Joule Effect Penjelasan, Contoh, Latihan, Aplikasi

Dia Kesan joule O Joule's Law adalah hasil transformasi tenaga haba, yang berlaku ketika arus elektrik sedang melalui pemandu. Kesan ini disediakan dengan syarat bahawa mana -mana peranti atau peranti yang memerlukan elektrik berfungsi.

Jadi kesan joule diperhatikan setiap hari. Kadang -kadang ia berguna, seperti peralatan rumah dan dapur (pemanas air, pengering rambut, pinggan, dapur, dll.)

Pada masa lain ia tidak diingini dan ia bertujuan untuk meminimumkannya, jadi PC meja ditambah peminat untuk menghilangkan haba, kerana ia boleh menyebabkan kegagalan kepada komponen dalaman.

Peranti yang menggunakan kesan joule untuk menghasilkan haba, mempunyai rintangan yang dipanaskan apabila ia diluluskan, dipanggil elemen pemanasan.

[TOC]

Penjelasan

Kesan joule mempunyai asalnya pada skala mikroskopik dalam zarah, kedua -dua mereka yang membentuk bahan dan mereka yang mengangkut caj elektrik.

Atom dan molekul dalam bahan berada dalam kedudukan yang paling stabil di dalamnya. Bagi bahagiannya, arus elektrik terdiri daripada pergerakan caj elektrik yang teratur, yang berasal dari tiang bateri positif. Semasa pergi ke sana mereka mempunyai banyak tenaga yang berpotensi.

Di jalan mereka, zarah yang dimuatkan memberi kesan kepada bahan -bahan dan meletakkannya untuk bergetar. Ini akan cuba memulihkan keseimbangan yang sebelum ini, memberikan tenaga yang berlebihan kepada persekitaran mereka dalam bentuk haba yang dapat dilihat.

Jumlah haba yang terpisah bergantung pada intensiti arus Yo, Masa ia beredar di dalam pemandu Δt dan unsur rintangan R:

Q = i².R. Δt (joules)

Persamaan sebelumnya dipanggil undang-undang Joule-Lenz.

Contoh

Two physicists, the British James Joule (1818-1889) and the Russian Heinrich Lenz (1804-1865) observed, independently, that a wire that transported current not only was heated, but its current was decreasing during the process.

Ia kemudiannya ditubuhkan bahawa jumlah haba yang hilang oleh rintangan adalah berkadar dengan:

- Kuadrat dari intensiti arus semasa.

- Masa arus tetap mengalir oleh pemandu.

- Rintangan pemandu tersebut.

Unit haba adalah unit tenaga yang sama: joules, disingkat sebagai j. Joule adalah unit tenaga yang agak kecil, jadi yang lain seperti kalori biasanya digunakan, sebagai contoh.

Untuk mengubah joules menjadi kalori, sudah cukup untuk membiak dengan faktor 0.24, supaya persamaan yang diberikan pada mulanya, dinyatakan secara langsung dalam kalori:

Q = 0.24. Yo².R. Δt (kalori)

Kesan joule dan pengangkutan kuasa elektrik

Kesan joule dialu -alukan untuk menghasilkan haba setempat, seperti tanduk dan pengering rambut. Tetapi dalam kes lain, ia mempunyai kesan yang tidak diingini, seperti:

- Pemanasan yang sangat besar dalam pemandu boleh berbahaya, menyebabkan kebakaran dan luka bakar.

- Peranti elektronik dengan transistor mengurangkan prestasi mereka dan boleh gagal walaupun mereka terlalu panas.

- Kabel yang mengangkut elektrik sentiasa mengalami pemanasan, walaupun ia ringan, yang membawa kepada kerugian tenaga yang ketara.

Itu kerana kabel yang mengangkut arus dari loji elektrik mempunyai beratus -ratus kilometer. Kemudian sebahagian daripada tenaga yang mereka bawa tidak sampai ke destinasi mereka, kerana ia dibazirkan di sepanjang jalan.

Boleh melayani anda: Magnetisme: Sifat Magnet Bahan, Kegunaan

Untuk mengelakkan ini, pemandu ingin mempunyai rintangan sebanyak mungkin. Tiga faktor penting mempengaruhi ini: panjang dawai, kawasan keratan rentas dan bahan yang dibuatnya.

Pemacu terbaik adalah logam, emas, perak, platinum atau tembaga beberapa yang paling berkesan. Kabel kabel dibuat berdasarkan filamen tembaga, logam yang, walaupun ia tidak memandu serta emas, ia jauh lebih murah.

Semakin lama dawai, semakin besar rintangan akan ada, tetapi dengan menghasilkan mereka lebih tebal, rintangan berkurangan, kerana ini memudahkan pergerakan pembawa beban.

Perkara lain yang boleh dilakukan adalah untuk mengurangkan intensiti arus, sehingga pemanasan diminimumkan. Transformer bertanggungjawab untuk mengawal intensiti dengan betul, jadi mereka sangat penting dalam penghantaran elektrik.

Latihan

Latihan 1

Radiator menunjukkan bahawa ia mempunyai kuasa 2000w dan dihubungkan dengan pengambilan 220 v. Kirakan perkara berikut:

a) keamatan arus yang beredar melalui radiator

b) Jumlah tenaga elektrik yang telah diubah selepas setengah jam

c) Jika semua tenaga ini dibalikkan dalam pemanasan 20 liter air yang pada mulanya pada suhu 4 ° C, apakah suhu maksimum di mana air dapat dipanaskan?

Data: Panas air tertentu ialah CE = 4180 J/kg.K

Penyelesaian kepada

Kuasa ditakrifkan sebagai tenaga bagi setiap unit masa. Sekiranya dalam persamaan yang diberikan pada mulanya kita lulus faktor Δt Di sebelah kanan, akan ada tenaga yang tepat bagi setiap unit masa:

Q = i².R. ΔT → p = q/ δt = i². R

Rintangan elemen pemanasan dapat diketahui melalui undang -undang ohm: V = i.R, dari mana ia mengikutinya I = v/r. Oleh itu:

P = i². (V/i) = i. V

Oleh itu arus adalah:

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

Penyelesaian b

Dalam kes ini Δt = 30 minit = = 30 x 60 saat = 1800 saat. Nilai rintangan juga diperlukan, yang jelas dari undang -undang Ohm:

R = V / I = 220 V / 9.09 A = 24.2 ohm

Nilai digantikan dalam undang -undang Joule:

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

Penyelesaian c

Jumlah haba Q perlu untuk menaikkan jumlah air pada suhu tertentu bergantung pada haba tertentu dan variasi suhu yang perlu diperolehi. Ia dikira oleh:

Q = m. C_dan. Δt

Di sini m Ia adalah jisim air, C_dan Ia adalah haba tertentu, yang sudah mempunyai masalah masalah dan Δt Ia adalah variasi suhu.

Jisim air adalah apa yang ada dalam 20 l. Ia dikira dengan bantuan ketumpatan. Ketumpatan air ρ_air Ia adalah kuota antara jisim dan kelantangan. Di samping itu, anda perlu menukar liter ke meter padu:

20 L = 0.02 m³

Sebagai m = kepadatan x volum = ρv, Doh adalah.

M = 1000 kg/m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

Δt = suhu akhir - suhu awal = t_F - 4 ºC = t_F - 277.15 k

Perhatikan bahawa anda mesti pergi dari darjah Celsius ke Kelvin, menambah 273.15 k. Menggantikan perkara di atas dalam persamaan haba:

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

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

Latihan 2

a) Cari ungkapan untuk kuasa dan kuasa purata untuk rintangan yang disambungkan ke voltan alternatif.

Boleh melayani anda: ketumpatan yang jelas: formula, unit dan latihan diselesaikan

b) Anggapkan bahawa anda mempunyai pengering rambut dengan kuasa 1000W yang disambungkan ke pengambilan 120 V, cari rintangan elemen pemanasan dan puncak semasa - sudut maksimum - yang melintasinya.

c) Apa yang berlaku kepada pengering ketika menyambungkannya ke pengambilan 240 V?

Penyelesaian kepada

Voltan pukulan adalah ganti, bentuknya V = V_{Sama ada}. Sen ωt. Kerana ia berubah dari masa ke masa, sangat pentingRms", Akronim untuk Root Mean Square.

Nilai -nilai ini untuk semasa dan voltan adalah:

Yo_Rms = 0.707 i_{Sama ada}

V_Rms = 0.707 v_{Sama ada}

Apabila memohon undang -undang Ohm, arus sebagai fungsi masa adalah:

I = v/r = v_{Sama ada}. dosa ΩT /r = i_{Sama ada}. dosa Ωt

Dalam kes ini, kuasa dalam rintangan yang diseberang oleh arus berselang adalah:

P = i².R = (i_{Sama ada}. dosa Ωt)².R = i_{Sama ada}².R . Sen² ωt

Dilihat bahawa kuasa juga berbeza dari masa ke masa, dan ia adalah jumlah yang positif, kerana semuanya dipotong ke dataran dan r selalu> 0. Nilai purata fungsi ini dikira dengan integrasi ke dalam kitaran dan hasil:

P_separuh = ½. Yo_{Sama ada}².R = i_Rms².R

Dari segi voltan dan arus yang berkesan, kuasa tetap seperti ini:

P_separuh = V_Rms. Yo_Rms

Yo_Rms = P_separuh / V_Rms = P_separuh / 0.707 v_{Sama ada}

Penyelesaian b

Memohon persamaan terakhir dengan data yang disediakan:

P_separuh = 1000 W dan V_Rms = 120 v

Yo_Rms = P_separuh / V_Rms = 1000 w / 120 v = 8.33 a

Oleh itu arus maksimum melalui elemen pemanasan adalah:

Yo_{Sama ada} = I_Rms /0.707 = 8.33 A/0.707 = 11.8 a

Rintangan boleh dibersihkan dari persamaan kuasa purata:

P_separuh = I_Rms².R → r = p_separuh / Yo_Rms² = 1000 w / (8.33 a)² = 14.41 ohm.

Penyelesaian c

Sekiranya menyambung ke pengambilan 240 V, perubahan kuasa purata:

Yo_Rms = V_Rms / R = 240 v / 14.41 ohm = 16.7 a

P_separuh = V_Rms. Yo_Rms = 240 v x 16.7 hingga ≈ 4000 w

Ini adalah kira -kira 4 kali kuasa yang mana elemen pemanasan direka, yang akan dibakar sejurus selepas disambungkan ke pukulan ini.

Aplikasi

Mentol pijar

Mentol pijar menghasilkan cahaya dan juga panas, yang dapat kita perhatikan dengan segera apabila menyambungkannya. Unsur yang menghasilkan kedua -dua kesan adalah filamen pemacu yang sangat nipis, itulah sebabnya ia mempunyai rintangan yang tinggi.

Terima kasih kepada peningkatan rintangan ini, walaupun arus telah menurun dalam filamen, kesan joule tertumpu kepada titik bahawa incandescence berlaku. Filamen, yang diperbuat daripada tungsten kerana ia mempunyai titik lebur yang tinggi 3400 ºC, memancarkan cahaya dan juga panas.

Peranti mesti dikunci dalam bekas kaca telus, yang dipenuhi dengan gas lengai, seperti argon atau nitrogen tekanan rendah, untuk mengelakkan kemerosotan filamen. Sekiranya ia tidak dilakukan dengan cara ini, oksigen udara menggunakan filamen dan mentol berhenti bekerja pada perbuatan itu.

Suis magneto-teater

Kesan magnet magnet hilang pada suhu tinggi. Ini boleh digunakan untuk membuat peranti yang mengganggu laluan arus, apabila ia berlebihan. Ini terdiri daripada suis magnetothermal.

Sebahagian daripada litar di mana arus ditutup dengan cara magnet tertakluk kepada dok. Magnet melekat pada litar terima kasih kepada tarikan magnet dan dengan itu kekal, sementara ia tidak lemah kerana pemanasan.

Boleh melayani anda: Tenaga yang berpotensi: ciri, jenis, pengiraan dan contoh

Apabila arus melebihi nilai tertentu, magnet melemahkan dan dok melepaskan magnet, menyebabkan litar dibuka. Dan kerana semasa memerlukan litar ditutup untuk mengalir, ia dibuka dan petikan semasa terganggu. Dengan cara ini pemanasan kabel yang boleh menyebabkan kemalangan seperti kebakaran dicegah.

Fius

Satu lagi cara melindungi litar dan tepat pada masanya mengganggu pas semasa adalah dengan sekering, jalur logam yang apabila ia dipanaskan oleh kesan joule, cair, meninggalkan litar terbuka dan mengganggu semasa.

Rajah 2. Sekering adalah elemen pelindung litar. Logam cair apabila ia diseberang oleh arus yang berlebihan. Sumber: Pixabay.

Pasteurisasi oleh pemanasan ohmik

Ia terdiri daripada lulus arus elektrik melalui makanan, yang secara semulajadi mempunyai rintangan elektrik. Untuk ini, elektrod yang diperbuat daripada bahan anticorrosif digunakan. Suhu makanan meningkat dan haba memusnahkan bakteria, membantu memelihara mereka lebih lama.

Kelebihan kaedah ini ialah pemanasan berlaku dalam masa yang lebih sedikit daripada yang diperlukan melalui teknik konvensional. Pemanasan berpanjangan memusnahkan bakteria tetapi juga meneutralkan vitamin dan mineral yang penting.

Pemanasan Ohmic, yang berlangsung hanya beberapa saat, membantu mengekalkan kandungan pemakanan makanan.

Eksperimen

Eksperimen berikut terdiri daripada mengukur jumlah tenaga elektrik berubah menjadi tenaga terma, mengukur jumlah haba yang diserap oleh jisim air yang diketahui. Untuk ini, gegelung pemanasan direndam di dalam air, di mana arus diluluskan.

Bahan

- 1 gelas polistirena

- Multimeter

- Thermometer Celsius

- 1 sumber kuasa laras, julat 0-12 v

- Seimbang

- Kabel sambungan

- Chronometer

Prosedur

Gegelung dipanaskan oleh kesan joule dan, oleh itu, air juga. Anda perlu mengukur jisim air dan suhu awalnya, dan menentukan suhu apa yang kita akan memanaskannya.

Rajah 3. Percubaan untuk menentukan berapa banyak kuasa elektrik berubah menjadi haba. Sumber: f. Zapata.

Bacaan berturut -turut diambil setiap minit, mendaftarkan nilai semasa dan voltan. Sebaik sahaja pendaftaran tersedia, tenaga elektrik yang dibekalkan, melalui persamaan:

Q = i².R. Δt (Undang -undang Joule)

V = i.R (Undang -undang Ohm)

Dan bandingkan dengan jumlah haba yang diserap oleh jisim air:

Q = m. C_dan. Δt (Lihat Latihan Diselesaikan 1)

Oleh kerana tenaga dipelihara, kedua -dua kuantiti harus sama. Walau bagaimanapun, walaupun polistirena mempunyai haba tertentu dan hampir tidak menyerap tenaga terma, terdapat juga beberapa kerugian ke arah atmosfera. Anda juga perlu mengambil kira ralat percubaan.

Kerugian ke atmosfera diminimumkan jika air dipanaskan dengan bilangan darjah yang sama di atas suhu ambien, yang berada di bawah sebelum memulakan dengan eksperimen.

Dengan kata lain, jika air berada pada 10 ºC dan suhu ambien adalah 22 ºC, maka anda perlu mengambil air sehingga 32 ºC.

Rujukan

1. Kramer, c. 1994. Amalan fizik. McGraw Hill. 197.
2. Penapis. Kesan joule. Pulih dari: eltamiz.com.
3. Figueroa, d. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 5. Elektrostatik. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, d. 2006. Fizik: Prinsip dengan aplikasi. 6^th. Ed Prentice Hall.
5. Hypertextual. Apakah kesan joule dan mengapa ia menjadi sesuatu yang transendental untuk kehidupan kita. Pulih dari: hypertextual.com
6. Wikipedia. Kesan joule. Pulih dari: Adakah.Wikipedia.org.
7. Wikipedia. Pemanasan joule. Diperoleh dari: dalam. Wikipedia.org.