahrievacia cievka ponorená do vody, cez ktorú prechádza prúd.

Materiál

- 1 pohár polystyrénu

- Multimeter

- Celzia teplomer

- 1 zdroj nastaviteľného výkonu, rozsah 0-12 V

- Vyvážiť

- Pripojené káble

- Chronometer

Postup

Cievka je zahrievaná joule efektom, a preto aj voda. Musíte zmerať hmotnosť vody a jej počiatočnú teplotu a určiť, akú teplotu ju zahrievame.

Obrázok 3. Experiment s cieľom určiť, koľko elektrického výkonu sa transformuje na teplo. Zdroj: f. Zapata.

Poskytujú sa postupné hodnoty každú minútu, pričom registrujú hodnoty prúdu a napätia. Po dostupnom registrácii dodávka elektrická energia prostredníctvom rovníc:

Q = i².R. Δt (Joule Law)

V = i.R (Ohmov zákon)

A porovnajte s množstvom tepla absorbovaného hmotnosťou vody:

Q = m. C_a. Δt (Pozri Cvičenie vyriešené 1)

Keďže sa energia zachováva, obidve množstvá by mali byť rovnaké. Aj keď polystyrén má pod špecifickým teplom a takmer absorbuje tepelnú energiu, dôjde k určitým stratám v atmosfére. Musíte tiež vziať do úvahy experimentálnu chybu.

Straty atmosféry sa minimalizujú, ak sa voda zahrieva rovnaký počet stupňov nad teplotou okolia, ktorá bola nižšie pred začiatkom experimentu.

Inými slovami, ak bola voda pri 10 ° C a teplota okolia bola 22 ° C, musíte vziať vodu až na 32 ° C.

Odkazy

1. Kramer, C. 1994. Fyzikálne postupy. McGraw Hill. 197.
2. Sito. Efekt joule. Získané z: Eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a inžinierstvo. Zväzok 5. Elektrostatika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. 6^th. Ed Prentice Hall.
5. Hypertextuálny. Aký je efekt Joule a prečo sa stalo pre naše životy niečo transcendentálne. Obnovené z: hypertextuálu.com
6. Wikipedia. Efekt joule. Obnovené z: je.Wikipedia.orgán.
7. Wikipedia. Vykurovanie joule. Zdroj: In. Wikipedia.orgán.