KESAN JOULE: PENJELASAN, CONTOH, LATIHAN, APLIKASI - FIZIKAL - 2025

Kesan Joule atau hukum Joule adalah hasil transformasi tenaga elektrik menjadi panas, yang berlaku ketika arus elektrik melewati konduktor. Kesan ini berlaku setiap kali alat atau peranti yang memerlukan elektrik berfungsi.

Pada masa lain, ia tidak diingini dan berusaha untuk mengurangkannya, sebab itulah kipas ditambahkan ke PC desktop untuk menghilangkan haba, kerana ia boleh menyebabkan kegagalan komponen dalaman.

Peranti yang menggunakan kesan Joule untuk menghasilkan haba, mempunyai rintangan yang memanas ketika arus dilaluinya, disebut elemen pemanasan.

Penjelasan

Kesan Joule berasal dari skala mikroskopik dalam zarah, baik yang membentuk bahan dan yang membawa muatan elektrik.

Atom dan molekul dalam zat berada dalam kedudukan paling stabil di dalam zat tersebut. Sebahagiannya, arus elektrik terdiri daripada pergerakan cas elektrik yang teratur, yang berasal dari kutub positif bateri. Apabila mereka keluar dari sana mereka mempunyai banyak tenaga berpotensi.

Semasa mereka melepasi, zarah-zarah yang dibebankan mempengaruhi zat bahan dan menyebabkannya bergetar. Ini akan berusaha mendapatkan kembali keseimbangan yang mereka miliki sebelumnya, memberikan lebihan tenaga ke persekitaran mereka dalam bentuk haba yang dapat dilihat.

Kuantiti haba Q yang dibebaskan bergantung pada intensiti arus I, masa di mana ia beredar di dalam konduktor Δt dan unsur perintang R:

Persamaan di atas disebut undang-undang Joule-Lenz.

Contoh

Dua ahli fizik, British James Joule (1818-1889) dan Rusia Heinrich Lenz (1804-1865) secara bebas memerhatikan bahawa wayar yang membawa arus bukan sahaja menjadi panas, tetapi arus semasa menurun semasa proses tersebut.

Kemudian dinyatakan bahawa jumlah haba yang dikeluarkan oleh rintangan berkadar dengan:

- Kuadrat intensiti arus beredar.

- Masa yang mengatakan arus tetap mengalir melalui konduktor.

- Rintangan konduktor tersebut.

Unit haba adalah unit tenaga yang sama: joule, disingkat dengan J. Joule adalah unit tenaga yang agak kecil, jadi yang lain sering digunakan, seperti kalori, misalnya.

Untuk mengubah joule menjadi kalori, gandakan dengan faktor 0.24, supaya persamaan yang diberikan pada awal dinyatakan secara langsung dalam kalori:

Kesan Joule dan pengangkutan tenaga elektrik

Kesan Joule dialu-alukan untuk menghasilkan haba setempat, seperti pembakar dan pengering rambut. Tetapi dalam kes lain, ia mempunyai kesan yang tidak diingini, seperti:

- Pemanasan yang sangat baik pada konduktor boleh membahayakan, menyebabkan kebakaran dan terbakar.

- Peranti elektronik dengan transistor mengurangkan prestasinya dan boleh gagal walaupun terlalu panas.

- Wayar yang membawa tenaga elektrik sentiasa mengalami pemanasan, walaupun sedikit, yang menyebabkan kehilangan tenaga yang ketara.

Ini kerana kabel yang membawa arus dari loji janakuasa berjalan sejauh ratusan kilometer. Sebilangan besar tenaga yang mereka bawa tidak sampai ke destinasinya, kerana ia terbuang dalam perjalanan.

Untuk mengelakkan perkara ini, konduktor mempunyai daya tahan minimum. Ini dipengaruhi oleh tiga faktor penting: panjang wayar, luas keratan rentas, dan bahan dari mana ia dibuat.

Pengalir terbaik adalah logam, dengan emas, perak, platinum atau tembaga yang paling berkesan. Kabel kabel terbuat dari filamen tembaga, logam yang, walaupun tidak berkelakuan seperti emas, jauh lebih murah.

Semakin lama wayar, semakin banyak rintangan yang dimilikinya, tetapi dengan menjadikannya lebih tebal, rintangan akan berkurang, kerana ini memudahkan pergerakan pembawa cas.

Perkara lain yang boleh dilakukan adalah mengurangkan intensiti arus, supaya pemanasan diminimumkan. Transformer bertanggungjawab untuk mengawal intensiti dengan betul, sebab itulah ia sangat penting dalam penghantaran tenaga elektrik.

Latihan

Latihan 1

Radiator menunjukkan bahawa ia mempunyai kuasa 2000W dan disambungkan ke soket 220 V. Hitungkan yang berikut:

a) Intensiti arus yang mengalir melalui radiator

b) Jumlah tenaga elektrik yang telah diubah setelah setengah jam

c) Sekiranya semua tenaga ini dilaburkan untuk memanaskan 20 liter air yang pada awalnya pada suhu 4 ºC, berapakah suhu maksimum yang boleh dipanaskan air?

Penyelesaian untuk

Kuasa ditakrifkan sebagai tenaga per unit masa. Sekiranya dalam persamaan yang diberikan pada awalnya kita memberikan faktor Δt ke kanan, kita akan mempunyai tenaga tepat per unit masa:

Rintangan elemen pemanasan dapat diketahui melalui hukum Ohm: V = IR, dari mana ia menunjukkan bahawa I = V / R. Oleh itu:

Oleh itu, keputusan semasa:

Penyelesaian b

Dalam kes ini Δt = 30 minit = = 30 x 60 saat = 1800 saat. Nilai rintangan juga diperlukan, yang dihapuskan dari undang-undang Ohm:

Nilai diganti dalam undang-undang Joule:

Penyelesaian c

Jumlah haba Q yang diperlukan untuk menaikkan kuantiti air ke suhu tertentu bergantung pada haba tertentu dan variasi suhu yang perlu diperoleh. Ia dikira dengan:

Di sini m adalah jisim air, C _e adalah haba tertentu, yang sudah diambil sebagai data untuk masalah tersebut, dan ΔT adalah variasi suhu.

Jisim air adalah pada 20 L. Ia dikira dengan bantuan ketumpatan. Ketumpatan air ρ _air adalah nisbah jisim dengan isipadu. Di samping itu, anda perlu menukar liter menjadi meter padu:

Oleh kerana m = ketumpatan x isipadu = ρV, jisimnya adalah.

Perhatikan bahawa perlu pergi dari darjah selsius ke kelvin, menambah 273.15 K. Mengganti perkara di atas dalam persamaan panas:

Latihan 2

a) Cari ungkapan untuk daya dan daya purata untuk rintangan yang disambungkan ke voltan gantian.

b) Andaikan anda mempunyai pengering rambut dengan daya 1000W yang disambungkan ke soket 120 V, cari rintangan elemen pemanasan dan arus puncak - arus maksimum - melaluinya.

c) Apa yang berlaku pada pengering semasa disambungkan ke soket 240 V?

Penyelesaian untuk

Voltan paip bergantian, dalam bentuk V = V _o . sen ωt. Oleh kerana ia berubah mengikut masa, sangat penting untuk menentukan nilai efektif voltan dan arus, yang dilambangkan dengan subskrip "rms", yang berarti singkatan dari root mean square.

Nilai untuk arus dan voltan adalah:

Semasa menerapkan undang-undang Ohm, arus sebagai fungsi waktu adalah seperti:

Dalam kes sedemikian, daya dalam perintang yang disilangkan oleh arus bolak adalah:

Ia dilihat bahawa daya juga berbeza-beza dengan waktu, dan itu adalah kuantiti positif, kerana semuanya kuadrat dan R selalu> 0. Nilai rata-rata fungsi ini dikira dengan penyatuan dalam satu kitaran dan hasilnya:

Dari segi voltan dan arus berkesan, kuasa kelihatan seperti ini:

Penyelesaian b

Menggunakan persamaan terakhir dengan data yang disediakan:

_Purata P = 1000 W dan V _rms = 120 V

Oleh itu arus maksimum melalui elemen pemanasan adalah:

Rintangan dapat diselesaikan dari persamaan daya min:

P _bermaksud = V _rms . Saya _rms = 240 V x 16.7 A ≈ 4000 W

Ini kira-kira 4 kali watt yang dirancang untuk elemen pemanasan, yang akan habis seketika setelah dipasang ke soket ini.

Permohonan

Mentol pijar

Mentol lampu pijar menghasilkan cahaya dan juga panas, yang dapat kita perhatikan dengan segera semasa kita menyambungkannya. Elemen yang menghasilkan kedua-dua kesan adalah filamen konduktor yang sangat nipis, oleh itu mempunyai rintangan yang tinggi.

Berkat peningkatan rintangan ini, walaupun arus berkurang dalam filamen, kesan Joule tertumpu pada tahap sehingga pijar terjadi. Filamen, terbuat dari tungsten kerana titik lebur tinggi 3400 ºC, memancarkan cahaya dan juga panas.

Peranti harus ditutup dalam bekas kaca lutsinar, yang diisi dengan gas lengai, seperti argon atau nitrogen pada tekanan rendah, untuk menghindari kerusakan filamen. Sekiranya tidak dilakukan dengan cara ini, oksigen di udara memakan filamen dan mentol berhenti berfungsi serta-merta.

Suis magnet-termal

Kesan magnet magnet hilang pada suhu tinggi. Ini dapat digunakan untuk membuat peranti yang mengganggu aliran arus, ketika berlebihan. Ini adalah suis magnetotermik.

Bahagian litar yang mengalir arus ditutup oleh magnet yang dilekatkan pada pegas. Magnet melekat pada litar berkat daya tarikan magnet dan tetap berlaku, selagi ia tidak dilemahkan oleh pemanasan.

Apabila arus melebihi nilai tertentu, daya tarikan akan melemah dan spring melepaskan magnet, menyebabkan litar terbuka. Dan kerana arus memerlukan litar ditutup agar dapat mengalir, arus terbuka dan aliran arus terganggu. Ini menghalang kabel dari pemanasan, yang boleh menyebabkan kemalangan seperti kebakaran.

Fius

Cara lain untuk melindungi litar dan mengganggu aliran arus tepat pada masanya adalah dengan menggunakan sekering, jalur logam yang apabila dipanaskan oleh kesan Joule, meleleh, membiarkan litar terbuka dan mengganggu arus.

Rajah 2. Sekering adalah elemen pelindung litar. Logam cair apabila dilalui oleh arus yang berlebihan. Sumber: Pixabay.

Pasteurisasi pemanasan ohmik

Ini terdiri daripada mengalirkan arus elektrik melalui makanan, yang secara semula jadi mempunyai ketahanan elektrik. Untuk ini, elektrod yang diperbuat daripada bahan antikorosif digunakan. Suhu makanan meningkat dan panas memusnahkan bakteria, membantu mengekalkannya lebih lama.

Kelebihan kaedah ini ialah pemanasan berlaku dalam masa yang jauh lebih sedikit daripada yang diperlukan oleh teknik konvensional. Pemanasan berpanjangan merosakkan bakteria tetapi juga meneutralkan vitamin dan mineral penting.

Pemanasan ohmik, yang berlangsung hanya beberapa saat, membantu mengekalkan kandungan nutrien makanan.

Percubaan

Eksperimen seterusnya terdiri daripada mengukur jumlah tenaga elektrik yang ditukar menjadi tenaga terma dengan mengukur jumlah haba yang diserap oleh jisim air yang diketahui. Untuk melakukan ini, gegelung pemanasan direndam di dalam air, di mana arus dilalui.

bahan

- 1 cawan polistirena

- Multimeter

- Termometer Celsius

- 1 sumber kuasa boleh laras, julat 0-12 V

- Seimbang

- Kabel sambungan

- Jam randik

Proses

Gegelung memanas oleh kesan joule dan oleh itu air juga. Kita mesti mengukur jisim air dan suhu awalnya, dan menentukan suhu yang akan kita panaskan.

Rajah 3. Eksperimen untuk menentukan berapa banyak tenaga elektrik diubah menjadi haba. Sumber: F. Zapata.

Bacaan berturut-turut diambil setiap minit, mencatat nilai arus dan voltan. Setelah rekod tersedia, tenaga elektrik yang dibekalkan dikira menggunakan persamaan:

Q = I ² .R. Δt (Hukum Joule)

V = IR (Hukum Ohm)

Dan bandingkan dengan jumlah haba yang diserap oleh badan air:

Q = m. C _e . ΔT (lihat latihan yang diselesaikan 1)

Oleh kerana tenaga dijimatkan, kedua-dua kuantiti harus sama. Walau bagaimanapun, walaupun polistirena mempunyai haba spesifik yang rendah dan tidak menyerap hampir tenaga haba, masih akan ada beberapa kerugian di atmosfera. Kesalahan eksperimen juga mesti diambil kira.

Kerugian ke atmosfer dapat diminimumkan jika air dipanaskan dengan jumlah darjah yang sama di atas suhu bilik seperti di bawah sebelum memulakan eksperimen.

Dengan kata lain, jika air berada pada suhu 10ºC dan suhu sekitar 22ºC, anda harus membawa air hingga 32ºC.

Rujukan

1. Kramer, C. 1994. Amalan Fizik. Bukit McGraw. 197.
2. Penapis. Kesan Joule. Dipulihkan dari: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 5. Elektrostatik. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fizik: Prinsip dengan Aplikasi. 6 ^th . Dewan Ed Prentice.
5. Hiperteks. Apakah kesan Joule dan mengapa ia menjadi sesuatu yang transendental dalam hidup kita. Dipulihkan dari: hypertextual.com
6. Wikipedia. Kesan Joule. Dipulihkan dari: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Pemanasan Joule. Dipulihkan dari: en. wikipedia.org.