Spiegazione dell'effetto Joule, esempi, esercizi, applicazioni

Lui Joule Effect o La legge di Joule è il risultato della trasformazione dell'energia termica, che si svolge quando una corrente elettrica sta attraversando un conducente. Questo effetto è presente a condizione che qualsiasi dispositivo o dispositivo che necessiti di elettricità per funzionare.

Quindi l'effetto Joule è osservato quotidianamente. A volte è utile, come elettrodomestici da casa e da cucina (scaldabagno, asciugacapelli, piastre, stufe, ecc.)

Altre volte è indesiderabile e cerca di minimizzarlo, quindi il PC della scrivania viene aggiunto ventole per dissipare il calore, poiché può causare guasti ai componenti interni.

I dispositivi che utilizzano l'effetto Joule per produrre calore, hanno una resistenza che viene riscaldata quando viene superata, chiamata termosifone.

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Spiegazione

L'effetto Joule ha la sua origine su una scala microscopica nelle particelle, sia quelle che costituiscono un materiale che quelli che trasportano la carica elettrica.

Atomi e molecole in una sostanza sono nella loro posizione più stabile all'interno di questo. Da parte sua, la corrente elettrica è costituita da un movimento ordinato di cariche elettriche, che provengono dal palo della batteria positiva. Quando lasciano lì hanno molta energia potenziale.

Nel loro percorso, le particelle caricate influiscono su quelle del materiale e le mettono in vibrazione. Questi cercheranno di recuperare l'equilibrio che avevano in precedenza, fornendo energia in eccesso al loro ambiente sotto forma di calore percepibile.

La quantità di calore staccata dipende dall'intensità della corrente Yo, Il tempo che circola all'interno del driver Δt e dell'elemento resistivo R:

Q = i².R. ΔT (joules)

L'equazione precedente si chiama Legge di Joule-Lenz.

Esempi

Due fisici, il britannico James Joule (1818-1889) e il russo Heinrich Lenz (1804-1865) osservarono, indipendentemente, che un filo che trasportava la corrente non solo era riscaldato, ma la sua corrente stava diminuendo durante il processo.

È stato quindi stabilito che la quantità di calore dissipata dalla resistenza è proporzionale a:

- Il quadrato dell'intensità della corrente di corrente.

- Il tempo in cui la corrente rimase scorreva dal driver.

- La resistenza di detto conducente.

Le unità di calore sono le stesse unità di energia: joule, abbreviate come j. Joule è un'unità di energia abbastanza piccola, quindi di solito vengono utilizzate altre come calorie.

Per trasformare i joule in calorie è sufficiente moltiplicare per il fattore 0,24, in modo che l'equazione data all'inizio sia espressa direttamente nelle calorie:

Q = 0,24. Yo².R. ΔT (calorie)

Effetto Joule e trasporto di energia elettrica

L'effetto Joule è invitato a produrre calore localizzato, come asciugacapelli e capelli. Ma in altri casi, ha effetti indesiderati, come ad esempio:

- Un riscaldamento molto grande nei conducenti può essere pericoloso, causando incendi e ustioni.

- I dispositivi elettronici con transistor riducono le loro prestazioni e possono fallire anche se riscaldano troppo.

- I fili che trasportano l'elettricità sperimentano sempre un riscaldamento, anche se è lieve, il che porta a notevoli perdite di energia.

Questo perché i cavi che trasportano corrente dalle piante elettrici hanno centinaia di chilometri. Quindi una buona parte dell'energia che trasportano non raggiunge la loro destinazione, perché è sprecata lungo la strada.

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Per evitare ciò, si cerca di avere più resistenza possibile. Tre importanti fattori influenzano questo: la lunghezza del filo, l'area del sezione trasversale e il materiale con cui è realizzato.

I migliori conducenti sono i metalli, essendo oro, argento, platino o rame alcuni dei più efficienti. I fili dei cavi sono realizzati in base a filamenti di rame, un metallo che, sebbene non guidino come oro, è molto più economico.

Più a lungo è un filo, maggiore sarà la resistenza, ma producendoli più spessi, la resistenza diminuisce, perché ciò facilita il movimento dei portatori di carico.

Un'altra cosa che si può fare è ridurre l'intensità della corrente, in modo che il riscaldamento sia ridotto al minimo. I trasformatori sono responsabili del controllo corretto dell'intensità, quindi sono così importanti nella trasmissione dell'elettricità.

Esercizi

Esercizio 1

Un radiatore indica che ha una potenza di 2000 W ed è collegato alla presa di 220 v. Calcola quanto segue:

a) intensità della corrente che circola attraverso il radiatore

b) quantità di energia elettrica che è stata trasformata dopo mezz'ora

c) Se tutta questa energia è invertita nel riscaldamento di 20 litri di acqua inizialmente a 4 ° C, quale sarà la temperatura massima alla quale l'acqua può essere riscaldata?

Dati: il calore specifico dell'acqua è CE = 4180 J/kg.K

Soluzione a

La potenza è definita come energia per unità di tempo. Se nell'equazione fornita all'inizio passiamo il fattore Δt A destra, ci sarà esattamente energia per unità di tempo:

Q = i².R. ΔT → p = q/ Δt = i². R

La resistenza dell'elemento di riscaldamento può essere conosciuta attraverso la legge di Ohm: V = i.R, da cui lo segue I = V/R. Perciò:

P = i². (V/i) = i. V

Quindi la corrente è:

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

Soluzione b

In questo caso ΔT = 30 minuti = = 30 x 60 secondi = 1800 secondi. È richiesto anche il valore della resistenza, il che è chiaro dalla legge di Ohm:

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

I valori vengono sostituiti nella legge di Joule:

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

Soluzione c

La quantità di calore Q necessario aumentare una quantità di acqua a una certa temperatura dipende dal calore specifico e dalla variazione di temperatura che deve essere ottenuta. È calcolato da:

Q = m. C_E. Δt

Qui M È la massa di acqua, C_E È il calore specifico, che ha già il problema del problema e Δt È una variazione di temperatura.

La massa di acqua è ciò che è in 20 l. È calcolato con l'aiuto della densità. Densità dell'acqua ρ_acqua È il quoziente tra la massa e il volume. Inoltre, devi convertire i litri in metri cubi:

20 l = 0.02 m³

COME m = densità x volume = ρv, L'impasto è.

M = 1000 kg/m³ X 0.02 m³ = 20 kg.

ΔT = temperatura finale - temperatura iniziale = T_F - 4 ºC = T_F - 277.15 k

Nota che devi andare da gradi Celsius a Kelvin, aggiungendo 273.15 k. Sostituzione di quanto sopra nell'equazione di calore:

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

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

Esercizio 2

a) Trova espressioni per potenza e potenza media per una resistenza collegata a una tensione alternativa.

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b) Supponi di avere un asciugacapelli con 1000 W di potenza collegata all'assunzione di 120 V, trova la resistenza dell'elemento di riscaldamento e la corrente di picco - angolo massimo - che lo attraversa.

c) Cosa succede all'asciugatrice quando lo collega a una presa di 240 V?

Soluzione a

La tensione dello scatto è alternativa, della forma V = v_O. Sen ωt. Perché è variabile nel tempo, è molto importanteRMS", Acronimo per Radice medio quadrato.

Questi valori per la corrente e la tensione sono:

Yo_RMS = 0.707 i_O

V_RMS = 0.707 v_O

Quando si applica la legge di Ohm, la corrente in funzione del tempo è:

I = v/r = v_O. peccato ωT /r = i_O. peccato ωT

In questo caso, la potenza in una resistenza attraversata da una corrente alternata è:

P = i².R = (i_O. peccato ωT)².R = i_O².R . Sen² ωt

Si vede che anche la potenza varia nel tempo e che è una quantità positiva, poiché tutto viene tagliato in quadrato e R è sempre> 0. Il valore medio di questa funzione viene calcolato per integrazione in un ciclo e risultati:

P_metà = ½. Yo_O².R = i_RMS².R

In termini di tensione e corrente efficaci, la potenza rimane così:

P_metà = V_RMS. Yo_RMS

Yo_RMS = P_metà / V_RMS = P_metà / 0.707 v_O

Soluzione b

Applicando l'ultima equazione con i dati forniti:

P_metà = 1000 W e V_RMS = 120 V

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

Pertanto la corrente massima attraverso l'elemento di riscaldamento è:

Yo_O = I_RMS /0.707 = 8.33 A/0.707 = 11.8 a

La resistenza può essere eliminata dall'equazione di potenza media:

P_metà = I_RMS².R → r = p_metà / Yo_RMS² = 1000 W / (8.33 a)² = 14.41 ohm.

Soluzione c

In caso di connessione a una presa di 240 V, la potenza media cambia:

Yo_RMS = V_RMS / R = 240 V / 14.41 ohm = 16.7 a

P_metà = V_RMS. Yo_RMS = 240 V x 16.7 a ≈ 4000 W

Questo è circa 4 volte la potenza per la quale è progettato l'elemento di riscaldamento, che verrà bruciato poco dopo essere stato collegato a questo scatto.

Applicazioni

Bulbi a incandescenza

Una lampadina a incandescenza produce luce e anche calore, che possiamo notare immediatamente quando lo colleghiamo. L'elemento che produce entrambi gli effetti è un filamento di driver molto sottile, motivo per cui ha un'alta resistenza.

Grazie a questo aumento della resistenza, sebbene la corrente sia diminuita nel filamento, l'effetto Joule è concentrato al punto che si verifica l'incandescenza. Il filamento, fatto di tungsteno perché ha un punto di fusione elevato di 3400 ºC, emette la luce e anche il calore.

Il dispositivo deve essere bloccato in un contenitore di vetro trasparente, che viene riempito con un gas inerte, come argon o azoto a bassa pressione, per evitare il deterioramento del filamento. Se non viene fatto in questo modo, l'ossigeno dell'aria consuma il filamento e il bulbo smette di lavorare sull'atto.

Interruttori magneto-teatro

Gli effetti magnetici dei magneti scompaiono alle alte temperature. Questo può essere usato per creare un dispositivo che interrompa il passaggio della corrente, quando è eccessivo. Questo consiste in un interruttore magnetotermico.

Una parte del circuito attraverso la quale la corrente è chiusa per mezzo di un magnete soggetto a un dock. Il magnete si attacca al circuito grazie all'attrazione magnetica e quindi rimane, mentre non è indebolito a causa del riscaldamento.

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Quando la corrente supera un certo valore, il magnetismo si indebolisce e il dock toglie il magnete, causando l'apertura del circuito. E poiché la corrente richiede che il circuito sia chiuso al flusso, si apre e il passaggio di corrente viene interrotto. In questo modo viene impedito il riscaldamento dei cavi che potrebbero causare incidenti come gli incendi.

Fusibili

Un altro modo per proteggere un circuito e interrompere tempestivamente il passaggio di corrente è da un fusibile, una striscia di metallo che quando è riscaldato dall'effetto Joule, si scioglie, lasciando il circuito aperto e interrompendo la corrente.

figura 2. Una miccia è un elemento protettivo per circuito. Il metallo si scioglie quando viene attraversato da una corrente eccessiva. Fonte: Pixabay.

Pasteurizzazione mediante riscaldamento ohmico

Consiste nel passare una corrente elettrica attraverso il cibo, che hanno naturalmente resistenza elettrica. Per questo, vengono utilizzati elettrodi realizzati in materiale anticorrosivo. La temperatura alimentare aumenta e il calore distrugge i batteri, aiutando a conservarli più a lungo.

Il vantaggio di questo metodo è che il riscaldamento si verifica in molto meno tempo di quello richiesto attraverso le tecniche convenzionali. Il riscaldamento prolungato distrugge i batteri ma neutralizza anche vitamine e minerali essenziali.

Il riscaldamento ohmico, che dura pochi secondi, aiuta a preservare il contenuto nutrizionale del cibo.

Esperimenti

Il seguente esperimento consiste nel misurare la quantità di energia elettrica trasformata in energia termica, misurando la quantità di calore assorbita da una massa di acqua nota. Per questo, una bobina di riscaldamento è immersa in acqua, attraverso la quale viene passata una corrente.

Materiali

- 1 bicchiere di polistirene

- Multimetro

- Termometro Celsius

- 1 fonte di potenza regolabile, di intervallo 0-12 V

- Bilancia

- Cavi di connessione

- Cronometro

Procedura

La bobina è riscaldata dall'effetto Joule e, quindi, anche dall'acqua. Devi misurare la massa di acqua e la sua temperatura iniziale e determinare a quale temperatura la riscalderemo.

Figura 3. Sperimenta per determinare quanta potenza elettrica si trasforma in calore. Fonte: f. Zapata.

Le letture successive vengono prese ogni minuto, registrando i valori di corrente e tensione. Una volta disponibile la registrazione, l'energia elettrica fornita, attraverso le equazioni:

Q = i².R. Δt (Joule Law)

V = i.R (Legge di Ohm)

E confronta con la quantità di calore assorbita dalla massa di acqua:

Q = m. C_E. Δt (Vedi esercizio risolto 1)

Poiché l'energia viene preservata, entrambe le quantità dovrebbero essere le stesse. Tuttavia, sebbene il polistirene abbia un calore specifico e quasi non assorbi l'energia termica, ci saranno anche alcune perdite verso l'atmosfera. Devi anche prendere in considerazione l'errore sperimentale.

Le perdite per l'atmosfera sono ridotte al minimo se l'acqua viene riscaldata lo stesso numero di gradi al di sopra della temperatura ambiente, che era sotto prima di iniziare con l'esperimento.

In altre parole, se l'acqua era a 10 ºC e la temperatura ambiente era di 22 ºC, allora devi prendere l'acqua fino a 32 ºC.

Riferimenti

1. Kramer, c. 1994. Pratiche di fisica. McGraw Hill. 197.
2. Il setaccio. Joule Effect. Recuperato da: Eltamiz.com.
3. Figueroa, d. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volume 5. Elettrostatica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, d. 2006. Fisica: principi con applicazioni. 6^th. Ed Prentice Hall.
5. Ipertestuale. Qual è l'effetto Joule e perché è diventato qualcosa di trascendentale per le nostre vite. Recuperato da: ipertestuale.com
6. Wikipedia. Joule Effect. Recuperato da: è.Wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule Riscaldamento. Recuperato da: in. Wikipedia.org.