ЭФФЕКТ ДЖОУЛЯ: ОБЪЯСНЕНИЕ, ПРИМЕРЫ, УПРАЖНЕНИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Эффект Джоуля или закон Джоуля является результатом преобразования электрической энергии в тепло, которое происходит, когда электрический ток проходит через проводник. Этот эффект присутствует всякий раз, когда включается какой-либо прибор или устройство, которому для работы требуется электричество.

В других случаях это нежелательно, и его стремятся минимизировать, поэтому к настольному ПК добавляются вентиляторы для отвода тепла, так как это может вызвать отказ внутренних компонентов.

Устройства, которые используют эффект Джоуля для производства тепла, имеют внутри сопротивление, которое нагревается, когда через них проходит ток, называемое нагревательным элементом.

объяснение

Эффект Джоуля возникает в микроскопическом масштабе в частицах, как тех, которые составляют материал, так и тех, которые несут электрический заряд.

Атомы и молекулы вещества находятся в наиболее стабильном положении внутри вещества. В свою очередь, электрический ток состоит из упорядоченного движения электрических зарядов, исходящих от положительного полюса батареи. Когда они уезжают оттуда, у них появляется много потенциальной энергии.

При прохождении заряженные частицы сталкиваются с частицами материала и заставляют их вибрировать. Они будут пытаться восстановить баланс, который у них был ранее, доставляя избыток энергии в свое окружение в виде ощутимого тепла.

Количество выделяемого тепла Q зависит от силы тока I, времени, в течение которого он циркулирует внутри проводника Δt и резистивного элемента R:

Вышеприведенное уравнение называется законом Джоуля-Ленца.

Примеры

Два физика, британец Джеймс Джоуль (1818–1889) и русский Генрих Ленц (1804–1865) независимо друг от друга заметили, что провод с током не только нагревается, но и его ток уменьшается во время процесса.

Затем было установлено, что количество тепла, рассеиваемого сопротивлением, пропорционально:

- Квадрат силы циркулирующего тока.

- Время, в течение которого указанный ток продолжал течь через проводник.

- сопротивление указанного проводника.

Единицы тепла - это те же единицы энергии: джоули, сокращенно J. Джоуль - довольно небольшая единица энергии, поэтому часто используются другие единицы, такие как, например, калории.

Чтобы преобразовать джоули в калории, просто умножьте их на коэффициент 0,24, чтобы уравнение, приведенное в начале, напрямую выражалось в калориях:

Эффект Джоуля и перенос электроэнергии

Эффект Джоуля может вызывать локальное нагревание, например, от горелок и фенов. Но в других случаях это имеет нежелательные эффекты, такие как:

- Очень сильный нагрев проводов может быть опасен, вызывая пожары и ожоги.

- Электронные устройства с транзисторами снижают свою производительность и могут выйти из строя, даже если они станут слишком горячими.

- Провода, по которым передается электрическая энергия, всегда нагреваются, даже незначительно, что приводит к заметным потерям энергии.

Это потому, что кабели, по которым идет ток от электростанций, проложены на сотни километров. Так много энергии, которую они несут, не достигает места назначения, потому что она тратится в пути.

Чтобы этого избежать, необходимо, чтобы проводники имели минимально возможное сопротивление. На это влияют три важных фактора: длина провода, площадь поперечного сечения и материал, из которого он сделан.

Лучшие проводники - это металлы, а золото, серебро, платина или медь - одни из самых эффективных. Провода кабелей сделаны из медных нитей - металла, который, хотя и не проводит так же хорошо, как золото, но намного дешевле.

Чем длиннее провод, тем большее сопротивление он будет иметь, но, делая их толще, сопротивление уменьшается, потому что это облегчает движение носителей заряда.

Еще одно, что можно сделать, - это уменьшить силу тока, чтобы минимизировать нагрев. Трансформаторы отвечают за правильное регулирование интенсивности, поэтому они так важны при передаче электроэнергии.

упражнения

Упражнение 1

Радиатор указывает, что он имеет мощность 2000 Вт и подключен к розетке 220 В. Рассчитайте следующее:

а) Сила тока, протекающего через радиатор

б) Количество электроэнергии, которое было преобразовано через полчаса

c) Если вся эта энергия будет потрачена на нагрев 20 литров воды, которая изначально имеет температуру 4 ºC, то какой будет максимальная температура, до которой вода может быть нагрета?

Решение для

Мощность определяется как энергия в единицу времени. Если в уравнении, приведенном в начале, мы передадим множитель Δt вправо, мы получим именно энергию в единицу времени:

Сопротивление нагревательного элемента можно узнать по закону Ома: V = IR, из которого следует, что I = V / R. Таким образом:

Таким образом, текущие результаты:

Решение б

В этом случае Δt = 30 минут = = 30 x 60 секунд = 1800 секунд. Также требуется величина сопротивления, которая очищена от закона Ома:

Значения подставляются в закон Джоуля:

Решение c

Количество тепла Q, необходимое для повышения количества воды до определенной температуры, зависит от удельной теплоемкости и изменения температуры, которую необходимо получить. Он рассчитывается по:

Здесь m - масса воды, C _e - удельная теплоемкость, которая уже принята в качестве данных для задачи, а ΔT - изменение температуры.

Масса воды составляет 20 л. Рассчитывается с помощью плотности. Плотность воды ρ _вода - это отношение массы к объему. Кроме того, вам нужно перевести литры в кубические метры:

Поскольку m = плотность x объем = ρV, масса равна.

Обратите внимание, что необходимо перейти от градусов по Цельсию к градусам Кельвина, добавив 273,15 К. Подставляя указанное выше в уравнение теплопроводности:

Упражнение 2.

а) Найдите выражения для мощности и средней мощности для сопротивления, подключенного к переменному напряжению.

б) Предположим, у вас есть фен мощностью 1000 Вт, подключенный к розетке 120 В, найдите сопротивление нагревательного элемента и пиковый ток - максимальный ток - через него.

в) Что происходит с сушилкой, когда она подключена к розетке 240 В?

Решение для

Напряжение ответвления переменное, в виде V = V _o . sen ωt. Поскольку он изменяется во времени, очень важно определить действующие значения как напряжения, так и тока, которые обозначаются нижним индексом «rms», который обозначает среднеквадратическое значение.

Эти значения для тока и напряжения:

При применении закона Ома ток как функция времени имеет вид:

В таком случае мощность резистора, пересекаемого переменным током, равна:

Видно, что мощность также изменяется со временем, и что это положительная величина, поскольку все возведено в квадрат и R всегда> 0. Среднее значение этой функции вычисляется путем интегрирования в цикле и дает:

С точки зрения эффективного напряжения и тока мощность выглядит так:

Решение б

Применяя последнее уравнение с предоставленными данными:

_{Среднее значение} P = 1000 Вт и _{среднеквадратичное значение} V = 120 В

Следовательно, максимальный ток через нагревательный элемент составляет:

Сопротивление можно решить из уравнения средней мощности:

P _{среднее} = V _rms . I _rms = 240 В x 16,7 A ≈ 4000 Вт

Это примерно в 4 раза больше мощности, на которую рассчитан нагревательный элемент, который сгорит вскоре после подключения к этой розетке.

Приложения

Лампы накаливания

Лампа накаливания излучает свет, а также тепло, что мы можем сразу заметить, когда подключаем ее. Элемент, который производит оба эффекта, представляет собой очень тонкую проводящую нить, которая поэтому имеет высокое сопротивление.

Благодаря такому увеличению сопротивления, хотя ток в нити уменьшился, эффект Джоуля концентрируется до такой степени, что возникает накал. Нить накала, сделанная из вольфрама, из-за ее высокой температуры плавления 3400 ºC, излучает свет, а также тепло.

Устройство должно быть заключено в прозрачный стеклянный контейнер, наполненный инертным газом, например аргоном или азотом при низком давлении, чтобы избежать повреждения нити. Если этого не сделать, кислород в воздухе поглотит нить накала, и лампа мгновенно перестанет работать.

Магнитотермические переключатели

Магнитные эффекты магнитов исчезают при высоких температурах. Это может быть использовано для создания устройства, которое прерывает ток, когда он чрезмерен. Это магнитотермический выключатель.

Часть цепи, по которой протекает ток, замыкается магнитом, прикрепленным к пружине. Магнит прилипает к цепи благодаря магнитному притяжению и остается таковым до тех пор, пока не ослабляется нагреванием.

Когда ток превышает определенное значение, магнетизм ослабевает, и пружина отсоединяет магнит, вызывая размыкание цепи. А поскольку для протекания тока необходимо, чтобы цепь была замкнута, она размыкается, и ток прерывается. Это предотвращает нагрев кабелей, что может привести к несчастным случаям, например к пожару.

Плавкие предохранители

Другой способ защитить цепь и своевременно прервать прохождение тока - использовать предохранитель - металлическую полосу, которая при нагревании за счет эффекта Джоуля плавится, оставляя цепь разомкнутой и прерывая ток.

Рисунок 2. Предохранитель - это элемент защиты цепи. Металл плавится, когда через него проходит чрезмерный ток. Источник: Pixabay.

Пастеризация с омическим нагревом

Он заключается в пропускании электрического тока через пищу, которая, естественно, имеет электрическое сопротивление. Для этого используются электроды из антикоррозионного материала. Температура продуктов повышается, и тепло уничтожает бактерии, помогая сохранить их дольше.

Преимущество этого метода заключается в том, что нагрев происходит за гораздо меньшее время, чем это требуется обычными методами. Продолжительное нагревание уничтожает бактерии, но также нейтрализует необходимые витамины и минералы.

Омический нагрев, который длится всего несколько секунд, помогает сохранить питательную ценность пищи.

Эксперименты

Следующий эксперимент состоит в измерении количества электрической энергии, преобразованной в тепловую, путем измерения количества тепла, поглощаемого известной массой воды. Для этого в воду погружают нагревательную спираль, через которую пропускают ток.

материалы

- 1 стакан из полистирола

- мультиметр

- термометр Цельсия

- 1 регулируемый источник питания, диапазон 0-12 В

- Баланс

- Соединительные кабели

- секундомер

Обработать

Катушка нагревается за счет эффекта джоуля, а значит, и вода. Мы должны измерить массу воды и ее начальную температуру, а также определить, до какой температуры мы собираемся ее нагреть.

Рисунок 3. Эксперимент, чтобы определить, сколько электроэнергии преобразуется в тепло. Источник: Ф. Сапата.

Каждую минуту снимаются последовательные показания с записью значений тока и напряжения. Как только запись становится доступной, подаваемая электрическая энергия рассчитывается по формулам:

Q = I ² .R. Δt (закон Джоуля)

V = IR (закон Ома)

И сравните с количеством тепла, поглощаемого водоемом:

Q = м. C _e . ΔT (см. Решенное упражнение 1)

Поскольку энергия сохраняется, обе величины должны быть равны. Однако, хотя полистирол имеет низкую удельную теплоемкость и почти не поглощает тепловую энергию, некоторые потери в атмосферу все же будут. Также необходимо учитывать экспериментальную ошибку.

Потери в атмосферу сводятся к минимуму, если вода нагревается на такое же количество градусов выше комнатной температуры, как и до начала эксперимента.

Другими словами, если температура воды была 10ºC, а температура окружающей среды была 22ºC, то вы должны довести воду до 32ºC.

Ссылки

1. Крамер, C. 1994. Физические практики. Макгроу Хилл. 197.
2. Сито. Эффект Джоуля. Получено с: eltamiz.com.
3. Фигероа, Д. (2005). Серия: Физика для науки и техники. Том 5. Электростатика. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB).
4. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. 6 ^чт . Эд Прентис Холл.
5. Гипертекстовые. Что такое эффект Джоуля и почему он стал чем-то трансцендентным в нашей жизни. Получено с: hypertextual.com
6. Wikipedia. Эффект Джоуля. Получено с: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Джоулевое нагревание. Получено с: en. wikipedia.org.