DŽOULA EFEKTS: SKAIDROJUMS, PIEMĒRI, VINGRINĀJUMI, PIELIETOJUMI - FIZISKĀ - 2025

Džoula efektu vai džoulu ir likums ir rezultāts transformācijas elektrisko enerģiju siltumenerģijā, kas notiek, kad elektriskā strāva caur diriģents. Šis efekts ir redzams ikreiz, kad tiek ieslēgta kāda ierīce vai ierīce, kurai ir nepieciešama elektrība.

Citreiz tas nav vēlams un tiek mēģināts to samazināt, tāpēc galddatoram tiek pievienoti ventilatori, lai izkliedētu siltumu, jo tas var izraisīt iekšējo komponentu sabojāšanos.

Ierīcēm, kuras izmanto Džoula efektu siltuma ražošanai, iekšpusē ir pretestība, kas uzkarst, kad caur to iziet strāva, ko sauc par sildelementu.

Paskaidrojums

Džoule efekta izcelsme ir mikroskopiskā mērogā daļiņās - gan tajās, kas veido materiālu, gan tajās, kuras veic elektrisko lādiņu.

Vielas atomi un molekulas atrodas visstabilākajā stāvoklī. Savukārt elektrisko strāvu veido pasūtīta elektrisko lādiņu kustība, kas nāk no akumulatora pozitīvā pola. Kad viņi izkļūst no turienes, viņiem ir daudz potenciālās enerģijas.

Pārejot cauri, uzlādētās daļiņas ietekmē materiāla daļiņas un izraisa to vibrāciju. Viņi mēģinās atgūt līdzsvaru, kāds viņiem iepriekš bija, piegādājot lieko enerģiju apkārtnei uztveramā siltuma veidā.

Izdalītā siltuma daudzums Q ir atkarīgs no strāvas I intensitātes, laika, kurā tas cirkulē vadītāja iekšpusē Δt, un no pretestības elementa R:

Iepriekš minēto vienādojumu sauc par Džoula-Lenca likumu.

Piemēri

Divi fiziķi, brits Džeimss Džouls (1818–1889) un krievs Heinrihs Lencs (1804–1865) patstāvīgi novēroja, ka strāvu nesošais vads ne tikai sakarst, bet arī tā strāva procesa laikā samazinājās.

Tad tika noteikts, ka pretestības izkliedētais siltuma daudzums ir proporcionāls:

- cirkulējošās strāvas intensitātes kvadrāts.

- Laiks, kurā minētā strāva turpināja plūst caur vadītāju.

- minētā vadītāja pretestība.

Siltuma vienības ir vienādas enerģijas vienības: džoulos, saīsināti kā J. Džoulā ir diezgan maza enerģijas vienība, tāpēc bieži tiek izmantotas citas, piemēram, kalorijas.

Lai džoulus pārveidotu par kalorijām, vienkārši reizini ar koeficientu 0,24, lai sākumā sniegtais vienādojums tiktu tieši izteikts kalorijās:

Džoula efekts un elektriskās enerģijas transports

Džoula efekts ir vēlams, lai radītu lokalizētu siltumu, piemēram, degļus un matu žāvētājus. Bet citos gadījumos tam ir nevēlamas sekas, piemēram:

- Ļoti liela vadītāju karsēšana var būt bīstama, izraisot ugunsgrēkus un apdegumus.

- Elektroniskās ierīces ar tranzistoriem samazina to veiktspēju un var sabojāt pat tad, ja tās sakarst.

- Vadi, kas piegādā elektrisko enerģiju, vienmērīgi, pat nedaudz, tiek uzkarsēti, kas rada ievērojamus enerģijas zudumus.

Tas ir tāpēc, ka kabeļi, kas pārnes strāvu no spēkstacijām, darbojas simtiem kilometru. Tik daudz enerģijas, ko viņi pārvadā, nesasniedz galamērķi, jo tā tiek tērēta ceļā.

Lai no tā izvairītos, tiek prasīts, lai vadītājiem būtu pēc iespējas mazāka pretestība. To ietekmē trīs svarīgi faktori: stieples garums, šķērsgriezuma laukums un materiāls, no kura tas ir izgatavots.

Vislabākie vadītāji ir metāli, no kuriem visefektīvākais ir zelts, sudrabs, platīns vai varš. Kabeļu vadi ir izgatavoti no vara pavedieniem, metāla, kurš, kaut arī tas nevada tikpat labi kā zelts, ir daudz lētāks.

Jo garāks vads, jo lielāka pretestība tam būs, bet, padarot tos biezākus, pretestība samazinās, jo tas atvieglo lādiņu nesēju kustību.

Vēl viena lieta, ko var izdarīt, ir samazināt strāvas intensitāti, lai apkure tiktu samazināta līdz minimumam. Transformatori ir atbildīgi par to, lai pareizi kontrolētu intensitāti, tāpēc tie ir tik svarīgi elektroenerģijas pārvadē.

Vingrinājumi

1. vingrinājums

Radiators norāda, ka tam ir 2000 W jauda un tas ir pievienots 220 V kontaktligzdai. Aprēķini:

a) Caur radiatoru plūstošās strāvas intensitāte

b) pēc pusstundas pārveidotais elektriskās enerģijas daudzums

c) Ja visa šī enerģija tiek ieguldīta 20 litru ūdens uzsildīšanā, kas sākotnēji ir 4 ° C temperatūrā, kāda būs maksimālā temperatūra, līdz kurai ūdeni var uzsildīt?

Risinājums

Jauda tiek definēta kā enerģija laika vienībā. Ja sākumā sniegtajā vienādojumā koeficientu Δt nododam pa labi, mums būs precīza enerģija uz laika vienību:

Sildelementa pretestību var uzzināt pēc Ohma likuma: V = IR, no kā izriet, ka I = V / R. Tādējādi:

Tādējādi pašreizējie rezultāti:

Risinājums b

Šajā gadījumā Δt = 30 minūtes = = 30 x 60 sekundes = 1800 sekundes. Nepieciešama arī pretestības vērtība, kas izriet no Ohmas likuma:

Vērtības tiek aizstātas ar Džoula likumu:

Risinājums c

Siltuma daudzums Q, kas nepieciešams ūdens daudzuma paaugstināšanai līdz noteiktai temperatūrai, ir atkarīgs no īpatnējā siltuma un temperatūras izmaiņām, kas jāiegūst. To aprēķina:

Šeit m ir ūdens masa, C _e ir īpatnējais siltums, kas jau tiek ņemts vērā kā problēma, un ΔT ir temperatūras izmaiņas.

Ūdens masa ir tāda, ka 20 L. To aprēķina ar blīvuma palīdzību. Ūdens blīvums ρ _ūdens ir masas un tilpuma attiecība. Turklāt litri jāpārvērš kubikmetros:

Tā kā m = blīvums x tilpums = ρV, masa ir.

Ņemiet vērā, ka nepieciešams pāriet no Celsija grādiem līdz kelvinam, pievienojot 273,15 K. Iepriekšminēto aizstājot ar siltuma vienādojumu:

2. vingrinājums

a) Atrodiet jaudas un vidējās jaudas izteiksmes pretestībai, kas savienota ar maiņstrāvu.

b) Pieņemsim, ka jums ir fēns ar 1000 W jaudu, kas pievienots 120 V kontaktligzdai, atrodiet sildelementa pretestību un caur to maksimālo strāvu - maksimālo strāvu.

c) Kas notiek ar žāvētāju, kad tas ir pievienots 240 V kontaktligzdai?

Risinājums

Krāna spriegums ir mainīgs, formā V = V _o . sen ωt. Tā kā tas ir mainīgs laikā, ir ļoti svarīgi definēt gan sprieguma, gan strāvas efektīvās vērtības, kuras apzīmē ar indeksu “rms”, kas apzīmē vidējo kvadrātu.

Šīs strāvas un sprieguma vērtības ir:

Piemērojot Ohmas likumu, strāva kā laika funkcija ir šāda:

Šajā gadījumā jauda rezistorā, ko šķērso maiņstrāva, ir:

Ir redzams, ka jauda mainās arī ar laiku un ka tas ir pozitīvs lielums, jo viss ir kvadrātā un R vienmēr ir> 0. Šīs funkcijas vidējo vērtību aprēķina, integrējot ciklā, un iegūst šādus rezultātus:

Efektīvā sprieguma un strāvas izteiksmē jauda izskatās šādi:

Risinājums b

Pēdējā vienādojuma piemērošana ar iesniegtajiem datiem:

_Vidējais P = 1000 W un _{vidējais kvadrātiskais (Rms)} = 120 V

Tāpēc maksimālā strāva caur sildīšanas elementu ir:

Pretestību var atrisināt, izmantojot vidējās jaudas vienādojumu:

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

Tas ir aptuveni četras reizes vairāk par jaudu, kāds paredzēts sildīšanas elementam, un tas drīz izdeg pēc tam, kad tas ir pievienots šai kontaktligzdai.

Lietojumprogrammas

Kvēlspuldzes

Kvēlspuldze rada gaismu un arī siltumu, ko mēs varam pamanīt tūlīt, kad to savienojam. Elements, kas rada abus efektus, ir ļoti plāns dzīslas pavediens, kam tādējādi ir augsta pretestība.

Pateicoties šim pretestības palielinājumam, kaut arī strāva kvēldiegā ir samazinājusies, Džoule efekts tiek koncentrēts tādā mērā, ka rodas kvēlspuldze. Kvēldiegs, kas izgatavots no volframa augstās kušanas temperatūras 3400 ºC dēļ, izstaro gaismu un arī siltumu.

Lai izvairītos no kvēldiega pasliktināšanās, ierīcei jābūt ievietotai caurspīdīgā stikla traukā, kas piepildīts ar inertu gāzi, piemēram, argonu vai slāpekli, ar zemu spiedienu. Ja tas nav izdarīts šādā veidā, skābeklis gaisā patērē kvēldiegu un spuldze nekavējoties pārstāj darboties.

Magnētiski termiskie slēdži

Magnētu magnētiskā iedarbība izzūd augstā temperatūrā. To var izmantot, lai izveidotu ierīci, kas pārtrauc strāvas plūsmu, kad tā ir pārmērīga. Šis ir magnetotermiskais slēdzis.

Ķēdes daļu, caur kuru plūst strāva, aizver magnēts, kas piestiprināts pie atsperes. Pateicoties magnētiskajai pievilcībai, magnēts pielīp pie ķēdes un paliek tāds, kamēr to neapsilda karsēšana.

Kad strāva pārsniedz noteiktu vērtību, magnētisms vājina un atspere atdala magnētu, izraisot ķēdes atvēršanu. Un tā kā strāvai ir nepieciešama ķēdes slēgšana, lai plūst, tā atveras un strāvas plūsma tiek pārtraukta. Tas neļauj kabeļiem sakarst, kas var izraisīt negadījumus, piemēram, ugunsgrēkus.

Drošinātāji

Vēl viens veids, kā aizsargāt ķēdi un savlaicīgi pārtraukt strāvas plūsmu, ir, izmantojot drošinātāju - metāla sloksni, kas, uzkarsējot ar Džoula efektu, kūst, atstājot ķēdi atvērtu un pārtraucot strāvu.

2. attēls. Drošinātājs ir ķēdes aizsardzības elements. Metāls kūst, kad tam iziet cauri pārmērīga strāva. Avots: Pixabay.

Omiskās sildīšanas pasterizācija

Tas sastāv no elektriskās strāvas izlaišanas caur pārtiku, kurai dabiski ir elektriskā pretestība. Šim nolūkam tiek izmantoti elektrodi, kas izgatavoti no pretkorozijas materiāla. Pārtikas temperatūra paaugstinās, un siltums iznīcina baktērijas, palīdzot tās ilgāk saglabāt.

Šīs metodes priekšrocība ir tā, ka sildīšana notiek daudz īsākā laikā, nekā tas ir nepieciešams parastajās metodēs. Ilgstoša karsēšana iznīcina baktērijas, bet arī neitralizē svarīgos vitamīnus un minerālvielas.

Omiskā karsēšana, kas ilgst tikai dažas sekundes, palīdz saglabāt pārtikas uzturvērtību.

Eksperimenti

Nākamais eksperiments sastāv no siltumenerģijā pārveidota elektriskās enerģijas daudzuma mērīšanas, izmērot siltuma daudzumu, ko absorbē zināma ūdens masa. Lai to izdarītu, ūdenī tiek iegremdēta sildīšanas spole, caur kuru tiek izvadīta strāva.

materiāli

- 1 polistirola kauss

- Multimetrs

- Celsija termometrs

- 1 regulējams enerģijas avots, diapazons 0–12 V

- līdzsvars

- Savienojuma kabeļi

- hronometrs

Process

Spole sakarst ar džoula efektu, līdz ar to arī ūdeni. Mums jāizmēra ūdens masa un tā sākotnējā temperatūra un jānosaka, kādā temperatūrā mēs to sildīsim.

3. attēls. Eksperiments, lai noteiktu, cik daudz elektriskās enerģijas tiek pārveidota siltumā. Avots: F. Zapata.

Katru minūti veic secīgus nolasījumus, reģistrējot pašreizējās un sprieguma vērtības. Kad ieraksts ir pieejams, piegādāto elektroenerģiju aprēķina, izmantojot vienādojumus:

Q = I ² .R. Δt (Džoula likums)

V = IR (Ohma likums)

Un salīdziniet ar siltuma daudzumu, ko absorbē ūdenstilpe:

Q = m. C _e . ΔT (skat. Atrisināto 1. uzdevumu)

Tā kā enerģija tiek taupīta, abiem daudzumiem jābūt vienādiem. Tomēr, kaut arī polistirolam ir zems īpatnējais siltums un tas gandrīz neuzsūc siltumenerģiju, atmosfērai joprojām būs zināmi zaudējumi. Jāņem vērā arī eksperimentālā kļūda.

Zaudējumus atmosfērā samazina līdz minimumam, ja ūdeni karsē tikpat daudz grādu virs istabas temperatūras, kā tas bija zemāk pirms eksperimenta uzsākšanas.

Citiem vārdiem sakot, ja ūdens temperatūra bija 10ºC un apkārtējā temperatūra bija 22ºC, tad jums ūdens jāuzsilda līdz 32ºC.

Atsauces

1. Kramer, C. 1994. Fizikas prakses. Makgreiva kalns. 197.
2. Sietu. Džoula efekts. Atgūts no: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Sērija: Fizika zinātnei un inženierijai. 5. sējums. Elektrostatika. Rediģēja Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. 6 ^th . Eds Prentice Hall.
5. Hipertekstāls. Kāds ir Džoula efekts un kāpēc tas mūsu dzīvē ir kļuvis par kaut ko pārpasaulīgu. Atgūts no: hypertextual.com
6. Wikipedia. Džoula efekts. Atgūts no: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Džoula sildīšana. Atgūts no: en. wikipedia.org.