Joule Effect Verklaring, voorbeelden, oefeningen, toepassingen

Hij Joule -effect o De wet van Joule is het resultaat van de transformatie van warmte -energie, die plaatsvindt wanneer een elektrische stroom door een bestuurder gaat. Dit effect is aanwezig op voorwaarde dat elk apparaat of apparaat dat elektriciteit nodig heeft om te werken.

Dus het joule -effect wordt dagelijks waargenomen. Soms is het handig, zoals huishoudelijke en keukenapparatuur (boiler, haardrogers, borden, kachels, enz.))

Andere keren is het ongewenst en probeert het het te minimaliseren, dus de bureau -pc is toegevoegd om hitte af te voeren, omdat het fouten kan veroorzaken voor de interne componenten.

De apparaten die het joule -effect gebruiken om warmte te produceren, hebben een weerstand die wordt verwarmd wanneer deze wordt doorgegeven, geroepen verwarmingselement.

[TOC]

Uitleg

Het Joule -effect heeft zijn oorsprong op een microscopische schaal in de deeltjes, zowel die welke bestaat uit materiaal als die welke de elektrische lading transporteren.

Atomen en moleculen in een stof zijn hier in hun meest stabiele positie in. Van zijn kant bestaat de elektrische stroom uit een ordelijke beweging van elektrische ladingen, die afkomstig zijn van de positieve batterijpaal. Als ze daar vertrekken, hebben ze veel potentiële energie.

In hun pad beïnvloeden geladen deeltjes die van het materiaal en zetten ze om te trillen. Deze zullen proberen de balans te herstellen die ze eerder hadden, waardoor overtollige energie aan hun omgeving wordt geleverd in de vorm van waarneembare warmte.

De hoeveelheid warmte die loskomt, hangt af van de intensiteit van de stroom Je, De tijd dat het in de bestuurder circuleert AT en van het resistieve element R:

Q = i².R. Δt (joules)

De vorige vergelijking wordt de wet van Joule-Lenz genoemd.

Voorbeelden

Twee natuurkundigen, de Britse James Joule (1818-1889) en de Russische Heinrich Lenz (1804-1865) merkten onafhankelijk op dat een draad die de stroom transporteerde, niet alleen werd verwarmd, maar de stroom afnam tijdens het proces.

Vervolgens werd vastgesteld dat de hoeveelheid warmte die wordt verdwenen door weerstand evenredig is met:

- Het kwadraat van de intensiteit van de huidige stroom.

- De tijd dat de stroom bleef stromen door de bestuurder.

- De weerstand van genoemde bestuurder.

De hitte -eenheden zijn dezelfde energie -eenheden: Joules, afgekort als J. Joule is een vrij kleine energie -eenheid, dus anderen zoals calorieën worden meestal bijvoorbeeld gebruikt.

Om joules te transformeren in calorieën is het voldoende om zich te vermenigvuldigen met de 0,24 -factor, zodat de vergelijking die in het begin wordt gegeven, direct in calorieën wordt uitgedrukt:

Q = 0,24. Je².R. Δt (calorieën)

Joule -effect en elektrisch stroomtransport

Het Joule -effect is welkom om gelokaliseerde warmte te produceren, zoals hoorn- en haardrogers. Maar in andere gevallen heeft het ongewenste effecten, zoals:

- Een zeer grote opwarming van bestuurders kan gevaarlijk zijn, waardoor branden en brandwonden worden veroorzaakt.

- Elektronische apparaten met transistoren verminderen hun prestaties en kunnen falen, zelfs als ze te veel verwarmen.

- De draden die elektriciteit transporteren ervaren altijd een verwarming, zelfs als deze mild is, wat leidt tot opmerkelijke energieverliezen.

Dat komt omdat de kabels die stroom van de elektrische planten transporteren honderden kilometers hebben. Dan bereikt een groot deel van de energie die ze dragen niet hun bestemming, omdat deze onderweg wordt verspild.

Kan u van dienst zijn: magnetisme: magnetische eigenschappen van materialen, gebruik

Om dit te voorkomen, wordt gevraagd om zoveel mogelijk weerstand te hebben. Drie belangrijke factoren beïnvloeden dit: de lengte van de draad, het kruis -sectionele gebied en het materiaal waarmee het is gemaakt.

De beste stuurprogramma's zijn metalen, als goud, zilver, platina of koper enkele van de meest efficiënte. De draden van de kabels worden gemaakt op basis van koperen filamenten, een metaal dat, hoewel het niet zo goed als goud drijft, het is veel goedkoper.

Hoe langer een draad, hoe groter de weerstand zal hebben, maar door ze dikker te produceren, neemt de weerstand af, omdat dit de beweging van de belastingdragers vergemakkelijkt.

Een ander ding dat kan worden gedaan, is om de intensiteit van de stroom te verminderen, zodat de verwarming wordt geminimaliseerd. De transformatoren zijn verantwoordelijk voor het correct regelen van de intensiteit, dus ze zijn zo belangrijk bij de overdracht van elektriciteit.

Opdrachten

Oefening 1

Een radiator geeft aan dat het een kracht heeft van 2000w en is verbonden met het nemen van 220 V. Bereken het volgende:

a) Intensiteit van de stroom die door de radiator circuleert

b) hoeveelheid elektrische energie die na een half uur is getransformeerd

c) Als al deze energie wordt omgekeerd bij het verwarmen van 20 liter water dat aanvankelijk bij 4 ° C is, wat zal de maximale temperatuur zijn waarmee het water kan worden verwarmd?

Gegevens: de specifieke waterwarmte is CE = 4180 J/kg.K

Oplossing voor

Kracht wordt gedefinieerd als energie per tijdseenheid. Als we in de vergelijking in het begin de factor passeren AT Rechts, er zal precies energie per tijdseenheid zijn:

Q = i².R. ΔT → p = q/ δt = i². R

De weerstand van het verwarmingselement kan bekend zijn door de wet van Ohm: V = i.R, waaruit het volgt I = v/r. daarom:

P = i². (V/i) = i. V

Dus de stroom is:

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

Oplossing B

In dit geval Δt = 30 minuten = = 30 x 60 seconden = 1800 seconden. De waarde van de weerstand is ook vereist, wat duidelijk is uit de wet van Ohm:

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

Waarden worden vervangen in de wet van Joule:

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

Oplossing C

De hoeveelheid warmte Q nodig om een ​​hoeveelheid water bij een bepaalde temperatuur te verhogen, hangt af van de specifieke warmte en de temperatuurvariatie die moet worden verkregen. Het wordt berekend door:

Q = m. C_En. AT

Hier M Het is de massa water, C_En Het is de specifieke hitte, die al het probleem van het probleem heeft en AT Het is temperatuurvariatie.

De massa water is wat er in 20 l zit. Het wordt berekend met behulp van dichtheid. Waterdichtheid ρ_water Het is het quotiënt tussen de massa en het volume. Bovendien moet u de liters omzetten in kubieke meters:

20 L = 0.02 m³

Als m = dichtheid x volume = ρv, Het deeg is.

M = 1000 kg/m³ X 0.02 m³ = 20 kg.

Δt = eindtemperatuur - initiële temperatuur = t_F - 4 ºC = t_F - 277.15 k

Merk op dat je van graden Celsius naar Kelvin moet gaan, met 273.15 k. Het bovenstaande vervangen in de warmtevergelijking:

3.600.000 J = 20 kg x 4180 J/kg . K . (T_F - 277.vijftien)

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

Oefening 2

a) Vind uitdrukkingen voor vermogen en gemiddeld vermogen voor een weerstand die is verbonden met een alternatieve spanning.

Kan u van dienst zijn: schijnbare dichtheid: formule, eenheden en oefeningen opgelost

b) Neem aan dat u een föhn hebt met 1000 W vermogen verbonden met de 120 V -inname, zoek de weerstand van het verwarmingselement en de piekstroom - maximale hoek - die hem kruist.

c) Wat gebeurt er met de droger bij het aansluiten van een 240 V -nemen?

Oplossing voor

De spanning van het schot is afgewisseld, van de vorm V = v_of. Sen ωt. Omdat het in de loop van de tijd variabel is, is het erg belangrijkRms”, Acroniem voor Vierkantswortel.

Deze waarden voor stroom en spanning zijn:

Je_Rms = 0.707 i_of

V_Rms = 0.707 V_of

Bij het toepassen van de wet van Ohm is de stroom als functie van de tijd:

I = v/r = v_of. Sin ωT /r = i_of. Sin ωT

In dit geval is het vermogen in een weerstand gekruist door een wisselstroom:

P = i².R = (i_of. Sin ωT)².R = i_of².R . Sen² ωt

Het wordt gezien dat de kracht ook in de loop van de tijd varieert en dat het een positieve hoeveelheid is, omdat alles naar het vierkant wordt gesneden en R altijd> 0 is. De gemiddelde waarde van deze functie wordt berekend door integratie in een cyclus en resultaten:

P_half = ½. Je_of².R = i_Rms².R

In termen van effectieve spanning en stroom blijft het vermogen als volgt:

P_half = V_Rms. Je_Rms

Je_Rms = P_half / V_Rms = P_half / 0.707 V_of

Oplossing B

De laatste vergelijking toepassen met de verstrekte gegevens:

P_half = 1000 W en V_Rms = 120 V

Je_Rms = P_half / V_Rms = 1000 W / 120 V = 8.33 a

Daarom is de maximale stroom door het verwarmingselement:

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

Weerstand kan worden gewist uit de gemiddelde vermogensvergelijking:

P_half = I_Rms².R → r = P_half / Yo_Rms² = 1000 w / (8.33 a)² = 14.41 ohm.

Oplossing C

In het geval van verbinding met een 240 V -inleiding, verandert de gemiddelde stroom:

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

P_half = V_Rms. Je_Rms = 240 V x 16.7 tot ≈ 4000 W

Dit is ongeveer 4 keer de kracht waarvoor het verwarmingselement is ontworpen, dat kort na zijn verbonden is verbrand.

Toepassingen

Gloeilampen

Een gloeilamp produceert licht en ook warmte, die we onmiddellijk kunnen opmerken wanneer we het aansluiten. Het element dat beide effecten produceert, is een zeer dunne stuurprogramma's, daarom heeft het een hoge weerstand.

Dankzij deze toename van de weerstand, hoewel de stroom is afgenomen in de gloeidraad, is het Joule -effect geconcentreerd tot het punt dat de gloeilame optreedt. De gloeidraad, gemaakt van wolfraam omdat het een hoog smeltpunt van 3400 ºC heeft, zendt licht uit en ook warmte.

Het apparaat moet worden vergrendeld in een transparante glazen container, die is gevuld met een inert gas, zoals argon of lage drukstikstof, om de achteruitgang van de gloeidraad te voorkomen. Als het niet op deze manier wordt gedaan, verbruikt de zuurstof van de lucht de gloeidraad en werkt de lamp niet meer aan de handeling.

Magnet-theater-schakelaars

De magnetische effecten van magneten verdwijnen bij hoge temperaturen. Dit kan worden gebruikt om een ​​apparaat te maken dat de doorgang van de stroom onderbreekt, wanneer het buitensporig is. Dit bestaat uit een magnetothermische schakelaar.

Een deel van het circuit waardoor de stroom wordt gesloten door middel van een magneet onderworpen aan een dok. De magneet houdt zich aan het circuit dankzij de magnetische aantrekkingskracht en blijft dus over, terwijl deze niet verzwakt is door verwarming.

Kan u van dienst zijn: potentiële energie: kenmerken, typen, berekening en voorbeelden

Wanneer de stroom een ​​bepaalde waarde overschrijdt, verzwakt het magnetisme en trekt het dok de magneet uit, waardoor het circuit wordt geopend. En aangezien de stroom nodig heeft om te worden gesloten om te stromen, wordt het geopend en wordt de huidige doorgang onderbroken. Op deze manier wordt de verwarming van de kabels die ongevallen zoals branden kunnen veroorzaken, voorkomen.

Lonten

Een andere manier om een ​​circuit te beschermen en het tijdig te onderbreken is door een zekering, een metalen strip die wanneer het wordt verwarmd door joule -effect, smelt, het circuit open laat en de stroom onderbreekt.

Figuur 2. Een zekering is een circuit beschermend element. Metaal smelt wanneer het wordt gekruist door overmatige stroom. Bron: Pixabay.

Pasteurisatie door ohmverwarming

Het bestaat uit het passeren van een elektrische stroom door voedsel, dat van nature elektrische weerstand heeft. Hiervoor worden elektroden gemaakt van anticorrosief materiaal gebruikt. Voedseltemperatuur stijgt en warmte vernietigt bacteriën, waardoor ze langer kunnen bewaren.

Het voordeel van deze methode is dat de opwarming in veel minder tijd plaatsvindt dan dat vereist door conventionele technieken. Langdurige opwarming vernietigt bacteriën maar neutraliseert ook vitamines en mineralen die essentieel zijn.

Ohmische verwarming, die slechts enkele seconden duurt, helpt het voedingsgehalte van voedsel te behouden.

Experimenten

Het volgende experiment bestaat uit het meten van de hoeveelheid elektrische energie die wordt veranderd in thermische energie, het meten van de hoeveelheid warmte die wordt geabsorbeerd door een bekende massa water. Hiervoor wordt een verwarmingsspoel ondergedompeld in water, waardoor een stroom wordt doorgegeven.

Materialen

- 1 glas polystyreen

- Multimeter

- Celsius -thermometer

- 1 bron van verstelbaar vermogen, van bereik 0-12 V

- Evenwicht

- Verbindingskabels

- Chronometer

Procedure

De spoel wordt verwarmd door joule -effect en daarom ook het water. U moet de massa water en de initiële temperatuur meten en bepalen in welke temperatuur we het zullen verwarmen.

figuur 3. Experimenteer om te bepalen hoeveel elektrische stroom wordt omgezet in warmte. Bron: f. Zapata.

Opeenvolgende metingen worden elke minuut genomen, waarbij de stroom- en spanningswaarden worden geregistreerd. Zodra de registratie beschikbaar is, wordt de elektrische energie geleverd, via de vergelijkingen:

Q = i².R. AT (Joule Law)

V = i.R (De wet van Ohm)

En vergelijk met de hoeveelheid warmte die wordt geabsorbeerd door de massa water:

Q = m. C_En. AT (Zie oefening opgelost 1)

Omdat energie wordt bewaard, moeten beide hoeveelheden hetzelfde zijn. Hoewel polystyreen echter onder specifieke warmte heeft en bijna geen thermische energie absorbeert, zullen er ook enige verliezen zijn voor de atmosfeer. U moet ook rekening houden met experimentele fout.

De verliezen voor de atmosfeer worden geminimaliseerd als het water hetzelfde aantal graden boven de omgevingstemperatuur wordt verwarmd, die hieronder was voordat het begon met het experiment.

Met andere woorden, als het water op 10 ºC was en de omgevingstemperatuur 22 ºC was, moet u het water tot 32 ºC nemen.

Referenties

1. Kramer, c. 1994. Fysica -praktijken. McGraw Hill. 197.
2. De zeef. Joule -effect. Hersteld van: Eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 5. Elektrostatica. Uitgegeven door Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6^e. Ed Prentice Hall.
5. Hypertekst. Wat is het joule -effect en waarom het iets transcendentaals is geworden voor ons leven. Hersteld van: hypertextual.com
6. Wikipedia. Joule -effect. Hersteld van: is.Wikipedia.borg.
7. Wikipedia. Joule verwarming. Opgehaald uit: in. Wikipedia.borg.