ЈОУЛЕ ЕФЕКАТ: ОБЈАШЊЕЊЕ, ПРИМЕРИ, ВЕЖБЕ, АПЛИКАЦИЈЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Џул ефекат или Џулов закон је резултат трансформације електричне енергије у топлоту, која се одржава када се електрична струја пролази кроз проводник. Овај ефекат је присутан кад год је било који уређај или уређај којем је потребна електрична енергија за функцију.

Други пут је непожељан и настоји се то свести на најмању могућу мјеру, зато се на десктоп рачунаре додају вентилатори како би се расипала топлота, јер може проузроковати квар унутрашњих компоненти.

Уређаји који користе Јоуле ефекат за производњу топлоте имају отпор који се загрева када кроз њега прође струја, која се назива грејни елемент.

Објашњење

Јоуле ефекат потиче из микроскопске скале у честицама, како оних које чине материјал, тако и оних које носе електрични набој.

Атоми и молекуле неке супстанце налазе се у њиховом најстабилнијем положају унутар супстанце. Са своје стране, електрична струја се састоји од наредјеног покретања електричних набоја, који долазе са позитивног пола батерије. Кад изађу одавде, имају пуно потенцијалне енергије.

Док пролазе, наелектрисане честице ударају у материјале материјала и изазивају их да вибрирају. Они ће покушати да поврате равнотежу коју су раније имали, достављајући вишак енергије својој средини у облику приметне топлоте.

Количина ослобођене топлоте К зависи од интензитета струје И, времена током којег кружи унутар проводника Δт и отпорничког елемента Р:

Горња једначина се зове Јоуле-Ленз-ов закон.

Примери

Два физичара, Британац Јамес Јоуле (1818-1889) и Рус Хеинрицх Ленз (1804-1865), неовисно су примијетили да жица која носи струју не само да постаје врућа, него се и струја смањује током процеса.

Тада је утврђено да је количина топлоте која се расипа отпором пропорционална:

- Квадрат интензитета циркулирајуће струје.

- Време када је та струја остала тече кроз проводник.

- Отпор наведеног проводника.

Јединице топлоте су исте јединице енергије: јоули, скраћено Ј. Јоуле је прилично мала јединица енергије, па се често користе друге, на пример калорије.

За претварање џулова у калорије једноставно помножите с фактором 0,24, тако да једначина која је дата на почетку директно изражена у калоријама:

Јоуле ефекат и транспорт електричне енергије

Јоуле ефекат је добродошао да производи локалну топлоту, попут горионика и сушара за косу. Али у другим случајевима има нежељене ефекте, као што су:

- Веома велико загревање кондуктера може бити опасно, проузрокује пожар и опекотине.

- Електронски уређаји с транзисторима смањују њихове перформансе и могу се покварити чак и ако се прегрију.

- Жице које носе електричну енергију увек имају грејање, чак и незнатно, што доводи до значајних губитака енергије.

То је зато што каблови који носе струју из електрана воде стотинама километара. Толико енергије коју носе не досегне своје одредиште, јер је троши на путу.

Да би се то избегло, тражи се да проводници имају најмањи могући отпор. На то утичу три важна фактора: дужина жице, површина попречног пресека и материјал од којег је израђена.

Најбољи проводници су метали, при чему су злато, сребро, платина или бакар неки од најефикаснијих. Жице каблова су направљене од бакарних филамената, метала који је, иако се не понаша тако добро, као што је и злато, много јефтинији.

Што је жица дужа, то ће већи отпор имати, али чинећи их дебљима отпор се смањује, јер то олакшава кретање носача набоја.

Још једна ствар која се може учинити је смањити интензитет струје, како би се загревање свело на минимум. Трансформатори су одговорни за правилно управљање интензитетом, због чега су толико важни у преносу електричне енергије.

Вежбе

Вежба 1

Радијатор показује да има снагу 2000 В и прикључен је на 220 В утичницу. Израчунајте следеће:

а) Интензитет струје која тече кроз радијатор

б) Количина електричне енергије која се трансформише након пола сата

ц) Ако се сва ова енергија уложи у загревање 20 литара воде који су у почетку на 4 ° Ц, која ће бити максимална температура на коју се вода може загревати?

Решење за

Снага се дефинише као енергија по јединици времена. Ако у једначини даној на почетку пребацимо фактор Δт удесно, имаћемо прецизно енергију по јединици времена:

Отпор грејног елемента може се знати по Охмовом закону: В = ИР, из чега следи да је И = В / Р. Тако:

Дакле, тренутни резултати:

Решење б

У овом случају Δт = 30 минута = = 30 к 60 секунди = 1800 секунди. Такође се захтева вредност отпора, која је очишћена из Охмовог закона:

Вредности су замењене Јоуле-овим законом:

Решење ц

Количина топлоте К потребна за подизање количине воде на одређену температуру зависи од специфичне топлоте и варијације у температури коју треба добити. Израчунава се према:

Овде м је маса воде, Ц _е специфична топлота, која се већ узима као податак за проблем, а ΔТ је варијација температуре.

Маса воде је тачна у 20 Л. Израчунава се уз помоћ густине. Густина воде ρ _воде је однос масе и запремине. Уз то, морате претворити литре у кубичне метре:

Пошто је м = густина к запремина = ρВ, маса је.

Имајте на уму да је неопходно прећи од степена целзијуса до келвина, додајући 273,15 К. Замењујући горе наведено у једнаџби топлине:

Вежба 2

а) Пронађите изразе снаге и просечне снаге за отпор спојен на наизменични напон.

б) Претпоставимо да имате фен за косу снаге 1000 В прикључен на утичницу од 120 В, да кроз њега нађете отпор грејачког елемента и вршну струју - максималну струју.

ц) Шта се догађа са сушилицом када је спојен на утичницу од 240 В?

Решење за

Напон славине је наизменични, у облику В = В _о . сен ωт. Будући да је време променљиво, веома је важно дефинисати ефективне вредности напона и струје, које су означене с подписом „рмс“, што значи коријенски средњи квадрат.

Ове вредности за струју и напон су:

Када се примењује Охмов закон, струја као функција времена је:

У таквом случају снага у отпорнику коју прелази наизменична струја је:

Видје се да снага такође варира са временом и да је то позитивна количина, јер је све квадратно, а Р је увек> 0. Средња вредност ове функције израчунава се интеграцијом у циклусу и резултатима:

Снага изгледа у погледу ефективног напона и струје:

Решење б

Примјена задње једнаџбе с приложеним подацима:

_{Средња вредност} П = 1000 В и В _рмс = 120 В

Стога је максимална струја кроз грејни елемент:

Отпор се може решити из једначења средње снаге:

П _значи = В _рмс . И _рмс = 240 В к 16,7 А ≈ 4000 В

То је отприлике 4 пута веће од снаге за коју је дизајниран грејни елемент, која ће изгорети убрзо након што је укључена у утичницу.

Апликације

Сијалице са жарном нити

Сијалица са жарном нити производи светлост и топлоту, што можемо приметити одмах када је повежемо. Елемент који производи оба ефекта је веома танка проводничка нит која због тога има високу отпорност.

Захваљујући овом повећању отпора, иако се струја смањила у нитима, Јоуле-ов ефекат је концентрисан до те мере да се појави жаруља. Влакна, израђена од волфрама због високе тачке топљења од 3400 ºЦ, емитује светлост и топлоту.

Уређај треба бити затворен у провидну стаклену посуду која је напуњена инертним гасом, попут аргона или азота при ниском притиску, да се избегне пропадање нити. Ако се не уради на овај начин, кисеоник у ваздуху троши нит и сијалица моментално престаје да делује.

Магнето-термички прекидачи

Магнетни ефекти магнета нестају при високим температурама. Ово се може користити за стварање уређаја који прекида проток струје, када је превелик. Ово је магнетотермички прекидач.

Дио круга кроз који струја тече је затворен магнетом причвршћеним на опругу. Магнет се залепи у круг захваљујући магнетној привлачности и тако остаје све док није ослабљен загрејањем.

Кад струја пређе одређену вредност, магнетизам слаби и опруга одваја магнет, узрокујући да се круг отвори. А пошто је струји потребно да се круг затвори да би могао да тече, он се отвара и проток струје је прекинут. То спречава загревање каблова, што може проузроковати несреће попут пожара.

Осигурачи

Други начин да се заштити круг и благовремено прекине проток струје је помоћу осигурача, металне траке која се, када се загрева ефектом Јоула, топи, остављајући круг отворен и прекидајући струју.

Слика 2. Осигурач је елемент заштитног склопа. Метал се топи када кроз њега прође превелика струја. Извор: Пикабаи.

Охмичка пастеризација грејања

Састоји се од проласка електричне струје кроз храну, која природно има електрични отпор. За то се користе електроде направљене од антикорозивног материјала. Температура хране расте, а топлота уништава бактерије, помажући да се дуже сачува.

Предност ове методе је у томе што се загревање одвија за много мање времена него што то захтевају конвенционалне технике. Дуго загревање уништава бактерије, али и неутралише есенцијалне витамине и минерале.

Охимско загревање, које траје само неколико секунди, помаже да се очува нутритивни садржај хране.

Експерименти

Следећи експеримент се састоји од мерења количине електричне енергије претворене у топлотну енергију мерењем количине топлоте апсорбоване од познате масе воде. Да бисте то учинили, грејна завојница је уроњена у воду, кроз коју се проводи струја.

материјали

- 1 полистиренска шоља

- Мултиметар

- Целзијусов термометар

- 1 подесиви извор напајања, опсег 0-12 В

- Равнотежа

- Прикључни каблови

- Штоперица

Процес

Завојница се загрева ефектом јоула, а самим тим и вода. Морамо измерити масу воде и њену почетну температуру и утврдити на којој температури ћемо је загревати.

Слика 3. Експериментирајте да бисте утврдили колико се електричне енергије претвара у топлоту. Извор: Ф. Запата.

Узастопна очитања се врше сваког минута, бележећи вредности струје и напона. Једном када је запис доступан, испоручена електрична енергија се израчунава помоћу једначина:

К = И ² .Р. Δт (Јоуле-ов закон)

В = ИР (Охмов закон)

И упоредите са количином топлоте коју апсорбује тело воде:

К = м. Ц _е . ΔТ (види решену вежбу 1)

Пошто се енергија чува, обе количине треба да буду једнаке. Међутим, иако полистирен има малу специфичну топлоту и не апсорбује готово никакву топлотну енергију, ипак ће доћи до неких губитака у атмосфери. Експериментална грешка такође мора бити узета у обзир.

Губици у атмосфери су минимизирани ако се вода загрева на исти степен степени изнад собне температуре као и пре почетка експеримента.

Другим речима, ако је вода била на 10 ° Ц, а температура околине је била 22 ° Ц, тада морате да доведете воду до 32 ° Ц.

Референце

1. Крамер, Ц. 1994. Физичке праксе. МцГрав Хилл. 197.
2. Сито. Јоуле ефекат. Опоравак од: елтамиз.цом.
3. Фигуероа, Д. (2005). Серија: Физика за науку и инжењерство. Том 5. Електростатика. Уредио Доуглас Фигуероа (УСБ).
4. Гианцоли, Д. 2006. Физика: принципи примјене. 6 ^-ог . Ед Прентице Халл.
5. Хипертекстуално. Шта је Јоуле ефекат и зашто је постао нешто трансцендентално у нашим животима. Опоравак од: хипертекстуалне.цом
6. Википедиа. Јоуле ефекат. Опоравак од: ес.википедиа.орг.
7. Википедиа. Јоуле грејање. Опоравак од: ен. википедиа.орг.