JOULE EFFECT: PALIWANAG, HALIMBAWA, EHERSISYO, APLIKASYON - PISIKAL - 2025

Ang epekto ng Joule o batas ni Joule ay ang resulta ng pagbabago ng elektrikal na enerhiya sa init, na nagaganap kapag ang isang de-koryenteng kasalukuyang dumaan sa isang conductor. Ang epekto na ito ay naroroon tuwing naka-on ang anumang appliance o aparato na nangangailangan ng koryente upang gumana.

Iba pang mga oras ay hindi kanais-nais at hinahangad na mabawasan ito, kaya't ang mga tagahanga ay idinagdag sa desktop PC upang mawala ang init, dahil maaari itong maging sanhi ng pagkabigo ng mga panloob na sangkap.

Ang mga aparato na gumagamit ng Joule na epekto upang makagawa ng init, ay nasa loob ng isang pagtutol na kumakain kapag ang isang kasalukuyang dumaan dito, na tinatawag na elemento ng pag-init.

Pagpapaliwanag

Ang epekto ng Joule ay nagmula sa isang scale ng mikroskopiko sa mga partikulo, kapwa ang mga bumubuo ng isang materyal at ang mga nagdadala ng singil sa kuryente.

Ang mga atom at molekula sa isang sangkap ay nasa kanilang matatag na posisyon sa loob ng sangkap. Para sa bahagi nito, ang kasalukuyang electric ay binubuo ng isang iniutos na paggalaw ng mga singil ng kuryente, na nagmula sa positibong poste ng baterya. Kapag umalis sila doon marami silang potensyal na enerhiya.

Habang pinapasa nila, ang mga sisingilin na partikulo ay nakakaapekto sa mga materyal at nagiging sanhi ng pag-vibrate sa kanila. Susubukan nitong mabawi ang balanse na nauna nila, na naghahatid ng labis na enerhiya sa kanilang paligid sa anyo ng napapansin na init.

Ang halaga ng init Q na inilabas ay nakasalalay sa tindi ng kasalukuyang ako, ang oras kung saan ito ay umiikot sa loob ng conductor ort at ang resistive na elemento R:

Ang equation sa itaas ay tinatawag na Joule-Lenz law.

Mga halimbawa

Dalawang pisiko, ang British James Joule (1818-1889) at ang Russian Heinrich Lenz (1804-1865) ay nakapag-iisa na napansin na ang isang kasalukuyang nagdadala ng kawad ay hindi lamang naging mainit, ngunit ang kasalukuyang kasalukuyang nabawasan sa panahon ng proseso.

Pagkatapos ito ay itinatag na ang dami ng init na natapon ng paglaban ay proporsyonal sa:

- Ang parisukat ng tindi ng umiikot na kasalukuyang.

- Ang oras na nagsabing kasalukuyang nananatiling dumadaloy sa conductor.

- Ang paglaban ng sinabi ng conductor.

Ang mga yunit ng init ay ang parehong mga yunit ng enerhiya: joules, pinaikling bilang J. Ang joule ay isang medyo maliit na yunit ng enerhiya, kaya ang iba ay madalas na ginagamit, tulad ng mga calories, halimbawa.

Upang ibahin ang anyo ng mga joule sa mga calorie, dumarami lamang ng kadahilanan na 0.24, upang ang equation na ibinigay sa simula ay direktang ipinahayag sa mga calorie:

Joule effect at electric energy transport

Ang epekto ng Joule ay maligayang pagdating upang makabuo ng naisalokal na init, tulad ng mga burner at dry hair. Ngunit sa iba pang mga kaso, mayroon itong mga hindi kanais-nais na epekto, tulad ng:

- Ang isang napakahusay na pag-init sa mga conductor ay maaaring mapanganib, na nagiging sanhi ng mga sunog at pagkasunog.

- Ang mga elektronikong aparato na may mga transistor ay bumababa sa kanilang pagganap at maaaring mabibigo kahit na sobrang init sila.

- Ang mga wire na nagdadala ng de-koryenteng enerhiya ay laging nakakaranas ng pag-init, kahit na bahagyang, na humahantong sa mga kilalang pagkalugi ng enerhiya.

Ito ay dahil ang mga kable na nagdadala ng kasalukuyang mula sa mga power plant ay tumatakbo nang daan-daang kilometro. Ang dami ng enerhiya na dinadala nila ay hindi maabot ang patutunguhan nito, sapagkat nasasayang ito sa daan.

Upang maiwasan ito, hinahangad na ang mga conductor ay may hindi bababa sa posibleng pagtutol. Ito ay naiimpluwensyahan ng tatlong mahalagang mga kadahilanan: ang haba ng kawad, ang cross-sectional area, at ang materyal na ito ay gawa sa.

Ang pinakamahusay na conductor ay mga metal, na may ginto, pilak, platinum o tanso ang ilan sa mga pinaka mahusay. Ang mga wire ng mga cable ay gawa sa mga tanso na tanso, isang metal na, bagaman hindi ito nagsasagawa pati na rin ng ginto, ito ay mas mura.

Ang mas mahaba ang isang wire, ang higit na paglaban nito, ngunit sa pamamagitan ng paggawa ng mga ito ng mas makapal, bumababa ang pagtutol, dahil pinadali nito ang paggalaw ng mga tagadala ng singil.

Ang isa pang bagay na maaaring gawin ay upang bawasan ang intensity ng kasalukuyang, upang ang pag-init ay nabawasan. Ang mga transpormer ay responsable para sa pagkontrol nang tama nang maayos, na ang dahilan kung bakit sila ay napakahalaga sa paghahatid ng enerhiya ng kuryente.

Pagsasanay

Ehersisyo 1

Ang isang radiator ay nagpapahiwatig na mayroon itong lakas ng 2000W at nakakonekta sa socket ng 220 V. Kalkulahin ang sumusunod:

a) Intensity ng kasalukuyang dumadaloy sa radiator

b) Halaga ng elektrikal na enerhiya na nabago matapos ang kalahating oras

c) Kung ang lahat ng enerhiya na ito ay namuhunan sa pag-init ng 20 litro ng tubig, na sa una sa 4 ºC, ano ang magiging maximum na temperatura kung saan maaaring maiinit ang tubig?

Solusyon sa

Ang lakas ay tinukoy bilang enerhiya sa bawat oras ng yunit. Kung sa equation na ibinigay sa simula ay ipinapasa natin ang kadahilanan sa kanan, magkakaroon tayo ng tiyak na enerhiya sa bawat yunit ng oras:

Ang paglaban ng elemento ng pag-init ay maaaring makilala sa pamamagitan ng batas ni Ohm: V = IR, mula sa kung saan sumusunod ito na I = V / R. Kaya:

Kaya ang kasalukuyang mga resulta:

Solusyon b

Sa kasong ito Δt = 30 minuto = = 30 x 60 segundo = 1800 segundo. Kinakailangan din ang halaga ng paglaban, na tinanggal mula sa batas ni Ohm:

Ang mga halaga ay nahalili sa batas ni Joule:

Solusyon c

Ang halaga ng init Q kinakailangan upang taasan ang isang dami ng tubig sa isang tiyak na temperatura ay nakasalalay sa tiyak na init at ang pagkakaiba-iba sa temperatura na kinakailangang makuha. Ito ay kinakalkula ng:

Narito ang masa ng tubig, ang C _e ay ang tukoy na init, na kinuha bilang data para sa problema, at ang ΔT ay ang pagkakaiba-iba sa temperatura.

Ang masa ng tubig ay na sa 20 L. Ito ay kinakalkula sa tulong ng density. Ang density ng tubig ρ _tubig ay ang ratio ng masa sa dami. Bilang karagdagan, kailangan mong i-convert ang litro sa kubiko metro:

Dahil m = density x dami = ρV, ang masa ay.

Tandaan na kinakailangan upang pumunta mula sa degree centigrade hanggang kelvin, pagdaragdag ng 273.15 K. Pagsusulit sa itaas sa equation ng init:

Mag-ehersisyo 2

a) Maghanap ng mga expression para sa lakas at average na kapangyarihan para sa isang pagtutol na konektado sa isang alternating boltahe.

b) Ipagpalagay na mayroon kang isang hair dryer na may 1000W na kapangyarihan na konektado sa 120 V socket, hanapin ang paglaban ng elemento ng pag-init at ang rurok ng kasalukuyang - maximum na kasalukuyang - sa pamamagitan nito.

c) Ano ang mangyayari sa dryer kapag ito ay konektado sa isang 240 V socket?

Solusyon sa

Ang boltahe ng gripo ay alternating, sa form V = V _o . sen ωt. Dahil ito ay variable sa oras, napakahalaga upang tukuyin ang mga epektibong halaga ng parehong boltahe at kasalukuyang, na kung saan ay ipinapahiwatig ng subskripsyong "rms", na nangangahulugan ng root mean square.

Ang mga halagang ito para sa kasalukuyang at boltahe ay:

Kapag inilalapat ang batas ng Ohm, ang kasalukuyang bilang isang function ng oras ay bilang:

Sa ganoong kaso, ang kapangyarihan sa isang risistor na natawid ng isang alternatibong kasalukuyang ay:

Makikita na ang kapangyarihan ay nag-iiba din sa oras, at ito ay isang positibong dami, dahil ang lahat ay parisukat at R ay palaging> 0. Ang ibig sabihin ng halaga ng pagpapaandar na ito ay kinakalkula sa pamamagitan ng pagsasama sa isang ikot at mga resulta:

Sa mga tuntunin ng epektibong boltahe at kasalukuyang, ang kapangyarihan ay ganito:

Solusyon b

Paglalapat ng huling equation sa ibinigay na data:

_{Ibig sabihin} P = 1000 W at V _rms = 120 V

Samakatuwid ang maximum na kasalukuyang sa pamamagitan ng elemento ng pag-init ay:

Ang paglaban ay maaaring malutas mula sa equation ng mean power:

P _{ibig sabihin} = V _rms . Ako _rms = 240 V x 16.7 A ≈ 4000 W

Ito ay humigit-kumulang na 4 na beses na ang wattage na elemento ng pag-init ay idinisenyo para sa, na susunugin sa ilang sandali matapos itong mai-plug sa outlet na ito.

Aplikasyon

Mga maliwanag na bombilya

Ang isang maliwanag na bombilya ng maliwanag na ilaw ay gumagawa ng ilaw at init din, na mapapansin natin kaagad kapag ikinonekta natin ito. Ang elemento na gumagawa ng parehong mga epekto ay isang napaka manipis na filament conductor, na kung saan samakatuwid ay may mataas na pagtutol.

Salamat sa pagtaas ng pagtutol na ito, bagaman ang kasalukuyang ay nabawasan sa filament, ang epekto ng Joule ay puro sa naturang lawak na nangyayari sa incandescence. Ang filament, na gawa sa tungsten dahil sa mataas na punto ng pagtunaw ng 3400 ºC, ay naglalabas ng ilaw at init din.

Ang aparato ay dapat na nakapaloob sa isang transparent na lalagyan ng salamin, na napuno ng isang gas na hindi gumagalaw, tulad ng argon o nitrogen sa mababang presyon, upang maiwasan ang pagkasira ng filament. Kung hindi nagawa sa ganitong paraan, ang oxygen sa hangin ay kumonsumo ng filament at ang bombilya ay tumigil sa pagtatrabaho kaagad.

Magneto-thermal switch

Ang magnetic effects ng mga magnet ay nawala sa mataas na temperatura. Maaari itong magamit upang lumikha ng isang aparato na nakakagambala sa daloy ng kasalukuyang, kapag ito ay labis. Ito ay isang magnetothermic switch.

Ang isang bahagi ng circuit na kung saan ang kasalukuyang daloy ay sarado ng isang magnet na nakakabit sa isang tagsibol. Ang magnet ay dumikit sa circuit salamat sa magnetic atraksyon at nananatiling ganoon, hangga't hindi ito pinanghihina ng pag-init.

Kapag ang kasalukuyang lumampas sa isang tiyak na halaga, ang magnetism ay humihina at ang tagsibol ay humadlang sa magnet, na nagiging sanhi ng pagbukas ng circuit. At dahil ang kasalukuyang pangangailangan ng circuit upang sarado upang dumaloy, bubukas ito at ang daloy ng kasalukuyang ay nagambala. Pinipigilan nito ang mga cable mula sa pagpainit, na maaaring magdulot ng mga aksidente tulad ng sunog.

Mga piyus

Ang isa pang paraan upang maprotektahan ang isang circuit at matakpan ang daloy ng kasalukuyang sa isang napapanahong paraan ay sa pamamagitan ng isang piyus, isang metal strip na, kapag pinainit ng epekto ng Joule, natutunaw, iniiwan ang circuit na nakabukas at nakakagambala sa kasalukuyang.

Larawan 2. Ang isang piyus ay isang elemento ng protektor ng circuit. Natutunaw ang metal kapag pinasa ito ng labis na kasalukuyang. Pinagmulan: Pixabay.

Ohmic heating pasteurization

Binubuo ito ng pagpasa ng isang electric current sa pamamagitan ng pagkain, na natural na may resistensya sa koryente. Para sa mga ito, ginagamit ang mga electrodes na gawa sa anticorrosive material. Ang temperatura ng pagkain ay tumataas at ang init ay sumisira sa bakterya, na tumutulong upang mapanatili ito nang mas mahaba.

Ang bentahe ng pamamaraang ito ay ang pag-init ay nangyayari sa mas kaunting oras kaysa sa hinihiling ng mga maginoo na pamamaraan. Ang matagal na pag-init ay sumisira sa bakterya ngunit neutralisahin din ang mga mahahalagang bitamina at mineral.

Ang pag-init ng Ohmic, na tumatagal ng ilang segundo, ay tumutulong na mapanatili ang nutritional content ng pagkain.

Mga Eksperimento

Ang susunod na eksperimento ay binubuo ng pagsukat ng dami ng de-koryenteng enerhiya na na-convert sa thermal energy sa pamamagitan ng pagsukat sa dami ng init na hinihigop ng isang kilalang masa ng tubig. Upang gawin ito, ang isang coil ng pag-init ay nalubog sa tubig, kung saan ang isang kasalukuyang ipinasa.

materyales

- 1 tasa ng polisterin

- Multimeter

- Celsius thermometer

- 1 nababagay na mapagkukunan ng kapangyarihan, saklaw 0-12 V

- Balanse

- Mga kable ng koneksyon

- Stopwatch

Proseso

Ang coil ay pinapainit ng joule effect at sa gayon ang tubig din. Dapat nating sukatin ang masa ng tubig at ang paunang temperatura nito, at tukuyin kung anong temperatura ang papainitin natin.

Larawan 3. Eksperimento upang matukoy kung magkano ang de-koryenteng enerhiya na nabago sa init. Pinagmulan: F. Zapata.

Ang matagumpay na pagbabasa ay kinukuha bawat minuto, naitala ang kasalukuyang at mga halaga ng boltahe. Kapag magagamit ang talaan, ang elektrikal na enerhiya na ibinibigay ay kinakalkula gamit ang mga equation:

Q = I ² .R. (T (Batas ni Joule)

V = IR (Batas ng Ohm)

At ihambing sa dami ng init na hinihigop ng katawan ng tubig:

Q = m. C _e . ΔT (tingnan ang nalutas na ehersisyo 1)

Yamang pinangalagaan ang enerhiya, ang parehong dami ay dapat na pantay. Gayunpaman, bagaman ang polystyrene ay may mababang tiyak na init at sumisipsip ng halos walang thermal na enerhiya, magkakaroon pa rin ng ilang pagkalugi sa kapaligiran. Ang error sa eksperimento ay dapat ding isaalang-alang.

Ang mga pagkalugi sa kapaligiran ay nabawasan kung ang tubig ay pinainit ng parehong bilang ng mga degree sa itaas ng temperatura ng silid dahil sa ibaba bago simulan ang eksperimento.

Sa madaling salita, kung ang tubig ay nasa 10º C at ang temperatura ng paligid ay 22ºC, pagkatapos ay kailangan mong dalhin ang tubig hanggang sa 32ºC.

Mga Sanggunian

1. Kramer, C. 1994. Mga Kasanayan sa Pisika. McGraw Hill. 197.
2. Ang salaan. Joule effect. Nabawi mula sa: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serye: Physics para sa Science at Engineering. Dami 5. Elektrostiko. Na-edit ni Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Pisika: Mga Prinsipyo na may Aplikasyon. ^Ika- 6 . Ed Prentice Hall.
5. Hypertextual. Ano ang epekto ng Joule at kung bakit ito naging isang bagay na transendental sa ating buhay. Nabawi mula sa: hypertextual.com
6. Wikipedia. Joule effect. Nabawi mula sa: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule pagpainit. Nabawi mula sa: en. wikipedia.org.