Plik efekt dżuli lub prawo Joule'a jest wynikiem przekształcenia energii elektrycznej w ciepło, które ma miejsce, gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik. Efekt ten występuje zawsze, gdy włączane jest jakiekolwiek urządzenie lub urządzenie, które do działania potrzebuje prądu..
Innym razem jest to niepożądane i stara się to zminimalizować, dlatego do komputera stacjonarnego dodaje się wentylatory, aby rozproszyć ciepło, ponieważ może to spowodować awarię komponentów wewnętrznych.
Urządzenia, które wykorzystują efekt Joule'a do wytwarzania ciepła, mają wewnątrz opór, który nagrzewa się, gdy przepływa przez nie prąd, zwany Element grzewczy.
Indeks artykułów
Efekt Joule'a ma swoje źródło w mikroskopijnej skali cząstek, zarówno tych, które tworzą materiał, jak i tych, które przenoszą ładunek elektryczny.
Atomy i cząsteczki substancji znajdują się w najbardziej stabilnej pozycji w substancji. Ze swojej strony prąd elektryczny składa się z uporządkowanego ruchu ładunków elektrycznych, które pochodzą z bieguna dodatniego baterii. Wyjeżdżając stamtąd mają dużo potencjalnej energii.
Gdy przechodzą, naładowane cząstki uderzają w cząsteczki materiału i powodują ich wibracje. Będą próbowali odzyskać równowagę, którą mieli wcześniej, dostarczając nadmiar energii do otoczenia w postaci odczuwalnego ciepła..
Ilość uwolnionego ciepła Q zależy od natężenia prądu ja, czas, przez jaki krąży wewnątrz przewodnika Δt i elementu rezystancyjnego R:
P = jadwa.R. Δt (dżule)
Powyższe równanie nazywa się prawem Joule-Lenza.
Dwóch fizyków, brytyjski James Joule (1818-1889) i Rosjanin Heinrich Lenz (1804-1865) niezależnie zaobserwowali, że drut przewodzący prąd nie tylko stał się gorący, ale jego prąd zmniejszył się w trakcie procesu..
Następnie ustalono, że ilość ciepła oddawanego przez opór jest proporcjonalna do:
- Kwadrat natężenia prądu krążącego.
- Czas, w którym wspomniany prąd pozostawał w przepływie przez przewodnik.
- Opór wspomnianego przewodnika.
Jednostki ciepła to te same jednostki energii: dżule, w skrócie J.Joule to dość mała jednostka energii, dlatego często używa się innych, takich jak kalorie..
Aby zamienić dżule na kalorie, wystarczy pomnożyć przez współczynnik 0,24, aby równanie podane na początku było bezpośrednio wyrażone w kaloriach:
Q = 0,24. jadwa.R. Δt (kalorie)
Efekt Joule'a jest mile widziany w celu wytworzenia miejscowego ciepła, takiego jak palniki i suszarki do włosów. Ale w innych przypadkach ma niepożądane skutki, takie jak:
- Nadmierne nagrzewanie przewodów może być niebezpieczne, powodując pożary i oparzenia..
- Urządzenia elektroniczne z tranzystorami zmniejszają swoją wydajność i mogą zawieść, nawet jeśli są zbyt gorące.
- Przewody przenoszące energię elektryczną zawsze ulegają nagrzewaniu, nawet jeśli jest ono niewielkie, co prowadzi do znacznych strat energii.
Dzieje się tak, ponieważ kable, które przenoszą prąd z elektrowni, biegną przez setki kilometrów. Tyle energii, którą niosą, nie dociera do celu, ponieważ jest marnowana po drodze.
Aby tego uniknąć, dąży się do tego, aby przewody miały jak najmniejszy opór. Wpływają na to trzy ważne czynniki: długość drutu, pole przekroju poprzecznego i materiał, z którego jest wykonany..
Najlepszymi przewodnikami są metale, przy czym najbardziej wydajne są złoto, srebro, platyna lub miedź. Druty kabli wykonane są z miedzianych włókien, metalu, który choć nie przewodzi tak dobrze jak złoto, jest znacznie tańszy.
Im dłuższy drut, tym większy będzie miał opór, ale zwiększając ich grubość, opór maleje, ponieważ ułatwia to ruch nośników ładunku.
Inną rzeczą, którą można zrobić, jest zmniejszenie natężenia prądu, aby zminimalizować nagrzewanie. Transformatory odpowiadają za odpowiednie sterowanie natężeniem, dlatego są tak ważne w przesyle energii elektrycznej.
Grzejnik wskazuje, że ma moc 2000 W. i jest podłączony do 220 V.. Oblicz następujące:
a) Intensywność prądu przepływającego przez grzejnik
b) Ilość energii elektrycznej, która została przekształcona po pół godzinie
c) Jeśli cała ta energia zostanie zainwestowana w podgrzanie 20 litrów wody, która początkowo ma 4 ºC, jaka będzie maksymalna temperatura, do której woda może zostać podgrzana?
Dane: ciepło właściwe wody wynosi Ce = 4180 J / kg.K
Moc jest definiowana jako energia na jednostkę czasu. Jeśli w równaniu podanym na początku przekażemy współczynnik Δt Po prawej będziemy mieli dokładnie energię na jednostkę czasu:
P = jadwa.R. Δt → P = Q / Δt = jadwa. R
Opór elementu grzejnego można znaleźć zgodnie z prawem Ohma: V = I.R, z którego to wynika I = V / R. A zatem:
P = Idwa. (V / I) = I. V
Zatem aktualne wyniki:
I = P / V = 2000 W / 220 V = 9,09 A..
W tym przypadku Δt = 30 minut = = 30 x 60 sekund = 1800 sekund. Wymagana jest również wartość rezystancji, która jest wyczyszczona z prawa Ohma:
R = V / I = 220 V / 9,09 A = 24,2 oma
Wartości są podstawiane w prawie Joule'a:
Q = (9,09 A)dwa. 24,2 omów. 1800 s = 3600000 J = 3600 kJ.
Ilość ciepła Q konieczne do podniesienia ilości wody do określonej temperatury zależy od ciepła właściwego i wahań temperatury, które należy uzyskać. Oblicza się go według:
Q = m. doi. ΔT
Tutaj m jest zbiornikiem wodnym, doi jest ciepłem właściwym, które jest już przyjęte jako dane problemu i ΔT to zmiana temperatury.
Masa wody wynosi 20 litrów. Oblicza się ją na podstawie gęstości. Gęstość wody ρwoda jest stosunkiem masy do objętości. Dodatkowo musisz przeliczyć litry na metry sześcienne:
20 L = 0,02 m3
Co m = gęstość x objętość = ρV, masa jest.
m = 1000 kg / m3 x 0,02 m3 = 20 kg.
ΔT = temperatura końcowa - temperatura początkowa = Tfa - 4 ºC = T.fa - 277,15 K
Zauważ, że musimy przejść od stopni Celsjusza do Kelwinów, dodając 273,15 K. Zastępując powyższe w równaniu ciepła:
3 600 000 J = 20 kg x 4180 J / kg. K. . (Tfa - 277,15)
Tfa = 3 600 000 J / (20 kg x 4180 J / kg. K) + 277,15 K = 320,2 K = 47,05 ºC.
a) Znajdź wyrażenia określające moc i średnią moc rezystora podłączonego do napięcia przemiennego.
b) Załóżmy, że masz suszarkę do włosów o mocy 1000W podłączoną do gniazda 120 V, znajdź opór elementu grzejnego i prąd szczytowy - prąd maksymalny - przez nią.
c) Co dzieje się z suszarką, gdy jest podłączona do gniazda 240 V.?
Napięcie w gniazdku zmienia się, w postaci V = Vlub. sen ωt. Ponieważ jest zmienny w czasie, bardzo ważne jest zdefiniowanie wartości skutecznych zarówno napięcia, jak i prądu, które są oznaczone indeksem dolnym „rms”, Skrót od pierwiastek średni kwadratowy.
Te wartości prądu i napięcia to:
jarms = 0,707 I.lub
Vrms = 0,707 V.lub
Stosując prawo Ohma, prąd w funkcji czasu wynosi:
I = V / R = Vlub. sen ωt / R = Ilub. sen ωt
W tym przypadku moc w rezystorze, przez którą przepływa prąd przemienny, wynosi:
P = Idwa.R = (Ilub. sen ωt)dwa.R = jalubdwa.R. sendwa ωt
Widać, że moc również zmienia się w czasie i jest to wielkość dodatnia, ponieważ wszystko jest podniesione do kwadratu i R jest zawsze> 0. Średnia wartość tej funkcji jest obliczana przez całkowanie w cyklu i wyniki:
P.pół = ½. jalubdwa.R = jarmsdwa.R
Pod względem napięcia i prądu RMS moc wygląda następująco:
P.pół = Vrms. jarms
jarms = Ppół / Vrms = Ppół / 0,707 V.lub
Stosując ostatnie równanie z podanymi danymi:
P.pół = 1000 W i V.rms = 120 V.
jarms = Ppół / Vrms = 1000 W / 120 V = 8,33 A.
Dlatego maksymalny prąd przepływający przez element grzejny wynosi:
jalub = Jarms /0.707 = 8,33 A / 0,707 = 11,8 A
Opór można rozwiązać z równania średniej mocy:
P.pół = Jarmsdwa.R → R = Ppół / JArmsdwa = 1000 W / (8,33 A)dwa = 14,41 oma.
W przypadku podłączenia do gniazda 240 V średnia moc zmienia się:
jarms = Vrms / R = 240 V / 14,41 oma = 16,7 A.
P.pół = Vrms. jarms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W.
Jest to około 4-krotność mocy, dla której zaprojektowano element grzejny, która wypali się wkrótce po podłączeniu do tego gniazdka.
Żarówka wytwarza światło, a także ciepło, co zauważamy od razu po jej podłączeniu. Elementem wywołującym oba efekty jest bardzo cienkie włókno przewodzące, które dzięki temu ma dużą rezystancję.
Dzięki temu wzrostowi rezystancji, chociaż prąd w żarniku zmniejszył się, efekt Joule'a jest skoncentrowany do tego stopnia, że następuje żarzenie. Żarnik wykonany z wolframu ze względu na wysoką temperaturę topnienia 3400 ºC emituje światło, a także ciepło.
Urządzenie powinno być zamknięte w przezroczystym szklanym pojemniku, który jest wypełniony gazem obojętnym, takim jak argon lub azot pod niskim ciśnieniem, aby uniknąć zniszczenia żarnika. W przeciwnym razie tlen w powietrzu zużywa żarnik i żarówka natychmiast przestaje działać..
Magnetyczne efekty magnesów znikają w wysokich temperaturach. Można to wykorzystać do stworzenia urządzenia, które przerywa przepływ prądu, gdy jest on nadmierny. To jest przełącznik magnetotermiczny.
Część obwodu, przez który przepływa prąd, jest zamykana magnesem przymocowanym do sprężyny. Magnes przyczepia się do obwodu dzięki przyciąganiu magnetycznemu i pozostaje taki, dopóki nie zostanie osłabiony przez ogrzewanie.
Gdy prąd przekroczy określoną wartość, magnetyzm słabnie, a sprężyna odłącza magnes, powodując otwarcie obwodu. A ponieważ prąd wymaga zamknięcia obwodu, aby mógł płynąć, otwiera się, a przepływ prądu zostaje przerwany. Zapobiega to nagrzewaniu się kabli, co mogłoby spowodować wypadki, takie jak pożar..
Innym sposobem zabezpieczenia obwodu i przerwania przepływu prądu w odpowiednim czasie jest zastosowanie bezpiecznika, metalowego paska, który po podgrzaniu przez efekt Joule'a topi się, pozostawiając obwód otwarty i przerywając prąd..
Polega na przepuszczaniu prądu elektrycznego przez żywność, która w naturalny sposób ma opór elektryczny. Wykorzystuje się do tego elektrody wykonane z materiału antykorozyjnego. Temperatura jedzenia wzrasta, a ciepło niszczy bakterie, pomagając zachować je na dłużej..
Zaletą tej metody jest to, że ogrzewanie zachodzi w znacznie krótszym czasie niż jest to wymagane w przypadku konwencjonalnych technik. Długotrwałe ogrzewanie niszczy bakterie, ale także neutralizuje niezbędne witaminy i minerały.
Ogrzewanie omowe, które trwa zaledwie kilka sekund, pomaga zachować wartości odżywcze żywności.
Kolejny eksperyment polega na pomiarze ilości energii elektrycznej zamienianej na energię cieplną, mierzeniu ilości ciepła pochłoniętego przez znaną masę wody. Aby to zrobić, cewkę grzewczą zanurza się w wodzie, przez którą przepływa prąd.
- 1 kubek styropianowy
- Multimetr
- Termometr Celsjusza
- 1 regulowany zasilacz, zakres 0-12 V.
- Saldo
- Kable połączeniowe
- Chronometr
Cewka nagrzewa się w wyniku efektu dżuli, a tym samym również wody. Musimy zmierzyć masę wody i jej temperaturę początkową oraz określić do jakiej temperatury będziemy ją podgrzewać.
Kolejne odczyty dokonywane są co minutę, rejestrując wartości prądu i napięcia. Gdy rekord jest dostępny, dostarczoną energię elektryczną oblicza się za pomocą równań:
P = jadwa.R. Δt (Prawo Joule'a)
V = I.R (Prawo Ohma)
I porównaj z ilością ciepła pochłoniętego przez wodę:
Q = m. doi. ΔT (patrz rozwiązane ćwiczenie 1)
Ponieważ energia jest zachowana, obie wielkości powinny być równe. Jednak chociaż polistyren ma niskie ciepło właściwe i prawie nie pochłania energii cieplnej, nadal będą pewne straty do atmosfery. Należy również wziąć pod uwagę błąd eksperymentalny.
Straty do atmosfery są zminimalizowane, jeśli woda jest podgrzewana o taką samą liczbę stopni powyżej temperatury pokojowej, jak poniżej przed rozpoczęciem eksperymentu..
Innymi słowy, jeśli woda miała 10 ºC, a temperatura otoczenia wynosiła 22 ºC, to trzeba doprowadzić wodę do 32 ºC.
Jeszcze bez komentarzy