Det joule-effekt eller Joules lov er resultatet af omdannelsen af elektrisk energi til varme, som finder sted, når en elektrisk strøm passerer gennem en leder. Denne effekt er til stede, når ethvert apparat eller udstyr, der har brug for elektricitet for at fungere, er tændt..
Andre gange er det uønsket, og det søges at minimere det, det er derfor, der tilføjes fans til den stationære pc for at sprede varmen, da det kan forårsage svigt i interne komponenter.
Enhederne, der bruger Joule-effekten til at producere varme, har en modstand, der opvarmes, når en strøm bringes til at passere gennem den, kaldet varmeelement.
Artikelindeks
Joule-effekten har sin oprindelse i mikroskopisk skala i partikler, både dem der udgør et materiale og dem der bærer elektrisk ladning.
Atomer og molekyler i et stof er i deres mest stabile position inden for stoffet. For sin del består den elektriske strøm af en ordnet bevægelse af elektriske ladninger, der kommer fra batteriets positive pol. Når de rejser derfra, har de en masse potentiel energi.
Når de passerer, påvirker de ladede partikler materialets og får dem til at vibrere. Disse vil forsøge at genvinde den balance, de tidligere havde, og levere overskydende energi til deres omgivelser i form af mærkbar varme..
Mængden af frigivet varme Q afhænger af strømens intensitet jeg, den tid, det cirkulerer inde i lederen At og af det resistive element R:
Q = Ito.R. Δt (joule)
Ovenstående ligning kaldes Joule-Lenz-loven.
To fysikere, den britiske James Joule (1818-1889) og den russiske Heinrich Lenz (1804-1865) observerede uafhængigt af hinanden, at en strømførende ledning ikke kun blev varm, men dens strøm faldt under processen..
Derefter blev det fastslået, at den mængde varme, der ledes af modstanden, er proportional med:
- Kvadratet for intensiteten af den cirkulerende strøm.
- Den tid, hvor strømmen forblev flyder gennem lederen.
- Ledningens modstand.
Enhederne til varme er de samme energienheder: joule, forkortet J. Den joule er en ret lille enhed af energi, så andre såsom kalorier bruges ofte, for eksempel.
For at omdanne joule til kalorier skal du blot gange med faktoren 0,24, så ligningen i begyndelsen udtrykkes direkte i kalorier:
Q = 0,24. jegto.R. Δt (kalorier)
Joule-effekten er velkommen til at producere lokal varme, såsom brændere og hårtørrere. Men i andre tilfælde har det uønskede virkninger, såsom:
- Overdreven opvarmning af ledere kan være farlig og forårsage brande og forbrændinger..
- Elektroniske enheder med transistorer nedsætter deres ydeevne og kan mislykkes, selvom de bliver for varme.
- Ledningerne, der bærer elektrisk energi, oplever altid en opvarmning, selvom den er lille, hvilket fører til bemærkelsesværdige energitab.
Dette skyldes, at kablerne, der fører strøm fra kraftværker, kører i hundreder af kilometer. Så meget af den energi, de bærer, når ikke sin destination, fordi den spildes på vejen.
For at undgå dette tilstræbes det, at lederne har mindst mulig modstand. Dette er påvirket af tre vigtige faktorer: ledningens længde, tværsnitsarealet og materialet, som den er fremstillet af..
De bedste ledere er metaller, hvor guld, sølv, platin eller kobber er nogle af de mest effektive. Ledningerne i kablerne er lavet af kobberfilamenter, et metal, der, selv om det ikke leder så godt som guld, er meget billigere.
Jo længere en ledning er, jo mere modstand vil den have, men ved at gøre dem tykkere falder modstanden, fordi dette letter bevægelsen af ladebærerne.
En anden ting, der kan gøres, er at reducere strømens intensitet, så opvarmningen minimeres. Transformere er ansvarlige for at kontrollere intensiteten korrekt, det er derfor, de er så vigtige i transmission af elektrisk energi.
En radiator angiver, at den har en effekt på 2000W og er forbundet til 220 V. Beregn følgende:
a) Strømstyrken, der strømmer gennem radiatoren
b) Mængden af elektrisk energi, der er blevet transformeret efter en halv time
c) Hvis al denne energi investeres i opvarmning af 20 liter vand, der oprindeligt er 4 ºC, hvad er den maksimale temperatur, som vandet kan opvarmes til?
Data: den specifikke vandvarme er Ce = 4180 J / kg.K
Effekt defineres som energi pr. Tidsenhed. Hvis vi i ligningen givet i begyndelsen passerer faktoren At Til højre har vi nøjagtigt energi pr. Tidsenhed:
Q = Ito.R. Δt → P = Q / Δt = jegto. R
Varmeelementets modstand kan findes gennem Ohms lov: V = I.R, hvorfra det følger I = V / R. Dermed:
P = Ito. (V / I) = I. V
Således viser de aktuelle resultater:
I = P / V = 2000 W / 220 V = 9,09 A.
I dette tilfælde Δt = 30 minutter = = 30 x 60 sekunder = 1800 sekunder. Værdien af modstanden er også påkrævet, hvilket er ryddet fra Ohms lov:
R = V / I = 220 V / 9,09 A = 24,2 ohm
Værdierne er erstattet i Joules lov:
Q = (9,09 A)to. 24,2 ohm. 1800 s = 3.600.000 J = 3600 kJ.
Mængden af varme Spørgsmål nødvendigt for at hæve en mængde vand til en bestemt temperatur afhænger af den specifikke varme og den variation i temperatur, der skal opnås. Det beregnes af:
Q = m. Cog. AT
Her m er kroppen af vand, Cog er den specifikke varme, som allerede er taget som data om problemet og AT er temperaturvariationen.
Massen af vand er den i 20 L. Den beregnes ved hjælp af densitet. Tætheden af vand ρVand er forholdet mellem masse og volumen. Derudover skal du konvertere liter til kubikmeter:
20 L = 0,02 m3
Hvad m = tæthed x volumen = ρV, massen er.
m = 1000 kg / m3 x 0,02 m3 = 20 kg.
ΔT = endelig temperatur - starttemperatur = TF - 4 ºC = TF - 277,15 K.
Bemærk, at vi er nødt til at gå fra grader celsius til kelvin og tilføje 273,15 K. Ved at erstatte ovenstående i varmeligningen:
3.600.000 J = 20 kg x 4180 J / kg. K . (TF - 277,15)
TF = 3.600.000 J / (20 kg x 4180 J / kg. K) + 277,15 K = 320. 2 K = 47,05 ºC.
a) Find udtryk for effekt og gennemsnitseffekt for en modstand, der er forbundet med en skiftevis spænding.
b) Antag at du har en hårtørrer med 1000 W strøm tilsluttet til 120 V-stikket, find modstanden fra varmeelementet og spidsstrømmen - maksimal strøm - gennem den.
c) Hvad sker der med tørretumbleren, når den er tilsluttet en 240 V-bøsning?
Spændingen i stikkontakten skifter skiftevis V = Veller. sen ωt. Da det er variabelt i tid, er det meget vigtigt at definere de effektive værdier for både spænding og strøm, som er betegnet med abonnementet “rms”, Akronym for geometriske middelværdi.
Disse værdier for strøm og spænding er:
jegrms = 0,707 Ieller
Vrms = 0,707 Veller
Ved at anvende Ohms lov er strømmen som en funktion af tiden som:
I = V / R = Veller. sen ωt / R = Ieller. sen ωt
I dette tilfælde er effekten i en modstand krydset af en vekselstrøm:
P = Ito.R = (Ieller. sen ωt)to.R = Iellerto.R. sento .t
Det ses, at effekten også varierer med tiden, og at den er en positiv størrelse, da alt er kvadratisk, og R altid er> 0. Middelværdien af denne funktion beregnes ved integration i en cyklus og resulterer:
Phalvt = ½. jegellerto.R = Irmsto.R
Med hensyn til RMS-spænding og strøm ser strømmen sådan ud:
Phalvt = Vrms. jegrms
jegrms = Phalvt / Vrms = Phalvt / 0,707 Veller
Anvendelse af den sidste ligning med de leverede data:
Phalvt = 1000 W og V.rms = 120 V
jegrms = Phalvt / Vrms = 1000 W / 120 V = 8,33 A
Derfor er den maksimale strøm gennem varmeelementet:
jegeller = Jegrms /0.707 = 8,33 A / 0,707 = 11,8 A.
Modstand kan løses ud fra ligningen af middelkraft:
Phalvt = Jegrmsto.R → R = Phalvt / Jegrmsto = 1000 W / (8,33 A)to = 14,41 ohm.
I tilfælde af tilslutning til et 240 V-stik ændres den gennemsnitlige effekt:
jegrms = Vrms / R = 240 V / 14,41 ohm = 16,7 A.
Phalvt = Vrms. jegrms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W
Dette er cirka 4 gange den watt, varmeelementet er beregnet til, som brænder ud kort efter, at det er sat i stikkontakten.
En glødepære producerer lys og også varme, som vi kan bemærke med det samme, når vi tilslutter den. Elementet, der producerer begge effekter, er en meget tynd lederfilament, som derfor har en høj modstand.
Takket være denne stigning i modstand, selvom strømmen er faldet i glødetråden, er Joule-effekten koncentreret i en sådan grad, at glødelampen opstår. Glødetråden, der er lavet af wolfram på grund af sit høje smeltepunkt på 3400 ºC, udsender lys og også varme.
Enheden skal være lukket i en gennemsigtig glasbeholder, der er fyldt med en inaktiv gas, såsom argon eller nitrogen ved lavt tryk, for at undgå forringelse af filamentet. Hvis dette ikke gøres, forbruger iltet i luften glødetråden, og pæren holder op med at arbejde med det samme..
Magneternes magnetiske virkninger forsvinder ved høje temperaturer. Dette kan bruges til at skabe en enhed, der afbryder strømmen, når den er for stor. Dette er en magnetoterm switch.
En del af kredsløbet, hvorigennem strømmen strømmer, lukkes af en magnet fastgjort til en fjeder. Magneten holder fast i kredsløbet takket være den magnetiske tiltrækning og forbliver sådan, så længe den ikke svækkes af opvarmning.
Når strømmen overstiger en bestemt værdi, svækkes magnetismen, og fjederen løsner magneten, hvilket får kredsløbet til at åbne. Og da strømmen har brug for, at kredsløbet skal lukkes for at kunne strømme, åbner det, og strømmen af strøm afbrydes. Dette forhindrer kablerne i at varme op, hvilket kan forårsage ulykker som f.eks. Brande..
En anden måde at beskytte et kredsløb på og afbryde strømmen rettidigt er ved hjælp af en sikring, en metalstrimmel, der, når den opvarmes af Joule-effekten, smelter, efterlader kredsløbet åbent og afbryder strømmen..
Den består i at føre en elektrisk strøm gennem mad, som naturligvis har elektrisk modstand. Elektroder lavet af korrosionsbeskyttende materiale anvendes til dette. Madens temperatur stiger, og varmen ødelægger bakterierne og hjælper med at bevare den længere..
Fordelen ved denne metode er, at opvarmning sker på meget kortere tid end det, der kræves ved konventionelle teknikker. Langvarig opvarmning ødelægger bakterier, men neutraliserer også essentielle vitaminer og mineraler.
Ohmisk opvarmning, der varer kun et par sekunder, hjælper med at bevare næringsindholdet i fødevarer.
Det næste eksperiment består i at måle mængden af elektrisk energi konverteret til termisk energi og måle mængden af varme, der absorberes af en kendt vandmasse. For at gøre dette nedsænkes en varmespole i vand, hvorigennem en strøm ledes.
- 1 styrofoam kop
- Multimeter
- Celsius termometer
- 1 justerbar strømforsyning, område 0-12 V.
- Balance
- Forbindelseskabler
- Kronometer
Spolen opvarmes af joule-effekten og dermed også vandet. Vi skal måle vandmassen og dens indledende temperatur og bestemme, til hvilken temperatur vi skal varme det op.
Efterfølgende aflæsninger tages hvert minut og registrerer strøm- og spændingsværdierne. Når posten er tilgængelig, beregnes den tilførte elektriske energi ved hjælp af ligningerne:
Q = Ito.R. At (Joules lov)
V = I.R (Ohms lov)
Og sammenlign med den mængde varme, der absorberes af vandmassen:
Q = m. Cog. AT (se løst øvelse 1)
Da energi er konserveret, skal begge størrelser være ens. Selvom polystyren har lav specifik varme og næsten ikke absorberer termisk energi, vil der stadig være nogle tab for atmosfæren. Den eksperimentelle fejl skal også tages i betragtning.
Tab til atmosfæren minimeres, hvis vandet opvarmes det samme antal grader over stuetemperatur, som det var under, før eksperimentet startede..
Med andre ord, hvis vandet var ved 10 ºC og omgivelsestemperaturen var 22 ºC, skal du bringe vandet op til 32 ºC.
Endnu ingen kommentarer