JOULE ETKISI: AÇIKLAMA, ÖRNEKLER, ALIŞTIRMALAR, UYGULAMALAR - FIZIKSEL - 2025

Joule etkisi veya Joule kanunu bir elektrik akımı bir iletkenden geçtiğinde gerçekleşir ısı içine elektrik enerjisinin dönüşümü, sonucudur. Bu etki, çalışması için elektriğe ihtiyaç duyan herhangi bir cihaz veya cihaz açıldığında mevcuttur.

Diğer zamanlarda bu istenmeyen bir durumdur ve bunu en aza indirmeye çalışılır, bu nedenle dahili bileşenlerin arızalanmasına neden olabileceğinden, ısıyı dağıtmak için masaüstü PC'ye fanlar eklenir.

Isı üretmek için Joule etkisini kullanan cihazlar, içinden akım geçtiğinde ısınan, ısıtma elemanı adı verilen bir dirence sahiptir.

açıklama

Joule etkisi, hem bir malzemeyi oluşturan hem de elektrik yükü taşıyan parçacıklarda mikroskobik ölçekte kökenine sahiptir.

Bir maddedeki atomlar ve moleküller, madde içindeki en kararlı konumundadır. Elektrik akımı, pilin pozitif kutbundan gelen düzenli bir elektrik yükleri hareketinden oluşur. Oradan çıktıklarında çok fazla potansiyel enerjileri var.

Yüklü parçacıklar geçerken malzemenin parçacıklarını etkiler ve titremelerine neden olur. Bunlar, daha önce sahip oldukları dengeyi yeniden kazanmaya çalışarak, çevrelerine algılanabilir ısı şeklinde fazla enerji aktarmaya çalışacaklar.

Açığa çıkan ısı Q miktarı, I akımının yoğunluğuna, iletken conduct içinde dolaştığı süreye ve direnç elemanı R'ye bağlıdır:

Yukarıdaki denkleme Joule-Lenz yasası denir.

Örnekler

İki fizikçi, İngiliz James Joule (1818-1889) ve Rus Heinrich Lenz (1804-1865), akım taşıyan bir telin sadece ısındığını değil, aynı zamanda işlem sırasında akımının da düştüğünü bağımsız olarak gözlemlediler.

Daha sonra direnç tarafından dağıtılan ısı miktarının aşağıdakilerle orantılı olduğu tespit edildi:

- Dolaşan akımın yoğunluğunun karesi.

- Akımın iletkenden akmaya devam ettiği zaman.

- Söz konusu iletkenin direnci.

Isı birimleri aynı enerji birimleridir: Joule, J olarak kısaltılır. Joule oldukça küçük bir enerji birimidir, bu nedenle kalori gibi diğerleri sıklıkla kullanılır.

Joule'yi kaloriye dönüştürmek için, başlangıçta verilen denklemin doğrudan kalori olarak ifade edilmesi için 0.24 faktörüyle çarpmanız yeterlidir:

Joule etkisi ve elektrik enerjisi taşınması

Joule etkisi, brülör ve saç kurutma makinesi gibi lokalize ısı üretebilir. Ancak diğer durumlarda, aşağıdaki gibi istenmeyen etkileri vardır:

- İletkenlerdeki çok büyük bir ısınma tehlikeli olabilir, yangınlara ve yanıklara neden olabilir.

- Transistörlü elektronik cihazlar performanslarını düşürür ve çok ısınsalar bile arızalanabilir.

- Elektrik enerjisi taşıyan teller az da olsa ısınmaya maruz kalır ve bu da kayda değer enerji kayıplarına yol açar.

Çünkü santrallerden akım taşıyan kablolar yüzlerce kilometre koşuyor. Taşıdığı enerjinin büyük bir kısmı hedefine ulaşmıyor çünkü yolda boşa gidiyor.

Bundan kaçınmak için iletkenlerin mümkün olan en az dirence sahip olması istenir. Bu, üç önemli faktörden etkilenir: telin uzunluğu, kesit alanı ve yapıldığı malzeme.

En iyi iletkenler metallerdir ve altın, gümüş, platin veya bakır en verimli olanlardır. Kabloların telleri, altın kadar iyi iletmese de çok daha ucuz olan bir metal olan bakır filamentlerden yapılmıştır.

Bir tel ne kadar uzunsa, o kadar fazla dirence sahip olur, ancak onları kalınlaştırarak direnç azalır, çünkü bu, yük taşıyıcılarının hareketini kolaylaştırır.

Yapılabilecek bir diğer şey de akımın şiddetini azaltmak, böylece ısınmayı en aza indirmektir. Transformatörler, yoğunluğu doğru bir şekilde kontrol etmekten sorumludur, bu yüzden elektrik enerjisinin iletiminde çok önemlidirler.

Egzersizler

1. Egzersiz

Bir radyatör, 2000W gücünde olduğunu ve 220 V soketine bağlandığını gösterir. Aşağıdakileri hesaplayın:

a) Radyatörden geçen akımın yoğunluğu

b) Yarım saat sonra dönüşen elektrik enerjisi miktarı

c) Tüm bu enerji, başlangıçta 4 ºC olan 20 litre suyu ısıtmak için harcanırsa, suyun ısıtılabileceği maksimum sıcaklık ne olur?

Çözüm

Güç, birim zamandaki enerji olarak tanımlanır. Başlangıçta verilen denklemde Δt faktörünü sağa aktarırsak, tam olarak birim zaman başına enerjiye sahip oluruz:

Isıtma elemanının direnci Ohm yasası ile bilinebilir: V = IR, bundan I = V / R olduğunu izler Böylece:

Dolayısıyla mevcut sonuçlar:

Çözüm b

Bu durumda Δt = 30 dakika = = 30 x 60 saniye = 1800 saniye. Ohm yasasından temizlenen direncin değeri de gereklidir:

Değerler Joule yasasında ikame edilir:

Çözüm c

Bir miktar suyu belirli bir sıcaklığa yükseltmek için gerekli olan Q ısı miktarı, elde edilmesi gereken özgül ısıya ve sıcaklık değişimine bağlıdır. Şu şekilde hesaplanır:

Burada m su kütlesidir, C _e zaten problem için veri olarak alınan özgül ısıdır ve ΔT sıcaklık değişimidir.

Suyun kütlesi 20 L'dir. Yoğunluk yardımı ile hesaplanır. Suyun yoğunluğu ρ _su kütlenin hacme oranıdır. Ek olarak, litreleri metreküplere çevirmelisiniz:

M = yoğunluk x hacim = ρV olduğundan, kütle.

273.15 K ekleyerek santigrat dereceden kelvin'e gitmenin gerekli olduğuna dikkat edin. Yukarıdakileri ısı denkleminde değiştirin:

Egzersiz 2

a) Güç için ifadeleri ve alternatif bir gerilime bağlı bir direnç için ortalama gücü bulun.

b) 120 V prize bağlı 1000 W gücünde bir saç kurutma makineniz olduğunu varsayalım, ısıtma elemanının direncini ve içinden geçen tepe akımı - maksimum akımı - bulun.

c) Kurutma makinesi 240 V prize bağlandığında ne olur?

Çözüm

Kademe voltajı V = V _o biçiminde _{değişmektedir} . sen ωt. Zaman içinde değişken olduğu için, kök ortalama kareyi temsil eden “rms” alt simge ile gösterilen hem gerilim hem de akımın etkin değerlerini tanımlamak çok önemlidir.

Akım ve voltaj için bu değerler şunlardır:

Ohm yasasını uygularken, zamanın bir fonksiyonu olarak akım şu şekildedir:

Böyle bir durumda, alternatif bir akımla kesişen bir dirençteki güç:

Gücün de zamanla değiştiği ve her şeyin karesi olduğu ve R'nin her zaman> 0 olduğu için pozitif bir miktar olduğu görülüyor. Bu fonksiyonun ortalama değeri bir döngüdeki entegrasyonla hesaplanır ve sonuç:

Etkili voltaj ve akım açısından güç şöyle görünür:

Çözüm b

Verilen verilerle son denklemin uygulanması:

_Ortalama P = 1000 W ve V _rms = 120 V

Bu nedenle, ısıtma elemanından geçen maksimum akım:

Direnç, ortalama güç denkleminden çözülebilir:

P _ortalama = V _rms . Ben _rms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W

Bu, ısıtma elemanının tasarlandığı watt değerinin yaklaşık 4 katıdır ve bu çıkışa takıldıktan kısa bir süre sonra yanacaktır.

Uygulamalar

Akkor ampuller

Akkor ampul, bağladığımızda hemen fark edebileceğimiz ışık ve ısı üretir. Her iki etkiyi de üreten eleman, çok ince bir iletken filamenttir ve bu nedenle yüksek bir dirence sahiptir.

Dirençteki bu artış sayesinde, filamentteki akım azalmış olsa da, Joule etkisi akkor oluşacak kadar yoğunlaşır. 3400ºC'lik yüksek erime noktası nedeniyle tungstenden yapılan filament ışık ve ayrıca ısı yayar.

Cihaz, filamentin bozulmasını önlemek için düşük basınçta argon veya nitrojen gibi inert bir gazla doldurulmuş şeffaf bir cam kap içine alınmalıdır. Bu şekilde yapılmazsa havadaki oksijen filamenti tüketir ve ampul anında çalışmayı durdurur.

Manyeto-termal anahtarlar

Mıknatısların manyetik etkileri yüksek sıcaklıklarda kaybolur. Bu, aşırı olduğunda akımın akışını kesen bir cihaz oluşturmak için kullanılabilir. Bu manyetotermik bir anahtardır.

Akımın içinden geçtiği devrenin bir kısmı, bir yaya bağlı bir mıknatısla kapatılır. Mıknatıs, manyetik çekim sayesinde devreye yapışır ve ısıtılarak zayıflatılmadığı sürece öyle kalır.

Akım belirli bir değeri aştığında, manyetizma zayıflar ve yay mıknatısı ayırarak devrenin açılmasına neden olur. Ve akımın akması için devrenin kapatılması gerektiğinden açılır ve akımın akışı kesilir. Bu, kabloların ısınmasını engeller ve yangın gibi kazalara neden olabilir.

Sigortalar

Bir devreyi korumanın ve akımın akışını zamanında kesmenin bir başka yolu, Joule etkisi ile ısıtıldığında eriyen, devreyi açık bırakan ve akımı kesen bir metal şerit olan bir sigorta kullanmaktır.

Şekil 2. Bir sigorta, bir devre koruyucu elemandır. Metal, aşırı akımdan geçtiğinde erir. Kaynak: Pixabay.

Ohmik ısıtma pastörizasyonu

Doğal olarak elektrik direncine sahip olan gıdalardan elektrik akımı geçirmekten ibarettir. Bunun için antikorozif malzemeden yapılmış elektrotlar kullanılır. Yiyeceklerin sıcaklığı yükselir ve ısı bakterileri yok ederek yiyeceklerin daha uzun süre korunmasına yardımcı olur.

Bu yöntemin avantajı, ısıtmanın geleneksel tekniklerin gerektirdiğinden çok daha kısa sürede gerçekleşmesidir. Uzun süreli ısıtma bakterileri yok eder ama aynı zamanda gerekli vitamin ve mineralleri nötralize eder.

Sadece birkaç saniye süren omik ısıtma, gıdanın besin içeriğini korumaya yardımcı olur.

Deneyler

Aşağıdaki deney, bilinen bir su kütlesi tarafından emilen ısı miktarını ölçerek, termal enerjiye dönüştürülen elektrik enerjisi miktarını ölçmekten ibarettir. Bunu yapmak için, içinden bir akımın geçtiği suya bir ısıtma bobini daldırılır.

malzemeler

- 1 polistiren bardak

- Multimetre

- Santigrat termometre

- 1 ayarlanabilir güç kaynağı, 0-12 V aralığı

- Denge

- Bağlantı kabloları

- Kronometre

süreç

Bobin joule etkisiyle ve dolayısıyla su da ısınır. Suyun kütlesini ve başlangıç ​​sıcaklığını ölçmeli ve onu hangi sıcaklıkta ısıtacağımızı belirlemeliyiz.

Şekil 3. Ne kadar elektrik enerjisinin ısıya dönüştüğünü belirlemek için deney yapın. Kaynak: F. Zapata.

Akım ve gerilim değerleri kaydedilerek her dakika ardışık okumalar alınır. Kayıt mevcut olduğunda, sağlanan elektrik enerjisi aşağıdaki denklemler kullanılarak hesaplanır:

S = I ² .R. Δt (Joule Yasası)

V = IR (Ohm Yasası)

Ve su kütlesi tarafından emilen ısı miktarı ile karşılaştırın:

Q = m. C _e . ΔT (çözülmüş alıştırma 1'e bakın)

Enerji korunduğu için her iki miktar da eşit olmalıdır. Bununla birlikte, polistirenin özgül ısısı düşük olmasına ve neredeyse hiç ısıl enerji absorbe etmemesine rağmen, yine de atmosferde bazı kayıplar olacaktır. Deneysel hata da dikkate alınmalıdır.

Su, deneye başlamadan önce olduğu gibi oda sıcaklığının aynı derece üzerinde ısıtılırsa atmosferdeki kayıplar en aza indirilir.

Diğer bir deyişle, su 10ºC'de ve ortam sıcaklığı 22ºC'de ise suyu 32ºC'ye çıkarmanız gerekir.

Referanslar

1. Kramer, C. 1994. Fizik Uygulamaları. McGraw Hill. 197.
2. Elek. Joule etkisi. Eltamiz.com adresinden kurtarıldı.
3. Figueroa, D. (2005). Seri: Bilim ve Mühendislik için Fizik. Cilt 5. Elektrostatik. Douglas Figueroa (USB) tarafından düzenlendi.
4. Giancoli, D. 2006. Fizik: Uygulamalı Prensipler. 6 ^inci . Ed Prentice Hall.
5. Hypertextual. Joule etkisi nedir ve neden hayatımızda aşkın bir şey haline geldi. Hypertextual.com'dan kurtarıldı
6. Vikipedi. Joule etkisi. Es.wikipedia.org adresinden kurtarıldı.
7. Vikipedi. Joule ısıtma. Kurtarıldığı yer: en. wikipedia.org.