DŽAULIO EFEKTAS: PAAIŠKINIMAS, PAVYZDŽIAI, PRATIMAI, PROGRAMOS - FIZINIS - 2025

Džaulio poveikis arba Joule'a teisė yra elektros energijos transformavimo į šilumą, kuris vyksta, kai elektros srovė eina per dirigento rezultatas. Šis efektas atsiranda, kai įjungiamas bet koks prietaisas ar įtaisas, kuriam veikti reikalinga elektra.

Kitais atvejais tai nepageidautina ir siekiama to sumažinti, todėl ventiliatoriai pridedami prie stalinio kompiuterio, kad išsklaidytų šilumą, nes tai gali sukelti vidinių komponentų gedimą.

Prietaisai, kurie naudoja džaulio efektą šilumai gaminti, viduje turi varžą, kuri įkaista, kai pro ją praeina srovė, vadinama kaitinimo elementu.

Paaiškinimas

Džaulio efektas atsirado mikroskopiniu mastu dalelėse - tiek tose, kurios sudaro medžiagą, tiek tose, kurios perduoda elektros krūvį.

Medžiagos atomai ir molekulės yra stabiliausioje padėtyje medžiagoje. Savo ruožtu elektros srovė susideda iš nurodyto akumuliatoriaus poliaus judamo elektros krūvio. Išėję iš ten, jie turi daug potencialios energijos.

Važiuodami įkrautos dalelės paveikia medžiagos daleles ir sukelia vibraciją. Jie bandys atgauti anksčiau turėtą pusiausvyrą, perduodant energijos perteklių į aplinką juntamos šilumos pavidalu.

Išleistos šilumos kiekis Q priklauso nuo srovės I intensyvumo, laiko, kurį jis cirkuliuoja laidininko viduje Δt, ir nuo varžinio elemento R:

Aukščiau pateikta lygtis vadinama Džoulio-Lenco dėsniu.

Pavyzdžiai

Du fizikai, britas Jamesas Joule'as (1818–1889) ir rusas Heinrichas Lenzas (1804–1865), nepriklausomai pastebėjo, kad srovę nešanti viela ne tik įkaista, bet ir jos srovė proceso metu sumažėjo.

Tada nustatyta, kad varžos išsklaidytas šilumos kiekis yra proporcingas:

- Cirkuliacinės srovės intensyvumo kvadratas.

- Laikas, per kurį minėta srovė teka per laidininką.

- Minėto laidininko atsparumas.

Šilumos vienetai yra tie patys energijos vienetai: džauliai, sutrumpintai kaip J. Džoulė yra gana mažas energijos vienetas, todėl dažnai naudojami kiti, pavyzdžiui, kalorijos.

Džoulius paverčiant kalorijomis, paprasčiausiai padauginkite iš koeficiento 0,24, kad pradžioje pateikta lygtis būtų tiesiogiai išreikšta kalorijomis:

Džaulio efektas ir elektros energijos transportavimas

Džaulio efektas yra laukiamas, jei jis sukuria vietinę šilumą, pavyzdžiui, degiklius ir plaukų džiovintuvus. Bet kitais atvejais jis sukelia nepageidaujamą poveikį, pavyzdžiui:

- Labai didelis laidininkų šildymas gali būti pavojingas, sukelti gaisrus ir nudegimus.

- Elektroniniai prietaisai su tranzistoriais sumažina jų veikimą ir gali sugesti, net jei jie per daug įkaista.

- Elektros energiją tiekiantys laidai visada net šiek tiek šildosi, o tai sukelia didelius energijos nuostolius.

Taip yra todėl, kad kabeliai, kuriais perduodama srovė iš elektrinių, eina šimtus kilometrų. Tiek energijos, kurią jie gauna, nepasiekia tikslo, nes ji yra švaistoma pakeliui.

Norint to išvengti, laidininkai turi kuo mažesnį pasipriešinimą. Tam įtakos turi trys svarbūs veiksniai: vielos ilgis, skerspjūvio plotas ir medžiaga, iš kurios ji pagaminta.

Geriausi laidininkai yra metalai, iš kurių efektyviausi yra auksas, sidabras, platina ar varis. Kabelių laidai yra pagaminti iš vario gijų, metalo, kuris, nors ir nelaiko taip gerai, kaip auksas, yra daug pigesnis.

Kuo ilgesnė viela, tuo didesnį pasipriešinimą ji turės, tačiau, juos paaštrėjus, pasipriešinimas sumažėja, nes tai palengvina įkrovos laikiklių judėjimą.

Kitas dalykas, kurį galima padaryti, yra sumažinti srovės intensyvumą, kad šildymas būtų kuo mažesnis. Transformatoriai yra atsakingi už tinkamą šviesos stiprio valdymą, todėl jie yra tokie svarbūs perduodant elektros energiją.

Pratimai

1 pratimas

Radiatorius rodo, kad jo galia yra 2000 W ir jis yra prijungtas prie 220 V lizdo. Apskaičiuokite:

a) Srauto, tekančio per radiatorių, intensyvumas

b) elektros energijos kiekis, kuris buvo transformuotas po pusvalandžio

c) Jei visa ši energija investuojama į 20 litrų vandens, kurio temperatūra iš pradžių yra 4 ºC, pašildymą, kokia bus maksimali vandens temperatūra?

Sprendimas

Galia apibrėžiama kaip energija per laiko vienetą. Jei pradžioje pateiktoje lygtyje koeficientą Δt perduosime į dešinę, turėsime tiksliai energijos per laiko vienetą:

Šildymo elemento atsparumas gali būti žinomas pagal Ohmo dėsnį: V = IR, iš kurio seka, kad I = V / R. Taigi:

Taigi dabartiniai rezultatai:

B sprendimas

Tokiu atveju Δt = 30 minučių = = 30 x 60 sekundžių = 1800 sekundžių. Taip pat reikalinga pasipriešinimo vertė, kuri išplaukia iš Ohmo dėsnio:

Vertės pakeičiamos Džoulio įstatyme:

C sprendimas

Šilumos kiekis Q, reikalingas vandens kiekiui pakelti iki tam tikros temperatūros, priklauso nuo konkrečios šilumos ir nuo temperatūros pokyčių, kuriuos reikia gauti. Jis apskaičiuojamas taip:

M yra vandens masė, C _e yra savitoji šiluma, kuri jau laikoma problemos duomenimis, o ΔT yra temperatūros kitimas.

Vandens masė lygi 20 L. Ji apskaičiuojama pagal tankį. Vandens tankis ρ _vanduo yra masės ir tūrio santykis. Be to, litrus turite konvertuoti į kubinius metrus:

Kadangi m = tankis x tūris = ρV, masė yra.

Atkreipkite dėmesį, kad būtina pereiti nuo Celsijaus laipsnių iki kelvino, pridedant 273,15 K. Pakaitinant aukščiau išdėstytą šilumos lygtį:

2 pratimas

a) Raskite galios ir vidutinės varžos, prijungtos prie kintamos įtampos, galią.

b) Tarkime, kad turite 1000 W galios plaukų džiovintuvą, prijungtą prie 120 V lizdo, raskite kaitinimo elemento varžą ir didžiausią srovę - maksimalią srovę - per ją.

c) Kas nutinka džiovyklai, kai ji prijungta prie 240 V lizdo?

Sprendimas

Čiaupo įtampa kintama, V = V _o . sen ωt. Kadangi laikas kintamas, labai svarbu apibrėžti efektyviąsias įtampos ir srovės vertes, kurios žymimos indeksu „rms“, reiškiančiu šaknies vidurkio kvadratą.

Šios srovės ir įtampos vertės yra:

Taikant Ohmo dėsnį, srovė kaip laiko funkcija yra tokia:

Tokiu atveju rezistoriaus, kurį kerta kintamoji srovė, galia yra:

Matoma, kad galia taip pat kinta laikui bėgant, ir kad tai yra teigiamas dydis, nes viskas yra kvadratu ir R visada yra> 0. Vidutinė šios funkcijos vertė apskaičiuojama integruojant į ciklą ir gaunami:

Kalbant apie efektyviąją įtampą ir srovę, galia atrodo taip:

B sprendimas

Taikant paskutinę lygtį su pateiktais duomenimis:

_Vidutinis P = 1000 W, o _{vidutinė kvadratinė vertė} = 120 V

Todėl maksimali srovė per kaitinimo elementą yra:

Atsparumą galima išspręsti iš vidutinės galios lygties:

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

Tai yra maždaug keturis kartus didesnė už galią, kuriai skirtas šildymo elementas, kuris greitai išdegs, kai bus įjungtas į šį lizdą.

Programos

Kaitrinės lemputės

Kaitrinė lemputė skleidžia šviesą ir šilumą, kurią galime pastebėti iškart, kai ją prijungiame. Elementas, sukeliantis abu efektus, yra labai plonas laidus siūlas, todėl turi didelį atsparumą.

Dėl šio padidėjusio pasipriešinimo, nors gijų srovė sumažėjo, Džoule efektas yra sukoncentruotas tiek, kad įvyktų kaitrumas. Iš volframo pagamintas siūlas dėl aukštos lydymosi temperatūros - 3400 ºC - skleidžia šviesą ir šilumą.

Kad būtų išvengta kaitrinio siūlelio nusidėvėjimo, prietaisas turėtų būti uždarytas į permatomą stiklinį indą, užpildytą inertinėmis dujomis, tokiomis kaip argonas arba azotas, esant žemam slėgiui. Jei tai nebus padaryta tokiu būdu, ore esantis deguonis sunaudoja giją ir lemputė akimirksniu nustos veikti.

Magnetiniai šiluminiai jungikliai

Aukštoje temperatūroje išnyksta magnetų poveikis. Tai gali būti naudojama kuriant įrenginį, kuris pertraukia srovės srautą, kai jis yra per didelis. Tai yra magnetoterminis jungiklis.

Grandinės dalis, per kurią teka srovė, uždaroma magnetu, pritvirtintu prie spyruoklės. Magnetas, pritraukdamas magnetinę trauką, prilimpa prie grandinės ir išlieka toks tol, kol jis nesusilpnėja kaitinant.

Kai srovė viršija tam tikrą vertę, magnetizmas susilpnėja, o spyruoklė atitraukia magnetą, todėl grandinė atsidaro. Ir kadangi srovei reikia, kad būtų uždaryta grandinė, kad ji tekėtų, ji atidaroma ir srovės srautas nutrūksta. Tai neleidžia kabeliams įkaisti, o tai gali sukelti avarijas, pavyzdžiui, gaisrą.

Saugikliai

Kitas būdas apsaugoti grandinę ir laiku nutraukti srovės srautą yra saugiklis, metalinė juostelė, kuri, kaitinant Džaulio efektu, ištirpsta, palikdama grandinę atvirą ir nutraukdama srovę.

2 pav. Saugiklis yra grandinės apsaugos elementas. Metalas išsilydo, kai jį praleidžia per didelė srovė. Šaltinis: „Pixabay“.

Omos kaitinimo pasterizavimas

Tai susideda iš elektros srovės praleidimo per maistą, kuris natūraliai turi elektrinę varžą. Tam naudojami elektrodai, pagaminti iš antikorozinės medžiagos. Maisto temperatūra pakyla, o šiluma sunaikina bakterijas, padėdamas jas ilgiau išsaugoti.

Šio metodo pranašumas yra tas, kad kaitinimas vyksta per daug mažiau laiko, nei reikalaujama įprastais būdais. Ilgesnis kaitinimas naikina bakterijas, bet taip pat neutralizuoja būtinus vitaminus ir mineralus.

Omos kaitinimas, trunkantis vos kelias sekundes, padeda išsaugoti maistinį maisto kiekį.

Eksperimentai

Kitas eksperimentas susideda išmatuojant elektros energijos kiekį, paverčiamą šilumine energija, išmatuojant šilumos kiekį, kurį sugeria žinoma vandens masė. Norėdami tai padaryti, į vandenį panardinama šildymo ritė, per kurią praleidžiama srovė.

medžiagos

- 1 polistireno puodelis

- Multimetras

- Celsijaus termometras

- 1 reguliuojamas energijos šaltinis, diapazonas 0–12 V

- Balansas

- Prijungimo laidai

- Chronometras

Procesas

Ritė įkaista dėl džaulio efekto, taigi ir vanduo. Turime išmatuoti vandens masę ir pradinę jo temperatūrą bei nustatyti, kokia temperatūra mes ją kaitinsime.

3 pav. Eksperimentas siekiant nustatyti, kiek elektros energijos virsta šiluma. Šaltinis: F. Zapata.

Nuoseklūs rodmenys imami kiekvieną minutę, registruojant srovės ir įtampos vertes. Gavus įrašą, tiekiama elektros energija apskaičiuojama pagal lygtis:

Q = I ² .R. Δt (Džoulio įstatymas)

V = IR (Ohmo dėsnis)

Palyginkite su šilumos kiekiu, kurį sugeria vandens telkinys:

Q = m. C _e . ΔT (žr. 1 užduotį)

Kadangi energija taupoma, abu kiekiai turėtų būti vienodi. Vis dėlto, nors polistirenas turi mažai savitojo šilumos ir nesugeria beveik šiluminės energijos, atmosfera vis tiek patirs nuostolių. Taip pat reikia atsižvelgti į eksperimentinę klaidą.

Nuostoliai atmosferoje sumažinami iki minimumo, jei vanduo kaitinamas tokiu pačiu laipsnių kiekiu virš kambario temperatūros, kokia buvo žemiau prieš pradedant eksperimentą.

Kitaip tariant, jei vanduo buvo 10ºC, o aplinkos temperatūra buvo 22ºC, tuomet jūs turite jį pritraukti iki 32ºC.

Nuorodos

1. Kramer, C. 1994. Fizikos praktika. McGraw Hill. 197.
2. Sietą. Džaulio efektas. Atgauta iš: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. 5 tomas. Elektrostatika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. 6 ^-oji . Edas Prentice'o salė.
5. Hipertekstinė. Koks yra Džaulio efektas ir kodėl jis mūsų gyvenime tapo kažkuo transcendentaliu. Atkurta iš: hypertextual.com
6. Vikipedija. Džaulio efektas. Atkurta iš: es.wikipedia.org.
7. Vikipedija. Džaulio šildymas. Susigrąžinta iš: en. wikipedia.org.