Jouleffekt Erklärung, Beispiele, Übungen, Anwendungen

Er Jouleffekt o Jouleschen Gesetz ist das Ergebnis der Transformation der Wärmeenergie, die stattfindet, wenn ein elektrischer Strom durch einen Fahrer geht. Dieser Effekt ist vorhanden.

Der Joule -Effekt wird also täglich beobachtet. Manchmal ist es nützlich, wie Haus- und Küchengeräte (Warmwasserbereiter, Haartrockner, Teller, Öfen usw.)

In anderen Fällen ist es unerwünscht und versucht, es zu minimieren. Daher wird der Schreibtisch -PC die Lüfter hinzugefügt, um die Wärme abzuleiten, da dies zu Fehlern der internen Komponenten führen kann.

Die Geräte, die den Joule -Effekt verwenden, um Wärme zu erzeugen Heizkörper.

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Erläuterung

Der Joule -Effekt hat seinen Ursprung auf einer mikroskopischen Skala in den Partikeln, sowohl solche, die ein Material bilden, als auch solche, die die elektrische Ladung transportieren.

Atome und Moleküle in einer Substanz befinden sich in ihrer stabilsten Position in diesem. Der elektrische Strom besteht aus einer ordnungsgemäßen Bewegung elektrischer Ladungen, die aus dem positiven Batteriepol stammen. Wenn sie dort gehen, haben sie viel potenzielle Energie.

Auf ihrem Weg beeinflussen geladene Partikel die des Materials und setzen sie zu vibrieren. Diese werden versuchen, das bisher hatten, was sie zuvor hatten.

Die abgelöste Wärmemenge hängt von der Intensität des Stroms ab Yo, Die Zeit, die es im Fahrer zirkuliert Δt und des Widerstandselements R:

Q = i².R. Δt (Joule)

Die vorherige Gleichung heißt Joule-Lenzs Gesetz.

Beispiele

Zwei Physiker, der britische James Joule (1818-1889) und der russische Heinrich Lenz (1804-1865) beobachteten unabhängig davon.

Anschließend wurde festgestellt, dass die durch Widerstand abgelöste Wärme proportional zu:

- Das Quadrat der Intensität des Stromstroms.

- Die Zeit, die der Strom blieb, floss vom Treiber.

- Der Widerstand des Fahrers.

Die Wärmeeinheiten sind die gleichen Energieeinheiten: Joule, abgekürzt wie j. Joule ist eine ziemlich kleine Energieeinheit, so dass beispielsweise andere wie Kalorien verwendet werden.

Um Joule in Kalorien zu verwandeln, reicht es aus, sich mit dem 0,24 -Faktor zu multiplizieren, so dass die zu Beginn angegebene Gleichung direkt in Kalorien ausgedrückt wird:

Q = 0,24. Yo².R. ΔT (Kalorien)

Jouleffekt und elektrischer Stromverkehr

Der Joule -Effekt ist herzlich eingeladen, lokalisierte Hitze wie Horn und Haartrockner zu erzeugen. In anderen Fällen hat es jedoch unerwünschte Auswirkungen, wie beispielsweise:

- Eine sehr große Erwärmung bei Fahrern kann gefährlich sein und Brände und Verbrennungen verursachen.

- Elektronische Geräte mit Transistoren verringern ihre Leistung und können auch dann scheitern, wenn sie zu stark heizen.

- Die Drähte, die Strom transportieren.

Das liegt daran, dass die Kabel, die Strom von den elektrischen Pflanzen transportieren. Dann erreicht ein großer Teil der Energie, die sie tragen, nicht ihr Ziel, weil es auf dem Weg verschwendet wird.

Kann Ihnen dienen: Magnetismus: Magnetische Eigenschaften von Materialien, verwendet

Um dies zu vermeiden, sollen die Fahrer so viel Widerstand wie möglich haben. Drei wichtige Faktoren beeinflussen dies: die Länge des Drahtes, die Kreuzungsfläche und das Material, mit dem er hergestellt wird.

Die besten Treiber sind Metalle, die Gold, Silber, Platin oder Kupfer einige der effizientesten sind. Die Kabel der Kabel werden basierend auf Kupferfilamenten hergestellt, einem Metall, das, obwohl es nicht so gut wie Gold fährt, viel billiger ist.

Je länger ein Draht ist, desto größer wird der Widerstand, desto dicker ist der Widerstand ab, da dies die Bewegung der Lastträger erleichtert.

Eine andere Sache, die getan werden kann, ist, die Intensität des Stroms zu verringern, damit die Erwärmung minimiert wird. Die Transformatoren sind dafür verantwortlich, die Intensität ordnungsgemäß zu kontrollieren, daher sind sie bei der Übertragung von Strom so wichtig.

Übungen

Übung 1

Ein Kühler zeigt an, dass er eine Kraft von hat 2000W und ist mit der Einnahme von verbunden 220 V. Berechnen Sie Folgendes:

A) Intensität des Stroms, der durch den Kühler zirkuliert

b) Menge an elektrischer Energie, die nach einer halben Stunde transformiert wurde

c) Wenn all diese Energie beim Erhitzen von 20 Litern Wasser, die anfänglich bei 4 ° C liegen?

Daten: Die spezifische Wasserwärme beträgt CE = 4180 j/kg.K

Lösung für

Leistung wird als Energie pro Zeiteinheit definiert. Wenn wir in der zu Beginn angegebenen Gleichung den Faktor bestehen Δt Rechts wird es genau Energie pro Zeiteinheit geben:

Q = i².R. ΔT → p = q/ δt = i². R

Der Widerstand des Heizelements kann durch Ohmsche Gesetz bekannt werden: V = i.R, aus dem es folgt I = v/r. Deshalb:

P = i². (V/i) = i. V

Somit ist der Strom:

I = p / v = 2000 w / 220 V = 9.09 a.

Lösung b

In diesem Fall ΔT = 30 Minuten = = 30 x 60 Sekunden = 1800 Sekunden. Der Wert des Widerstands ist ebenfalls erforderlich, was aus dem Ohmschen Gesetz hervorgeht:

R = v / i = 220 V / 9.09 a = 24.2 Ohm

Die Werte werden im Joule -Gesetz ersetzt:

Q = (9.09 a)². 24.2 Ohm . 1800 s = 3.600.000 J = 3600 kJ.

Lösung c

Die Wärmemenge Q notwendig, um eine Menge Wasser bei einer bestimmten Temperatur zu erhöhen. Es wird berechnet durch:

Q = m. C_Und. Δt

Hier M Es ist die Wassermasse, C_Und Es ist die spezifische Wärme, die bereits das Problem des Problems hat und Δt Es ist Temperaturschwankungen.

Die Wassermasse ist das, was in 20 l ist. Es wird mit Hilfe der Dichte berechnet. Wasserdichte ρ_Wasser Es ist der Quotient zwischen der Masse und dem Volumen. Außerdem müssen Sie die Liter in Kubikmeter umwandeln:

20 l = 0.02 m³

Als M = Dichte x Volumen = ρv, Der Teig ist.

m = 1000 kg/m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

ΔT = Endtemperatur - Anfangstemperatur = t_F - 4 ºC = t_F - 277.15 k

Beachten Sie, dass Sie von Grad Celsius nach Kelvin wechseln müssen und 273 hinzugefügt werden.15 k. Ersetzen des oben genannten in der Wärmegleichung:

3.600.000 J = 20 kg x 4180 J/kg . K . (T_F - 277.fünfzehn)

T_F = 3.600.000 J/(20 kg x 4180 j/kg . K) + 277.15 k = 320. 2 K = 47.05 ºC.

Übung 2

a) Finden Sie Ausdrücke für Leistung und durchschnittliche Leistung für einen mit einer alternativen Spannung verbundenen Widerstand.

Kann Ihnen dienen: Scheinbare Dichte: Formel, Einheiten und Übungen gelöst

b) Angenommen, Sie haben einen Haartrockner mit 1000 W Strom, der mit der 120 -V -Einnahme verbunden ist, finden Sie den Widerstand des Heizelements und des Spitzenstroms - maximaler Ecke - die ihn überschreitet.

c) Was passiert mit dem Trockner beim Anschließen mit einer 240 -V -Einnahme?

Lösung für

Die Spannung des Schusses ist abwechselnd der Form V = v_entweder. Sen ωt. Da es im Laufe der Zeit variabel ist, ist es sehr wichtigRMSAkronym für Quadratischer Mittelwert.

Diese Werte für Strom und Spannung sind:

Yo_RMS = 0.707 i_entweder

V_RMS = 0.707 v_entweder

Bei der Anwendung des OHM -Gesetzes ist die aktuelle Zeit in Abhängigkeit von der Zeit:

I = v/r = v_entweder. Sünde ωT /r = i_entweder. Sünde ωT

In diesem Fall beträgt die Leistung eines Widerstands, der durch einen abwechselenden Strom gekreuzt wird,:

P = i².R = (i_entweder. Sünde ωT)².R = i_entweder².R . Sen² ωt

Es ist zu sehen, dass die Leistung auch im Laufe der Zeit variiert und dass sie eine positive Menge ist, da alles auf das Quadrat geschnitten wird und R immer> 0 ist. Der Durchschnittswert dieser Funktion wird durch Integration in einen Zyklus und die Ergebnisse berechnet:

P_Hälfte = ½. Yo_entweder².R = i_RMS².R

In Bezug auf effektive Spannung und Strom bleibt die Leistung wie folgt:

P_Hälfte = V_RMS. Yo_RMS

Yo_RMS = P_Hälfte / V_RMS = P_Hälfte / 0.707 v_entweder

Lösung b

Anwenden der letzten Gleichung mit den angegebenen Daten:

P_Hälfte = 1000 w und v_RMS = 120 V

Yo_RMS = P_Hälfte / V_RMS = 1000 W / 120 V = 8.33 a

Daher ist der maximale Strom durch das Heizelement:

Yo_entweder = I_RMS /0.707 = 8.33 a/0.707 = 11.8 a

Widerstand kann aus der durchschnittlichen Leistungsgleichung entfernt werden:

P_Hälfte = I_RMS².R → r = p_Hälfte / Yo_RMS² = 1000 w / (8).33 a)² = 14.41 Ohm.

Lösung c

Bei einer Verbindung zu einer 240 -V -Einnahme ändert sich die durchschnittlichen Leistungsänderungen:

Yo_RMS = V_RMS / R = 240 v / 14.41 Ohm = 16.7 a

P_Hälfte = V_RMS. Yo_RMS = 240 V x 16.7 bis ≈ 4000 w

Dies ist ungefähr das 4 -fache der Leistung, für die das Heizelement entworfen wird, das kurz nach der Verbindung mit dieser Aufnahme verbrannt wird.

Anwendungen

Glühlampen

Eine Glühbirne erzeugt Licht und auch Wärme, die wir sofort beim Anschließen bemerken können. Das Element, das beide Effekte erzeugt.

Dank dieser Erhöhung des Widerstands ist der Joule -Effekt, obwohl der Strom im Filament abgenommen hat, so weit konzentriert, dass die Glühlampe auftritt. Das Filament, das aus Wolfram besteht.

Das Gerät muss in einen transparenten Glasbehälter eingesperrt werden, der mit einem inerten Gas wie Argon oder niedrigem Druckstickstoff gefüllt ist, um die Verschlechterung des Filaments zu vermeiden. Wenn dies nicht auf diese Weise getan wird, verbraucht der Sauerstoff der Luft das Filament und die Glühbirne hört auf, auf der Handlung zu arbeiten.

Magneto-Theaterschalter

Die magnetischen Wirkungen von Magneten verschwinden bei hohen Temperaturen. Dies kann verwendet werden, um ein Gerät zu erstellen, das den Strom des Stroms unterbricht, wenn es übermäßig ist. Dies besteht aus einem magnetothermischen Schalter.

Ein Teil der Schaltung, durch den der Strom durch einen Magneten geschlossen wird, der einem Dock unterliegt. Der Magnet hält dank der magnetischen Anziehung an der Schaltung und bleibt somit bestehen, während er aufgrund des Erhitzens nicht geschwächt wird.

Kann Ihnen dienen: Potentielle Energie: Merkmale, Typen, Berechnung und Beispiele

Wenn der Strom einen bestimmten Wert überschreitet. Und da der Strom die Schaltung für den Fluss benötigt, öffnet er sich und der Stromabschnitt wird unterbrochen. Auf diese Weise wird das Erhitzen der Kabel, die Unfälle wie Brände verursachen können, verhindert.

Sicherungen

Eine andere Möglichkeit, eine Schaltung zu schützen und den Strom zu unterbrechen.

Figur 2. Eine Sicherung ist ein Schaltungsschutzelement. Metall schmilzt, wenn es von übermäßigem Strom gekreuzt wird. Quelle: Pixabay.

Pasteurisierung durch ohmische Erwärmung

Es besteht darin, einen elektrischen Strom durch Lebensmittel zu übergeben, die natürlich einen elektrischen Widerstand haben. Dafür werden Elektroden aus astikorrosivem Material verwendet. Die Nahrungsmitteltemperatur nimmt zu und die Hitze zerstört Bakterien und trägt dazu bei, sie länger zu bewahren.

Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Erwärmung in viel weniger Zeit als der durch herkömmliche Techniken erforderlich ist. Eine längere Erwärmung zerstört Bakterien, neutralisiert aber auch Vitamine und Mineralien, die wesentlich sind.

Ohmic Heizung, das nur wenige Sekunden dauert, hilft dabei, den Ernährungsgehalt von Lebensmitteln zu erhalten.

Experimente

Das folgende Experiment besteht darin, die Menge der elektrischen Energie in thermische Energie zu messen und die Wärmemenge zu messen, die von einer bekannten Wassermasse absorbiert wird. Dafür wird eine Heizspule in Wasser eingetaucht, durch die ein Strom weitergeleitet wird.

Materialien

- 1 Glas Polystyrol

- Multimeter

- Celsius Thermometer

- 1 Quelle für einstellbare Leistung von Bereich 0-12 V

- Gleichgewicht

- Verbindungskabel

- Chronometer

Verfahren

Die Spule wird durch Jouleffekt und damit auch das Wasser erhitzt. Sie müssen die Wassermasse und ihre Anfangstemperatur messen und bestimmen, welche Temperatur sie erhitzen werden.

Figur 3. Experimentieren Sie, um zu bestimmen, wie viel elektrische Leistung in Wärme umgewandelt wird. Quelle: f. Zapata.

Aufeinanderfolgende Lesungen werden jede Minute eingenommen, in der Strom- und Spannungswerte registriert werden. Sobald die Registrierung verfügbar ist, wurde die gelieferte elektrische Energie über die Gleichungen geliefert:

Q = i².R. Δt (Joule -Gesetz)

V = i.R (Ohm'sches Gesetz)

Und vergleichen Sie mit der Wärmemenge, die von der Wassermasse absorbiert wird:

Q = m. C_Und. Δt (Siehe Übung gelöst 1)

Da die Energie erhalten bleibt, sollten beide Größen gleich sein. Obwohl Polystyrol unter spezifischer Wärme hat und fast keine thermische Energie absorbiert, wird es auch einige Verluste gegen die Atmosphäre geben. Sie müssen auch den experimentellen Fehler berücksichtigen.

Die Verluste an der Atmosphäre werden minimiert, wenn das Wasser die gleiche Anzahl von Grad über der Umgebungstemperatur erhitzt hat, die vor Beginn des Experiments unterhalb der Umgebungstemperatur lag.

Mit anderen Worten, wenn das Wasser bei 10 ° C und die Umgebungstemperatur 22 ° C betrug, müssen Sie das Wasser bis zu 32 ° C mitnehmen.

Verweise

1. Kramer, c. 1994. Physikpraktiken. McGraw Hill. 197.
2. Das Sieb. Jouleffekt. Erholt von: altamiz.com.
3. Figueroa, d. (2005). Serie: Physik für Wissenschaft und Ingenieurwesen. Band 5. Elektrostatik. Herausgegeben von Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, d. 2006. Physik: Prinzipien mit Anwendungen. 6^th. Ed Prentice Hall.
5. Hypertextuell. Was ist der Joule -Effekt und warum es zu etwas Transzendentalem für unser Leben geworden ist?. Wiederhergestellt von: Hypertextual.com
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