The joule efekt nebo Jouleův zákon je výsledkem přeměny elektrické energie na teplo, ke kterému dochází, když elektrický proud prochází vodičem. Tento efekt je přítomen vždy, když je zapnuto jakékoli zařízení nebo zařízení, které k fungování potřebuje elektřinu..
Jindy je to nežádoucí a snaží se to minimalizovat, proto jsou do stolního počítače přidány ventilátory, které odvádějí teplo, protože to může způsobit poruchu interních komponent.
Zařízení, která používají Jouleův efekt k výrobě tepla, mají uvnitř odpor, který se ohřívá, když jím prochází proud, tzv. topné těleso.
Rejstřík článků
Jouleův efekt má původ v mikroskopickém měřítku v částicích, a to jak těch, které tvoří materiál, tak těch, které nesou elektrický náboj.
Atomy a molekuly v látce jsou v látce v jejich nejstabilnější poloze. Elektrický proud se skládá z uspořádaného pohybu elektrických nábojů, které vycházejí z kladného pólu baterie. Když tam odcházejí, mají spoustu potenciální energie.
Jak procházejí, nabité částice ovlivňují částice materiálu a způsobují jejich vibrace. Pokusí se znovu získat rovnováhu, kterou měli dříve, a dodávají přebytečnou energii do svého okolí ve formě vnímatelného tepla..
Množství uvolněného tepla Q závisí na intenzitě proudu Já, doba, po kterou cirkuluje uvnitř vodiče Δt a odporového prvku R:
Q = jádva.R. Δt (jouly)
Výše uvedená rovnice se nazývá Joule-Lenzův zákon.
Dva fyzici, Britové James Joule (1818-1889) a Rus Heinrich Lenz (1804-1865), nezávisle na sobě pozorovali, že vodič pro vedení proudu se nejen zahřál, ale jeho proud se během procesu snížil..
Poté bylo zjištěno, že množství tepla rozptýleného odporem je úměrné:
- Čtverec intenzity cirkulujícího proudu.
- Čas, kdy uvedený proud zůstal protékat vodičem.
- Odpor uvedeného vodiče.
Jednotky tepla jsou stejné jednotky energie: jouly, zkráceně J. Joule je poměrně malá jednotka energie, takže se často používají jiné, jako jsou kalorie, například.
Chcete-li převést jouly na kalorie, jednoduše vynásobte faktorem 0,24, takže rovnice uvedená na začátku je přímo vyjádřena v kaloriích:
Q = 0,24. Jádva.R. Δt (kalorie)
Efekt Joule je vítán při výrobě lokalizovaného tepla, jako jsou hořáky a vysoušeče vlasů. Ale v jiných případech má nežádoucí účinky, například:
- Nadměrné zahřívání vodičů může být nebezpečné a způsobit požár a popáleniny..
- Elektronická zařízení s tranzistory snižují jejich výkon a mohou selhat, i když se příliš zahřejí.
- Dráty, které přenášejí elektrickou energii, vždy zažívají zahřívání, i když je mírné, což vede ke značným ztrátám energie.
Je to proto, že kabely, které vedou proud z elektráren, běží stovky kilometrů. Tolik energie, kterou nesou, nedosáhne svého cíle, protože je zbytečně promarněno.
Aby se tomu zabránilo, hledá se, aby vodiče měly co nejmenší odpor. To je ovlivněno třemi důležitými faktory: délkou drátu, plochou průřezu a materiálem, ze kterého je vyroben..
Nejlepší vodiče jsou kovy, přičemž zlato, stříbro, platina nebo měď jsou jedny z nejúčinnějších. Dráty kabelů jsou vyrobeny z měděných vláken, což je kov, který, i když nevede tak dobře jako zlato, je mnohem levnější.
Čím delší je vodič, tím větší bude mít odpor, ale jeho zesílením se odpor sníží, protože to usnadňuje pohyb nosičů náboje.
Další věc, kterou lze udělat, je snížit intenzitu proudu tak, aby se minimalizovalo topení. Transformátory jsou odpovědné za náležité řízení intenzity, proto jsou tak důležité při přenosu elektrické energie.
Radiátor označuje, že má výkon 2000 W a je připojen k 220 V. Vypočítejte následující:
a) Intenzita proudu protékajícího zářičem
b) Množství elektrické energie, které bylo transformováno po půl hodině
c) Pokud je veškerá tato energie investována do ohřevu 20 litrů vody, které jsou zpočátku na 4 ° C, jaká bude maximální teplota, na kterou lze vodu ohřát?
Údaje: měrné teplo vody je Ce = 4180 J / kg.K
Výkon je definován jako energie za jednotku času. Pokud v rovnici dané na začátku projdeme faktorem Δt Na pravé straně budeme mít přesně energii za jednotku času:
Q = jádva.R. Δt → P = Q / Δt = jádva. R
Odpor topného tělesa lze zjistit pomocí Ohmova zákona: V = I.R., ze kterého to vyplývá I = V / R. Tím pádem:
P = jádva. (V / I) = I.V
Aktuální výsledky tedy:
I = P / V = 2000 W / 220 V = 9,09 A.
V tomto případě Δt = 30 minut = = 30 x 60 sekund = 1800 sekund. Vyžaduje se také hodnota odporu, což je zřejmé z Ohmova zákona:
R = V / I = 220 V / 9,09 A = 24,2 ohm
Hodnoty jsou nahrazeny Jouleovým zákonem:
Q = (9,09 A)dva. 24,2 ohmů. 1800 s = 3 600 000 J = 3600 kJ.
Množství tepla Q nezbytné zvýšit množství vody na určitou teplotu závisí na specifickém teple a kolísání teploty, které je třeba dosáhnout. Vypočítává se podle:
Q = m. Ca. ΔT
Tady m je vodní útvar, Ca je měrné teplo, které se již bere jako data problému a ΔT je teplotní variace.
Hmotnost vody je 20 L. Vypočítává se pomocí hustoty. Hustota vody ρVoda je poměr hmotnosti k objemu. Kromě toho musíte převést litry na metry krychlové:
20 l = 0,02 m3
Co m = hustota x objem = ρV, hmotnost je.
m = 1000 kg / m3 x 0,02 m3 = 20 kg.
ΔT = konečná teplota - počáteční teplota = TF - 4 ° C = T.F - 277,15 K.
Všimněte si, že musíme přejít ze stupňů Celsia na kelvin a přidat 273,15 K. Nahrazením výše uvedeného v rovnici tepla:
3 600 000 J = 20 kg x 4180 J / kg. K. . (T.F - 277,15)
TF = 3 600 000 J / (20 kg x 4 180 J / kg. K) + 277,15 K = 320. 2 K = 47,05 ° C.
a) Najděte výrazy pro výkon a průměrný výkon pro rezistor připojený ke střídavému napětí.
b) Předpokládejme, že máte vysoušeč vlasů s výkonem 1 000 W připojený k zásuvce 120 V, najděte odpor topného tělesa a špičkový proud - maximální proud - skrz něj.
c) Co se stane se sušičkou, když je připojena k zásuvce 240 V.?
Napětí zásuvky je střídavé, tvaru V = Vnebo. sen ωt. Protože je časově proměnná, je velmi důležité definovat efektivní hodnoty napětí i proudu, které jsou označeny indexem „rms”, Zkratka pro střední kvadratická.
Tyto hodnoty proudu a napětí jsou:
Járms = 0,707 I.nebo
PROTIrms = 0,707 V.nebo
Použitím Ohmova zákona je proud jako funkce času jako:
I = V / R = Vnebo. sen ωt / R = jánebo. sen ωt
V tomto případě je výkon v rezistoru zkříženém střídavým proudem:
P = jádva.R = (jánebo. sen ωt)dva.R = jánebodva.R. sendva ωt
Je vidět, že síla se také mění s časem a že se jedná o kladnou veličinu, protože vše je na druhou a R je vždy> 0. Střední hodnota této funkce se počítá integrací v cyklu a výsledky:
Ppolovina = ½. Jánebodva.R = jármsdva.R
Pokud jde o napětí a proud RMS, výkon vypadá takto:
Ppolovina = Vrms. Járms
Járms = Ppolovina / Vrms = Ppolovina / 0,707 Vnebo
Použití poslední rovnice s dodanými údaji:
Ppolovina = 1000 W a Vrms = 120 V
Járms = Ppolovina / Vrms = 1000 W / 120 V = 8,33 A
Proto je maximální proud topným tělesem:
Jánebo = Járms / 0,707 = 8,33 A / 0,707 = 11,8 A
Odpor lze vyřešit z rovnice středního výkonu:
Ppolovina = Jármsdva.R → R = Ppolovina / Jármsdva = 1000 W / (8,33 A)dva = 14,41 ohm.
V případě připojení k zásuvce 240 V se průměrný výkon změní:
Járms = Vrms / R = 240 V / 14,41 ohm = 16,7 A
Ppolovina = Vrms. Járms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W.
To je přibližně 4násobek příkonu, pro který je topný článek určen, který vyhoří krátce po zapojení do této zásuvky.
Žárovka produkuje světlo a také teplo, což si můžeme všimnout okamžitě, když ji připojíme. Prvek, který vytváří oba efekty, je velmi tenké vlákno vodiče, které má proto vysoký odpor.
Díky tomuto zvýšení odolnosti se sice proud ve vláknu snížil, ale Jouleův efekt je koncentrován do takové míry, že dochází k žhavení. Vlákno vyrobené z wolframu díky vysoké teplotě tání 3 400 ° C vyzařuje 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 tak neučiníte, kyslík ve vzduchu spotřebuje vlákno a baňka přestane okamžitě fungovat..
Magnetické účinky magnetů mizí při vysokých teplotách. To lze použít k vytvoření zařízení, které přeruší tok proudu, pokud je nadměrný. Toto je magnetotermický spínač.
Část obvodu, kterým protéká proud, je uzavřena magnetem připojeným k pružině. Magnet přilne k obvodu díky magnetické přitažlivosti a zůstane jím, dokud nebude oslaben zahříváním.
Když proud překročí určitou hodnotu, magnetismus zeslábne a pružina uvolní magnet, což způsobí otevření obvodu. A protože proud potřebuje k uzavření obvod, aby mohl proudit, otevře se a tok proudu se přeruší. Tím se zabrání zahřátí kabelů, což by mohlo způsobit nehodu, například požár..
Dalším způsobem, jak chránit obvod a včas přerušit tok proudu, je pojistka, kovový pásek, který se při zahřátí Jouleovým efektem roztaví, obvod zůstane otevřený a přeruší se proud..
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 přispívá k jejich delšímu uchování..
Výhodou této metody je, že zahřívání probíhá za mnohem kratší dobu, než je vyžadováno běžnými technikami. Dlouhodobé zahřívání ničí bakterie, ale také neutralizuje důležité vitamíny a minerály.
Ohmické zahřívání, které trvá jen několik sekund, pomáhá zachovat nutriční obsah potravin.
Další experiment spočívá v měření množství elektrické energie přeměněné na tepelnou energii, měření množství tepla absorbovaného známou masou vody. K tomu je topná spirála ponořena do vody, přes kterou prochází proud.
- 1 šálek polystyrenu
- Multimetr
- Celsius teploměr
- 1 nastavitelný napájecí zdroj, rozsah 0-12 V
- Zůstatek
- Propojovací kabely
- Chronometr
Cívka se ohřívá joulovým efektem, a tedy i vodou. Musíme změřit množství vody a její počáteční teplotu a určit, na jakou teplotu ji budeme ohřívat.
Postupná měření se provádějí každou minutu a zaznamenávají se hodnoty proudu a napětí. Jakmile je záznam k dispozici, vypočítá se dodaná elektrická energie pomocí rovnic:
Q = jádva.R. At (Jouleův zákon)
V = I.R. (Ohmův zákon)
A porovnejte s množstvím tepla absorbovaného vodním útvarem:
Q = m. Ca. ΔT (viz vyřešené cvičení 1)
Protože je energie zachována, měla by být obě množství stejná. Přestože má polystyren nízké specifické teplo a téměř neabsorbuje tepelnou energii, v atmosféře stále budou existovat určité ztráty. Rovněž je třeba vzít v úvahu experimentální chybu.
Ztráty do atmosféry jsou minimalizovány, pokud je voda zahřívána stejný počet stupňů nad pokojovou teplotu, jaký byl před zahájením experimentu..
Jinými slovy, pokud měla voda teplotu 10 ° C a teplota okolí byla 22 ° C, musíte ji ohřát na 32 ° C..
Zatím žádné komentáře