JOULE-EFFEKTUS: MAGYARÁZAT, PÉLDÁK, GYAKORLATOK, ALKALMAZÁSOK - FIZIKAI - 2025

A Joule-effektus vagy a Joule- törvény az elektromos energia hővel történő átalakulásának az eredménye, amely akkor következik be, amikor egy elektromos áram áthalad a vezetőn. Ez a hatás akkor fordul elő, amikor minden olyan készüléket vagy eszközt bekapcsolnak, amelynek működéséhez elektromosság szükséges.

Más esetekben nem kívánatos, és arra törekszenek, hogy minimalizálják, ezért ventilátorokat adnak az asztali számítógéphez a hő elvezetésére, mivel ez a belső alkatrészek meghibásodását okozhatja.

Azoknak az eszközöknek, amelyek a Joule-effektust hő előállítására használják, belső ellenállása van, amely felmelegszik, amikor egy áram áthalad rajta, úgynevezett fűtőelem.

Magyarázat

A Joule-effektus mikroszkopikus léptékben származik részecskékben - mind azokban, amelyek anyagot alkotnak, mind azokban, amelyek elektromos töltést hordoznak.

Az anyag atomjai és molekulái a legstabilabb helyzetben vannak az anyagban. A villamos áram maga részét képezi az elektromos töltések rendezett mozgása, amelyek az akkumulátor pozitív pólusából származnak. Amikor kijönnek onnan, sok potenciális energiájuk van.

Ahogy elhaladnak, a töltött részecskék befolyásolják az anyag részecskéit, és rezgésbe hozzák őket. Ezek megpróbálják visszanyerni a korábban fennálló egyensúlyt, és érzékelhető hő formájában felesleges energiát szállítanak a környezetükhöz.

A felszabaduló hőmennyiség az I áram intenzitásától, az Δt vezetőn belüli körforgás idejétől és az R ellenállás elemtől függ:

A fenti egyenletet Joule-Lenz törvénynek nevezzük.

Példák

Két fizikus, a brit James Joule (1818-1889) és az orosz Heinrich Lenz (1804-1865) egymástól függetlenül megfigyelték, hogy az áramot hordozó huzal nemcsak felforrósodott, hanem árama is csökkent a folyamat során.

Aztán megállapították, hogy az ellenállás által eloszlatott hőmennyiség arányos:

- A keringő áram intenzitásának négyzete.

- Az az idő, amelyben az áram tovább áramlott a vezetéken.

- A vezető ellenállása.

A hőegységek ugyanazok az energiaegységek: joule, rövidítve J. A joule meglehetősen kicsi az energiaegység, így gyakran használnak másokat is, például kalóriát.

A džaulok kalóriává történő átalakításához egyszerűen szorozzuk meg a 0,24-es tényezővel, hogy az elején megadott egyenlet közvetlenül kalóriában legyen kifejezve:

Joule-effektus és az elektromos energia szállítása

A Joule-effektus szívesen hoz létre lokalizált hőt, például égőket és hajszárítókat. De más esetekben nem kívánt hatásokkal jár, például:

- A vezetékek nagyon nagy melegítése veszélyes lehet, tüzet és égési sérüléseket okozhat.

- A tranzisztorral ellátott elektronikai eszközök csökkentik teljesítményüket, és akkor is meghibásodhatnak, ha túl melegednek.

- Az elektromos energiát hordozó vezetékek mindig kissé felmelegednek, ami jelentős energiaveszteségeket okoz.

Ennek oka az, hogy az erőművekből áramot szállító kábelek több száz kilométerre futnak. Az általuk szállított energia olyan nagy része nem éri el a rendeltetési helyét, mert útközben pazarolja el.

Ennek elkerülése érdekében arra törekszenek, hogy a vezetők ellenállása a lehető legkisebb legyen. Ezt három fontos tényező befolyásolja: a huzal hossza, keresztmetszeti területe és az anyag, amelyből készül.

A legjobb vezetők a fémek, az arany, ezüst, platina vagy réz az egyik leghatékonyabb. A kábelek vezetékei rézszálból készültek, fémből, amely, bár nem visel olyan jól, mint az arany, sokkal olcsóbb.

Minél hosszabb a huzal, annál nagyobb az ellenállása, de vastagabbá téve az ellenállás csökken, mivel ez megkönnyíti a töltőtartók mozgását.

Egy másik dolog, amit meg lehet tenni, az áram intenzitásának csökkentése, hogy a fűtés minimalizálódjon. A transzformátorok felelnek az intenzitás megfelelő szabályozásáért, ezért annyira fontosak az elektromos energia továbbításában.

Feladatok

1. Feladat

A radiátor azt jelzi, hogy 2000 W teljesítményű és csatlakoztatva van a 220 V-os aljzathoz. Számítsa ki a következőt:

a) A radiátoron átáramló áram intenzitása

b) A fél óra elteltével átalakított villamos energia mennyisége

c) Ha ezt az energiát 20 liter víz melegítésébe fordítják, amelyek kezdetben 4 ºC-on vannak, akkor mekkora a melegítés legmagasabb hőmérséklete?

Megoldás

A teljesítményt időegységre eső energiaként határozzák meg. Ha az elején megadott egyenletben az Δt tényezőt jobbra haladjuk, akkor pontos időegységgel rendelkezünk:

A fűtőelem ellenállása az Ohmi törvény alapján ismert: V = IR, ebből következik, hogy I = V / R. Így:

Így a jelenlegi eredmények:

B. Megoldás

Ebben az esetben Δt = 30 perc = = 30 x 60 másodperc = 1800 másodperc. Szükség van az ellenállás értékére is, amelyet megszabadítanak Ohm törvényéből:

Az értékeket Joule törvénye helyettesíti:

C. Megoldás

A vízmennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy egy vízmennyiséget egy bizonyos hőmérsékletre emeljen, a fajlagos hőtől és a hőmérséklet-változástól függ, amelyet meg kell szerezni. Ezt kiszámítja:

Itt m a víz tömege, C _e a fajlagos hő, amelyet már figyelembe vesznek a probléma adataiként, és ΔT a hőmérséklet változása.

A víz tömege 20 literben van. A sűrűség segítségével számoljuk. A víz sűrűsége ρ _víz a tömeg és a térfogat aránya. Ezen felül litreket köbméterre kell konvertálni:

Mivel m = sűrűség x térfogat = ρV, a tömeg:.

Vegye figyelembe, hogy a hőmérsékletet Celsius fokról Kelvinre kell haladni, hozzáadva 273,15 K-t. A fentiek helyettesítése a hőegyenletben:

2. gyakorlat

a) Keresse meg a váltakozó feszültséghez kapcsolt ellenállás teljesítményének és átlagos teljesítményének kifejezéseit.

b) Tegyük fel, hogy van egy 1000 W teljesítményű hajszárítója a 120 V-os aljzathoz csatlakoztatva, keresse meg a fűtőelem ellenállását és rajta átmenő csúcsáramot - a maximális áramot -.

c) Mi történik a szárítóval, ha azt egy 240 V-os aljzathoz csatlakoztatják?

Megoldás

A csapfeszültség váltakozó, V = V _o formában. sen ωt. Mivel időben változó, nagyon fontos meghatározni mind a feszültség, mind az áram tényleges értékeit, amelyeket az alsó négyzetre utaló „rms” alsó rész jelöl.

Ezek az áram- és feszültségértékek a következők:

Ohm törvényének alkalmazásakor az áram az idő függvényében a következő:

Ebben az esetben az ellenállás váltakozó árammal keresztezett teljesítménye:

Látható, hogy az erő is idővel változik, és ez pozitív mennyiség, mivel minden négyzetben van, és R mindig> 0. Ennek a függvénynek a középértékét egy ciklusba történő integrációval kell kiszámítani, és az eredmény:

A tényleges feszültség és áram szempontjából a teljesítmény így néz ki:

B. Megoldás

Az utolsó egyenlet alkalmazása a megadott adatokkal:

_Átlagos P = 1000 W és V _Rms = 120 V

Ezért a fűtőelem maximális árama:

Az ellenállás az átlagteljesítmény egyenletéből oldható meg:

P _átlag = V _Rms. I _{effektív értéke} = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W

Ez körülbelül a fűtőelem tervezett teljesítményének körülbelül 4-szerese, amely röviddel azután kiürül, hogy be van dugva a konnektorba.

Alkalmazások

Izzók

Az izzólámpa fényt és hőt is termel, amelyet azonnal észrevehetünk, amikor csatlakoztatjuk. Mindkét hatást kiváltó elem egy nagyon vékony vezető izzószál, amelynek ezért nagy ellenállása van.

Ennek az ellenállás-növekedésnek köszönhetően, bár bár az áram csökkent az izzószálban, a Joule-hatás olyan mértékben koncentrálódik, hogy izzadás lépjen fel. A volfrámszál, magas olvadáspontja (3400 ºC) miatt fényt és hőt bocsát ki.

Az izzószál károsodásának elkerülése érdekében az eszközt átlátszó üvegtartályba kell zárni, amelyet inert gázzal, például argonnal vagy nitrogénnel töltöttek alacsony nyomáson. Ha nem így történik, akkor a levegőben lévő oxigén elhasználja az izzószálat, és az izzó azonnal leáll.

Magneto-hőkapcsolók

A mágnesek mágneses hatásai magas hőmérsékleten eltűnnek. Ez felhasználható egy olyan eszköz létrehozására, amely megszakítja az áram áramlását, ha az túl magas. Ez egy magnetotermikus kapcsoló.

Az áramkör azon részét, amelyen keresztül az áram áramlik, rugóhoz rögzített mágnes zárja be. A mágnes a mágneses vonzerőnek köszönhetően ragaszkodik az áramkörhöz és így is marad, mindaddig, amíg a hevítés nem gyengíti.

Amikor az áram meghalad egy bizonyos értéket, a mágnesesség gyengül, és a rugó leválasztja a mágnest, és az áramkör kinyílik. És mivel az áramnak áramláshoz az áramkört be kell zárni, akkor kinyílik, és az áram áramlása megszakad. Ez megakadályozza a kábelek felmelegedését, ami baleseteket, például tüzet okozhat.

biztosítékok

Az áramkör védelmének és az áramlás időben történő megszakításának másik módja egy biztosíték, egy fémszalag, amely a Joule-effektus által hevítve megolvad, így az áramkör nyitva marad és megszakítja az áramot.

2. ábra: A biztosíték egy áramkörvédő elem. A fém megolvad, amikor túl nagy áram vezeti át. Forrás: Pixabay.

Ohmikus melegítő pasztőrözés

Ez egy elektromos áram átvezetésén keresztül az élelmiszeren keresztül történik, amelynek természetesen elektromos ellenállása van. Ehhez korróziógátló anyagból készült elektródokat használnak. Az élelmiszer hőmérséklete megemelkedik, és a hő elpusztítja a baktériumokat, hozzájárulva hosszabb ideig megőrizni.

Ennek a módszernek az az előnye, hogy a melegítés sokkal rövidebb idő alatt megy végbe, mint amit a hagyományos technikák megkövetenek. A hosszan tartó melegítés elpusztítja a baktériumokat, de semlegesíti sem az alapvető vitaminokat, sem az ásványi anyagokat.

A néhány másodpercig tartó ohmikus melegítés hozzájárul az élelmiszerek tápanyagtartalmának megőrzéséhez.

kísérletek

A következő kísérlet magában foglalja a hőenergiává átalakított villamos energia mennyiségének mérését az ismert víztömeg által abszorbeált hőmennyiség mérésével. Ehhez vízbe merítik egy fűtőtekercset, amelyen keresztül áramot vezetnek.

anyagok

- 1 polisztirol csésze

- Multiméter

- Celsius hőmérő

- 1 állítható áramforrás, 0–12 V tartományban

- Egyensúly

- Csatlakozókábelek

- Stopper

Folyamat

A tekercs a joule hatással melegszik fel, ezért a víz is. Meg kell mérni a víz tömegét és a kezdeti hőmérsékletet, és meg kell határozni, hogy milyen hőmérsékletre melegítjük.

3. ábra. Kísérlet annak meghatározására, hogy mekkora villamos energia alakul át hővé. Forrás: F. Zapata.

Az egymást követő leolvasásokat percenként elvégezzük, rögzítve az áram- és a feszültségértékeket. Amint rendelkezésre áll a nyilvántartás, a kiszállított villamos energiát az alábbi egyenletek segítségével számítják ki:

Q = I ^2, R. Δt (Joule-törvény)

V = IR (Ohmi törvény)

Hasonlítsuk össze a víztest által elnyelt hőmennyiséggel:

Q = m. C _e. ΔT (lásd az 1. feladatot)

Mivel az energia takarékos, mindkét mennyiségnek egyenlőnek kell lennie. Annak ellenére, hogy a polisztirol alacsony fajlagos hővel rendelkezik és szinte semmilyen hőenergiát nem szív fel, a légkör továbbra is veszteségeket szenved. A kísérleti hibát szintén figyelembe kell venni.

A légkör veszteségei minimálisra csökkennek, ha a vizet ugyanannyi fokon melegítik a szobahőmérséklet felett, mint ami a kísérlet megkezdése előtt volt.

Más szavakkal: ha a víz 10ºC-os volt, és a környezeti hőmérséklet 22ºC, akkor a vizet 32ºC-ra kell tenni.

Irodalom

1. Kramer, C. 1994. Fizikai gyakorlatok. McGraw Hill. 197.
2. A szita. Joule-effektus. Helyreállítva: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Sorozat: Fizika a tudomány és a technika számára. 5. kötet. Elektrosztatika. Szerkesztette Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. 6 ^-én. Ed Prentice Hall.
5. Hipertextuális. Mi a Joule-effektus, és miért vált valami transzcendens életünkbe. Helyreállítva: hypertextual.com
6. Wikipedia. Joule-effektus. Helyreállítva: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule fűtés. Helyrehozva: en. wikipedia.org.