Joule Effect Pojasnilo, primeri, vaje, aplikacije

On Joule Effect o Jouleov zakon je rezultat preobrazbe toplotne energije, ki poteka, ko električni tok gre skozi voznika. Ta učinek je prisoten pod pogojem, da vsaka naprava ali naprava, ki potrebuje elektriko za delo.

Torej učinek Joule opazimo vsak dan. Včasih je koristno, na primer domače in kuhinjske aparate (grelnik vode, sušilniki za lase, krožnike, peči itd.)

Drugič je nezaželen in ga želi zmanjšati, zato se mizni računalnik doda ventilatorji za razpršitev toplote, saj lahko v notranjih komponentah povzroči neuspehe.

Naprave, ki uporabljajo učinek Joule za proizvodnjo toplote, imajo upor, ki se segreje, ko se prenaša, pokliče grelni element.

[TOC]

Pojasnilo

Joule Effect ima svoj izvor na mikroskopskem obsegu v delcih, tako tistih, ki sestavljajo material, kot tiste, ki prenašajo električni naboj.

Atomi in molekule v snovi so v njihovem najbolj stabilnem položaju znotraj tega. Električni tok je sestavljen iz urejenega gibanja električnih nabojev, ki izvirajo iz pozitivnega baterijskega pola. Ko odhajajo tam, imajo veliko potencialne energije.

Na njihovi poti naloženi delci vplivajo na materiale in jih postavijo na vibriranje. Te bodo poskušale obnoviti ravnovesje, ki so ga imeli prej, in v svoje okolje dovajalo odvečno energijo v obliki zaznavne toplote.

Količina toplote, ki je odpravljena, je odvisna od intenzivnosti toka Yo, Čas, ko kroži znotraj voznika ΔT in uporovnega elementa R:

Q = i².R. ΔT (Joules)

Prejšnja enačba se imenuje Joule-Lenzov zakon.

Primeri

Dva fizika, britanski James Joule (1818-1889) in ruski Heinrich Lenz (1804-1865), sta neodvisno opazila, da se žica, ki je prevažala tok.

Nato je bilo ugotovljeno, da je količina toplote, razpršene z odpornostjo, sorazmerna:

- Kvadrat intenzivnosti toka.

- Čas, ko je voznik ostal teče tok.

- Odpor omenjenega voznika.

Enote toplote so enake enote energije: Joules, skrajšane kot J. Joule je dokaj majhna enota energije, zato se običajno uporabljajo drugi, kot so kalorije.

Za preoblikovanje Joules v kalorije je dovolj, da se pomnoži s faktorjem 0,24, tako da se enačba, podana na začetku, izraže neposredno v kalorijah:

Q = 0,24. Yo².R. ΔT (kalorije)

Joule Effect in električni transport

Učinek Joule je dobrodošel, da ustvari lokalizirano toploto, kot so sušilniki za roge in lase. Toda v drugih primerih ima neželene učinke, kot so:

- Zelo veliko segrevanje voznikov je lahko nevarno, kar povzroča požare in opekline.

- Elektronske naprave s tranzistorji zmanjšajo njihovo delovanje in lahko ne uspejo, tudi če se preveč segrejejo.

- Žice, ki prenašajo elektriko, vedno doživlja ogrevanje, tudi če je blage, kar vodi v opazne izgube energije.

To je zato, ker imajo kabli, ki prevažajo tok iz električnih obratov, na stotine kilometrov. Potem dober del energije, ki jo nosijo.

Vam lahko služi: magnetizem: magnetne lastnosti materialov, uporabe

Da bi se temu izognili, se vozniki trudijo imeti čim večji odpor. Na to vplivajo trije pomembni dejavniki: dolžina žice, prečni prerez in material, s katerim je narejena.

Najboljši vozniki so kovine, saj so zlate, srebro, platina ali baker nekaj najučinkovitejših. Žice kablov so narejene na podlagi bakrenih nitk, kovine, ki, čeprav ne vozi tako dobro kot zlato, je veliko cenejša.

Dlje kot je žica, večja bo odpornost, vendar se z izdelavo debelejšega upor zmanjšuje, ker to olajša gibanje nosilcev obremenitve.

Druga stvar, ki jo je mogoče storiti, je zmanjšati intenzivnost toka, tako da je ogrevanje zmanjšano. Transformatorji so odgovorni za pravilno nadzor intenzivnosti, zato so tako pomembni pri prenosu električne energije.

Vaje

Vaja 1

Radiator kaže, da ima moč 2000W in je povezan z odvzemom 220 V. Izračunajte naslednje:

a) Intenzivnost toka, ki kroži skozi radiator

b) Količina električne energije, ki se je spremenila po pol ure

c) Če je vsa ta energija obrnjena pri segrevanju 20 litrov vode, ki je sprva pri 4 ° C?

Podatki: Specifična toplota vode je CE = 4180 j/kg.K

Rešitev

Moč je opredeljena kot energija na enoto časa. Če v enačbi, podani na začetku, prenesemo faktor ΔT Na desni bo natančno energija na enoto časa:

Q = i².R. ΔT → p = q/ δt = i². R

Odpornost grelnega elementa je mogoče poznati z Ohmovim zakonom: V = i.R, iz katerega sledi temu I = v/r. Zato:

P = i². (V/i) = i. V

Tako je tok:

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

Rešitev b

V tem primeru ΔT = 30 minut = = 30 x 60 sekund = 1800 sekund. Potrebna je tudi vrednost upora, kar je razvidno iz Ohmovega zakona:

R = v / i = 220 v / 9.09 a = 24.2 ohm

Vrednosti so nadomeščene v Joulovem zakonu:

Q = (9.09 a)². 24. 24.2 ohm . 1800 S = 3.600.000 j = 3600 kJ.

Rešitev c

Količina toplote Q potrebno za dvig količine vode pri določeni temperaturi je odvisno od specifične toplote in temperaturne spremembe, ki jih je treba dobiti. Izračuna se:

Q = m. C_in. ΔT

Tukaj m To je masa vode, C_in To je posebna toplota, ki že ima problem in ΔT To je temperaturna niha.

Masa vode je tisto, kar je v 20 l. Izračuna se s pomočjo gostote. Gostota vode ρ_voda Je količnik med maso in glasnostjo. Poleg tega morate litre pretvoriti v kubične števce:

20 l = 0.02 m³

Kot m = gostota x prostornina = ρv, Testo je.

M = 1000 kg/m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

ΔT = končna temperatura - začetna temperatura = t_F - 4 ° C = T_F - 277.15 K

Upoštevajte, da morate iti od stopinj Celzija do Kelvina in dodate 273.15 K. Zamenjava zgornjega v toplotni enačbi:

3.600.000 j = 20 kg x 4180 j/kg . K . (T_F - 277.petnajst)

T_F = 3.600.000 J/(20 kg x 4180 J/kg . K) + 277.15 K = 320. 2 K = 47.05 ° C.

Vaja 2

a) Poiščite izraze za moč in povprečno moč za upor, povezan z nadomestno napetostjo.

Vam lahko služi: navidezna gostota: formula, enote in vaje rešene

b) Predpostavimo, da imate sušilnik za lase z 1000W moči, povezane z 120 V vnosom, poiščite upor ogrevalnega elementa in največjega toka - največ.

c) Kaj se zgodi s sušilnikom, ko ga povežete s 240 V?

Rešitev

Napetost posnetka je nadomestna, oblike V = v_tudi. Sen ωt. Ker je sčasoma spremenljiva, je zelo pomembenRms”, Akronim za Efektivna vrednost.

Te vrednosti za tok in napetost so:

Yo_Rms = 0.707 i_tudi

V_Rms = 0.707 v_tudi

Pri uporabi Ohmovega zakona je tok kot funkcija časa:

I = v/r = v_tudi. greh ωT /r = i_tudi. greh ωt

V tem primeru je moč v uporu, ki jo prečka izmenični tok,:

P = i².R = (i_tudi. greh ωT)².R = i_tudi².R . Sen² ωt

Vidimo, da se tudi moč sčasoma spreminja in da je pozitivna količina, saj je vse razrezano na kvadrat in r je vedno> 0. Povprečna vrednost te funkcije se izračuna z integracijo v cikel in rezultati:

Str_polovica = ½. Yo_tudi².R = i_Rms².R

Glede na učinkovito napetost in tok moč ostane tako:

Str_polovica = V_Rms. Yo_Rms

Yo_Rms = P_polovica / V_Rms = P_polovica / 0.707 v_tudi

Rešitev b

Uporaba zadnje enačbe s predloženimi podatki:

Str_polovica = 1000 W in V_Rms = 120 v

Yo_Rms = P_polovica / V_Rms = 1000 w / 120 V = 8.33 a

Zato je največji tok skozi ogrevalni element:

Yo_tudi = I_Rms /0.707 = 8.33 A/0.707 = 11.8 a

Odpornost je mogoče očistiti iz povprečne enačbe moči:

Str_polovica = I_Rms².R → r = p_polovica / Yo_Rms² = 1000 w / (8.33 a)² = 14.41 ohm.

Rešitev c

V primeru povezovanja s 240 V jemanjem se povprečna moč spremeni:

Yo_Rms = V_Rms / R = 240 v / 14.41 ohm = 16.7 a

Str_polovica = V_Rms. Yo_Rms = 240 V x 16.7 do ≈ 4000 W

To je približno 4 -krat večja od moči, za katero je zasnovan ogrevalni element, ki bo zgorela kmalu po povezavi s tem posnetkom.

Prijave

Žarnice z žarilnimi žarnicami

Žarnica z žarilnico proizvaja svetlobo in tudi toploto, kar lahko takoj opazimo, ko jo povežemo. Element, ki ustvarja oba učinka, je zelo tanka filament gonilnika, zato ima visoko odpornost.

Zahvaljujoč temu povečanju odpornosti, čeprav se je tok v filamentu zmanjšal, je učinek Joule koncentriran do te mere, da se pojavi žarnost. Filament, narejena iz volframa, ker ima visoko tališče 3400 ° C, oddaja svetlobo in tudi segreva.

Naprava mora biti zaklenjena v prozorno stekleno posodo, ki je napolnjena z inertnim plinom, kot sta argon ali dušik z nizkim tlakom. Če tega ne storimo na ta način, kisik zraka porabi nitko in žarnica neha delati na aktu.

Stikala magneto-cesterja

Magnetni učinki magnetov izginejo pri visokih temperaturah. To lahko uporabite za ustvarjanje naprave, ki prekine prehod toka, ko je pretirano. To je sestavljeno iz magnetotermalnega stikala.

Del vezja, skozi katerega je tok zaprt z magnetom, ki je podvržen pristanišču. Magnet se zaradi magnetne privlačnosti drži vezja in tako ostane, medtem ko zaradi ogrevanja ne oslabi.

Vam lahko služi: potencialna energija: značilnosti, vrste, izračun in primeri

Ko tok presega določeno vrednost, magnetizem oslabi in pristanišče sleče magnet, kar povzroči, da se vezje odpre. In ker tok potrebuje, da se vezje zapre za pretok, se odpre in trenutni prehod prekine. Na ta način preprečuje ogrevanje kablov, ki bi lahko povzročile nesreče, kot so požari.

Varovalke

Drug način zaščite tokokroga in pravočasnega prekinitve toka je z varovalko, kovinskim trakom, ki se ob segrevanju jouleje.

Slika 2. Varovalka je zaščitni element vezja. Kovinske taljenja, ko ga prekriža prekomerni tok. Vir: Pixabay.

Pasterizacija z ohmičnim ogrevanjem

Sestavljen je iz prehoda električnega toka s hrano, ki ima seveda električno odpornost. Za to se uporabljajo elektrode iz antikorozivnega materiala. Temperatura hrane se zvišuje in toplota uniči bakterije, kar jim pomaga dlje ohraniti.

Prednost te metode je, da se segrevanje pojavi v veliko manj časa, kot je potrebno s pomočjo običajnih tehnik. Dolgotrajno segrevanje uničuje bakterije, hkrati pa nevtralizira vitamine in minerale, ki so bistveni.

Ohmično ogrevanje, ki traja le nekaj sekund, pomaga ohraniti prehransko vsebnost hrane.

Poskusi

Naslednji eksperiment je sestavljen iz merjenja količine električne energije, ki je bila spremenjena v toplotno energijo, merjenje količine toplote, ki jo absorbira znana masa vode. Za to je ogrevalna tuljava potopljena v vodo, skozi katero se prenaša tok.

Materiali

- 1 kozarec polistirena

- Multimeter

- Celzijski termometer

- 1 vir nastavljive moči, območja 0-12 V

- Ravnovesje

- Kabli za povezavo

- Kronometer

Postopek

Tuljava segreva z učinkom Joule in s tem tudi voda. MORATE MORAJO MASO VODE IN NJEGOVO TEMPERATU.

Slika 3. Eksperimentirajte, da ugotovite, koliko električne energije se spremeni v toploto. Vir: f. Zapata.

Zaporedni odčitki se vzamejo vsako minuto in registrirajo tok in napetostne vrednosti. Ko je registracija na voljo, se električna energija dobavlja prek enačb:

Q = i².R. ΔT (Joule zakon)

V = i.R (Ohmov zakon)

In primerjajte s količino toplote, ki jo absorbira masa vode:

Q = m. C_in. ΔT (Glej vajo Rešeno 1)

Ker se energija ohranja, bi morala biti obe količini enaki. Kljub temu, da ima polistiren pod specifično toploto in skoraj ne absorbira toplotne energije, bo tudi nekaj izgub proti atmosferi. Upoštevati morate tudi eksperimentalno napako.

Izgube v atmosferi so zmanjšane, če se voda segreva enako število stopinj nad temperaturo okolice, kar je bilo spodaj, preden začnete s poskusom.

Z drugimi besedami, če je bila voda pri 10 ° C in je bila temperatura okolice 22 ° C, potem morate vzeti vodo do 32 ° C.

Reference

1. Kramer, c. 1994. Fizične prakse. McGraw Hill. 197.
2. Sito. Joule Effect. Okreval od: Eltamiz.com.
3. Figueroa, d. (2005). Serija: Fizika za znanost in inženiring. Zvezek 5. Elektrostatika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, d. 2006. Fizika: načela z aplikacijami. 6^th. Ed Prentice Hall.
5. Hipertekstualni. Kakšen je učinek Joule in zakaj je postalo nekaj transcendentalnega za naše življenje. Obnovljeno od: hipertekstualno.com
6. Wikipedija. Joule Effect. Okrevano od: je.Wikipedija.org.
7. Wikipedija. Joule ogrevanje. Pridobljeno iz: v. Wikipedija.org.