JOULE-EFFECT: UITLEG, VOORBEELDEN, OEFENINGEN, TOEPASSINGEN - FYSIEK - 2026

Het joule-effect of de wet van Joule is het resultaat van de omzetting van elektrische energie in warmte, die plaatsvindt wanneer een elektrische stroom door een geleider gaat. Dit effect is aanwezig wanneer een apparaat of apparaat dat elektriciteit nodig heeft om te functioneren, wordt ingeschakeld.

Andere keren is het ongewenst en wordt ernaar gestreefd het tot een minimum te beperken, daarom worden ventilatoren aan de desktop-pc toegevoegd om warmte af te voeren, aangezien dit het falen van interne componenten kan veroorzaken.

De apparaten die het joule-effect gebruiken om warmte te produceren, hebben van binnen een weerstand die opwarmt als er een stroom doorheen gaat, een verwarmingselement genaamd.

Uitleg

Het joule-effect vindt zijn oorsprong op microscopische schaal in deeltjes, zowel deeltjes waaruit een materiaal bestaat als die welke elektrische lading dragen.

Atomen en moleculen in een stof bevinden zich op hun meest stabiele positie binnen de stof. Elektrische stroom van zijn kant bestaat uit een geordende beweging van elektrische ladingen, die afkomstig zijn van de positieve pool van de batterij. Als ze daar weggaan, hebben ze veel potentiële energie.

Terwijl ze passeren, beïnvloeden de geladen deeltjes die van het materiaal en laten ze trillen. Deze zullen proberen het evenwicht te hervinden dat ze voorheen hadden en overtollige energie aan hun omgeving afgeven in de vorm van waarneembare warmte.

De hoeveelheid afgegeven warmte Q hangt af van de intensiteit van de stroom I, de tijd gedurende welke deze circuleert in de geleider Δt en het weerstandselement R:

De bovenstaande vergelijking wordt de wet van Joule-Lenz genoemd.

Voorbeelden

Twee natuurkundigen, de Brit James Joule (1818-1889) en de Rus Heinrich Lenz (1804-1865) merkten onafhankelijk van elkaar op dat een stroomvoerende draad niet alleen heet werd, maar dat de stroom tijdens het proces afnam.

Toen werd vastgesteld dat de hoeveelheid warmte die door de weerstand wordt afgegeven evenredig is met:

- Het kwadraat van de intensiteit van de circulatiestroom.

- De tijd dat de genoemde stroom door de geleider bleef stromen.

- De weerstand van die dirigent.

De warmte-eenheden zijn dezelfde energie-eenheden: joules, afgekort als J. De joule is een vrij kleine energie-eenheid, daarom worden er vaak andere eenheden gebruikt, zoals bijvoorbeeld calorieën.

Om joules om te zetten in calorieën, vermenigvuldigt u eenvoudig met de factor 0,24, zodat de vergelijking die aan het begin wordt gegeven, direct wordt uitgedrukt in calorieën:

Joule-effect en elektrisch energietransport

Het joule-effect is welkom om plaatselijke warmte te produceren, zoals branders en haardrogers. Maar in andere gevallen heeft het ongewenste effecten, zoals:

- Een zeer grote verhitting in de geleiders kan gevaarlijk zijn en brand en brandwonden veroorzaken.

- Elektronische apparaten met transistors verminderen hun prestaties en kunnen zelfs defect raken als ze te heet worden.

- De draden die elektrische energie vervoeren, ondervinden altijd verwarming, zelfs licht, wat leidt tot opmerkelijke energieverliezen.

Dit komt doordat de kabels die stroom voeren van energiecentrales honderden kilometers lang zijn. Zo veel van de energie die ze vervoeren, bereikt zijn bestemming niet, omdat het onderweg wordt verspild.

Om dit te voorkomen wordt er naar gestreefd dat de geleiders zo min mogelijk weerstand hebben. Dit wordt beïnvloed door drie belangrijke factoren: de lengte van de draad, de dwarsdoorsnede en het materiaal waaruit deze is gemaakt.

De beste geleiders zijn metalen, waarbij goud, zilver, platina of koper tot de meest efficiënte behoren. De draden van de kabels zijn gemaakt van koperen filamenten, een metaal dat, hoewel het niet zo goed geleidt als goud, veel goedkoper is.

Hoe langer een draad is, hoe meer weerstand hij zal hebben, maar door ze dikker te maken, neemt de weerstand af, omdat dit de beweging van de ladingsdragers vergemakkelijkt.

Een ander ding dat kan worden gedaan, is de intensiteit van de stroom verminderen, zodat de verwarming tot een minimum wordt beperkt. Transformatoren zijn verantwoordelijk voor het goed regelen van de intensiteit, daarom zijn ze zo belangrijk bij de overdracht van elektrische energie.

Opdrachten

Oefening 1

Een radiator geeft aan dat deze een vermogen heeft van 2000W en is aangesloten op het 220 V stopcontact. Bereken het volgende:

a) Intensiteit van de stroom die door de radiator stroomt

b) Hoeveelheid elektrische energie die na een half uur is omgezet

c) Als al deze energie wordt geïnvesteerd in het verwarmen van 20 liter water dat aanvankelijk op 4 ºC is, tot welke temperatuur kan het water dan maximaal worden verwarmd?

Oplossing voor

Vermogen wordt gedefinieerd als energie per tijdseenheid. Als we in de vergelijking die aan het begin is gegeven de factor Δt naar rechts doorgeven, hebben we precies energie per tijdseenheid:

De weerstand van het verwarmingselement is bekend via de wet van Ohm: V = IR, waaruit volgt dat I = V / R. Dus:

Dus de huidige resultaten:

Oplossing b

In dit geval Δt = 30 minuten = = 30 x 60 seconden = 1800 seconden. De waarde van de weerstand is ook vereist, wat wordt gewist uit de wet van Ohm:

De waarden worden vervangen door de wet van Joule:

Oplossing c

De hoeveelheid warmte Q die nodig is om een ​​hoeveelheid water op een bepaalde temperatuur te brengen, hangt af van de soortelijke warmte en de variatie in temperatuur die verkregen moet worden. Het wordt berekend door:

Hier is m de massa van water, C _e is de soortelijke warmte, die al wordt gebruikt als gegevens voor het probleem, en ΔT is de variatie in temperatuur.

De massa van water is die in 20 L. Het wordt berekend met behulp van dichtheid. De dichtheid van water ρ _water is de verhouding tussen massa en volume. Daarnaast moet je liters omrekenen naar kubieke meters:

Aangezien m = dichtheid x volume = ρV, is de massa.

Merk op dat we van graden Celsius naar Kelvin moeten gaan en 273,15 K moeten toevoegen.Vervang het bovenstaande in de warmtevergelijking:

Oefening 2

a) Zoek uitdrukkingen voor vermogen en het gemiddelde vermogen voor een weerstand verbonden met een wisselspanning.

b) Stel dat je een föhn hebt met 1000W vermogen aangesloten op het 120 V stopcontact, zoek dan de weerstand van het verwarmingselement en de piekstroom - maximale stroom - erdoorheen.

c) Wat gebeurt er met de droger als deze is aangesloten op een 240 V stopcontact?

Oplossing voor

De aftapspanning is wisselend, in de vorm V = V _o . sen ωt. Omdat het variabel is in de tijd, is het erg belangrijk om de effectieve waarden van zowel spanning als stroom te definiëren, die worden aangeduid met het subscript "rms", wat staat voor root mean square.

Deze waarden voor stroom en spanning zijn:

Bij het toepassen van de wet van Ohm is de stroom als functie van de tijd als volgt:

In dat geval is het vermogen in een weerstand die wordt doorkruist door een wisselstroom:

Het is te zien dat het vermogen ook varieert met de tijd, en dat het een positieve grootheid is, aangezien alles in het kwadraat is en R altijd> 0 is. De gemiddelde waarde van deze functie wordt berekend door integratie in een cyclus en resulteert in:

In termen van effectieve spanning en stroom ziet het vermogen er als volgt uit:

Oplossing b

De laatste vergelijking toepassen met de geleverde gegevens:

_Gemiddelde P = 1000 W en V _rms = 120 V

Daarom is de maximale stroom door het verwarmingselement:

Weerstand kan worden opgelost uit de vergelijking van het gemiddelde vermogen:

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

Dit is ongeveer 4 keer het wattage waarvoor het verwarmingselement is ontworpen, dat zal opbranden kort nadat het op dit stopcontact is aangesloten.

Toepassingen

Gloeilampen

Een gloeilamp produceert licht en ook warmte, wat we direct merken als we hem aansluiten. Het element dat beide effecten produceert, is een zeer dunne geleiderfilament, die daarom een ​​hoge weerstand heeft.

Dankzij deze weerstandstoename is, hoewel de stroom in het filament is afgenomen, het joule-effect zo geconcentreerd dat er gloeiing optreedt. Het filament, gemaakt van wolfraam vanwege het hoge smeltpunt van 3400 ºC, geeft licht en ook warmte af.

Het apparaat moet worden ingesloten in een doorzichtige glazen houder, die is gevuld met een inert gas, zoals argon of stikstof bij lage druk, om aantasting van het filament te voorkomen. Als u dit niet doet, verbruikt de zuurstof in de lucht de gloeidraad en stopt de lamp onmiddellijk met werken.

Magnetothermische schakelaars

De magnetische effecten van magneten verdwijnen bij hoge temperaturen. Dit kan worden gebruikt om een ​​apparaat te maken dat de stroom onderbreekt wanneer deze te hoog is. Dit is een magnetothermische schakelaar.

Een deel van het circuit waardoor de stroom vloeit, wordt gesloten door een magneet die aan een veer is bevestigd. De magneet kleeft dankzij de magnetische aantrekkingskracht aan het circuit en blijft zo, zolang hij niet verzwakt wordt door verhitting.

Wanneer de stroom een ​​bepaalde waarde overschrijdt, verzwakt het magnetisme en maakt de veer de magneet los, waardoor het circuit opengaat. En aangezien de stroom het circuit moet sluiten om te kunnen stromen, gaat het open en wordt de stroom onderbroken. Dit voorkomt dat de kabels warm worden, wat kan leiden tot ongevallen zoals brand.

Zekeringen

Een andere manier om een ​​circuit te beveiligen en de stroom van stroom tijdig te onderbreken, is door middel van een zekering, een strook metaal die bij verhitting door het joule-effect smelt, waardoor het circuit open blijft en de stroom wordt onderbroken.

Figuur 2. Een zekering is een circuitbeveiligingselement. Metaal smelt wanneer het door een te hoge stroom wordt geleid. Bron: Pixabay.

Ohmse verwarming pasteurisatie

Het bestaat uit het leiden van een elektrische stroom door voedsel, dat van nature elektrische weerstand heeft. Hiervoor worden elektroden van corrosiewerend materiaal gebruikt. De temperatuur van het voedsel stijgt en de hitte vernietigt de bacteriën, waardoor het langer bewaard blijft.

Het voordeel van deze methode is dat verwarming in veel minder tijd plaatsvindt dan bij conventionele technieken. Langdurige verhitting vernietigt bacteriën maar neutraliseert ook essentiële vitamines en mineralen.

Ohmse verwarming, die slechts een paar seconden duurt, helpt de voedingswaarde van voedsel te behouden.

Experimenten

Het volgende experiment bestaat uit het meten van de hoeveelheid elektrische energie die wordt omgezet in thermische energie door de hoeveelheid warmte te meten die wordt geabsorbeerd door een bekende massa water. Om dit te doen, wordt een verwarmingsspiraal ondergedompeld in water, waardoor een stroom wordt geleid.

materialen

- 1 beker van polystyreen

- Multimeter

- Celsius thermometer

- 1 instelbare stroombron, bereik 0-12 V

- Balans

- Aansluitkabels

- Stopwatch

Werkwijze

De spoel warmt op door het joule-effect en dus ook het water. We moeten de massa van het water en de begintemperatuur meten en bepalen tot welke temperatuur we het gaan verwarmen.

Figuur 3. Experimenteer om te bepalen hoeveel elektrische energie wordt omgezet in warmte. Bron: F. Zapata.

Elke minuut worden opeenvolgende metingen uitgevoerd, waarbij de stroom- en spanningswaarden worden geregistreerd. Zodra het record beschikbaar is, wordt de geleverde elektrische energie berekend met behulp van de vergelijkingen:

Q = I ² .R. Δt (de wet van Joule)

V = IR (wet van Ohm)

En vergelijk met de hoeveelheid warmte die door het water wordt opgenomen:

Q = m. C _e . ΔT (zie opgeloste oefening 1)

Omdat energie wordt bespaard, moeten beide hoeveelheden gelijk zijn. Hoewel polystyreen een lage soortelijke warmte heeft en bijna geen thermische energie absorbeert, zullen er nog steeds verliezen in de atmosfeer zijn. Er moet ook rekening worden gehouden met de experimentele fout.

Verliezen aan de atmosfeer worden geminimaliseerd als het water hetzelfde aantal graden boven kamertemperatuur wordt verwarmd als onder voordat het experiment werd gestart.

Met andere woorden, als het water 10ºC was en de omgevingstemperatuur 22ºC, dan moet je het water op 32ºC brengen.

Referenties

1. Kramer, C. 1994. Physics Practices. McGraw Hill. 197.
2. De zeef. Joule-effect. Hersteld van: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 5. Elektrostatica. Bewerkt door Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6 ^e . Ed Prentice Hall.
5. Hypertextueel. Wat is het joule-effect en waarom is het iets transcendentaals geworden in ons leven? Hersteld van: hypertextual.com
6. Wikipedia. Joule-effect. Hersteld van: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule verwarming. Hersteld van: en. wikipedia.org.