De joule-effekt eller Joules lov er resultatet av transformasjonen av elektrisk energi til varme, som finner sted når en elektrisk strøm passerer gjennom en leder. Denne effekten er til stede når et apparat eller et apparat som trenger strøm for å fungere, slås på..
Andre ganger er det uønsket, og det søkes å minimere det. Det er derfor fans blir lagt til stasjonær PC for å avgi varme, siden det kan føre til svikt i interne komponenter.
Enhetene som bruker Joule-effekten til å produsere varme, har inne i en motstand som varmes opp når en strøm bringes til å passere gjennom den, kalt varmeelement.
Artikkelindeks
Joule-effekten har sin opprinnelse i mikroskopisk skala i partikler, både de som utgjør et materiale og de som bærer elektrisk ladning.
Atomer og molekyler i et stoff er i sin mest stabile posisjon i stoffet. For sin del består den elektriske strømmen av en ordnet bevegelse av elektriske ladninger, som kommer fra batteriets positive pol. Når de reiser derfra, har de mye potensiell energi.
Når de passerer, påvirker de ladede partiklene materialets og får dem til å vibrere. Disse vil prøve å gjenvinne balansen de tidligere hadde, og levere overflødig energi til omgivelsene i form av merkbar varme..
Mengden varme Q som frigjøres, avhenger av strømens intensitet Jeg, tiden det sirkulerer inne i lederen At og av det resistive elementet R:
Q = jegto.R. Δt (joules)
Ovennevnte ligning kalles Joule-Lenz-loven.
To fysikere, britiske James Joule (1818-1889) og russiske Heinrich Lenz (1804-1865) observerte uavhengig at en strømførende ledning ikke bare ble varm, men strømmen avtok under prosessen..
Så ble det fastslått at mengden varme som ledes av motstanden er proporsjonal med:
- Kvadratet av intensiteten til sirkulasjonsstrømmen.
- Tiden den aktuelle strømmen forble strømmer gjennom lederen.
- Motstanden til lederen.
Enhetene til varme er de samme enhetene av energi: joule, forkortet J. Den joule er en ganske liten energienhet, så andre som kalorier blir ofte brukt, for eksempel.
For å transformere joule til kalorier, multipliser du ganske enkelt med faktoren 0,24, slik at ligningen gitt i begynnelsen uttrykkes direkte i kalorier:
Q = 0,24. Jegto.R. Δt (kalorier)
Joule-effekten er velkommen til å produsere lokalisert varme, for eksempel brennere og hårføner. Men i andre tilfeller har det uønskede effekter, for eksempel:
- Overdreven oppvarming av ledere kan være farlig og forårsake brann og forbrenning..
- Elektroniske enheter med transistorer reduserer ytelsen og kan mislykkes selv om de blir for varme.
- Ledningene som bærer elektrisk energi opplever alltid en oppvarming, selv om den er liten, noe som fører til bemerkelsesverdige tap av energi.
Dette er fordi kablene som fører strøm fra kraftverk går i hundrevis av kilometer. Så mye av energien de bærer når ikke målet, fordi den blir bortkastet på veien.
For å unngå dette, søkes det at lederne har minst mulig motstand. Dette er påvirket av tre viktige faktorer: ledningens lengde, tverrsnittsarealet og materialet det er laget av..
De beste lederne er metaller, med gull, sølv, platina eller kobber som noen av de mest effektive. Ledningene til kablene er laget av kobberfilamenter, et metall som, selv om det ikke leder så godt som gull, er det mye billigere.
Jo lenger en ledning, jo mer motstand vil den ha, men ved å gjøre dem tykkere, reduseres motstanden, fordi dette letter bevegelsen til ladebærerne.
En annen ting som kan gjøres er å redusere strømstyrken, slik at oppvarmingen minimeres. Transformatorer er ansvarlige for å kontrollere intensiteten riktig, det er derfor de er så viktige i overføring av elektrisk energi.
En radiator indikerer at den har en kraft på 2000W og er koblet til 220 V. Beregn følgende:
a) Intensitet av strømmen som strømmer gjennom radiatoren
b) Mengden elektrisk energi som er transformert etter en halvtime
c) Hvis all denne energien investeres i oppvarming av 20 liter vann som i utgangspunktet er 4 ºC, hva vil være den maksimale temperaturen vannet kan varmes opp til?
Data: den spesifikke varmen av vann er Ce = 4180 J / kg.K
Effekt er definert som energi per tidsenhet. Hvis i ligningen gitt i begynnelsen, passerer vi faktoren At Til høyre vil vi ha nøyaktig energi per tidsenhet:
Q = jegto.R. Δt → P = Q / Δt = jegto. R
Motstanden til varmeelementet kan bli funnet gjennom Ohms lov: V = I.R, som det følger av Jeg = V / R. Og dermed:
P = jegto. (V / I) = I. V
Dermed gjeldende resultater:
I = P / V = 2000 W / 220 V = 9,09 A..
I dette tilfellet Δt = 30 minutter = = 30 x 60 sekunder = 1800 sekunder. Verdien av motstanden er også nødvendig, som er ryddet fra Ohms lov:
R = V / I = 220 V / 9,09 A = 24,2 ohm
Verdiene er erstattet i Joules lov:
Q = (9,09 A)to. 24,2 ohm. 1800 s = 3.600.000 J = 3600 kJ.
Mengden varme Spørsmål nødvendig for å heve en vannmengde til en viss temperatur, avhenger av den spesifikke varmen og variasjonen i temperaturen som må oppnås. Det beregnes av:
Q = m. Cog. AT
Her m er kroppen av vann, Cog er den spesifikke varmen, som allerede er tatt som data for problemet og AT er temperaturvariasjonen.
Massen av vann er den i 20 L. Den beregnes ved hjelp av tetthet. Tettheten av vann ρVann er forholdet mellom masse og volum. I tillegg må du konvertere liter til kubikkmeter:
20 L = 0,02 m3
Hva m = tetthet x volum = ρV, massen er.
m = 1000 kg / m3 x 0,02 m3 = 20 kg.
ΔT = sluttemperatur - starttemperatur = TF - 4 ºC = TF - 277,15 K
Merk at vi må gå fra grader C til Kelvin, og legge til 273,15 K. Ved å erstatte det ovennevnte i varmeligningen:
3.600.000 J = 20 kg x 4180 J / kg. K . (TF - 277,15)
TF = 3.600.000 J / (20 kg x 4180 J / kg. K) + 277.15 K = 320. 2 K = 47.05 ºC.
a) Finn uttrykk for effekt og gjennomsnittseffekt for en motstand koblet til en vekselspenning.
b) Anta at du har en hårføner med 1000 W strøm koblet til 120 V-kontakten, finn motstanden til varmeelementet og toppstrømmen - maksimal strøm - gjennom den.
c) Hva skjer med tørketrommelen når den er koblet til en 240 V-kontakt?
Spenningen i stikkontakten er vekslende, av formen V = Veller. sen ωt. Fordi den er variabel i tid, er det veldig viktig å definere de effektive verdiene for både spenning og strøm, som er betegnet med abonnementet “rms”, Akronym for rot middel kvadrat.
Disse verdiene for strøm og spenning er:
Jegrms = 0,707 Ieller
Vrms = 0,707 Veller
Ved å anvende Ohms lov er strømmen som en funksjon av tiden som:
I = V / R = Veller. sen ωt / R = Ieller. sen ωt
I dette tilfellet er effekten i en motstand krysset av en vekselstrøm:
P = jegto.R = (Ieller. sen ωt)to.R = jegellerto.R. sento .t
Man ser at kraften også varierer med tiden, og at den er en positiv størrelse, siden alt er kvadrat og R alltid er> 0. Gjennomsnittsverdien til denne funksjonen blir beregnet ved integrering i en syklus og resultater:
Phalv = ½. Jegellerto.R = jegrmsto.R
Når det gjelder RMS-spenning og strøm, ser effekten ut slik:
Phalv = Vrms. Jegrms
Jegrms = Phalv / Vrms = Phalv / 0,707 Veller
Bruke den siste ligningen med de medfølgende dataene:
Phalv = 1000 W og V.rms = 120 V.
Jegrms = Phalv / Vrms = 1000 W / 120 V = 8,33 A
Derfor er maksimal strøm gjennom varmeelementet:
Jegeller = Jegrms /0.707 = 8,33 A / 0,707 = 11,8 A.
Motstand kan løses fra ligningen av middelkraft:
Phalv = Jegrmsto.R → R = Phalv / JEGrmsto = 1000 W / (8,33 A)to = 14,41 ohm.
Ved tilkobling til en 240 V-kontakt, endres den gjennomsnittlige effekten:
Jegrms = Vrms / R = 240 V / 14,41 ohm = 16,7 A.
Phalv = Vrms. Jegrms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W
Dette er omtrent 4 ganger watteffekten varmeelementet er beregnet på, som vil brenne ut kort tid etter at den er koblet til stikkontakten.
En glødelampe produserer lys og også varme, som vi kan legge merke til umiddelbart når vi kobler den til. Elementet som produserer begge effektene er en veldig tynn lederfilament, som derfor har høy motstand.
Takket være denne økningen i motstand, selv om strømmen har redusert i filamentet, er Joule-effekten konsentrert i en slik grad at glødelamp oppstår. Filamentet, laget av wolfram på grunn av det høye smeltepunktet på 3400 ºC, avgir lys og også varme.
Enheten bør lukkes i en gjennomsiktig glassbeholder, som er fylt med en inert gass, slik som argon eller nitrogen ved lavt trykk, for å unngå forringelse av filamentet. Hvis dette ikke gjøres, forbruker oksygenet i luften glødetråden og pæren slutter å virke umiddelbart..
Magnetens magnetiske effekter forsvinner ved høye temperaturer. Dette kan brukes til å lage en enhet som avbryter strømmen når den er for stor. Dette er en magnetoterm bryter.
En del av kretsen som strømmen strømmer gjennom, lukkes av en magnet festet til en fjær. Magneten holder seg til kretsen takket være den magnetiske tiltrekningen og forblir slik, så lenge den ikke blir svekket av oppvarming.
Når strømmen overstiger en viss verdi, svekkes magnetismen og fjæren løsner magneten, slik at kretsen åpnes. Og siden strømmen trenger at kretsen må lukkes for å kunne strømme, åpnes den og strømmen avbrytes. Dette forhindrer at kablene varmes opp, noe som kan forårsake ulykker som brann..
En annen måte å beskytte en krets og avbryte strømmen i tide, er ved hjelp av en sikring, en metallstrip som, når den varmes opp av Joule-effekten, smelter, slik at kretsen blir åpen og avbryter strømmen..
Den består av å føre en elektrisk strøm gjennom maten, som naturlig har elektrisk motstand. Elektroder laget av korrosjonshindrende materiale brukes til dette. Matvaretemperaturen stiger og varmen ødelegger bakteriene og hjelper til med å bevare den lenger..
Fordelen med denne metoden er at oppvarming skjer på mye kortere tid enn det som kreves av konvensjonelle teknikker. Langvarig oppvarming ødelegger bakterier, men nøytraliserer også viktige vitaminer og mineraler.
Ohmisk oppvarming, som varer bare noen få sekunder, bidrar til å bevare næringsinnholdet i matvarer.
Neste eksperiment består av å måle mengden elektrisk energi omgjort til termisk energi, og måle mengden varme absorbert av en kjent vannmasse. For å gjøre dette, blir en varmespole nedsenket i vann, gjennom hvilken en strøm føres.
- 1 isoporkopp
- Multimeter
- Celsius termometer
- 1 justerbar strømforsyning, rekkevidde 0-12 V.
- Balansere
- Tilkoblingskabler
- Kronometer
Spolen varmes opp av joule-effekten og derfor også vannet. Vi må måle vannmassen og dens opprinnelige temperatur, og bestemme hvilken temperatur vi skal varme den opp.
Suksessive målinger blir tatt hvert minutt, og registrerer strøm- og spenningsverdiene. Når posten er tilgjengelig, beregnes den tilførte elektriske energien ved hjelp av ligningene:
Q = jegto.R. At (Joules lov)
V = I.R (Ohms lov)
Og sammenlign med mengden varme som absorberes av vannmassen:
Q = m. Cog. AT (se løst oppgave 1)
Siden energien er bevart, bør begge mengdene være like. Imidlertid, selv om polystyren har lav spesifikk varme og nesten ikke absorberer termisk energi, vil det fortsatt være noen tap for atmosfæren. Den eksperimentelle feilen må også tas i betraktning.
Tap til atmosfæren minimeres hvis vannet varmes opp like mange grader over romtemperatur som det var under før eksperimentet startet..
Med andre ord, hvis vannet var 10 ° C og omgivelsestemperaturen var 22 ° C, må du bringe vannet opp til 32 ° C.
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.