Joule Effect Förklaring, exempel, övningar, applikationer

han Jouleffekt O Joules lag är resultatet av omvandlingen av värmeenergi, som äger rum när en elektrisk ström går igenom en förare. Denna effekt finns förutsatt att alla enheter eller enheter som behöver el för att fungera.

Så Joule -effekten observeras dagligen. Ibland är det användbart, till exempel hem- och köksapparater (varmvattenberedare, hårtorkar, plattor, spisar, etc.)

Andra gånger är det oönskat och det försöker minimera det, så att skrivbordet läggs till fans för att sprida värme, eftersom den kan orsaka misslyckanden till de interna komponenterna.

Enheterna som använder Joule -effekten för att producera värme, har ett motstånd som värms upp när det passeras, kallas värmeelement.

[TOC]

Förklaring

Joule -effekten har sitt ursprung på mikroskopisk skala i partiklarna, både de som utgör ett material och de som transporterar den elektriska laddningen.

Atomer och molekyler i ett ämne är i deras mest stabila position i detta. För sin del består den elektriska strömmen av en ordnad rörelse av elektriska laddningar, som kommer från den positiva batteristolen. När de lämnar där har de mycket potentiell energi.

I deras väg påverkar laddade partiklar de hos materialet och sätter dem i vibrera. Dessa kommer att försöka återfå balansen de tidigare hade och levererar överskott av energi till sin miljö i form av märkbar värme.

Mängden värme som lossnar beror på strömmen Yo, Den tid det cirkulerar inuti föraren ΔT och av det resistiva elementet R:

Q = i².R. Δt (Joules)

Den föregående ekvationen kallas Joule-Lenzs lag.

Exempel

Två fysiker, den brittiska James Joule (1818-1889) och den ryska Heinrich Lenz (1804-1865) observerade, oberoende, att en tråd som transporterade strömmen inte bara värmdes, utan dess ström minskade under processen.

Det konstaterades då att mängden värme som sprids av motstånd är proportionell mot:

- Kvadratet med intensiteten hos strömmen.

- Tiden då strömmen förblev flödande av föraren.

- Motståndet hos nämnda förare.

Värmenheterna är samma enhetsenheter: Joules, förkortade som J. Joule är en ganska liten energienhet, så andra som kalorier används vanligtvis, till exempel.

För att förvandla joules till kalorier räcker det för att multiplicera med 0,24 faktorn, så att ekvationen som ges i början uttrycks direkt i kalorier:

Q = 0,24. Yo².R. Δt (kalorier)

Joule -effekt och elektrisk krafttransport

Joule -effekten är välkommen att producera lokaliserad värme, till exempel horn och hårtorkare. Men i andra fall har det oönskade effekter, till exempel:

- En mycket stor uppvärmning i förare kan vara farlig och orsaka bränder och brännskador.

- Elektroniska enheter med transistorer minskar deras prestanda och kan misslyckas även om de värmer för mycket.

- Ledningarna som transporterar elektricitet upplever alltid en uppvärmning, även om den är mild, vilket leder till anmärkningsvärda energiförluster.

Det beror på att kablarna som transporterar ström från de elektriska växterna har hundratals kilometer. Då når en bra del av den energi de bär inte sin destination, eftersom den slösas bort på vägen.

Kan tjäna dig: Magnetism: Magnetiska egenskaper hos material, användning

För att undvika detta söks förare att ha så mycket motstånd som möjligt. Tre viktiga faktorer påverkar detta: trådens längd, tvärsektionsområdet och materialet som det är tillverkat.

De bästa förarna är metaller, som är guld, silver, platina eller koppar några av de mest effektiva. Kablarna är tillverkade baserade på kopparfilament, en metall som, även om den inte kör lika bra som guld, är det mycket billigare.

Ju längre en tråd, desto större kommer motståndet att ha, men genom att tillverka dem tjockare minskar motståndet, eftersom detta underlättar belastningsbärarnas rörelse.

En annan sak som kan göras är att minska strömens intensitet, så att uppvärmningen minimeras. Transformatorerna ansvarar för att kontrollera intensiteten ordentligt, så de är så viktiga vid överföring av el.

Övningar

Övning 1

En kylare indikerar att den har en kraft av 2000w och är ansluten till att ta 220 v. Beräkna följande:

a) Strömets intensitet som cirkulerar genom kylaren

b) mängd elektrisk energi som har omvandlats efter en halvtimme

c) Om all denna energi vänds i uppvärmning av 20 liter vatten som initialt är vid 4 ° C, vad kommer att vara den maximala temperaturen vid vilken vattnet kan värmas upp?

Data: Den specifika vattenvärmen är CE = 4180 J/kg.K

Lösning till

Kraft definieras som energi per tidsenhet. Om vi ​​i ekvationen i början passerar faktorn ΔT Till höger kommer det att finnas exakt energi per tidsenhet:

Q = i².R. ΔT → P = Q/ Δt = i². R

Motståndet hos värmeelementet kan vara känt genom Ohms lag: V = i.R, från vilket det följer det I = v/r. därför:

P = i². (V/i) = i. V

Således är strömmen:

I = P / V = ​​2000 W / 220 V = 9.09 a.

Lösning B

I detta fall ΔT = 30 minuter = = 30 x 60 sekunder = 1800 sekunder. Värdet på motståndet krävs också, vilket framgår av Ohms lag:

R = v / i = 220 v / 9.09 a = 24.2 ohm

Värden ersätts i Joules lag:

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

Lösning C

Mängden värme Q nödvändigt för att höja en mängd vatten vid en viss temperatur beror på den specifika värmen och temperaturvariationen som måste erhållas. Det beräknas av:

Q = m. C_och. ΔT

Här m Det är massan av vatten, C_och Det är den specifika värmen, som redan har problemet med problemet och ΔT Det är temperaturvariation.

Vattenmassan är vad som finns i 20 L. Det beräknas med hjälp av densitet. Vattentäthet ρ_vatten Det är kvoten mellan massan och volymen. Dessutom måste du konvertera liter till kubikmeter:

20 l = 0.02 m³

Som m = densitet x volym = ρv, Degen är.

m = 1000 kg/m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

ΔT = sluttemperatur - initial temperatur = T_F - 4 ºC = T_F - 277.15 K

Observera att du måste gå från grader Celsius till Kelvin och lägga till 273.15 K. Ersätta ovanstående i värmeekvationen:

3.600.000 j = 20 kg x 4180 j/kg . K . (T_F - 277.femton)

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

Övning 2

a) Hitta uttryck för kraft och medelkraft för ett motstånd anslutet till en alternativ spänning.

Kan tjäna dig: uppenbar densitet: formel, enheter och övningar löst

b) Antag att du har en hårtork med 1000W kraft ansluten till 120 V -intaget, hitta motståndet i värmelementet och toppströmmen - Maximal Corner - som korsar det.

c) vad som händer med torktumlaren när du ansluter den till en 240 V tar?

Lösning till

Skottets spänning är alternativ, av formen V = v_antingen. Sen ωt. Eftersom det är varierande över tid är det mycket viktigtRms”, Akronym för Effektivvärdet.

Dessa värden för ström och spänning är:

Yo_Rms = 0.707 i_antingen

V_Rms = 0.707 v_antingen

När man tillämpar Ohms lag är den nuvarande som en funktion av tiden:

I = v/r = v_antingen. syndT /r = i_antingen. syndt

I detta fall är kraften i ett motstånd som korsas av en växelström:

P = i².R = (i_antingen. syndt)².R = i_antingen².R . Sen² ωt

Man ser att kraften också varierar över tid och att det är en positiv mängd, eftersom allt skärs till torget och r alltid> 0. Medelvärdet för denna funktion beräknas genom integration i en cykel och resultat:

P_halv = ½. Yo_antingen².R = i_Rms².R

När det gäller effektiv spänning och ström förblir kraften så här:

P_halv = V_Rms. Yo_Rms

Yo_Rms = P_halv / V_Rms = P_halv / 0.707 v_antingen

Lösning B

Tillämpa den sista ekvationen med de uppgifter som tillhandahålls:

P_halv = 1000 W och V_Rms = 120 V

Yo_Rms = P_halv / V_Rms = 1000 W / 120 V = 8.33 a

Därför är den maximala strömmen genom värmeelementet:

Yo_antingen = Jag_Rms /0.707 = 8.33 A/0.707 = 11.8 a

Motstånd kan rensas från den genomsnittliga effektekvationen:

P_halv = Jag_Rms².R → R = P_halv / Yo_Rms² = 1000 W / (8.33 a)² = 14.41 ohm.

Lösning C

Vid anslutning till en 240 V -tagning förändras den genomsnittliga kraften:

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

P_halv = V_Rms. Yo_Rms = 240 V x 16.7 till ≈ 4000 w

Detta är ungefär fyra gånger kraften för vilken värmeelementet är utformat, som kommer att brännas kort efter att ha anslutits till detta skott.

Ansökningar

Glödlampa

En glödlampa producerar ljus och även värme, som vi kan märka omedelbart när vi ansluter den. Elementet som producerar båda effekterna är en mycket tunn förarfilament, varför det har högt motstånd.

Tack vare denna ökning av motståndet, även om strömmen har minskat i glödtråden, koncentreras Joule -effekten till den punkten att incandescens inträffar. Filamentet, gjord av volfram eftersom den har en hög smältpunkt på 3400 ºC, avger lätt och värme.

Enheten måste vara inlåst i en transparent glasbehållare, som är fylld med en inert gas, såsom argon eller lågtryckskväve, för att undvika försämringen av glödtråden. Om det inte görs på detta sätt förbrukar syre i luften glödtråden och glödlampan slutar arbeta med handlingen.

Magneto-teaterbrytare

De magnetiska effekterna av magneter försvinner vid höga temperaturer. Detta kan användas för att skapa en enhet som avbryter passagen, när den är överdriven. Detta består av en magnetotermisk switch.

En del av kretsen genom vilken strömmen stängs med hjälp av en magnet som är föremål för en brygga. Magneten fastnar vid kretsen tack vare magnetattraktionen och återstår därmed, medan den inte försvagas på grund av uppvärmning.

Kan tjäna dig: Potentiell energi: Egenskaper, typer, beräkning och exempel

När strömmen överskrider ett visst värde försvagas magnetismen och bryggan tar av magneten, vilket får kretsen att öppna. Och när strömmen behöver kretsen ska stängas för att flöda, öppnas den och den aktuella passagen avbryts. På detta sätt förhindras uppvärmningen av kablar som kan orsaka olyckor som bränder.

Säkringar

Ett annat sätt att skydda en krets och i rätt tid avbryta det nuvarande passet är med en säkring, en metallremsa som när den värms upp av Joule Effect, smälter, lämnar kretsen öppen och avbryter strömmen.

figur 2. En säkring är ett kretsskyddande element. Metall smälter när den korsas av överdriven ström. Källa: Pixabay.

Pastörisering genom ohmisk uppvärmning

Den består av att passera en elektrisk ström genom mat, som naturligtvis har elektrisk motstånd. För detta används elektroder tillverkade av antikorrosivt material. Matemperaturen ökar och värmen förstör bakterier och hjälper till att bevara dem längre.

Fördelen med denna metod är att uppvärmning sker på mycket mindre tid än den som krävs genom konventionella tekniker. Långvarig uppvärmning förstör bakterier men neutraliserar också vitaminer och mineraler som är viktiga.

Ohmisk uppvärmning, som varar bara några sekunder, hjälper till att bevara matens näringsinnehåll.

Experiment

Följande experiment består i att mäta mängden elektrisk energi som förvandlas till termisk energi och mäta mängden värme som absorberas av en känd massa vattenmassa. För detta är en värmespole nedsänkt i vatten, genom vilken en ström passeras.

Materiel

- 1 glas polystyren

- Multimeter

- Celsius -termometer

- 1 källa till justerbar effekt, av intervallet 0-12 v

- Balans

- Anslutningskablar

- Kronometer

Procedur

Spolen värms upp av Joule -effekten och därför vattnet. Du måste mäta massan av vatten och dess initiala temperatur och bestämma till vilken temperatur vi värmer den.

Figur 3. Experiment för att bestämma hur mycket elkraft som förvandlas till värme. Källa: f. Zapata.

På varandra följande avläsningar tas varje minut, registrerar ström- och spänningsvärden. När registreringen är tillgänglig levereras den elektriska energin genom ekvationerna:

Q = i².R. ΔT (Joule Law)

V = i.R (Ohms lag)

Och jämföra med mängden värme som absorberas av massan av vatten:

Q = m. C_och. ΔT (Se träningslöst 1)

Eftersom energi bevaras bör båda mängderna vara desamma. Även om polystyren har under specifik värme och nästan inte absorberar termisk energi, kommer det också att finnas några förluster mot atmosfären. Du måste också ta hänsyn till experimentfel.

Förlusterna till atmosfären minimeras om vattnet värms upp samma antal grader över omgivningstemperaturen, som var nedan innan du började med experimentet.

Med andra ord, om vattnet var vid 10 ºC och omgivningstemperaturen var 22 ºC, måste du ta vattnet upp till 32 ºC.

Referenser

1. Kramer, c. 1994. Fysikpraxis. McGraw Hill. 197.
2. Sikten. Jouleffekt. Återhämtat sig från: Eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volym 5. Elektrostatik. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principer med applikationer. 6^th. Ed Prentice Hall.
5. Hypertekst. Vad är Joule -effekten och varför det har blivit något transcendentalt för våra liv. Återhämtat sig från: hypertekstual.com
6. Wikipedia. Jouleffekt. Återhämtad från: är.Wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule uppvärmning. Hämtad från: i. Wikipedia.org.