EFECTUL JOULE: EXPLICAȚIE, EXEMPLE, EXERCIȚII, APLICAȚII - FIZIC - 2025

Efectul Joule sau legea lui Joule este rezultatul transformării energiei electrice în căldură, care are loc atunci când un curent electric trece printr-un conductor. Acest efect este prezent de fiecare dată când orice aparat sau dispozitiv care are nevoie de energie electrică pentru a funcționa.

De alte ori este nedorit și se urmărește minimizarea acesteia, de aceea se adaugă fani pe computerul desktop pentru a disipa căldura, deoarece poate provoca defecțiunea componentelor interne.

Dispozitivele care folosesc efectul Joule pentru a produce căldură, au în interior o rezistență care se încălzește atunci când trece un curent prin el, numit element de încălzire.

Explicaţie

Efectul Joule își are originea pe o scară microscopică în particule, atât cele care alcătuiesc un material, cât și cele care poartă sarcină electrică.

Atomii și moleculele dintr-o substanță se află în poziția lor cea mai stabilă în interiorul substanței. La rândul său, curentul electric constă într-o mișcare ordonată a sarcinilor electrice, care provin de la polul pozitiv al bateriei. Când ies de acolo au multă energie potențială.

Pe măsură ce trec, particulele încărcate afectează cele ale materialului și le determină să vibreze. Acestea vor încerca să recâștige echilibrul pe care l-au avut anterior, oferind energie în exces în mediul lor sub formă de căldură perceptibilă.

Cantitatea de căldură Q degajată depinde de intensitatea curentului I, timpul pentru care circulă în interiorul conductorului Δt și de elementul rezistiv R:

Ecuația de mai sus se numește legea Joule-Lenz.

Exemple

Doi fizicieni, britanicul James Joule (1818-1889) și rusul Heinrich Lenz (1804-1865) au observat în mod independent că un fir care transportă curent nu numai că a devenit fierbinte, dar că curentul său a scăzut în timpul procesului.

Apoi s-a stabilit că cantitatea de căldură disipată de rezistență este proporțională cu:

- Pătratul intensității curentului circulant.

- Timpul în care curentul a rămas curgând prin conductor.

- Rezistența conductorului menționat.

Unitățile de căldură sunt aceleași unități de energie: joule, prescurtată ca J. Joule este o unitate de energie destul de mică, astfel încât altele sunt adesea utilizate, cum ar fi, de exemplu, calorii.

Pentru a transforma joule în calorii, înmulțiți pur și simplu cu factorul 0.24, astfel încât ecuația dată la început să fie exprimată direct în calorii:

Efectul Joule și transportul energiei electrice

Efectul Joule este binevenit pentru a produce căldură localizată, cum ar fi arzătoare și uscătoare de păr. Dar în alte cazuri, are efecte nedorite, cum ar fi:

- O încălzire foarte bună în conductoare poate fi periculoasă, provocând incendii și arsuri.

- Dispozitivele electronice cu tranzistoare își reduc performanțele și pot da greș chiar dacă se încălzesc prea mult.

- Firurile care transportă energie electrică au întotdeauna încălzire, chiar ușor, ceea ce duce la pierderi notabile de energie.

Acest lucru se datorează faptului că cablurile care transportă curent de la centralele electrice circulă pe sute de kilometri. O mare parte din energia pe care o transportă nu ajunge la destinație, pentru că este irosită pe drum.

Pentru a evita acest lucru, se caută ca conductorii să aibă cea mai mică rezistență posibilă. Acest lucru este influențat de trei factori importanți: lungimea sârmei, zona secțiunii transversale și materialul din care este confecționat.

Cei mai buni conductori sunt metalele, aurul, argintul, platina sau cuprul fiind unele dintre cele mai eficiente. Firurile cablurilor sunt confecționate din filamente de cupru, un metal care, deși nu conduce la fel de bine ca aurul, este mult mai ieftin.

Cu cât este mai lung un fir, cu atât va avea mai multă rezistență, dar prin creșterea lor mai groasă, rezistența scade, deoarece acest lucru facilitează mișcarea purtătorilor de încărcare.

Un alt lucru care se poate face este scăderea intensității curentului, astfel încât încălzirea să fie minimizată. Transformatoarele sunt responsabile pentru controlul corect al intensității, de aceea sunt atât de importante în transmiterea energiei electrice.

Exerciții

Exercitiul 1

Un radiator indică faptul că are o putere de 2000W și este conectat la priza de 220 V. Calculați următoarele:

a) Intensitatea curentului care circulă prin calorifer

b) cantitatea de energie electrică transformată după o jumătate de oră

c) Dacă toată această energie este investită în încălzirea a 20 de litri de apă, care sunt inițial la 4 ºC, care va fi temperatura maximă la care apa poate fi încălzită?

Solutie la

Puterea este definită ca energie pentru unitatea de timp. Dacă în ecuația dată la început trecem factorul tot la dreapta, vom avea exact energie pe unitatea de timp:

Rezistența elementului de încălzire poate fi cunoscută prin legea lui Ohm: V = IR, din care rezultă că I = V / R. Prin urmare:

Astfel, rezultatele actuale:

Soluție b

În acest caz Δt = 30 minute = = 30 x 60 secunde = 1800 secunde. Valoarea rezistenței este, de asemenea, necesară, care este eliminată de legea lui Ohm:

Valorile sunt înlocuite în legea lui Joule:

Soluție c

Cantitatea de căldură Q necesară pentru a ridica o cantitate de apă la o anumită temperatură depinde de căldura specifică și de variația temperaturii care trebuie obținută. Se calculează după:

Aici este masa apei, C _e este căldura specifică, care este deja luată ca date pentru problemă, iar ΔT este variația temperaturii.

Masa apei este aceea în 20 L. Se calculează cu ajutorul densității. Densitatea apei ρ _apă este raportul dintre masă și volum. În plus, trebuie să convertiți litri în metri cubi:

Deoarece m = densitatea x volumul = ρV, masa este.

Rețineți că este necesar să treceți de la grade centigrade la kelvin, adăugând 273,15 K. Înlocuind cele de mai sus în ecuația de căldură:

Exercițiul 2

a) Găsiți expresii pentru putere și puterea medie pentru o rezistență conectată la o tensiune alternativă.

b) Să presupunem că aveți un uscător de păr cu putere de 1000W conectat la priza de 120 V, găsiți rezistența elementului de încălzire și curentul de vârf - curent maxim - prin acesta.

c) Ce se întâmplă cu uscătorul atunci când este conectat la o priză de 240 V?

Solutie la

Tensiunea robinetului este alternativă, sub forma V = V _o . sen ωt. Deoarece este variabilă în timp, este foarte important să se definească valorile eficiente atât ale tensiunii, cât și ale curentului, care sunt notate prin „rms”, care reprezintă un pătrat mediu rădăcină.

Aceste valori pentru curent și tensiune sunt:

Atunci când aplicăm legea lui Ohm, curentul în funcție de timp este:

În acest caz, puterea într-un rezistor traversat de un curent alternativ este:

Se vede că puterea variază și cu timpul și că este o cantitate pozitivă, deoarece totul este pătrat și R este întotdeauna> 0. Valoarea medie a acestei funcții este calculată prin integrarea într-un ciclu și rezultă:

În ceea ce privește tensiunea și curentul efectiv, puterea arată astfel:

Soluție b

Aplicarea ultimei ecuații cu datele furnizate:

_Media P = 1000 W și V _rms = 120 V

Prin urmare, curentul maxim prin elementul de încălzire este:

Rezistența poate fi rezolvată din ecuația puterii medii:

P _medie = V _rms . I _rms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W

Aceasta este de aproximativ 4 ori mai mare decât puterea pentru care este proiectat elementul de încălzire, care se va arde la scurt timp după ce a fost conectat la această priză.

Aplicații

Becuri incandescente

Un bec incandescent produce lumină și, de asemenea, căldură, pe care le putem observa imediat când îl conectăm. Elementul care produce ambele efecte este un filament conductor subțire, care are, prin urmare, o rezistență ridicată.

Datorită acestei creșteri a rezistenței, deși curentul a scăzut în filament, efectul Joule este concentrat într-o asemenea măsură încât apare incandescența. Filamentul, fabricat din tungsten datorită punctului său de topire ridicat de 3400 ºC, emite lumină și, de asemenea, căldură.

Dispozitivul trebuie închis într-un recipient de sticlă transparent, care este umplut cu un gaz inert, cum ar fi argonul sau azotul la presiune scăzută, pentru a evita deteriorarea filamentului. Dacă nu se face în acest fel, oxigenul din aer consumă filament, iar becul încetează să funcționeze instantaneu.

Întrerupătoare magneto-termice

Efectele magnetice ale magneților dispar la temperaturi ridicate. Acesta poate fi utilizat pentru a crea un dispozitiv care întrerupe fluxul de curent, atunci când acesta este excesiv. Acesta este un comutator magnetotermic.

O parte a circuitului prin care curge curentul este închisă de un magnet atașat la un arc. Magnetul se lipește de circuit datorită atracției magnetice și rămâne așa, atât timp cât nu este slăbit prin încălzire.

Când curentul depășește o anumită valoare, magnetismul slăbește și arcul detașează magnetul, determinând deschiderea circuitului. Și întrucât curentul are nevoie ca circuitul să fie închis pentru a curge, acesta se deschide și fluxul de curent este întrerupt. Acest lucru împiedică încălzirea cablurilor, ceea ce ar putea provoca accidente precum incendii.

Siguranțele

Un alt mod de a proteja un circuit și de a întrerupe curgerea curentului în timp util este cu ajutorul unei siguranțe, o bandă metalică care, atunci când este încălzită prin efectul Joule, se topește, lăsând circuitul deschis și întrerupe curentul.

Figura 2. Un siguranț este un element protector de circuit. Metalul se topește atunci când este trecut prin curent excesiv. Sursa: Pixabay.

Pasteurizare termică

Ea constă în trecerea unui curent electric prin alimente, care are în mod natural rezistență electrică. Pentru aceasta se folosesc electrozi din material anticoroziv. Temperatura alimentelor crește și căldura distruge bacteriile, contribuind la păstrarea acesteia mai mult timp.

Avantajul acestei metode este că încălzirea are loc într-un timp mult mai mic decât cel cerut de tehnicile convenționale. Încălzirea prelungită distruge bacteriile, dar neutralizează și vitaminele și mineralele esențiale.

Încălzirea ohmică, care durează doar câteva secunde, ajută la păstrarea conținutului nutrițional al alimentelor.

Experimentele

Următorul experiment constă în măsurarea cantității de energie electrică transformată în energie termică prin măsurarea cantității de căldură absorbită de o masă cunoscută de apă. Pentru a face acest lucru, o bobină de încălzire este cufundată în apă, prin care trece un curent.

materiale

- 1 cană de polistiren

- Multimetru

- Termometru Celsius

- 1 sursă de alimentare reglabilă, interval 0-12 V

- Echilibru

- Cabluri de conectare

- Cronometru

Proces

Bobina se încălzește prin efectul joule și, prin urmare, și apa. Trebuie să măsurăm masa apei și temperatura inițială a acesteia și să stabilim la ce temperatură o vom încălzi.

Figura 3. Experiment pentru a determina câtă energie electrică este transformată în căldură. Sursa: F. Zapata.

Citiri succesive sunt luate în fiecare minut, înregistrând valorile curentului și tensiunii. Odată ce înregistrarea este disponibilă, energia electrică furnizată se calculează folosind ecuațiile:

Q = I ² .R. Δt (Legea lui Joule)

V = IR (legea lui Ohm)

Și comparați cu cantitatea de căldură absorbită de corpul de apă:

Q = m. C _e . ΔT (vezi exercițiul 1 rezolvat)

Din moment ce energia este conservată, ambele cantități ar trebui să fie egale. Cu toate acestea, deși polistirenul are o căldură specifică scăzută și nu absoarbe aproape nicio energie termică, vor exista în continuare unele pierderi în atmosferă. De asemenea, trebuie să se țină seama de eroarea experimentală.

Pierderile din atmosferă sunt reduse la minimum dacă apa este încălzită cu același număr de grade peste temperatura camerei ca mai jos decât înainte de începerea experimentului.

Cu alte cuvinte, dacă apa era la 10ºC și temperatura ambiantă la 22ºC, trebuie să aduci apa până la 32ºC.

Referințe

1. Kramer, C. 1994. Practici de fizică. McGraw Hill. 197.
2. Sita. Efectul Joule. Recuperat de la: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: fizică pentru știință și inginerie. Volumul 5. Electrostatice. Editat de Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. 6 ^a . Sala Ed Prentice.
5. Hipertextual. Care este efectul Joule și de ce a devenit ceva transcendental în viețile noastre. Recuperat de la: hipertextual.com
6. Wikipedia. Efectul Joule. Recuperat de la: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Încălzire Joule. Recuperat din: en. wikipedia.org.