JOULOV UČINEK: RAZLAGA, PRIMERI, VAJE, APLIKACIJE - FIZIČNO - 2026

Joule učinek ali Joule je zakon je posledica preoblikovanja električne energije v toploto, ki se odvija, ko električni tok skozi prevodnik. Ta učinek je prisoten, kadar je kateri koli aparat ali naprava, ki potrebuje električno energijo, vklopljena.

Drugi čas je nezaželen, zato ga želimo čim bolj zmanjšati, zato so namizni računalniki dodani ventilatorji za odvajanje toplote, saj lahko povzroči okvaro notranjih komponent.

Naprave, ki uporabljajo učinek Joule za proizvodnjo toplote, imajo odpornost, ki se segreje, ko skozi tok prehaja tok, imenovan grelni element.

Pojasnilo

Jouleov učinek ima svoj izvor na mikroskopskem merilu v delcih, tako tistih, ki sestavljajo material, kot tistih, ki nosijo električni naboj.

Atomi in molekule v snovi so v najbolj stabilnem položaju znotraj snovi. Električni tok je sestavljen iz urejenega gibanja električnih nabojev, ki prihajajo iz pozitivnega pola akumulatorja. Ko odidejo tja, imajo veliko potencialne energije.

Ko minejo, nabiti delci vplivajo na materiale in povzročijo, da vibrirajo. Ti bodo poskušali povrniti ravnovesje, ki so ga imeli prej, in v okolico oddali odvečno energijo v obliki zaznavne toplote.

Količina sproščene toplote Q je odvisna od jakosti toka I, časa, v katerem kroži znotraj prevodnika Δt in uporovnega elementa R:

Zgornja enačba se imenuje zakon Joule-Lenza.

Primeri

Dva fizika, Britanec James Joule (1818-1889) in Rus Heinrich Lenz (1804-1865), sta neodvisno opazila, da žica, ki nosi tok, ni samo postala vroča, temveč se je njen tok med postopkom zmanjšal.

Potem je bilo ugotovljeno, da je količina toplote, ki jo odpornost odvaja, sorazmerna:

- Kvadrat jakosti krožečega toka.

- Čas, ko je omenjeni tok ostal, teče skozi prevodnik.

- odpornost omenjenega prevodnika.

Enote toplote so enake enote energije: jouli, okrajšano kot J. Joule je dokaj majhna enota energije, zato se pogosto uporabljajo druge, na primer kalorije.

Za pretvarjanje joulov v kalorije preprosto pomnožite s faktorjem 0,24, tako da je enačba, dana na začetku, neposredno izražena v kalorijah:

Joule efekt in transport električne energije

Učinek Joule je dobrodošel, da proizvaja lokalno toploto, kot so gorilniki in sušilniki za lase. V drugih primerih pa ima neželene učinke, kot so:

- Zelo segrevanje prevodnikov je lahko nevarno in povzroči požare in opekline.

- Elektronske naprave s tranzistorji poslabšajo njihovo zmogljivost in lahko izpadajo, tudi če se preveč segrejejo.

- Žice, ki prenašajo električno energijo, vedno pridejo do segrevanja, tudi rahlo, kar vodi do občutnih izgub energije.

To je zato, ker kabli, ki prenašajo tok iz elektrarn, tečejo na stotine kilometrov. Toliko energije, ki jo nosijo, ne doseže svojega cilja, saj jo zapravijo na poti.

Da bi se temu izognili, si prizadevamo, da bi prevodniki imeli čim manjši upor. Na to vplivajo trije pomembni dejavniki: dolžina žice, površina prečnega prereza in material, iz katerega je izdelan.

Najboljši prevodniki so kovine, pri čemer so zlato, srebro, platina ali baker nekatere najučinkovitejše. Žice kablov so narejene iz bakrenih filamentov, kovine, ki je, čeprav ne deluje tako dobro, kot zlato, veliko cenejša.

Daljša je žica, večjo odpornost bo imela, toda če jih naredite debelejše, se upor zmanjša, ker to olajša gibanje nosilcev naboja.

Druga stvar, ki jo lahko naredimo, je zmanjšanje intenzitete toka, tako da je ogrevanje čim manjše. Transformatorji so odgovorni za pravilno krmiljenje jakosti, zato so tako pomembni pri prenosu električne energije.

Vaje

Vaja 1

Radiator kaže, da ima moč 2000 W in je priključen na 220 V vtičnico. Izračunajte naslednje:

a) Intenzivnost toka, ki teče skozi radiator

b) Količina električne energije, ki se je preoblikovala po pol ure

c) Če vso to energijo vložimo v ogrevanje 20 litrov vode, ki so sprva pri 4 ° C, kolikšna bo najvišja temperatura, do katere se lahko segreva voda?

Rešitev za

Moč je opredeljena kot energija na enoto časa. Če v enačbi, podani na začetku, prenesemo faktor Δt v desno, bomo imeli natančno energijo na enoto časa:

Upor grelnega elementa lahko poznamo po Ohmovem zakonu: V = IR, iz česar izhaja, da je I = V / R. Tako:

Tako so trenutni rezultati:

Rešitev b

V tem primeru je Δt = 30 minut = = 30 x 60 sekund = 1800 sekund. Zahtevana je tudi vrednost upora, ki je razčiščena iz Ohmovega zakona:

V Joulejevem zakonu so vrednosti nadomeščene:

Rešitev c

Količina toplote Q, potrebna za dvig količine vode na določeno temperaturo, je odvisna od specifične toplote in nihanja temperature, ki jo je treba pridobiti. Izračuna se po:

Tu je m masa vode, C _e specifična toplota, ki se že vzame kot podatek za težavo, ΔT pa temperaturno nihanje.

Masa vode je tista v 20 L. Izračuna se s pomočjo gostote. Gostota vode ρ _vode je razmerje med maso in volumnom. Poleg tega morate litre pretvoriti v kubične metre:

Ker je m = gostota x prostornina = ρV, je masa.

Upoštevajte, da je treba preiti od stopinj Celzija do kelvina in dodati 273,15 K. Nadomestitev zgornjega v toplotni enačbi:

Vaja 2

a) Poiščite izraze moči in povprečne moči za upor, priključen na izmenično napetost.

b) Recimo, da imate sušilnik za lase z močjo 1000 W, priključen na 120 V vtičnico, poiščite upor grelnega elementa in največji tok - največji tok - skozi njega.

c) Kaj se zgodi s sušilnikom, ko je priključen na 240 V vtičnico?

Rešitev za

Napetost pipe se spreminja v obliki V = V _o . sen ωt. Ker je časovno spremenljivo, je zelo pomembno določiti efektivne vrednosti napetosti in toka, ki jih označujemo s podpisom "rms", kar pomeni korenski povprečni kvadrat.

Te vrednosti za tok in napetost so:

Pri uporabi Ohmovega zakona je tok kot funkcija časa:

V takem primeru je moč v uporu, ki ga prečka izmenični tok:

Vidimo, da se moč spreminja tudi s časom in da je pozitivna količina, saj je vse na kvadrat in R je vedno> 0. Srednja vrednost te funkcije se izračuna z vključevanjem v cikel in rezultati:

Moč izgleda glede na efektivno napetost in tok:

Rešitev b

Uporaba zadnje enačbe s priloženimi podatki:

_{Srednja vrednost} P = 1000 W in V _rms = 120 V

Zato je največji tok skozi grelni element:

Odpornost je mogoče rešiti iz enačbe srednje moči:

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

To je približno 4-kratna moč motorja, ki je namenjen grelnemu elementu, kar bo izgorilo kmalu po vklopu v to vtičnico.

Prijave

Žarnice z žarilno nitko

Žarnica z žarilno žico proizvaja svetlobo in tudi toploto, kar lahko opazimo takoj, ko jo priključimo. Element, ki ustvarja oba učinka, je zelo tanka prevodna nitka, ki ima zato veliko odpornost.

Zahvaljujoč temu povečanju odpornosti, čeprav se je v nitki zmanjšal tok, je Joulejev učinek koncentriran do te mere, da pride do žaritve. Filament, narejen iz volframa zaradi visokega tališča 3400 ºC, oddaja svetlobo in tudi toploto.

Napravo je treba zapreti v prozorno stekleno posodo, ki je napolnjena z inertnim plinom, kot sta argon ali dušik pri nizkem tlaku, da se izognete poslabšanju nitke. Če tega ne storite, kisik v zraku porabi nitko in žarnica v trenutku preneha delovati.

Magneto-termična stikala

Magnetni učinki magnetov izginejo pri visokih temperaturah. To je mogoče uporabiti za ustvarjanje naprave, ki prekine pretok toka, kadar je pretiran. To je magnetotermično stikalo.

Del vezja, skozi katerega teče tok, je zaprt z magnetom, pritrjenim na vzmet. Magnet se zaradi magnetne privlačnosti drži v tokokrogu in tako ostane, dokler ga segrevanje ne oslabi.

Ko tok preseže določeno vrednost, magnetizem oslabi in vzmet odtegne magnet, zaradi česar se vezje odpre. In ker je za tok potrebno tokokrog zapreti, se odpre in pretok toka prekine. To preprečuje segrevanje kablov, kar lahko povzroči nesreče, kot so požari.

Varovalke

Drug način za zaščito tokokroga in pravočasno prekinitev toka je s pomočjo varovalke, kovinskega traku, ki se ob segrevanju z Joule-jevim učinkom stopi, tako da vezje ostane odprto in prekine tok.

Slika 2. Varovalka je zaščitni element vezja. Kovina se topi, ko jo prenaša prekomerni tok. Vir: Pixabay.

Ohmična pasterizacija ogrevanja

Sestavljen je iz prenosa električnega toka skozi hrano, ki ima seveda električni upor. Za to se uporabljajo elektrode iz antikorozivnega materiala. Temperatura hrane narašča, toplota pa bakterije uničuje in tako pomaga, da se dlje ohranijo.

Prednost te metode je, da se segrevanje zgodi v veliko manj časa kot pri običajnih tehnikah. Dolgotrajno segrevanje uniči bakterije, hkrati pa nevtralizira bistvene vitamine in minerale.

Ohmično ogrevanje, ki traja le nekaj sekund, pomaga ohraniti prehransko vsebnost hrane.

Poskusi

Naslednji poskus obsega merjenje količine električne energije, pretvorjene v toplotno energijo, z merjenjem količine toplote, ki jo absorbira znana masa vode. Če želite to narediti, je ogrevalna tuljava potopljena v vodo, skozi katero se pretaka tok.

materiali

- 1 skodelica polistirena

- Multimeter

- Celzijev termometer

- 1 nastavljiv vir napajanja, območje 0-12 V

- Ravnovesje

- Priključni kabli

- Štoparica

Proces

Tuljava se segreva zaradi joulovega učinka in s tem tudi vode. Izmeriti moramo maso vode in njeno začetno temperaturo ter določiti, do katere temperature jo bomo segrevali.

Slika 3. Preizkusite, kako ugotoviti, koliko električne energije se pretvori v toploto. Vir: F. Zapata.

Zaporedni odčitki se izvajajo vsako minuto in beležijo trenutne in napetostne vrednosti. Ko je zapis na voljo, se dobavljena električna energija izračuna z enačbami:

Q = I ² .R. Δt (Jouleev zakon)

V = IR (Ohmov zakon)

In primerjajte s količino toplote, ki jo absorbira vodno telo:

Q = m. C _e . ΔT (glej rešena vaja 1)

Ker se energija varčuje, morata biti obe količini enaki. Kljub temu, da ima polistiren nizko specifično toploto in skoraj ne absorbira toplotne energije, bo v ozračju še vedno nekaj izgub. Upoštevati je treba tudi poskusno napako.

Izgube v ozračje so zmanjšane, če vodo pred začetkom eksperimenta segrejemo na enako stopinjo nad sobno temperaturo, kot je bila spodaj.

Z drugimi besedami, če je bila voda pri 10 ° C, temperatura okolja pa 22 ° C, morate vodo povišati na 32 ° C.

Reference

1. Kramer, C. 1994. Fizika prakse. McGraw Hill. 197.
2. Sito. Joule učinek. Pridobljeno: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 5. Elektrostatika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela z aplikacijami. 6. ^st . Dvorana Ed Prentice.
5. Hipertekstualno. Kakšen je učinek Joule in zakaj je v našem življenju postal nekaj transcendentalnega. Obnovljeno od: hipertekstualne strani
6. Wikipedija. Joule učinek. Pridobljeno: es.wikipedia.org.
7. Wikipedija. Joule ogrevanje. Pridobljeno: en. wikipedia.org.