ЕФЕКТ ДЖОУЛЯ: ПОЯСНЕННЯ, ПРИКЛАДИ, ВПРАВИ, ДОДАТКИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Ефект Джоуля або закон Джоуля - результат перетворення електричної енергії в теплову, що відбувається при проходженні електричного струму через провідник. Цей ефект присутній щоразу, коли будь-який прилад чи пристрій, для функціонування якого необхідна електрика, увімкнено.

В іншому випадку це небажано, і його прагнуть мінімізувати, тому вентилятори додаються до настільного ПК, щоб розсіювати тепло, оскільки це може спричинити вихід з ладу внутрішніх компонентів.

Пристрої, які використовують ефект Джоула для отримання тепла, мають всередині опір, який нагрівається, коли через нього пропускається струм, який називається нагрівальним елементом.

Пояснення

Ефект Джоуля виникає в мікроскопічному масштабі частинок, як тих, що складають матеріал, так і тих, що несуть електричний заряд.

Атоми і молекули речовини знаходяться в їх найбільш стабільному положенні всередині речовини. Зі свого боку електричний струм складається з впорядкованого руху електричних зарядів, які надходять від позитивного полюса акумулятора. Коли вони вибираються звідти, у них багато потенційної енергії.

Коли вони проходять, заряджені частинки впливають на речовини і викликають вібрацію. Вони намагатимуться відновити баланс, який раніше мали, доставляючи надлишки енергії в оточення у вигляді відчутного тепла.

Кількість виділеного тепла Q залежить від інтенсивності струму I, часу, протягом якого він циркулює всередині провідника Δt та резистивного елемента R:

Наведене рівняння називається законом Джоуля-Ленца.

Приклади

Два фізики, британець Джеймс Джоул (1818-1889) та росіянин Генріх Ленц (1804-1865), незалежно відмітили, що провід, що проводить струм, не тільки нагрівся, але і його струм зменшився під час процесу.

Тоді було встановлено, що кількість теплоти, що розсіюється опором, пропорційна:

- Квадрат інтенсивності циркулюючого струму.

- Час, коли зазначений струм, залишався, що протікав через провідник.

- Опір зазначеного провідника.

Одиниці тепла - це ті ж одиниці енергії: джоулі, скорочено Дж. Джоул - досить мала одиниця енергії, тому часто використовуються інші, наприклад, калорії.

Для перетворення джоулів на калорії просто помножте на коефіцієнт 0,24, так що рівняння, подане на початку, прямо виражається в калоріях:

Ефект Джоула та транспорт електричної енергії

Ефект Джоула вітається для отримання локалізованого тепла, як пальники та фени. Але в інших випадках це має небажані ефекти, такі як:

- Дуже великий нагрівання в провідниках може бути небезпечним, спричиняючи пожежі та опіки.

- Електронні пристрої з транзисторами знижують їх продуктивність і можуть вийти з ладу, навіть якщо вони занадто гарячі.

- Проводи, що переносять електричну енергію, завжди відчувають нагрівання, навіть незначне, що призводить до помітних втрат енергії.

Це тому, що кабелі, що проводять струм від електростанцій, курсують сотні кілометрів. Така велика частина енергії, яку вони несуть, не досягає свого призначення, оскільки вона витрачається на дорогу.

Щоб цього уникнути, прагнуть, щоб провідники мали найменший опір. На це впливають три важливі фактори: довжина дроту, площа поперечного перерізу та матеріал, з якого він виготовлений.

Найкращі провідники - метали, серед яких найбільш ефективною є золото, срібло, платина або мідь. Провід кабелів виготовлений з мідних ниток, металу, який, хоча і не так добре веде, як золото, але набагато дешевше.

Чим довший провід, тим більший опір він буде мати, але зробивши їх товщими, опір зменшується, оскільки це полегшує рух носіїв заряду.

Інша річ, яку можна зробити, це зменшити інтенсивність струму, щоб нагрівання було мінімізовано. Трансформатори відповідають за правильний контроль інтенсивності, тому вони настільки важливі при передачі електричної енергії.

Вправи

Вправа 1

Радіатор вказує, що він має потужність 2000 Вт і підключений до розетки 220 В. Обчисліть наступне:

а) Інтенсивність струму, що протікає через радіатор

б) Кількість електричної енергії, яка перетворилася через півгодини

в) Якщо всю цю енергію вкласти в нагрівання 20 літрів води, які спочатку знаходяться при температурі 4 ° С, якою буде максимальна температура, до якої можна нагріти воду?

Рішення для

Потужність визначається як енергія на одиницю часу. Якщо в рівнянні, поданому на початку, передамо коефіцієнт Δt праворуч, у нас буде точно енергія за одиницю часу:

Опір нагрівального елемента може бути відомий через закон Ома: V = IR, з якого випливає, що I = V / R. Таким чином:

Таким чином, поточні результати:

Рішення b

У цьому випадку Δt = 30 хвилин = = 30 х 60 секунд = 1800 секунд. Також необхідне значення опору, яке очищено від закону Ома:

Значення заміщені в законі Джоуля:

Розв’язання c

Кількість тепла Q, необхідна для підняття кількості води до певної температури, залежить від питомої теплоти та коливання температури, яку потрібно отримати. Він обчислюється:

Тут m - маса води, C _e - питома теплота, яка вже приймається за дані для проблеми, а ΔT - зміна температури.

Маса води така, що в 20 л. Вона обчислюється за допомогою густини. Густина води ρ _води - відношення маси до об’єму. Крім того, вам доведеться конвертувати літри в кубічні метри:

Оскільки m = щільність x об'єм = ρV, маса дорівнює.

Зауважимо, що ми повинні перейти від градусів Цельсія до кельвіна, додавши 273,15 К. Замінивши вище в рівнянні теплоти:

Вправа 2

a) Знайдіть вирази потужності та середньої потужності для опору, підключеного до змінної напруги.

b) Припустимо, у вас є фен потужністю 1000 Вт, підключений до розетки 120 В, знайдіть через нього опір нагрівального елемента і максимальний струм - максимальний струм.

c) Що відбувається з сушаркою, коли вона підключена до розетки на 240 В?

Рішення для

Напруга в крані чергується у вигляді V = V _o . sen ωt. Оскільки він мінливий у часі, дуже важливо визначити ефективні значення як напруги, так і струму, які позначаються підписом “rms”, що означає кореневий середній квадрат.

Ці значення для струму та напруги:

При застосуванні закону Ома струм як функція часу такий:

У такому випадку потужність в резисторі, що перетинається змінним струмом, становить:

Видно, що потужність також змінюється з часом, і що це додатна величина, оскільки все в квадраті, а R завжди> 0. Середнє значення цієї функції обчислюється інтеграцією в цикл і результатами:

З точки зору ефективної напруги та струму, потужність виглядає приблизно так:

Рішення b

Застосування останнього рівняння з наданими даними:

_{Середнє значення} P = 1000 Вт і V _rms = 120 V

Тому максимальний струм через нагрівальний елемент становить:

Опір можна вирішити з рівняння середньої потужності:

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

Це приблизно в 4 рази більше, ніж потужність, розрахована на нагрівальний елемент, яка згорить незабаром після підключення до цієї розетки.

Програми

Цибулини розжарювання

Лампочка розжарювання виробляє світло, а також тепло, яке ми можемо помітити відразу, коли підключимо його. Елемент, що справляє обидва ефекту, - це дуже тонка провідникова нитка, яка має високий опір.

Завдяки цьому збільшенню опору, хоча в нитці зменшився струм, ефект Джоула сконцентрований настільки, що виникає розжарювання. Нитка, виготовлена ​​з вольфраму завдяки високій температурі плавлення 3400 ºC, випромінює світло, а також тепло.

Пристрій слід укласти в прозору скляну ємність, яка наповнена інертним газом, таким як аргон або азот при низькому тиску, щоб уникнути погіршення нитки. Якщо цього не зробити, кисень у повітрі споживає нитку, і колба миттєво перестає працювати.

Магніто-теплові вимикачі

Магнітні ефекти магнітів зникають при високій температурі. Це можна використовувати для створення пристрою, який перериває потік струму, коли він надмірний. Це магнітотермічний вимикач.

Частина ланцюга, через яку протікає струм, закривається магнітом, прикріпленим до пружини. Магніт прилипає до ланцюга завдяки магнітному потягу і залишається таким, доки він не ослаблений при нагріванні.

Коли струм перевищує певне значення, магнетизм слабшає, а пружина відриває магніт, внаслідок чого ланцюг розмикається. А оскільки струму потрібно замикати ланцюг, щоб текти, він відкривається, і струм струму переривається. Це запобігає нагріванню кабелів, що може призвести до нещасних випадків, таких як пожежа.

Запобіжники

Інший спосіб захистити ланцюг і своєчасно перервати потік струму - за допомогою запобіжника, металевої смуги, яка при нагріванні ефектом Джоула плавиться, залишаючи ланцюг відкритим і перериваючи струм.

Малюнок 2. Запобіжник - це елемент захисного ланцюга. Метал плавиться при його проходженні через надмірний струм. Джерело: Pixabay.

Омічна нагрівальна пастеризація

Він складається з пропускання електричного струму через їжу, яка природно має електричний опір. Для цього використовуються електроди, виготовлені з антикорозійного матеріалу. Температура їжі підвищується, а тепло знищує бактерії, допомагаючи зберегти її довше.

Перевага цього способу полягає в тому, що нагрівання відбувається за набагато менший час, ніж вимагає звичайна техніка. Тривалий нагрів знищує бактерії, але також нейтралізує необхідні вітаміни та мінерали.

Омічний нагрів, який триває всього кілька секунд, допомагає зберегти харчовий вміст їжі.

Досліди

Наступний експеримент складається з вимірювання кількості електричної енергії, перетвореної в теплову, шляхом вимірювання кількості теплоти, поглиненої відомою масою води. Для цього нагрівальну котушку занурюють у воду, через яку пропускається струм.

матеріали

- 1 чашка полістиролу

- Мультиметр

- Термометр за Цельсієм

- 1 регульоване джерело живлення, діапазон 0-12 В

- Баланс

- Підключення кабелів

- Секундомір

Процес

Котушка нагрівається ефектом джоуля, а отже, і води. Ми повинні виміряти масу води та її початкову температуру та визначити, до якої температури ми будемо її нагрівати.

Малюнок 3. Експериментуйте, щоб визначити, скільки електричної енергії перетворюється на тепло. Джерело: Ф. Сапата.

Послідовні показання проводяться щохвилини, фіксуючи значення струму та напруги. Як тільки запис доступний, подана електрична енергія обчислюється за допомогою рівнянь:

Q = I ² .R. Δt (Закон Джоуля)

V = ІЧ (Закон Ома)

І порівняйте з кількістю тепла, що поглинається водоймою:

Q = m. З _е . ΔT (див. Розв’язану вправу 1)

Оскільки енергія зберігається, обидві величини повинні бути рівними. Однак, хоча полістирол має низьку питому теплоту і не поглинає майже ніякої теплової енергії, атмосфера все одно матиме певні втрати. Помилкова експериментація також повинна враховуватися.

Втрати в атмосферу зводяться до мінімуму, якщо вода нагрівається на таку ж кількість градусів вище кімнатної температури, як була нижче перед початком експерименту.

Іншими словами, якщо вода була при 10ºC, а температура навколишнього середовища була 22ºC, то доведеться доводити воду до 32ºC.

Список літератури

1. Крамер, C. 1994. Фізичні практики. McGraw Hill. 197.
2. Сито. Ефект Джоуля. Відновлено з: eltamiz.com.
3. Фігероа, Д. (2005). Серія: Фізика для науки та техніки. Том 5. Електростатика. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB).
4. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. 6- ^й . Ед Прентіс Холл.
5. Гіпертекстуальний. Що таке ефект Джоула і чому він став чимось трансцендентним у нашому житті. Відновлено з сайту: гіпертекстуальний сайт
6. Вікіпедія. Ефект Джоуля. Відновлено з: es.wikipedia.org.
7. Вікіпедія. Джоулеве опалення. Відновлено: en. wikipedia.org.