JOULE-EFFEKT: ERKLÄRUNG, BEISPIELE, ÜBUNGEN, ANWENDUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Der Joule-Effekt oder das Joule- Gesetz ist das Ergebnis der Umwandlung elektrischer Energie in Wärme, die stattfindet, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt. Dieser Effekt tritt immer dann auf, wenn ein Gerät oder Gerät eingeschaltet wird, das zum Funktionieren Strom benötigt.

In anderen Fällen ist dies unerwünscht und es wird versucht, es zu minimieren. Aus diesem Grund werden dem Desktop-PC Lüfter hinzugefügt, um die Wärme abzuleiten, da dies zum Ausfall der internen Komponenten führen kann.

Geräte, die den Joule-Effekt zur Erzeugung von Wärme verwenden, haben einen Widerstand im Inneren, der sich erwärmt, wenn Strom durch sie fließt, der als Heizelement bezeichnet wird.

Erläuterung

Der Joule-Effekt hat seinen Ursprung im mikroskopischen Maßstab in Partikeln, sowohl solchen, aus denen ein Material besteht, als auch solchen, die elektrische Ladung tragen.

Atome und Moleküle in einer Substanz befinden sich in ihrer stabilsten Position innerhalb der Substanz. Der elektrische Strom besteht seinerseits aus einer geordneten Bewegung elektrischer Ladungen, die vom Pluspol der Batterie kommen. Wenn sie dort rauskommen, haben sie viel potentielle Energie.

Beim Passieren treffen die geladenen Partikel auf die des Materials und lassen sie vibrieren. Diese werden versuchen, das Gleichgewicht wieder herzustellen, das sie zuvor hatten, und überschüssige Energie in Form von wahrnehmbarer Wärme an ihre Umgebung abgeben.

Die freigesetzte Wärmemenge Q hängt von der Intensität des Stroms I, der Zeit, für die er im Leiter Δt zirkuliert, und dem Widerstandselement R ab:

Die obige Gleichung heißt Joule-Lenz-Gesetz.

Beispiele

Zwei Physiker, der Brite James Joule (1818-1889) und der Russe Heinrich Lenz (1804-1865), beobachteten unabhängig voneinander, dass ein stromführender Draht nicht nur heiß wurde, sondern während des Prozesses auch abnahm.

Dann wurde festgestellt, dass die durch den Widerstand abgegebene Wärmemenge proportional ist zu:

- Das Quadrat der Intensität des zirkulierenden Stroms.

- Die Zeit, in der der Strom durch den Leiter floss.

- Der Widerstand des Leiters.

Die Wärmeeinheiten sind die gleichen Energieeinheiten: Joule, abgekürzt als J. Das Joule ist eine ziemlich kleine Energieeinheit, daher werden häufig andere verwendet, wie beispielsweise Kalorien.

Um Joule in Kalorien umzuwandeln, multiplizieren Sie einfach mit dem Faktor 0,24, sodass die am Anfang angegebene Gleichung direkt in Kalorien ausgedrückt wird:

Joule-Effekt und elektrischer Energietransport

Der Joule-Effekt kann lokalisierte Wärme wie Brenner und Haartrockner erzeugen. In anderen Fällen hat es jedoch unerwünschte Auswirkungen, wie z.

- Eine sehr starke Erwärmung der Leiter kann gefährlich sein und Brände und Verbrennungen verursachen.

- Elektronische Geräte mit Transistoren verringern ihre Leistung und können ausfallen, selbst wenn sie zu heiß werden.

- Die Drähte, die elektrische Energie transportieren, werden immer geringfügig erwärmt, was zu erheblichen Energieverlusten führt.

Dies liegt daran, dass die Kabel, die Strom aus Kraftwerken führen, Hunderte von Kilometern lang sind. So viel Energie, die sie transportieren, erreicht ihr Ziel nicht, weil sie unterwegs verschwendet wird.

Um dies zu vermeiden, wird angestrebt, dass die Leiter den geringstmöglichen Widerstand haben. Dies wird von drei wichtigen Faktoren beeinflusst: der Länge des Drahtes, der Querschnittsfläche und dem Material, aus dem er hergestellt ist.

Die besten Leiter sind Metalle, wobei Gold, Silber, Platin oder Kupfer zu den effizientesten zählen. Die Drähte der Kabel bestehen aus Kupferfilamenten, einem Metall, das zwar nicht so gut wie Gold leitet, aber viel billiger ist.

Je länger ein Draht ist, desto mehr Widerstand hat er. Wenn er jedoch dicker wird, nimmt der Widerstand ab, da dies die Bewegung der Ladungsträger erleichtert.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Stromstärke zu verringern, um die Erwärmung zu minimieren. Transformatoren sind für die richtige Steuerung der Intensität verantwortlich, deshalb sind sie für die Übertragung elektrischer Energie so wichtig.

Übungen

Übung 1

Ein Kühler zeigt an, dass er eine Leistung von 2000 W hat und an die 220-V-Steckdose angeschlossen ist. Berechnen Sie Folgendes:

a) Intensität des durch den Kühler fließenden Stroms

b) Menge an elektrischer Energie, die nach einer halben Stunde umgewandelt wurde

c) Wenn all diese Energie in die Erwärmung von 20 Litern Wasser investiert wird, die anfänglich 4 ºC haben, auf welche maximale Temperatur kann das Wasser erwärmt werden?

Lösung für

Leistung ist definiert als Energie pro Zeiteinheit. Wenn wir in der zu Beginn angegebenen Gleichung den Faktor Δt nach rechts übergeben, haben wir genau Energie pro Zeiteinheit:

Der Widerstand des Heizelements kann durch das Ohmsche Gesetz bekannt sein: V = IR, woraus folgt, dass I = V / R. So:

Somit sind die aktuellen Ergebnisse:

Lösung b

In diesem Fall ist Δt = 30 Minuten = = 30 x 60 Sekunden = 1800 Sekunden. Der Wert des Widerstands ist ebenfalls erforderlich, was aus dem Ohmschen Gesetz hervorgeht:

Die Werte werden im Joule'schen Gesetz ersetzt:

Lösung c

Die Wärmemenge Q, die erforderlich ist, um eine Wassermenge auf eine bestimmte Temperatur anzuheben, hängt von der spezifischen Wärme und der Temperaturschwankung ab, die erhalten werden muss. Es wird berechnet durch:

Hier ist m die Wassermasse, C _e ist die spezifische Wärme, die bereits als Daten für das Problem verwendet wird, und ΔT ist die Temperaturänderung.

Die Wassermasse ist die in 20 L. Sie wird mit Hilfe der Dichte berechnet. Die Dichte von Wasser ρ _Wasser ist das Verhältnis von Masse zu Volumen. Außerdem müssen Sie Liter in Kubikmeter umrechnen:

Da m = Dichte x Volumen = ρV ist, ist die Masse.

Beachten Sie, dass wir von Grad Celsius zu Kelvin gehen müssen und 273,15 K addieren müssen. Ersetzen Sie das Obige in der Wärmegleichung:

Übung 2

a) Finden Sie Ausdrücke für Leistung und die durchschnittliche Leistung für einen Widerstand, der an eine Wechselspannung angeschlossen ist.

b) Angenommen, Sie haben einen Haartrockner mit 1000 W Leistung an die 120-V-Steckdose angeschlossen, ermitteln Sie den Widerstand des Heizelements und den Spitzenstrom - den maximalen Strom - durch ihn.

c) Was passiert mit dem Trockner, wenn er an eine 240-V-Steckdose angeschlossen ist?

Lösung für

Die Abgriffspannung wechselt in der Form V = V _o . sen ωt. Da es zeitlich variabel ist, ist es sehr wichtig, die effektiven Werte von Spannung und Strom zu definieren, die durch den Index „rms“ bezeichnet werden, der für Root Mean Square steht.

Diese Werte für Strom und Spannung sind:

Bei Anwendung des Ohmschen Gesetzes ist der Strom als Funktion der Zeit wie folgt:

In einem solchen Fall beträgt die Leistung in einem Widerstand, der von einem Wechselstrom durchquert wird:

Es ist ersichtlich, dass die Leistung auch mit der Zeit variiert und dass es sich um eine positive Größe handelt, da alles quadratisch ist und R immer> 0 ist. Der Mittelwert dieser Funktion wird durch Integration in einen Zyklus berechnet und ergibt:

In Bezug auf effektive Spannung und Strom sieht die Leistung folgendermaßen aus:

Lösung b

Anwenden der letzten Gleichung mit den angegebenen Daten:

_Mittelwert P = 1000 W und V _rms = 120 V.

Daher beträgt der maximale Strom durch das Heizelement:

Der Widerstand kann aus der Gleichung der mittleren Leistung gelöst werden:

P _Mittelwert = V _rms . I _rms = 240 V · 16,7 A · 4000 W.

Dies ist ungefähr das Vierfache der Leistung, für die das Heizelement ausgelegt ist, die kurz nach dem Anschließen an diese Steckdose durchbrennt.

Anwendungen

Glühlampen

Eine Glühbirne erzeugt Licht und auch Wärme, die wir sofort bemerken, wenn wir sie anschließen. Das Element, das beide Effekte erzeugt, ist ein sehr dünner Leiterfaden, der daher einen hohen Widerstand aufweist.

Dank dieser Erhöhung des Widerstands konzentriert sich der Joule-Effekt so stark, dass eine Glühbirne auftritt, obwohl der Strom im Filament abgenommen hat. Das Filament aus Wolfram gibt aufgrund seines hohen Schmelzpunktes von 3400 ºC Licht und auch Wärme ab.

Das Gerät sollte in einem transparenten Glasbehälter eingeschlossen sein, der mit einem Inertgas wie Argon oder Stickstoff bei niedrigem Druck gefüllt ist, um eine Verschlechterung des Filaments zu vermeiden. Wenn dies nicht auf diese Weise erfolgt, verbraucht der Luftsauerstoff das Filament und die Glühbirne funktioniert sofort nicht mehr.

Magneto-thermische Schalter

Die magnetischen Effekte von Magneten verschwinden bei hohen Temperaturen. Dies kann verwendet werden, um ein Gerät zu erstellen, das den Stromfluss unterbricht, wenn er übermäßig hoch ist. Dies ist ein magnetothermischer Schalter.

Ein Teil des Stromkreises, durch den der Strom fließt, wird durch einen an einer Feder angebrachten Magneten geschlossen. Der Magnet haftet dank der magnetischen Anziehung am Stromkreis und bleibt dies auch, solange er nicht durch Erhitzen geschwächt wird.

Wenn der Strom einen bestimmten Wert überschreitet, schwächt sich der Magnetismus ab und die Feder löst den Magneten, wodurch der Stromkreis geöffnet wird. Und da der Strom den Stromkreis schließen muss, um fließen zu können, öffnet er sich und der Stromfluss wird unterbrochen. Dies verhindert, dass sich die Kabel erwärmen, was zu Unfällen wie Bränden führen kann.

Sicherungen

Eine andere Möglichkeit, einen Stromkreis zu schützen und den Stromfluss rechtzeitig zu unterbrechen, ist eine Sicherung, ein Metallstreifen, der beim Erhitzen durch den Joule-Effekt schmilzt, den Stromkreis offen lässt und den Strom unterbricht.

Abbildung 2. Eine Sicherung ist ein Schaltungsschutzelement. Metall schmilzt, wenn es von übermäßigem Strom durchflossen wird. Quelle: Pixabay.

Ohmsche Heizpasteurisierung

Es besteht darin, einen elektrischen Strom durch Lebensmittel zu leiten, die natürlich einen elektrischen Widerstand haben. Hierzu werden Elektroden aus Korrosionsschutz verwendet. Die Temperatur der Lebensmittel steigt und die Hitze zerstört die Bakterien, wodurch sie länger konserviert werden.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Erhitzen in viel kürzerer Zeit als bei herkömmlichen Techniken erforderlich ist. Längeres Erhitzen zerstört Bakterien, neutralisiert aber auch essentielle Vitamine und Mineralien.

Die ohmsche Erwärmung, die nur wenige Sekunden dauert, trägt dazu bei, den Nährstoffgehalt von Lebensmitteln zu erhalten.

Experimente

Das nächste Experiment besteht aus der Messung der Menge an elektrischer Energie, die in Wärmeenergie umgewandelt wird, durch Messung der Wärmemenge, die von einer bekannten Wassermasse absorbiert wird. Dazu wird eine Heizschlange in Wasser getaucht, durch das ein Strom fließt.

Materialien

- 1 Styroporbecher

- Multimeter

- Celsius-Thermometer

- 1 einstellbare Stromquelle, Bereich 0-12 V.

- Balance

- Verbindungskabel

- Stoppuhr

Prozess

Die Spule erwärmt sich durch den Joule-Effekt und damit auch das Wasser. Wir müssen die Masse des Wassers und seine Anfangstemperatur messen und bestimmen, auf welche Temperatur wir es erwärmen werden.

Abbildung 3. Experimentieren Sie, um festzustellen, wie viel elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Quelle: F. Zapata.

Jede Minute werden aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt, wobei die Strom- und Spannungswerte aufgezeichnet werden. Sobald die Aufzeichnung verfügbar ist, wird die zugeführte elektrische Energie unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet:

Q = I ² .R. Δt (Joule'sches Gesetz)

V = IR (Ohmsches Gesetz)

Und vergleichen Sie mit der Wärmemenge, die vom Gewässer aufgenommen wird:

Q = m. C _e . ΔT (siehe gelöste Übung 1)

Da Energie gespart wird, sollten beide Größen gleich sein. Obwohl Polystyrol eine geringe spezifische Wärme aufweist und fast keine Wärmeenergie absorbiert, treten dennoch einige Verluste für die Atmosphäre auf. Der experimentelle Fehler muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Verluste an die Atmosphäre werden minimiert, wenn das Wasser vor Beginn des Experiments um die gleiche Gradzahl über Raumtemperatur erhitzt wird wie unten.

Mit anderen Worten, wenn das Wasser 10 ° C und die Umgebungstemperatur 22 ° C hatte, müssen Sie das Wasser auf 32 ° C bringen.

Verweise

1. Kramer, C. 1994. Physikpraktiken. McGraw Hill. 197.
2. Das Sieb. Joule-Effekt. Wiederhergestellt von: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Reihe: Physik für Wissenschaft und Technik. Band 5. Elektrostatik. Herausgegeben von Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Physik: Prinzipien mit Anwendungen. 6 ^th . Ed Prentice Hall.
5. Hypertextuell. Was ist der Joule-Effekt und warum ist er in unserem Leben zu etwas Transzendentalem geworden? Wiederhergestellt von: hypertextual.com
6. Wikipedia. Joule-Effekt. Wiederhergestellt von: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule Heizung. Wiederhergestellt von: en. wikipedia.org.