Joule Effect Selitys, esimerkit, harjoitukset, sovellukset

Hän Joule -vaikutus o Joulen laki on seurausta lämmönenergian muutoksesta, joka tapahtuu, kun sähkövirta kulkee kuljettajan läpi. Tämä vaikutus on läsnä, jos kaikki laitteet tai laitteet, jotka tarvitsevat sähköä toimimaan.

Joten Joule -vaikutus havaitaan päivittäin. Joskus se on hyödyllinen, kuten koti- ja keittiölaitteet (vedenlämmitin, hiustenkuivaajat, lautaset, uunit jne.-A

Muina aikoina se ei ole toivottavaa ja se pyrkii minimoimaan sen, joten pöytätietokoneeseen lisätään tuulettimia hävittämään lämpöä, koska se voi aiheuttaa vikoja sisäisille komponenteille.

Laitteilla, jotka käyttävät Joule Effect -sovellusta lämmön tuottamiseen, on vastus, joka lämmitetään, kun se ohitetaan, nimeltään lämmityselementti.

[TOC]

Selitys

Joule -efekti on alkuperän mikroskooppisessa asteikolla hiukkasissa, sekä ne, jotka muodostavat materiaalin, että sähkövarauksen kuljettavat ne.

Aineen atomit ja molekyylit ovat tämän vakaan asennon sisällä. Sähkövirta koostuu puolestaan ​​sähköisten varausten järjestämisestä, jotka tulevat positiivisesta akunnapasta. Sieltä poistuessaan heillä on paljon potentiaalista energiaa.

Heidän polullaan kuormitetut hiukkaset vaikuttavat materiaalin poluihin ja asettavat ne värähtelemään. Nämä yrittävät palauttaa aikaisemmin olleet tasapainon, joka tuottaa ylimääräistä energiaa ympäristölleen havaittavan lämmön muodossa.

Irrotun lämmön määrä riippuu virran voimakkuudesta Yllyttää, Aika, jonka se kiertää kuljettajan sisällä Δt ja resistiivinen elementti R --

Q = i².R -. Δt (Joules)

Aikaisempaa yhtälöä kutsutaan Joule-Lenzin laki.

Esimerkit

Kaksi fyysikkoa, brittiläinen James Joule (1818-1889) ja Venäjän Heinrich Lenz (1804-1865) havaitsivat itsenäisesti, että virtaa kuljetetun johdon lisäksi kuumennettiin, vaan sen virta väheni prosessin aikana.

Sitten todettiin, että vastus hajotetun lämmön määrä on verrannollinen:

- Virran virran voimakkuuden neliö.

- Aika, jolloin virta pysyi kuljettajan virtaamassa.

- Mainitun kuljettajan vastus.

Lämpöyksiköt ovat samat energiayksiköt: Joules, lyhennetty kuin j. Joule on melko pieni energiayksikkö, joten yleensä käytetään muita kaloreita, esimerkiksi.

Joulesin muuttamiseksi kaloreiksi riittää moninkertaistumaan 0,24 tekijällä, joten alussa annetun yhtälön ilmaistaan ​​suoraan kaloreita:

Q = 0,24. Yllyttää².R -. Δt (kalorit)

Joule -vaikutus ja sähköinen sähkökuljetus

Joule -vaikutus on tervetullut tuottamaan paikallista lämpöä, kuten sarvi- ja hiustenkuivaajat. Mutta muissa tapauksissa sillä on ei -toivottuja vaikutuksia, kuten:

- Erittäin suuri kuljettajien lämpeneminen voi olla vaarallista, aiheuttaen tulipaloja ja palovammoja.

- Transistorien elektroniset laitteet vähentävät niiden suorituskykyä ja voivat epäonnistua, vaikka ne kuumentuisivat liikaa.

- Sähköä kuljettavat johdot kokevat aina lämmityksen, vaikka se olisi lievä, mikä johtaa merkittäviin energiahäviöisiin.

Tämä johtuu siitä, että kaapeleissa, jotka kuljettavat virtaa sähkölaitoksista on satoja kilometrejä. Sitten hyvä osa heidän kantamastaan ​​energiasta ei saavuta määränpäähänsä, koska se on hukkaan matkan varrella.

Voi palvella sinua: Magnetismi: materiaalien magneettiset ominaisuudet, käyttötarkoitukset

Tämän välttämiseksi kuljettajia pyritään olemaan mahdollisimman paljon vastustuskykyä. Kolme tärkeää tekijää vaikuttavat tähän: langan pituus, ristikkäinen alue ja materiaali, jonka kanssa se tehdään.

Parhaat kuljettajat ovat metalleja, jotka ovat kultaa, hopeaa, platina- tai kuparia joitain tehokkaimmista. Kaapeleiden johdot on valmistettu kuparilankojen perusteella, metalli, joka, vaikka se ei aja yhtä hyvin kuin kultaa, se on paljon halvempaa.

Mitä pidempi lanka, sitä suurempi vastus on, mutta valmistamalla niitä paksumpia, vastus vähenee, koska tämä helpottaa kuormituskantajien liikettä.

Toinen asia, joka voidaan tehdä, on vähentää virran voimakkuutta, jotta lämmitys minimoituu. Muuntajat ovat vastuussa intensiteetin ohjaamisesta oikein, joten ne ovat niin tärkeitä sähkön siirrossa.

Harjoitukset

Harjoitus 1

Jäähdytin osoittaa, että sillä on voima 2000w ja on kytketty ottamaan 220 V. Laske seuraava:

a) Jäähdyttimen läpi kiertävä virran voimakkuus

b) Sähköenergian määrä, joka on muutettu puolen tunnin kuluttua

c) Jos kaikki tämä energia käännetään lämmittämällä 20 litraa vettä, jotka ovat alun perin 4 ° C: ssa, mikä on maksimilämpötila, jossa vettä voidaan lämmittää?

Tiedot: Veden erityinen lämpö on CE = 4180 j/kg.K -k -

Liittää jhk

Virta määritellään energiaksi aikayksikköä kohti. Jos alussa annetussa yhtälössä ohitamme tekijän Δt Oikealla puolella on tarkasti energiaa aikaa: aikayksikköä kohti:

Q = i².R -. ΔT → p = q/ δt = i². R -

Lämmityselementin vastus voidaan tietää Ohmin lain kautta: V = i.R -, mistä se seuraa sitä I = v/r. siksi:

P = i². (V/i) = i. V

Siten virta on:

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

Ratkaisu b

Tässä tapauksessa Δt = 30 minuuttia = = 30 x 60 sekuntia = 1800 sekuntia. Vastustan arvoa vaaditaan myös, mikä on selvää Ohmin laista:

R = v / i = 220 V / 9.09 A = 24.2 ohmia

Arvot korvataan Joulen laissa:

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

Liuos C

Lämmön määrä Q - Veden määrän nostamiseksi tietyssä lämpötilassa riippuu erityisestä lämmöstä ja saadut lämpötilan vaihtelut. Se lasketaan:

Q = m. C_ja. Δt

Tässä m Se on veden massa, C_ja Se on erityinen lämpö, ​​jolla on jo ongelman ongelma ja Δt Se on lämpötilan vaihtelu.

Vesimassa on mikä on 20 litrassa. Se lasketaan tiheyden avulla. Vesitiheys ρ_vettä Se on massa ja äänenvoimakkuus. Lisäksi sinun on muunnettava litrat kuutiometreiksi:

20 L = 0.02 m³

Kuten M = tiheys x tilavuus = ρv, Taikina on.

M = 1000 kg/m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

Δt = lopullinen lämpötila - alkulämpötila = t_F - 4 ºC = t_F - 277.15 K

Huomaa, että sinun on siirryttävä celsiusasteista Kelviniin lisäämällä 273.15 K. Edellä esitetyn lämpöyhtälön korvaaminen:

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

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

Harjoitus 2

a) Löydä lausekkeita tehosta ja keskimääräistä tehoa vaihtoehtoiseen jännitteeseen kytkettyyn vastuskykyyn.

Voi palvella sinua: näennäinen tiheys: kaava, yksiköt ja harjoitukset ratkaistu

b) Oletetaan, että sinulla on hiustenkuivaaja, jonka 120 V: n saanniin on kytketty 1000 W.

c) Mitä kuivausrumpulle tapahtuu, kun se yhdistetään 240 V: n ottamiseen?

Liittää jhk

Laukauksen jännite on vaihtoehtoinen, lomakkeesta V = V_jompikumpi. Sent. Koska se on ajan myötä muuttuva, se on erittäin tärkeäRms”, Lyhenne Juuri tarkoittaa neliötä.

Nämä virran ja jännitteen arvot ovat:

Yllyttää_Rms = 0.707 i_jompikumpi

V_Rms = 0.707 V_jompikumpi

Ohmin lakia sovellettaessa nykyinen ajan funktio on:

I = v/r = v_jompikumpi. synti ωT /r = i_jompikumpi. synti ωt

Tässä tapauksessa vaihtovirran ylittämän vastuskyvyn voima on:

P = i².R = (i_jompikumpi. synti ωt)².R = i_jompikumpi².R - . Senttiä² ωt

Nähdään, että teho vaihtelee myös ajan myötä ja että se on positiivinen määrä, koska kaikki leikataan neliöön ja R on aina> 0. Tämän funktion keskiarvo lasketaan integroimalla sykliin ja tuloksiin:

P_puoli = ½. Yllyttää_jompikumpi².R = i_Rms².R -

Tehokkaan jännitteen ja virran suhteen voima pysyy näin:

P_puoli = V_Rms. Yllyttää_Rms

Yllyttää_Rms = P_puoli / V_Rms = P_puoli / 0.707 V_jompikumpi

Ratkaisu b

Viimeisen yhtälön soveltaminen toimitettuihin tietoihin:

P_puoli = 1000 W ja V_Rms = 120 V

Yllyttää_Rms = P_puoli / V_Rms = 1000 W / 120 V = 8.33 a

Siksi lämmityselementin maksimaalinen virta on:

Yllyttää_jompikumpi = I_Rms /0.707 = 8.33 A/0.707 = 11.8 a

Resistanssi voidaan tyhjentää keskimääräisestä tehoyhtälöstä:

P_puoli = I_Rms².R → r = p_puoli / Yo_Rms² = 1000 W / (8.33 a)² = 14.41 ohmia.

Liuos C

Jos kyse on 240 V: n ottamisesta, keskimääräiset tehonmuutokset:

Yllyttää_Rms = V_Rms / R = 240 V / 14.41 ohm = 16.7 a

P_puoli = V_Rms. Yllyttää_Rms = 240 V x 16.7 - ≈ 4000 W

Tämä on noin 4 -kertainen voima, jolle lämmityselementti on suunniteltu, joka poltetaan pian sen jälkeen, kun se on kytketty tähän laukaukseen.

Sovellukset

Hehkulamppu

Hehkulamppu tuottaa valoa ja myös lämmön, jonka voimme huomata heti kytkemällä sitä. Elementti, joka tuottaa molemmat vaikutukset.

Tämän vastuskyvyn kasvun ansiosta, vaikka virta on vähentynyt filamenttiin, joulevaikutus on keskittynyt siihen pisteeseen, että hehkulamppu tapahtuu. Volframista valmistettu filamentti, koska sen sulamispiste on korkea 3400 ºC, se antaa valoa ja myös lämmön.

Laite on lukittava läpinäkyvään lasisäiliöön, joka on täytetty inertillä kaasulla, kuten argonilla tai matalapaineisella typellä, filamentin heikkenemisen välttämiseksi. Jos sitä ei tehdä tällä tavalla, ilman happi kuluttaa filamentin ja lamppu lakkaa toimimasta laissa.

Magneto-teatterikytkimet

Magneettien magneettiset vaikutukset katoavat korkeissa lämpötiloissa. Tätä voidaan käyttää luomaan laite, joka keskeyttää virran kulun, kun se on liiallinen. Tämä koostuu magnetotermisestä kytkimestä.

Osa piiristä, jonka läpi virta suljetaan laiturin alaisen magneetin avulla. Magneetti tarttuu piiriin magneettisen vetovoiman ansiosta ja siten pysyy, vaikka sitä ei heikentyä lämmityksen vuoksi.

Voi palvella sinua: potentiaalinen energia: ominaisuudet, tyypit, laskelmat ja esimerkit

Kun virta ylittää tietyn arvon, magnetismi heikentyy ja laituri ottaa magneetin pois aiheuttaen piirin avautumisen. Ja koska virta tarvitsee piirin sulkemisen virtaamiseksi, se avautuu ja nykyinen kohta keskeytetään. Tällä tavalla kaapeleiden lämmitys, jotka voivat aiheuttaa tulipaloja, estetään.

Sulakkeet

Toinen tapa suojata piiri ja ajankohtainen virran passin keskeyttäminen on sulake, metallinauha.

Kuva 2. Sulake on piirinsuojaelementti. Metalli sulaa, kun se ylitetään liiallisella virralla. Lähde: Pixabay.

Pastörointi ohmisella lämmityksellä

Se koostuu sähkövirran läpäisemisestä ruoan kautta, jolla on luonnollisesti sähkövastus. Tätä varten käytetään käytettyjä antikorroosivia materiaaleja. Ruoan lämpötila nousee ja lämpö tuhoaa bakteerit auttaen säilyttämään ne pidempään.

Tämän menetelmän etuna on, että lämpeneminen tapahtuu paljon vähemmän kuin tavanomaisten tekniikoiden kautta vaaditaan. Pitkäaikainen lämpeneminen tuhoaa bakteerit, mutta myös neutraloivat vitamiineja ja mineraaleja, jotka ovat välttämättömiä.

Ohminen lämmitys, joka kestää vain muutaman sekunnin, auttaa säilyttämään ruoan ravitsemuspitoisuus.

Kokeet

Seuraava koe koostuu lämpöenergian muuttaneen sähköenergian määrän mittaamisesta, mitataan tunnettuun vesimassan absorboituneen lämmön määrän. Tätä varten veteen upotetaan lämmityskela, jonka kautta virta ohitetaan.

Materiaalit

- 1 lasillinen polystyreeniä

- Yleismittari

- Celsius -lämpömittari

- 1 Säädettävän tehon lähde, alue 0-12 V

- Saldo

- Liitäntäkaapelit

- Kronometri

Menettely

Kelaa lämmitetään joule -vaikutus ja siksi myös vesi. Sinun on mitattava vesimassa ja sen alkulämpötila ja määritettävä, mihin lämpötilaan lämmitämme sen.

Kuva 3. Kokeile sen määrittämiseksi. Lähde: f. Zapata.

Peräkkäiset lukemat otetaan joka minuutti, rekisteröintivirta- ja jännitearvot. Kun rekisteröinti on saatavana, toimitettu sähköenergia yhtälöiden kautta:

Q = i².R -. Δt (Joulen laki)

V = i.R - (Ohmin laki)

Ja vertaa vesimassan absorboimaa lämpöä:

Q = m. C_ja. Δt (Katso harjoitus ratkaistu 1)

Kun energia säilyy, molempien määrien tulisi olla samoja. Vaikka polystyreenillä on erityinen lämmö eikä melkein absorboi lämpöenergiaa, ilmakehää kohtaan tapahtuu myös joitain häviöitä. Sinun on myös otettava huomioon kokeellinen virhe.

Ilmakehän häviöt minimoidaan, jos vettä lämmitetään sama määrä astetta ympäristön lämpötilan yläpuolella, mikä oli alle ennen koetta aloittamista.

Toisin sanoen, jos vesi oli 10 ºC: n lämpötilassa ja ympäristön lämpötila oli 22 ºC, sinun on otettava vesi jopa 32 ° C: seen.

Viitteet

1. Kramer, c. 1994. Fysiikan käytännöt. McGraw Hill. 197.
2. Seula. Joule -vaikutus. Toipunut: Eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Sarja: Tieteen ja tekniikan fysiikka. Nide 5. Sähköstaatiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: sovellusten periaatteet. 6^th. Ed Prentice Hall.
5. Hypertekstualinen. Mikä on Joule -vaikutus ja miksi siitä on tullut jotain transsendenttista elämäämme. Toipunut: hypertekstualista.com
6. Wikipedia. Joule -vaikutus. Palautettu: on.Wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule -lämmitys. Haettu: vuonna. Wikipedia.org.