JOULE-EFEKTI: SELITYS, ESIMERKIT, HARJOITUKSET, SOVELLUKSET - FYYSINEN - 2025

Joulen ilmiön tai Joulen lakia on seurausta muutosta sähköenergian lämmöksi, joka tapahtuu silloin, kun sähkövirta kulkee johtimen läpi. Tämä vaikutus esiintyy, kun jokin laite tai laite, joka tarvitsee sähköä toimiakseen, kytketään päälle.

Muina aikoina se ei ole toivottavaa ja sitä pyritään minimoimaan, minkä vuoksi pöytätietokoneisiin lisätään puhaltimia lämmön poistamiseksi, koska se voi aiheuttaa sisäisten komponenttien vioittumisen.

Laitteissa, jotka käyttävät Joule-ilmiötä lämmön tuottamiseen, on sisäinen vastus, joka kuumenee, kun virta kulkee sen läpi, nimeltään lämmityselementti.

Selitys

Joule-ilmiön alkuperä on mikroskooppisessa mittakaavassa hiukkasissa, jotka ovat sekä materiaalin muodostavia että sähkönvaraisia.

Aineen atomit ja molekyylit ovat vakaimmassa asemassa aineessa. Sitä vastoin sähkövirta koostuu sähkövarausten määrätystä liikkeestä, jotka tulevat akun positiivisesta navasta. Kun he pääsevät ulos sieltä, heillä on paljon potentiaalista energiaa.

Kun ne kulkevat, varautuneet hiukkaset vaikuttavat materiaalin hiukkasiin ja aiheuttavat niiden värähtelyn. He yrittävät palauttaa tasapainon, joka heillä oli aikaisemmin, toimittaen ylimääräistä energiaa ympäristöönsä havaittavan lämmön muodossa.

Vapautuneen lämmön Q määrä riippuu virran I voimakkuudesta, ajasta, jonka ajan se kiertää johtimen Δt ja resistiivisen elementin R sisällä:

Yllä olevaa yhtälöä kutsutaan Joule-Lenzin lakiksi.

esimerkit

Kaksi fyysikkoa, britti James Joule (1818-1889) ja venäläinen Heinrich Lenz (1804-1865), havaitsivat itsenäisesti, että virtaa kuljettava lanka ei vain kuumene, vaan sen virta laski prosessin aikana.

Sitten todettiin, että vastuksen hajottaman lämmön määrä on verrannollinen:

- Kiertävän virran voimakkuuden neliö.

- Aika, jolloin mainittu virta jatkoi virtausta johtimen läpi.

- Mainitun johtimen vastus.

Lämpöyksiköt ovat samoja energiayksiköitä: jouleja, lyhennettynä nimellä J. Joule on melko pieni yksikkö energiaa, joten usein käytetään muita, kuten esimerkiksi kaloreita.

Jos haluat muuntaa jouleja kaloreiksi, kerro vain kertoimella 0,24 niin, että alussa annettu yhtälö ilmaistaan ​​suoraan kaloreina:

Joule-efekti ja sähköenergian kuljetus

Joule-efekti on tervetullut tuottamaan paikallista lämpöä, kuten polttimia ja hiustenkuivaajia. Mutta muissa tapauksissa sillä on ei-toivottuja vaikutuksia, kuten:

- Johtimien erittäin suuri kuumennus voi olla vaarallinen, aiheuttaen tulipaloja ja palovammoja.

- Transistorilla varustetut elektroniset laitteet heikentävät niiden suorituskykyä ja voivat vioittaa, vaikka ne kuumenisivat liian nopeasti.

- Sähköenergiaa kuljettavat johdot kuumenevat aina, jopa hieman, mikä johtaa huomattaviin energiahäviöihin.

Tämä johtuu siitä, että voimalaitosten virtaa kuljettavat kaapelit kulkevat satoja kilometrejä. Niin suuri osa heidän kuljettamasta energiasta ei saavuta määränpäähänsä, koska se hukkaan matkalla.

Tämän välttämiseksi halutaan, että johtimilla on mahdollisimman pieni vastus. Tähän vaikuttavat kolme tärkeää tekijää: langan pituus, poikkileikkauspinta-ala ja materiaali, josta se on valmistettu.

Parhaat johtimet ovat metallit, joista kulta, hopea, platina tai kupari ovat tehokkaimpia. Kaapelien johdot on valmistettu kuparfilamenteista, metallista, joka on paljon halvempi, vaikka se ei johda yhtä hyvin kuin kulta.

Mitä pidempi lanka, sitä enemmän vastusta sillä on, mutta tekemällä niistä paksumpia, vastus vähenee, koska tämä helpottaa varausvälineiden liikkumista.

Toinen asia, joka voidaan tehdä, on vähentää virran voimakkuutta siten, että lämmitys minimoidaan. Muuntajat vastaavat intensiteetin oikeasta ohjaamisesta, siksi ne ovat niin tärkeitä sähköenergian siirrossa.

Harjoitukset

Harjoitus 1

Jäähdytin osoittaa, että sen teho on 2000W ja että se on kytketty 220 V: n pistorasiaan. Laske seuraava:

a) Jäähdyttimen läpi virtaavan virran voimakkuus

b) Sähköenergian määrä, joka on muuttunut puolen tunnin kuluttua

c) Jos kaikki tämä energia sijoitetaan 20 litran veden lämmittämiseen, joiden lämpötila on alun perin 4 ºC, mikä on korkein lämpötila, johon vesi voidaan lämmittää?

Ratkaisu

Teho määritellään energiana yksikköä kohti. Jos siirrämme alussa annetussa yhtälössä kertoimen Δt oikealle, meillä on tarkalleen energiaa aikayksikköä kohti:

Lämmityselementin vastus voidaan tietää Ohmin lailla: V = IR, josta seuraa, että I = V / R. Täten:

Siten nykyiset tulokset:

Ratkaisu b

Tässä tapauksessa Δt = 30 minuuttia = = 30 x 60 sekuntia = 1800 sekuntia. Vaaditaan myös vastusarvo, joka poistetaan Ohmin laista:

Arvot korvataan Joulen lailla:

Ratkaisu c

Lämpömäärä Q, joka tarvitaan vesimäärän nostamiseksi tiettyyn lämpötilaan, riippuu ominaislämpöstä ja saavutettavasta lämpötilan vaihtelusta. Se lasketaan:

Tässä m on veden massa, C _e on ominaislämpö, ​​jota pidetään jo ongelman tietoina, ja ΔT on lämpötilan vaihtelu.

Veden massa on 20 litassa. Se lasketaan tiheyden avulla. Veden tiheys ρ _vesi on massan ja tilavuuden välinen suhde. Lisäksi litrat on muunnettava kuutiometreiksi:

Koska m = tiheys x tilavuus = ρV, massa on.

Huomaa, että on tarpeen siirtyä celsiusasteesta kelviniin lisäämällä 273,15 K. Korvaa yllä oleva lämpöyhtälössä:

Harjoitus 2

a) Etsi vaihto- jännitteeseen kytketyn vastuksen tehon ja keskimääräisen tehon lausekkeet.

b) Oletetaan, että sinulla on hiustenkuivaaja, jonka teho on 1000 W, kytkettynä 120 V: n pistorasiaan, etsiä lämmityselementin vastus ja sen kautta kulkeva huippuvirta - maksimivirta.

c) Mitä tapahtuu kuivaimelle, kun se on kytketty 240 V: n pistorasiaan?

Ratkaisu

Venttiilin jännite vaihtuu muodossa V = V _o. sen ωt. Koska se on ajan myötä muuttuva, on erittäin tärkeää määritellä sekä jännitteen että virran teholliset arvot, jotka merkitään alaindeksillä ”rms”, joka tarkoittaa keskimääräistä neliötä.

Nämä virran ja jännitteen arvot ovat:

Sovellettaessa Ohmin lakia virta ajan funktiona on seuraava:

Tällaisessa tapauksessa vaihtovirran ylittämä vastuksen teho on:

Nähdään, että teho vaihtelee myös ajan myötä, ja että se on positiivinen määrä, koska kaikki on neliössä ja R on aina> 0. Tämän funktion keskiarvo lasketaan integroimalla jaksoon ja tulokset:

Tehollisen jännitteen ja virran suhteen teho näyttää tältä:

Ratkaisu b

Sovelletaan viimeistä yhtälöä toimitettujen tietojen kanssa:

_{Keskimääräinen} P = 1000 W ja V _rms = 120 V

Siksi lämmityselementin suurin virta on:

Vastus voidaan ratkaista keskimääräisen tehon yhtälöstä:

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

Tämä on noin 4-kertainen teho, jolla lämmityselementti on suunniteltu, joka sammuu pian sen jälkeen, kun se on kytketty tähän pistorasiaan.

Sovellukset

Hehkulamput

Hehkulamppu tuottaa valoa ja myös lämpöä, jonka voimme huomata heti, kun se kytketään. Elementti, joka tuottaa molemmat vaikutukset, on erittäin ohut johdinlanka, jolla on siksi suuri vastus.

Tämän vastuslisäyksen lisääntymisen ansiosta, vaikka virta on vähentynyt filamentissa, Joule-vaikutus on keskittynyt siihen määrään, että tapahtuu hehku. Hehkulanka, joka on tehty volframista johtuen korkeasta sulamispisteestään 3400 ºC, säteilee valoa ja myös lämpöä.

Laite tulisi sulkea läpinäkyvään lasisäiliöön, joka on täytetty inertillä kaasulla, kuten argonilla tai typellä alhaisessa paineessa, hehkulangan pilaantumisen välttämiseksi. Jos sitä ei tehdä tällä tavalla, ilman happi kuluttaa hehkulankaa ja polttimo lakkaa toimimasta heti.

Magneettikytkimet

Magneettien magneettiset vaikutukset häviävät korkeissa lämpötiloissa. Tätä voidaan käyttää laitteen luomiseen, joka keskeyttää virran virtauksen, kun se on liian suuri. Tämä on magneettinen kytkin.

Piirin osa, jonka läpi virta virtaa, suljetaan jousella kiinnitetyllä magnetilla. Magneetti tarttuu piiriin magneettisen vetovoiman ansiosta ja pysyy niin, kunhan kuumennus ei heikennä sitä.

Kun virta ylittää tietyn arvon, magnetismi heikkenee ja jousi irrottaa magneetin aiheuttaen virtapiirin avautumisen. Ja koska virta tarvitsee piirin sulkeutumisen virtaamiseksi, se aukeaa ja virran virtaus keskeytetään. Tämä estää kaapeleita kuumenemasta, mikä voi aiheuttaa onnettomuuksia, kuten tulipaloja.

sulakkeet

Toinen tapa suojata piiri ja keskeyttää virran virtaus ajoissa on sulake, metallinauha, joka Joule-vaikutuksella kuumennettaessa sulaa jättäen piirin avoimeksi ja keskeyttäen virran.

Kuva 2. Sulake on piirisuojaelementti. Metalli sulaa, kun se kulkee liiallisen virran läpi. Lähde: Pixabay.

Ohminen kuumennus pastörointi

Se koostuu sähkövirran johtamisesta ruoan läpi, jolla on luonnollisesti sähkövastus. Tätä varten käytetään ruostumattomasta materiaalista valmistettuja elektrodeja. Ruoan lämpötila nousee ja lämpö tuhoaa bakteerit auttaen säilyttämään sen pidempään.

Tämän menetelmän etuna on, että kuumennus tapahtuu paljon vähemmän aikaa kuin mitä tavanomaiset tekniikat vaativat. Pitkäaikainen kuumennus tuhoaa bakteerit mutta myös neutraloi välttämättömät vitamiinit ja mineraalit.

Muutaman sekunnin kestävä ohminen kuumennus auttaa säilyttämään ruuan ravintopitoisuuden.

kokeilut

Seuraava koe koostuu lämpöenergiaksi muunnetun sähköenergian määrän mittaamisesta mittaamalla tunnetun vesimassan absorboima lämpömäärä. Tätä varten upotetaan veteen lämmityskela, jonka läpi virta johdetaan.

tarvikkeet

- 1 polystyreenikuppi

- Yleismittari

- Celsiuslämpömittari

- 1 säädettävä virtalähde, alue 0–12 V

- Tasapaino

- Liitäntäkaapelit

- Sekuntikello

Prosessi

Kela lämpenee joule-ilmiön vaikutuksesta ja siksi myös vesi. Meidän on mitattava veden massa ja sen alkulämpötila ja määritettävä, mihin lämpötilaan aiomme kuumentaa sen.

Kuva 3. Koe sen määrittämiseksi, kuinka paljon sähköenergiaa muuttuu lämmöksi. Lähde: F. Zapata.

Peräkkäiset lukemat suoritetaan joka minuutti, jolloin nykyiset ja jännitearvot kirjataan. Kun tietue on saatavilla, toimitettu sähköenergia lasketaan yhtälöillä:

Q = I ².R. Δt (Joulen laki)

V = IR (Ohmin laki)

Ja vertaa vesimäärän absorboimaan lämpömäärään:

Q = m. C _e. ΔT (katso ratkaistu tehtävä 1)

Koska energiaa säästetään, molempien määrien tulisi olla yhtä suuret. Vaikka polystyreenillä on matala ominaislämpö ja se ei ime läheskään lämpöenergiaa, ilmakehään tapahtuu silti joitain häviöitä. Kokeellinen virhe on myös otettava huomioon.

Ilmakehähäviöt minimoidaan, jos vettä lämmitetään sama määrä asteita huoneenlämpötilan yläpuolella kuin se oli alla ennen kokeen aloittamista.

Toisin sanoen, jos veden lämpötila oli 10ºC ja ympäristön lämpötila oli 22ºC, sinun on vedenotettava 32 ° C: seen.

Viitteet

1. Kramer, C. 1994. Fysiikan käytännöt. McGraw Hill. 197.
2. Seula. Joule-vaikutus. Palautettu osoitteesta: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Osa 5. Sähköstatiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. 6 ^th. Ed Prentice Hall.
5. Hypertextual. Mikä on Joulen vaikutus ja miksi siitä on tullut jotain transsendenttista elämäämme. Palautettu osoitteesta: hypertextual.com
6. Wikipedia. Joule-vaikutus. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule-lämmitys. Palautettu: en. wikipedia.org.