De 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 te minimaliseren.Daarom worden ventilatoren aan de desktop-pc toegevoegd om warmte af te voeren, omdat dit het falen van interne componenten kan veroorzaken.
De apparaten die het joule-effect gebruiken om warmte te produceren, hebben binnenin een weerstand die opwarmt wanneer er stroom doorheen gaat, genaamd verwarmingselement.
Artikel index
Het joule-effect vindt zijn oorsprong op microscopische schaal in deeltjes, zowel deeltjes waaruit een materiaal bestaat als deeltjes die elektrische lading dragen.
De atomen en moleculen in een stof bevinden zich op hun meest stabiele positie binnen de stof. De 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, hebben de geladen deeltjes een impact op die van het materiaal en laten ze trillen. Deze zullen proberen het evenwicht te herstellen dat ze voorheen hadden en overtollige energie aan hun omgeving afgeven in de vorm van waarneembare warmte..
De hoeveelheid warmte Q die vrijkomt, is afhankelijk van de intensiteit van de stroom ik, de tijd gedurende welke het in de geleider circuleert Δt en van het weerstandselement R
Q = iktwee.R. Δt (joules)
De bovenstaande vergelijking wordt de wet van Joule-Lenz genoemd.
Twee natuurkundigen, de Brit James Joule (1818-1889) en de Rus Heinrich Lenz (1804-1865) hebben onafhankelijk van elkaar waargenomen 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 gedissipeerd evenredig is met:
- Het kwadraat van de intensiteit van de circulatiestroom.
- De tijd dat deze stroom door de geleider bleef stromen.
- De weerstand van genoemde geleider.
De warmte-eenheden zijn dezelfde energie-eenheden: joules, afgekort als J. De joule is een vrij kleine energie-eenheid, dus vaak worden andere, zoals calorieën, gebruikt..
Om joules om te zetten in calorieën, vermenigvuldigt u eenvoudigweg met de factor 0,24, zodat de vergelijking die aan het begin wordt gegeven, direct wordt uitgedrukt in calorieën:
Q = 0,24. iktwee.R. Δt (calorieën)
Het joule-effect is welkom om plaatselijke warmte te produceren, zoals branders en haardrogers. Maar in andere gevallen heeft het ongewenste effecten, zoals:
- Overmatige verhitting van 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, ervaren altijd een verwarming, zelfs als deze gering is, 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 doorsnede 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, 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 op de juiste manier regelen van de intensiteit, daarom zijn ze zo belangrijk bij de overdracht van elektrische energie.
Een radiator geeft aan dat hij een kracht heeft van 2000W en is verbonden met de 220 V. 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, wat is dan de maximale temperatuur waartoe het water kan worden verwarmd??
Gegevens: de soortelijke warmte van water is Ce = 4180 J / kg.K
Vermogen wordt gedefinieerd als energie per tijdseenheid. Als we in de vergelijking die aan het begin is gegeven, de factor passeren Δt Aan de rechterkant hebben we precies energie per tijdseenheid:
Q = iktwee.R. Δt → P = Q / Δt = iktwee. R
De weerstand van het verwarmingselement is te vinden via de wet van Ohm: V = I.R, waaruit volgt dat Ik = V / R. Dus:
P = iktwee. (V / I) = I. V
Dus de huidige resultaten:
Ik = P / V = 2000 W / 220 V = 9,09 EEN.
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:
R = V / I = 220 V / 9,09 A = 24,2 ohm
De waarden worden vervangen door de wet van Joule:
Q = (9,09 A)twee. 24,2 ohm. 1800 s = 3.600.000 J = 3600 kJ.
De hoeveelheid warmte Q nodig om een hoeveelheid water op een bepaalde temperatuur te brengen, hangt af van de soortelijke warmte en de variatie in temperatuur die moet worden verkregen. Het wordt berekend door:
Q = m. Cen. AT
Hier m is het waterlichaam, Cen is de soortelijke warmte, die al is genomen als gegevens van het probleem en AT is de temperatuurvariatie.
De massa van water is die in 20 L. Het wordt berekend met behulp van dichtheid. De dichtheid van water ρWater is de verhouding tussen massa en volume. Daarnaast moet je liters omrekenen naar kubieke meters:
20 L = 0,02 m3
Wat m = dichtheid x volume = ρV, de massa is.
m = 1000 kg / m3 x 0,02 m3 = 20 kg.
ΔT = eindtemperatuur - begintemperatuur = TF. - 4 ºC = TF. - 277,15 K.
Merk op dat we van graden Celsius naar Kelvin moeten gaan en 273,15 K moeten toevoegen.Vervang het bovenstaande in de warmtevergelijking:
3.600.000 J = 20 kg x 4180 J / kg. K . (T.F. - 277,15)
TF. = 3.600.000 J / (20 kg x 4180 J / kg. K) + 277,15 K = 320,2 K = 47,05 ºC.
a) Zoek uitdrukkingen voor vermogen en het gemiddelde vermogen voor een weerstand die is aangesloten op 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??
De spanning van het stopcontact is wisselend, van de vorm V = Vof. 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 aangegeven met het subscript "rms”, Acroniem voor vierkantswortel.
Deze waarden voor stroom en spanning zijn:
ikrms = 0,707 Iof
V.rms = 0,707 Vof
Door de wet van Ohm toe te passen, is de stroom als functie van de tijd als volgt:
Ik = V / R = Vof. sen ωt / R = Iof. sen ωt
In dit geval is het vermogen in een weerstand die wordt doorkruist door een wisselstroom:
P = iktwee.R = (ikof. sen ωt)twee.R = ikoftwee.R. sentwee ωt
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:
P.voor de helft = ½. ikoftwee.R = ikrmstwee.R
In termen van RMS-spanning en stroom ziet het vermogen er als volgt uit:
P.voor de helft = Vrms. ikrms
ikrms = P.voor de helft / Vrms = P.voor de helft / 0,707 Vof
De laatste vergelijking toepassen met de aangeleverde gegevens:
P.voor de helft = 1000 W en Vrms = 120 V
ikrms = P.voor de helft / Vrms = 1000 W / 120 V = 8,33 EEN
Daarom is de maximale stroom door het verwarmingselement:
ikof = Ikrms /0.707 = 8,33 A / 0,707 = 11,8 A
Weerstand kan worden opgelost met de vergelijking van het gemiddelde vermogen:
P.voor de helft = Ikrmstwee.R → R = Pvoor de helft / Ikrmstwee = 1000 W / (8,33 A)twee = 14,41 ohm.
Bij aansluiting op een 240 V stopcontact verandert het gemiddelde vermogen:
ikrms = Vrms / R = 240 V / 14,41 ohm = 16,7 A
P.voor de helft = Vrms. ikrms = 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.
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.
Door 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 container, die is gevuld met een inert gas, zoals argon of stikstof bij lage druk, om aantasting van het filament te voorkomen. Als dit niet gebeurt, verbruikt de zuurstof in de lucht de gloeidraad en stopt de lamp onmiddellijk met werken..
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 waar de stroom doorheen stroomt, 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..
Een andere manier om een circuit te beschermen en de stroom van stroom tijdig te onderbreken, is door middel van een zekering, een metalen strip die, wanneer verwarmd door het joule-effect, smelt, waardoor het circuit open blijft en de stroom wordt onderbroken..
Het bestaat uit het leiden van een elektrische stroom door voedsel, dat van nature een 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 nodig is. Langdurige verhitting vernietigt bacteriën maar neutraliseert ook essentiële vitamines en mineralen.
Ohmse verwarming, die slechts een paar seconden duurt, helpt de voedingswaarde van voedingsmiddelen te behouden.
Het volgende experiment bestaat uit het meten van de hoeveelheid elektrische energie die wordt omgezet in thermische energie, het meten van de hoeveelheid warmte die wordt geabsorbeerd door een bekende massa water. Om dit te doen, wordt een verwarmingsspiraal ondergedompeld in water, waardoor een stroom wordt geleid.
- 1 piepschuim beker
- Multimeter
- Celsius thermometer
- 1 regelbare voeding, bereik 0-12 V.
- Balans
- Aansluitkabels
- Chronometer
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.
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 = iktwee.R. Δt (De wet van Joule)
V = I.R (De wet van Ohm)
En vergelijk met de hoeveelheid warmte die door het water wordt opgenomen:
Q = m. Cen. AT (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 10 ºC was en de omgevingstemperatuur 22 ºC, dan moet je het water op 32 ºC brengen.
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.