A Joule-törvény "Alkalmazások - gyakorlatok" hevessége
Joule tanulmányozta azt a hatást, amely akkor jelentkezik, amikor elektromos áram áramlik át karmester, akit a jól ismert Joule-törvény állapított meg. Amint az elektromos töltés egy vezetőn keresztül mozog, az elektronok ütköznek egymással hőt generálva.
A Joule-effektust kihasználva több háztartási készüléket és ipari berendezést terveztek, ahol az elektromos energiát hővé alakítják ezen elv, például elektromos tűzhelyek és vasalók.
Joule törvényét alkalmazzák a berendezés tervezésében, hogy csökkentse a hő által okozott energiaveszteséget.
James Joule megismerése egy kicsit:
James Prescott Joule (1818-1889)
Brit fizikus volt, aki termodinamikával, energiával, elektromossággal és mágnességgel foglalkozott.
William Thomsonnal együtt felfedezték az úgynevezett Joule - Thomson-hatást, amellyel bebizonyították, hogy külső munkák elvégzése nélkül lehetséges a gáz hűtése a terjeszkedés során, ami a jelenlegi hűtőszekrények és légkondicionálók fejlesztésének alapelve. Lord Kelvinnel együtt dolgozott a hőmérséklet abszolút skálájának kidolgozásában, segített elmagyarázni a gázok kinetikai elméletét.
Tiszteletére elnevezték az energia, a hő és a munka nemzetközi egységét, a joule-t. [1]
Joule törvénye
Mit javasol Joule törvénye?
Amikor egy elektromos áram átfolyik egy elemen, az energia egy része hőként eloszlik. Joule törvénye lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk az elemben eloszló hőmennyiséget az azon keresztül keringő elektromos áram eredményeként. Lásd az 1. ábrát.
Joule törvénye kimondja, hogy a vezetőben keletkező hő (Q) arányos annak elektromos ellenállásával, az azon áthaladó áram négyzetével és az időintervallummal. Lásd a 2. ábrát.
Joule törvényének matematikai kifejezése
Az elemben eloszló hőt, amikor áram áramlik át rajta, a 3. ábra matematikai kifejezése adja meg. Ismerni kell az elemen keresztül keringő elektromos áram értékét, elektromos ellenállását és idő. [kettő].
Amikor elemezzük a hőveszteséget, általában azt fejezzük ki, mint a Joule helyett a "kalória" egységben elosztott hő. A 4. ábra a hőmennyiség kalóriában történő meghatározásának képletét mutatja.
Hogyan történik a felmelegedés?
Amikor egy elektromos áram áramlik át egy vezetőn, az elektromos töltés ütközik a vezető atomjaival, amikor azok rajta mozognak. Ezen sokkok miatt az energia egy része hővé alakul, emelve a vezető anyag hőmérsékletét. Lásd az 5. ábrát.
Minél több áram folyik, annál nagyobb a hőmérséklet-növekedés, és annál több hő oszlik el. A vezetőn átáramló elektromos áram által termelt hő az áram által a vezető ellenállásának leküzdésében végzett munka mértéke.
Az elektromos töltés mozgatásához feszültségforrásra van szükség. A feszültségforrásnak több energiát kell szolgáltatnia, minél több hőelvezetés. Meghatározva, hogy mennyi hő termelődik, meghatározhatja, hogy a feszültségforrás mekkora energiát szolgáltasson.
Joule törvényi alkalmazásai
Joule-effektus izzókban
Az izzók úgy készülnek, hogy erősen olvadó volfrámszálakat helyeznek egy üveg izzókba. 500 ºC hőmérsékleten a testek vöröses fényt bocsátanak ki, amely a hőmérséklet növekedésével fehér színűvé válik. Az izzó izzószála, amikor elérte a 3.000 ºC-ot, fehér fényt bocsát ki. Az ampulla belsejében nagy vákuum áll rendelkezésre, és inert gázt helyezünk el, hogy az izzószál ne égjen el.
Az áram által leadott hő (Joule-effektus), amikor áthalad az említett izzószálon, lehetővé teszi, hogy elérje a szükséges hőmérsékletet az izzás megjelenéséhez, amely anyag magas fény hatására fényt bocsát ki. Lásd a 6. ábrát.
Fontos, hogy a nagyobb izzóhoz válassza ki a megfelelő izzót energiahatékonyság. Az izzókban csak az energia legfeljebb 15% -át használják fel, a többi elektromos energia hőben eloszlik. A led izzókban 80-90% fényenergiává alakul át, csak 10% pazarlódik el, ha hő formájában eloszlik. A led izzók a legjobb megoldás, nagyobb energiahatékonysággal és alacsonyabb villamosenergia-fogyasztással. Lásd a 7. ábrát. [3]
1. Feladat
100 W-os, 110 V-os izzólámpához határozza meg:
a) Az izzón átfolyó áram intenzitása.
b) Az óránként elfogyasztott energia.
Megoldás:
a) Elektromos áram:
Az elektromos teljesítmény kifejezést használják:
Meghívjuk Önt a cikk cikkére Watt törvényenergia
Ohmi törvény szerint az izzó elektromos ellenállásának értékét kapjuk:
meghívjuk Önt a cikk megtekintésére Ohm törvénye és titkai
b) óránként elfogyasztott energia
Joule törvénye határozza meg a hőmennyiséget, amely eloszlik az izzóban
Ha 1 kilowattóra = 3.600.000 XNUMX XNUMX joule, az óránként fogyasztott energia:
Q = 0,002 kWh
Eredmény:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
Joule-effektus - Elektromos energia továbbítása és elosztása
Az elektromos energiát, amelyet egy üzemben termelnek, vezetőkábelekkel szállítják, hogy később felhasználhassák otthonokban, vállalkozásokban és az iparban. [4]
Amint az áram kering, a Joule-hatás elvezeti a hőt, elveszítve az energia egy részét a környezetre. Minél nagyobb az áram, annál nagyobb a hőleadás. Az energiaveszteség elkerülése érdekében az áramokat alacsony áramokon és 380 kV magas feszültségeken szállítják. Ez javítja az elektromos energia szállításának hatékonyságát. Az alállomásokban és a transzformátorokban 110 V és 220 V feszültségszintekre csökkentik őket végső felhasználásukhoz25 vagy 220 V). Lásd a 8. ábrát.
Számos készülékben a Joule-effektust alkalmazzák, ahol az elektromos energia hővé alakul, például elektromos vasalókban, vízmelegítőkben, biztosítékokban, kenyérpirítókban, elektromos kályhákban. Lásd a 9. ábrát.
2. Feladat
Egy 400 W-os elektromos vasalót 10 percig használnak. Annak tudatában, hogy a vasaló 110 V-os csatlakozóaljzathoz csatlakozik, határozza meg:
a) A vason átfolyó áram intenzitása.
b) A vas által elvezetett hőmennyiség.
Megoldás:
Elektromos áram
Az elektromos teljesítmény kifejezést használják:
p = vi
Ohmi törvény szerint az izzó elektromos ellenállásának értékét kapjuk:
hőség
Joule törvénye határozza meg a lemezben eloszló hőmennyiséget. Ha egy perc 60 másodpercet tartalmaz, akkor 10 perc = 600 s.
Ha 1 kilowattóra = 3.600.000 XNUMX XNUMX joule, a felszabaduló hő:
Q = 0,07 kWh
Következtetések
Joule-törvény kimondja, hogy az elektromos áram által a vezetőn keresztül keringő hő egyenesen arányos az áram intenzitásának négyzetével, az ellenállás és az áram keringéséhez szükséges idő szorzatával. Joule tiszteletére a nemzetközi rendszer energiaegységét ma Joule-nak hívják.
Számos eszköz használja ajoule hatás”Azáltal, hogy hőt termel az áram áthaladásával egy vezetőn, például sütőkön, kályhákon, kenyérpirítókon, lemezeken.
Meghívjuk Önt, hogy hagyja meg észrevételeit és kérdéseit erről az érdekes témáról.