Penjelasan Efek Joule, Contoh, Latihan, Aplikasi

Dia Efek Joule O Hukum Joule adalah hasil dari transformasi energi panas, yang terjadi ketika arus listrik melalui pengemudi. Efek ini hadir asalkan perangkat atau perangkat apa pun yang membutuhkan listrik untuk bekerja.

Jadi efek joule diamati setiap hari. Terkadang berguna, seperti peralatan rumah dan dapur (pemanas air, pengering rambut, piring, kompor, dll.)

Di lain waktu itu tidak diinginkan dan berupaya meminimalkannya, sehingga PC meja ditambahkan kipas untuk menghilangkan panas, karena dapat menyebabkan kegagalan pada komponen internal.

Perangkat yang menggunakan efek joule untuk menghasilkan panas, memiliki resistensi yang dipanaskan saat dilewatkan, disebut elemen pemanas.

[TOC]

Penjelasan

Efek joule berawal dari skala mikroskopis dalam partikel, baik yang membentuk bahan maupun yang mengangkut muatan listrik.

Atom dan molekul dalam suatu zat berada dalam posisi paling stabil di dalamnya. Untuk bagiannya, arus listrik terdiri dari pergerakan muatan listrik yang tertib, yang berasal dari tiang baterai yang positif. Saat meninggalkan di sana mereka memiliki banyak energi potensial.

Di jalurnya, partikel -partikel yang dimuat berdampak pada material dan menempatkannya untuk bergetar. Ini akan mencoba untuk memulihkan keseimbangan yang mereka miliki sebelumnya, memberikan energi berlebih ke lingkungan mereka dalam bentuk panas yang jelas.

Jumlah panas yang terlepas tergantung pada intensitas arus yo, Waktu yang beredar di dalam pengemudi Δt dan elemen resistif R:

Q = i².R. Δt (joules)

Persamaan sebelumnya disebut Hukum Joule-Lenz.

Contoh

Dua fisikawan, James Joule Inggris (1818-1889) dan Heinrich Lenz Rusia (1804-1865) mengamati, secara independen, bahwa kawat yang mengangkut arus tidak hanya dipanaskan, tetapi arusnya berkurang selama proses.

Kemudian ditetapkan bahwa jumlah panas yang dihilangkan oleh resistensi sebanding dengan:

- Kuadrat intensitas arus arus.

- Waktu arus tetap mengalir oleh pengemudi.

- Perlawanan pengemudi tersebut.

Unit panas adalah unit energi yang sama: joule, disingkat j. Joule adalah unit energi yang cukup kecil, sehingga orang lain seperti kalori biasanya digunakan, misalnya.

Untuk mengubah joule menjadi kalori, itu cukup untuk berkembang biak dengan faktor 0,24, sehingga persamaan yang diberikan pada awalnya, diekspresikan langsung dalam kalori:

Q = 0,24. yo².R. Δt (kalori)

Efek Joule dan Transportasi Tenaga Listrik

Efek joule dipersilakan untuk menghasilkan panas lokal, seperti tanduk dan pengering rambut. Tetapi dalam kasus lain, ia memiliki efek yang tidak diinginkan, seperti:

- Pemanasan pengemudi yang sangat besar bisa berbahaya, menyebabkan kebakaran dan luka bakar.

- Perangkat elektronik dengan transistor mengurangi kinerja mereka dan dapat gagal bahkan jika mereka memanaskan terlalu banyak.

- Kabel yang mengangkut listrik selalu mengalami pemanasan, bahkan jika ringan, yang mengarah pada kehilangan energi yang terkenal.

Itu karena kabel yang mengangkut arus dari pembangkit listrik memiliki ratusan kilometer. Kemudian sebagian besar energi yang mereka bawa tidak mencapai tujuan mereka, karena itu terbuang sia -sia di sepanjang jalan.

Dapat melayani Anda: Magnetisme: sifat magnetik bahan, penggunaan

Untuk menghindari hal ini, pengemudi dicari untuk memiliki resistensi sebanyak mungkin. Tiga faktor penting mempengaruhi ini: panjang kawat, area silang -ectional dan materi yang dibuatnya.

Driver terbaik adalah logam, menjadi emas, perak, platinum atau tembaga beberapa yang paling efisien. Kabel kabel dibuat berdasarkan filamen tembaga, logam yang, meskipun tidak mengemudi serta emas, itu jauh lebih murah.

Semakin lama kawat, semakin besar resistensi, tetapi dengan memproduksinya lebih tebal, resistansi berkurang, karena ini memfasilitasi pergerakan pembawa beban.

Hal lain yang dapat dilakukan adalah mengurangi intensitas arus, sehingga pemanasan diminimalkan. Transformers bertanggung jawab untuk mengendalikan intensitas dengan benar, sehingga sangat penting dalam transmisi listrik.

Latihan

Latihan 1

Radiator menunjukkan bahwa ia memiliki kekuatan 2000w dan terhubung dengan pengambilan 220 v. Hitung yang berikut:

a) Intensitas arus yang bersirkulasi melalui radiator

b) Jumlah energi listrik yang telah diubah setelah setengah jam

c) Jika semua energi ini terbalik dalam pemanasan 20 liter air yang awalnya pada suhu 4 ° C, apa yang akan menjadi suhu maksimum di mana air dapat dipanaskan?

Data: panas air spesifik adalah CE = 4180 J/kg.K

Solusi untuk

Daya didefinisikan sebagai energi per unit waktu. Jika dalam persamaan yang diberikan pada awalnya kita lulus faktor Δt Di sebelah kanan, akan ada energi tepat per unit waktu:

Q = i².R. ΔT → p = q/ δt = i². R

Resistensi elemen pemanas dapat diketahui melalui hukum Ohm: V = i.R, dari mana itu mengikuti itu I = v/r. Karena itu:

P = i². (V/i) = i. V

Jadi arusnya adalah:

I = p / v = 2000 w / 220 v = 9.09 a.

Solusi b

Pada kasus ini Δt = 30 menit = = 30 x 60 detik = 1800 detik. Nilai perlawanan juga diperlukan, yang jelas dari hukum Ohm:

R = V / I = 220 V / 9.09 A = 24.2 ohm

Nilai diganti dalam hukum Joule:

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

Solusi c

Jumlah panas Q diperlukan untuk menaikkan jumlah air pada suhu tertentu tergantung pada panas spesifik dan variasi suhu yang perlu diperoleh. Itu dihitung oleh:

Q = m. C_Dan. Δt

Di Sini M Itu adalah massa air, C_Dan Ini adalah panas spesifik, yang sudah memiliki masalah masalah dan Δt Ini adalah variasi suhu.

Massa air adalah 20 L. Itu dihitung dengan bantuan kepadatan. Kepadatan air ρ_air Itu adalah hasil bagi antara massa dan volume. Selain itu, Anda harus mengubah liter menjadi meter kubik:

20 l = 0.02 m³

Sebagai m = kepadatan x volume = ρv, Adonan itu.

m = 1000 kg/m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

Δt = suhu akhir - suhu awal = t_F - 4 ºC = t_F - 277.15 k

Perhatikan bahwa Anda harus beralih dari derajat Celcius ke Kelvin, menambahkan 273.15 k. Mengganti yang di atas dalam persamaan panas:

3.600.000 j = 20 kg x 4180 j/kg . K . (T_F - 277.limabelas)

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

Latihan 2

a) Temukan ekspresi untuk daya dan daya rata -rata untuk resistansi yang terhubung ke tegangan alternatif.

Dapat melayani Anda: kepadatan yang jelas: formula, unit dan latihan diselesaikan

b) Asumsikan bahwa Anda memiliki pengering rambut dengan daya 1000W yang terhubung ke asupan 120 V, temukan resistansi elemen pemanas dan arus puncak - sudut maksimum - yang melintasi itu.

c) Apa yang terjadi pada pengering saat menghubungkannya ke pengambilan 240 V?

Solusi untuk

Tegangan bidikan adalah alternatif, dari formulir V = V_{salah satu}. SEN ωt. Karena bervariasi dari waktu ke waktu, ini sangat pentingRms”, Akronim untuk Root mean square.

Nilai -nilai ini untuk arus dan tegangan adalah:

yo_Rms = 0.707 i_{salah satu}

V_Rms = 0.707 v_{salah satu}

Saat menerapkan hukum Ohm, arus sebagai fungsi waktu adalah:

I = v/r = v_{salah satu}. sin ΩT /r = i_{salah satu}. sin ΩT

Dalam hal ini, kekuatan dalam resistensi yang dilintasi oleh arus bergantian adalah:

P = i².R = (i_{salah satu}. sin ΩT)².R = i_{salah satu}².R . Sen² ωt

Terlihat bahwa kekuatan juga bervariasi dari waktu ke waktu, dan itu adalah jumlah yang positif, karena semuanya dipotong ke kotak dan r selalu> 0. Nilai rata -rata fungsi ini dihitung dengan integrasi ke dalam siklus dan hasil:

P_setengah = ½. yo_{salah satu}².R = i_Rms².R

Dalam hal tegangan dan arus yang efektif, daya tetap seperti ini:

P_setengah = V_Rms. yo_Rms

yo_Rms = P_setengah / V_Rms = P_setengah / 0.707 v_{salah satu}

Solusi b

Menerapkan persamaan terakhir dengan data yang disediakan:

P_setengah = 1000 w dan v_Rms = 120 v

yo_Rms = P_setengah / V_Rms = 1000 W / 120 V = 8.33 a

Oleh karena itu arus maksimum melalui elemen pemanasan adalah:

yo_{salah satu} = I_Rms /0.707 = 8.33 A/0.707 = 11.8 a

Resistensi dapat dihapus dari persamaan daya rata -rata:

P_setengah = I_Rms².R → r = p_setengah / YO_Rms² = 1000 w / (8.33 a)² = 14.41 ohm.

Solusi c

Dalam hal menghubungkan ke pengambilan 240 V, daya rata -rata berubah:

yo_Rms = V_Rms / R = 240 V / 14.41 ohm = 16.7 a

P_setengah = V_Rms. yo_Rms = 240 V x 16.7 hingga ≈ 4000 w

Ini sekitar 4 kali daya yang dirancang elemen pemanas, yang akan dibakar segera setelah terhubung ke bidikan ini.

Aplikasi

Lampu pijar

Bola lampu pijar menghasilkan cahaya dan juga panas, yang dapat kita perhatikan segera saat menghubungkannya. Elemen yang menghasilkan kedua efek adalah filamen driver yang sangat tipis, itulah sebabnya ia memiliki resistensi tinggi.

Berkat peningkatan resistensi ini, meskipun arus telah menurun dalam filamen, efek Joule terkonsentrasi ke titik yang terjadi pijar. Filamen, terbuat dari tungsten karena memiliki titik leleh tinggi 3400 ºC, memancarkan cahaya dan juga panas.

Perangkat harus dikunci dalam wadah kaca transparan, yang diisi dengan gas inert, seperti argon atau nitrogen bertekanan rendah, untuk menghindari kerusakan filamen. Jika tidak dilakukan dengan cara ini, oksigen udara mengkonsumsi filamen dan bohlam berhenti bekerja pada tindakan tersebut.

Sakelar magneto-teater

Efek magnetik magnet menghilang pada suhu tinggi. Ini dapat digunakan untuk membuat perangkat yang mengganggu bagian arus, saat berlebihan. Ini terdiri dari sakelar magnetothermal.

Bagian dari sirkuit yang melaluinya arus ditutup dengan menggunakan magnet yang tunduk pada dermaga. Magnet menempel ke sirkuit berkat daya tarik magnetik dan dengan demikian tetap, sementara itu tidak melemah karena pemanasan.

Dapat melayani Anda: energi potensial: karakteristik, jenis, perhitungan, dan contoh

Saat arus melebihi nilai tertentu, magnetisme melemah dan dermaga melepas magnet, menyebabkan sirkuit terbuka. Dan karena arus membutuhkan sirkuit untuk ditutup untuk mengalir, ia terbuka dan bagian saat ini terganggu. Dengan cara ini pemanasan kabel yang dapat menyebabkan kecelakaan seperti kebakaran dicegah.

Sekering

Cara lain untuk melindungi sirkuit dan mengganggu tepat waktu, pass saat ini adalah dengan sekering, strip logam yang ketika dipanaskan oleh efek joule, meleleh, meninggalkan sirkuit terbuka dan mengganggu arus arus.

Gambar 2. Sekering adalah elemen pelindung sirkuit. Logam meleleh saat dilintasi oleh arus berlebihan. Sumber: Pixabay.

Pasteurisasi dengan pemanasan ohmik

Ini terdiri dari melewati arus listrik melalui makanan, yang secara alami memiliki ketahanan listrik. Untuk ini, elektroda yang terbuat dari bahan anti korosi digunakan. Suhu makanan meningkat dan panas menghancurkan bakteri, membantu melestarikannya lebih lama.

Keuntungan dari metode ini adalah bahwa pemanasan terjadi dalam waktu yang jauh lebih sedikit daripada yang dibutuhkan melalui teknik konvensional. Pemanasan yang berkepanjangan menghancurkan bakteri tetapi juga menetralkan vitamin dan mineral yang penting.

Pemanasan ohmik, yang berlangsung hanya beberapa detik, membantu menjaga kandungan nutrisi makanan.

Eksperimen

Eksperimen berikut terdiri dalam mengukur jumlah energi listrik yang berubah menjadi energi termal, mengukur jumlah panas yang diserap oleh massa air yang diketahui. Untuk ini, kumparan pemanas terbenam dalam air, yang melaluinya arus dilewatkan.

Bahan

- 1 gelas polystyrene

- Multimeter

- Termometer Celcius

- 1 sumber daya yang dapat disesuaikan, dari kisaran 0-12 V

- Keseimbangan

- Kabel koneksi

- Pencatat waktu

Prosedur

Koil dipanaskan oleh efek joule dan, oleh karena itu, air juga. Anda harus mengukur massa air dan suhu awalnya, dan menentukan suhu berapa kita akan memanaskannya.

Gambar 3. Bereksperimen untuk menentukan berapa banyak daya listrik yang diubah menjadi panas. Sumber: f. Zapata.

Bacaan berturut -turut diambil setiap menit, mendaftarkan nilai arus dan tegangan. Setelah pendaftaran tersedia, energi listrik dipasok, melalui persamaan:

Q = i².R. Δt (Hukum Joule)

V = i.R (Hukum Ohm)

Dan bandingkan dengan jumlah panas yang diserap oleh massa air:

Q = m. C_Dan. Δt (Lihat olahraga diselesaikan 1)

Saat energi dipertahankan, kedua kuantitas harus sama. Namun, meskipun polystyrene memiliki panas spesifik dan hampir tidak menyerap energi termal, juga akan ada beberapa kerugian terhadap atmosfer. Anda juga harus mempertimbangkan kesalahan eksperimental.

Kerugian ke atmosfer diminimalkan jika air dipanaskan jumlah derajat yang sama di atas suhu sekitar, yang di bawah sebelum memulai dengan percobaan.

Dengan kata lain, jika airnya pada 10 ºC dan suhu sekitar 22 ºC, maka Anda harus mengambil air hingga 32 ºC.

Referensi

1. Kramer, c. 1994. Praktik Fisika. Bukit McGraw. 197.
2. Ayakannya. Efek Joule. Pulih dari: eltamiz.com.
3. Figueroa, d. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 5. Elektrostatika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, d. 2006. Fisika: Prinsip dengan aplikasi. 6^th. Ed Prentice Hall.
5. Hipertekstual. Apa efek joule dan mengapa itu menjadi sesuatu yang transendental untuk hidup kita. Dipulihkan dari: hipertekstual.com
6. Wikipedia. Efek Joule. Pulih dari: is.Wikipedia.org.
7. Wikipedia. Pemanasan Joule. Diperoleh dari: di. Wikipedia.org.