Die Hitze des Joule'schen Gesetzes "Anwendungen - Übungen"
Joule untersuchte den Effekt, der entsteht, wenn ein elektrischer Strom durchfließt ein Dirigent und so durch das bekannte Joule-Gesetz festgelegt. Während sich die elektrische Ladung durch einen Leiter bewegt, werden die Elektronen kollidieren miteinander und erzeugen Wärme.
Unter Verwendung des Joule-Effekts wurden mehrere Haushaltsgeräte und Industrieanlagen entwickelt, bei denen elektrische Energie nach diesem Prinzip in Wärme umgewandelt wird, z. B. Elektroherde und Bügeleisen.
Das Joule'sche Gesetz wird beim Gerätedesign verwendet, um Energieverluste durch Wärme zu reduzieren.
James Joule ein wenig kennenlernen:
James Prescott Joule (1818–1889)
Er war ein britischer Physiker, der in den Bereichen Thermodynamik, Energie, Elektrizität und Magnetismus forschte.
Gemeinsam mit William Thomson entdeckten sie den sogenannten Joule-Thomson-Effekt, mit dem sie zeigten, dass es möglich ist, ein Gas während seiner Expansion ohne externe Arbeiten zu kühlen, ein Grundprinzip der Entwicklung aktueller Kühlschränke und Klimaanlagen. Er arbeitete mit Lord Kelvin zusammen, um die absolute Temperaturskala zu entwickeln und die kinetische Theorie der Gase zu erklären.
Die internationale Einheit für Energie, Wärme und Arbeit, das Joule, wurde ihm zu Ehren benannt. [1]
Joules Gesetz
Was schlägt Joules Gesetz vor?
Wenn ein elektrischer Strom durch ein Element fließt, wird ein Teil der Energie als Wärme abgeführt. Das Joule'sche Gesetz erlaubt es uns, die Wärmemenge zu bestimmen, die in einem Element aufgrund des elektrischen Stroms, der durch dieses Element zirkuliert, abgeführt wird. Siehe Abbildung 1.
Das Joule'sche Gesetz besagt, dass die in einem Leiter erzeugte Wärme (Q) proportional zu seinem elektrischen Widerstand R, zum Quadrat des durch ihn fließenden Stroms und zum Zeitintervall ist. Siehe Abbildung 2.
Mathematischer Ausdruck des Joule'schen Gesetzes
Die Wärme, die in einem Element abgeführt wird, wenn ein Strom durch das Element zirkuliert, wird durch den mathematischen Ausdruck in Abbildung 3 angegeben. Es ist erforderlich, den Wert des elektrischen Stroms, der durch das Element zirkuliert, seinen elektrischen Widerstand und das Intervall von zu kennen Zeit. [zwei].
Wenn der Wärmeverlust in einem Element untersucht wird, wird er normalerweise als die in der Einheit "Kalorie" anstatt in Joule abgegebene Wärme ausgedrückt. Abbildung 4 zeigt die Formel zur Bestimmung der Wärmemenge in Kalorien.
Wie kommt es zur Erwärmung?
Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, kollidiert die elektrische Ladung mit den Atomen des Leiters, wenn sie sich durch ihn bewegen. Aufgrund dieser Stöße wird ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt, wodurch die Temperatur des leitenden Materials erhöht wird. Siehe Abbildung 5.
Je mehr Strom fließt, desto größer ist der Temperaturanstieg und desto mehr Wärme wird abgeführt. Die Wärme, die durch den durch einen Leiter fließenden elektrischen Strom erzeugt wird, ist ein Maß für die Arbeit, die der Strom bei der Überwindung des Widerstands des Leiters leistet.
Das Bewegen der elektrischen Ladung erfordert eine Spannungsquelle. Die Spannungsquelle muss mehr Strom liefern, je mehr Wärme abgeführt wird. Indem Sie bestimmen, wie viel Wärme erzeugt wird, können Sie bestimmen, wie viel Energie die Spannungsquelle liefern muss.
Joules Gesetzesanträge
Joule-Effekt bei Glühbirnen
Glühbirnen werden hergestellt, indem ein hochschmelzender Wolframfaden in einen Glaskolben eingesetzt wird. Bei einer Temperatur von 500 ºC geben Körper ein rötliches Licht ab, das sich bei steigender Temperatur zu Weiß entwickelt. Das Glühbirnen der Glühbirne gibt bei Erreichen von 3.000 ºC weißes Licht ab. In der Ampulle wird ein Hochvakuum erzeugt und ein Inertgas platziert, damit das Filament nicht brennt.
Die Wärme, die der Strom (Joule-Effekt) beim Durchgang durch das Filament abgibt, ermöglicht es ihm, die Temperatur zu erreichen, die für das Auftreten von Glühlampen erforderlich ist. Dies ist ein Effekt von Materialien, die bei hohen Temperaturen Licht emittieren. Siehe Abbildung 6.
Es ist wichtig, die richtige Glühbirne für die größere zu wählen Energieeffizienz. In Glühlampen werden nur maximal 15% der Energie verbraucht, der Rest der elektrischen Energie wird in Wärme abgeführt. In LED-Lampen werden 80 bis 90% in Lichtenergie umgewandelt, nur 10% werden verschwendet, wenn sie in Form von Wärme abgeführt werden. LED-Lampen sind die beste Option, da sie eine höhere Energieeffizienz und einen geringeren Stromverbrauch aufweisen. Siehe Abbildung 7. [3]
Übung 1
Bestimmen Sie für eine 100 W, 110 V Glühlampe:
a) Die Intensität des durch die Glühbirne fließenden Stroms.
b) Die Energie, die es pro Stunde verbraucht.
Lösung:
a) Elektrischer Strom:
Der Ausdruck elektrischer Energie wird verwendet:
Wir laden Sie ein, den Artikel von zu sehen Watt's Law Energy
Nach dem Ohmschen Gesetz ergibt sich der Wert des elektrischen Widerstands der Glühbirne:
Wir laden Sie ein, den Artikel zu sehen Ohmsches Gesetz und seine Geheimnisse
b) Energieverbrauch pro Stunde
Das Joule'sche Gesetz bestimmt die Wärmemenge, die in der Glühbirne abgeführt wird
Wenn 1 Kilowattstunde = 3.600.000 Joule ist, beträgt der Energieverbrauch pro Stunde:
Q = 0,002 kWh
Folge:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Joule-Effekt - Übertragung und Verteilung elektrischer Energie
Die elektrische Energie, die in einer Anlage erzeugt wird, wird über leitfähige Kabel transportiert, die später in Haushalten, Unternehmen und Industriezweigen verwendet werden. [4]
Während der Strom zirkuliert, wird die Wärme durch den Joule-Effekt abgeführt, wodurch ein Teil der Energie an die Umwelt verloren geht. Je größer der Strom ist, desto größer ist die Wärmeabgabe. Um Energieverluste zu vermeiden, werden Ströme mit niedrigen Strömen und hohen Spannungen von 380 kV transportiert. Dies verbessert die Effizienz beim Transport elektrischer Energie. In Umspannwerken und Transformatoren werden sie für ihre endgültige Verwendung auf Spannungspegel von 110 V und 220 V reduziert (25 oder 220 Volt). Siehe Abbildung 8.
In vielen Geräten wird der Joule-Effekt verwendet, bei dem elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, z. B. in elektrischen Bügeleisen, Warmwasserbereitern, Sicherungen, Toastern und Elektroherden. Siehe Abbildung 9.
Übung 2
Ein 400-W-Bügeleisen wird 10 Minuten lang verwendet. Wenn Sie wissen, dass das Bügeleisen an eine 110-V-Steckdose angeschlossen ist, stellen Sie Folgendes fest:
a) Die Intensität des durch das Eisen fließenden Stroms.
b) Die vom Eisen abgegebene Wärmemenge.
Lösung:
Elektrischer Strom
Der Ausdruck elektrischer Energie wird verwendet:
p = vi
Nach dem Ohmschen Gesetz ergibt sich der Wert des elektrischen Widerstands der Glühbirne:
Wärme
Das Joule'sche Gesetz bestimmt die Wärmemenge, die in der Platte abgeführt wird. Wenn eine Minute 60 Sekunden enthält, sind 10 Minuten = 600 s.
Wenn 1 Kilowattstunde = 3.600.000 Joule ist, ist die freigesetzte Wärme:
Q = 0,07 kWh
Schlussfolgerungen
Das Joule'sche Gesetz besagt, dass die Wärme, die ein elektrischer Strom erzeugt, wenn er durch einen Leiter zirkuliert, direkt proportional zum Quadrat der Intensität des Stroms, multipliziert mit dem Widerstand und der Zeit ist, die der Strom benötigt, um zu zirkulieren. Als Hommage an Joule heißt die Energieeinheit im internationalen System jetzt „Joule“.
Viele Geräte verwenden die “Joule-Effekt”, Indem Wärme erzeugt wird, indem Strom durch einen Leiter geleitet wird, wie z. B. Öfen, Öfen, Toaster, Platten, unter anderem.
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