JOULEŮV EFEKT: VYSVĚTLENÍ, PŘÍKLADY, CVIČENÍ, APLIKACE - FYZICKÝ - 2025

Joule účinek nebo Joule zákon je výsledkem přeměny elektrické energie na teplo, která se koná, když elektrický proud prochází vodičem. Tento efekt je přítomen vždy, když je zapnuto jakékoli zařízení nebo zařízení, které potřebuje k napájení elektřinu.

Jindy je to nežádoucí a snaží se ho minimalizovat, proto jsou do stolního počítače přidáváni fanoušci, aby odváděli teplo, protože to může způsobit selhání vnitřních součástí.

Zařízení, která používají Jouleho efekt k produkci tepla, mají uvnitř odpor, který se zahřívá, když jím prochází proud, nazývaný topný prvek.

Vysvětlení

Jouleův efekt má svůj původ na mikroskopické stupnici v částicích, a to jak těch, které tvoří materiál, tak těch, které nesou elektrický náboj.

Atomy a molekuly v látce jsou v jejich nejstabilnější poloze v látce. Elektrický proud sestává z uspořádaného pohybu elektrických nábojů, které pocházejí z kladného pólu baterie. Když se odtamtud dostanou, mají spoustu potenciální energie.

Když procházejí, nabité částice dopadají na částice materiálu a způsobují vibrace. Budou se snažit znovu získat rovnováhu, kterou měli dříve, a dodávat přebytečnou energii do svého okolí ve formě vnímatelného tepla.

Množství uvolněného tepla Q závisí na intenzitě proudu I, době, po kterou cirkuluje uvnitř vodiče Δt a odporového prvku R:

Výše uvedená rovnice se nazývá Joule-Lenzův zákon.

Příklady

Dva fyzici, britský James Joule (1818-1889) a ruský Heinrich Lenz (1804-1865), nezávisle zjistili, že proud-nesoucí drát nejen že byl horký, ale že jeho proud během procesu klesal.

Pak bylo zjištěno, že množství tepla rozptýlené odporem je úměrné:

- Čtverec intenzity cirkulujícího proudu.

- Doba, po kterou proud proudil dirigentem.

- Odpor uvedeného vodiče.

Jednotky tepla jsou stejné jednotky energie: jouly, zkráceně jako J. Joule je poměrně malá jednotka energie, takže se často používají i jiné, například kalorií.

Chcete-li transformovat jouly na kalorie, jednoduše vynásobte faktorem 0,24, takže rovnice daná na začátku je přímo vyjádřena v kaloriích:

Jouleův efekt a přenos elektrické energie

Efekt Joule je vítán při vytváření lokálního tepla, jako jsou hořáky a vysoušeče vlasů. V jiných případech však má nežádoucí účinky, jako například:

- Velmi velké zahřívání vodičů může být nebezpečné a může způsobit požár a popálení.

- Elektronická zařízení s tranzistory snižují jejich výkon a mohou selhat, i když jsou příliš horká.

- Dráty, které nesou elektrickou energii, se vždy zahřívají, a to i nepatrně, což vede ke značným ztrátám energie.

Je to proto, že kabely, které přenášejí proud z elektráren, běží po stovky kilometrů. Tolik energie, kterou nesou, nedosáhne svého cíle, protože je na cestě plýtváno.

Aby se tomu zabránilo, je žádoucí, aby vodiče měly co nejmenší odpor. To je ovlivněno třemi důležitými faktory: délka drátu, plocha průřezu a materiál, ze kterého je vyroben.

Nejlepší vodiče jsou kovy, přičemž zlato, stříbro, platina nebo měď jsou jedny z nejúčinnějších. Vodiče kabelů jsou vyrobeny z měděných nekonečných vláken, což je kov, který, i když nevede stejně dobře jako zlato, je mnohem levnější.

Čím déle je drát, tím větší bude mít odpor, ale jeho zesílením klesá odpor, protože to usnadňuje pohyb nosičů náboje.

Další věc, kterou lze udělat, je snížit intenzitu proudu, aby se minimalizovalo vytápění. Transformátory jsou zodpovědné za správné řízení intenzity, proto jsou tak důležité při přenosu elektrické energie.

Cvičení

Cvičení 1

Chladič ukazuje, že má výkon 2000 W a je připojen k 220 V zásuvce. Vypočítejte následující:

a) Intenzita proudu protékajícího radiátorem

b) Množství elektrické energie, která byla transformována po půl hodině

c) Pokud bude veškerá tato energie investována do ohřevu 20 litrů vody, které jsou zpočátku na 4 ° C, jaká bude maximální teplota, na kterou může být voda ohřívána?

Řešení

Výkon je definován jako energie za jednotku času. Pokud v rovnici uvedené na začátku předáme faktor Δt doprava, budeme mít přesně energii za jednotku času:

Odpor topného článku lze znát pomocí Ohmova zákona: V = IR, z čehož vyplývá, že I = V / R. Tím pádem:

Současné výsledky tedy:

B. Řešení

V tomto případě Δt = 30 minut = = 30 x 60 sekund = 1800 sekund. Vyžaduje se také hodnota odporu, která je vyjmuta z Ohmova zákona:

Hodnoty jsou nahrazeny Jouleovým zákonem:

Řešení c

Množství tepla Q potřebné ke zvýšení množství vody na určitou teplotu závisí na měrném teplu a kolísání teploty, které je třeba získat. Vypočítá se podle:

Zde m je hmotnost vody, C _e je měrné teplo, které je již považováno za data problému, a ΔT je kolísání teploty.

Hmotnost vody je 20 l. Vypočítá se pomocí hustoty. Hustota vody ρ _vody je poměr hmotnosti k objemu. Kromě toho musíte převést litry na krychlové metry:

Protože m = hustota x objem = ρV, hmotnost je.

Všimněte si, že musíme jít ze stupňů Celsia na Kelvin a přidat 273,15 K. Nahrazení výše v rovnici tepla:

Cvičení 2

a) Najděte výrazy pro výkon a průměrný výkon pro odpor připojený ke střídavému napětí.

b) Předpokládejme, že máte k zásuvce 120 V připojeno vysoušeč vlasů s výkonem 1000 W, zjistěte pomocí něj odpor topného článku a špičkový proud - maximální proud.

c) Co se stane se sušičkou, když je připojen k zásuvce 240 V?

Řešení

Napětí odbočky se střídá ve tvaru V = V _o. sen ωt. Protože je časově proměnná, je velmi důležité definovat efektivní hodnoty napětí i proudu, které jsou označeny indexem „rms“, což znamená střední kvadratický průměr.

Tyto hodnoty proudu a napětí jsou:

Při použití Ohmova zákona je proud jako funkce času následující:

V takovém případě je síla v rezistoru zkřížená střídavým proudem:

Je vidět, že síla se také mění v čase a že je to kladná veličina, protože vše je na druhou a R je vždy> 0. Střední hodnota této funkce se vypočítá integrací do cyklu a výsledky:

Pokud jde o efektivní napětí a proud, výkon vypadá takto:

B. Řešení

Použití poslední rovnice s dodanými údaji:

_Střední P = 1 000 W a V _rms = 120 V

Proto maximální proud topným článkem je:

Odpor lze vyřešit z rovnice střední síly:

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

To je přibližně čtyřnásobek příkonu, pro který je topný článek určen, který vyhoří krátce po zapojení do této zásuvky.

Aplikace

Žárovky

Žárovka produkuje světlo a také teplo, které si můžeme okamžitě všimnout, když je připojíme. Prvek, který vytváří oba efekty, je velmi tenké vodičové vlákno, které má proto vysoký odpor.

Díky tomuto nárůstu odporu, i když proud ve vlákně poklesl, je Jouleův efekt koncentrován do té míry, že dochází k žhavení. Vlákno vyrobené z wolframu díky vysoké teplotě tání 3400 ° C, emituje světlo a také teplo.

Zařízení by mělo být uzavřeno v průhledné skleněné nádobě, která je naplněna inertním plynem, jako je argon nebo dusík při nízkém tlaku, aby nedošlo k poškození vlákna. Pokud tomu tak není, kyslík ve vzduchu spotřebovává vlákno a žárovka přestane okamžitě fungovat.

Magneto-termální spínače

Magnetické účinky magnetů zmizí při vysokých teplotách. To lze použít k vytvoření zařízení, které přeruší tok proudu, když je příliš vysoké. Jedná se o magnetotermický spínač.

Část obvodu, kterým proud protéká, je uzavřena magnetem připojeným k pružině. Magnet přilne k obvodu díky magnetické přitažlivosti a zůstává tak, dokud není oslaben zahřátím.

Když proud překročí určitou hodnotu, magnetismus oslabí a pružina magnet oddělí, což způsobí otevření obvodu. A protože proud potřebuje, aby byl obvod uzavřen, aby mohl protékat, otevře se a tok proudu je přerušen. Zabráníte tak zahřátí kabelů, které by mohlo způsobit nehody, například požár.

Pojistky

Jiným způsobem, jak chránit obvod a přerušit tok proudu včas, je pojistka, kovový pás, který, když je zahříván Joulovým efektem, se roztaví, opouští obvod otevřený a přerušuje proud.

Obrázek 2. Pojistka je prvek chránící obvod. Kov se taví, když prochází nadměrným proudem. Zdroj: Pixabay.

Ohmická topná pasterizace

Spočívá v průchodu elektrického proudu potravou, která má přirozeně elektrický odpor. K tomu se používají elektrody vyrobené z antikorozního materiálu. Teplota jídla stoupá a teplo ničí bakterie, což pomáhá udržovat je déle.

Výhodou této metody je to, že k zahřívání dochází za mnohem kratší dobu, než jakou vyžaduje obvyklé techniky. Dlouhodobé zahřívání ničí bakterie, ale také neutralizuje esenciální vitamíny a minerály.

Ohmické zahřívání, které trvá jen několik sekund, pomáhá zachovat nutriční obsah potravin.

Experimenty

Další experiment spočívá v měření množství elektrické energie převedené na tepelnou energii měřením množství tepla absorbovaného známou hmotou vody. K tomu je topná cívka ponořena do vody, kterou prochází proud.

materiály

- 1 šálek z polystyrenu

- Multimetr

- Teploměr Celsia

- 1 nastavitelný zdroj energie, rozsah 0-12 V

- Zůstatek

- Připojovací kabely

- Stopky

Proces

Cívka se zahřívá působením joulu a tím i vodou. Musíme změřit množství vody a její počáteční teplotu a určit, na jakou teplotu ji budeme ohřívat.

Obrázek 3. Experiment k určení, kolik elektrické energie se přemění na teplo. Zdroj: F. Zapata.

Každou minutu se provádějí další odečty, které zaznamenávají hodnoty proudu a napětí. Jakmile je záznam k dispozici, vypočte se dodaná elektrická energie pomocí rovnic:

Q = I ².R. Δt (Jouleův zákon)

V = IR (Ohmův zákon)

A porovnejte s množstvím tepla absorbovaného tělem vody:

Q = m. C _e. ΔT (viz řešené cvičení 1)

Protože je energie zachována, měla by být obě množství stejná. Přestože má polystyren nízké měrné teplo a absorbuje téměř žádnou tepelnou energii, do atmosféry bude stále docházet. Musí být také zohledněna experimentální chyba.

Ztráty do atmosféry jsou minimalizovány, pokud je voda zahřívána na stejném počtu stupňů nad pokojovou teplotou jako byla před zahájením experimentu.

Jinými slovy, pokud byla voda na 10 ° C a okolní teplota byla 22 ° C, pak musíte vodu zvýšit na 32 ° C.

Reference

1. Kramer, C. 1994. Physics Practices. McGraw Hill. 197.
2. Síto. Jouleův efekt. Obnoveno z: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Série: Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 5. Elektrostatika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Principy s aplikacemi. 6 ^th. Ed Prentice Hall.
5. Hypertextuální. Co je Jouleho efekt a proč se v našem životě stalo něco transcendentálního. Obnoveno z: hypertextual.com
6. Wikipedia. Jouleův efekt. Obnoveno z: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule topení. Obnoveno z: en. wikipedia.org.