החום של חוק ג'ול "יישומים - תרגילים"
ג'ול בחן את ההשפעה שנוצרה כאשר זרם חשמלי מסתובב מנצח וכך הוקם על ידי חוק ג'ול הידוע. כאשר המטען החשמלי נע דרך מוליך, האלקטרונים מתנגשים זה בזה ויוצרים חום.
תוך שימוש באפקט הג'ול, תוכננו מכשירי חשמל ביתיים מרובים וציוד תעשייתי, שבו אנרגיה חשמלית מומרת לחום על ידי עיקרון זה, כמו תנורים חשמליים ומגהצים.
חוק ג'ול משמש בתכנון ציוד להפחתת הפסדי אנרגיה באמצעות חום.
היכרות מעט עם ג'יימס ג'ול:
ג'יימס פרסקוט ג'ול (1818-1889)
הוא היה פיזיקאי בריטי שערך מחקר בתרמודינמיקה, אנרגיה, חשמל ומגנטיות.
יחד עם וויליאם תומסון הם גילו את מה שמכונה ג'ול - תומסון באמצעותו הם הוכיחו שאפשר לקרר גז בעת הרחבה מבלי לבצע עבודה חיצונית, עיקרון בסיסי לפיתוח מקררים ומזגנים עכשוויים. הוא עבד עם לורד קלווין בפיתוח סולם הטמפרטורה המוחלט, עזר להסביר את התיאוריה הקינטית של גזים.
היחידה הבינלאומית של אנרגיה, חום ועבודה, הג'ול, נקראה לכבודו. [1]
החוק של ג'ול
מה מציע חוק ג'ול?
כאשר זרם חשמלי זורם דרך אלמנט, חלק מהאנרגיה מתפזרת כחום. חוק ג'ול מאפשר לנו לקבוע את כמות החום המופצת באלמנט, כתוצאה מהזרם החשמלי שמסתובב דרכו. ראה איור 1.
חוק ג'ול קובע כי החום (Q) שנוצר במוליך הוא פרופורציונאלי להתנגדותו החשמלית R, לריבוע הזרם שעובר בו ולמרווח הזמן. ראה איור 2.
ביטוי מתמטי לחוק ג'ול
החום שמתפזר באלמנט, כאשר זרם מסתובב דרכו, ניתן על ידי הביטוי המתמטי באיור 3. נדרש לדעת את ערך הזרם החשמלי שמסתובב דרך האלמנט, את התנגדותו החשמלית ואת מרווח הזמן של זְמַן. [שתיים].
כאשר בוחנים את אובדן החום באלמנט, הוא מתבטא בדרך כלל כחום המפוזר ביחידה "קלוריות" במקום בג'ול. איור 4 מציג את הנוסחה לקביעת כמות החום בקלוריות.
איך מתחממת התחממות?
כאשר זרם חשמלי זורם דרך מוליך, המטען החשמלי מתנגש באטומי המוליך כאשר הם נעים דרכו. בשל זעזועים אלה, חלק מהאנרגיה מומרת לחום, מה שמגדיל את הטמפרטורה של החומר המוליך. ראה איור 5.
ככל שזורם יותר זרם, כך גדלה העלייה בטמפרטורה, וככל שמפזר יותר חום. החום המיוצר על ידי הזרם החשמלי הזורם דרך מוליך הוא מדד לעבודה שעושה הזרם בהתגברות על התנגדות המוליך.
העברת המטען החשמלי מחייבת מקור מתח. מקור המתח חייב לספק יותר כוח ככל שמתפזר יותר חום. על ידי קביעת כמות החום המיוצר, אתה יכול לקבוע כמה אנרגיה על מקור המתח לספק.
בקשות החוק של ג'ול
אפקט ג'ול בנורות ליבון
נורות ליבון מיוצרות על ידי הנחת נימה טונגסטן הממיסה גבוהה בנורת זכוכית. בטמפרטורה של 500 מעלות צלזיוס, גופים פולטים אור אדמדם, שמתפתח לבן אם הטמפרטורה עולה. חוט הנורה, כשהוא מגיע ל -3.000 מעלות צלזיוס, פולט אור לבן. בתוך האמפולה נוצר ואקום גבוה ומניחים גז אינרטי כדי שהנימה לא תישרף.
החום שמפיץ הזרם (אפקט הג'ול) בזמן שהוא עובר דרך הלהט האמור מאפשר לו להגיע לטמפרטורה הדרושה להתרחשות ליבון, השפעה של חומרים לפלוט אור כאשר הם נתונים לטמפרטורות גבוהות. ראה איור 6.
חשוב לבחור את הנורה המתאימה יותר יעילות אנרגטית. בנורות ליבון משתמשים רק ב- 15% מהאנרגיה, שאר האנרגיה החשמלית מתפזרת בחום. בנורות לד 80-90% הופכות לאנרגיית אור, רק 10% מבוזבזים כאשר הם מתפזרים בצורה של חום. נורות לד הן האפשרות הטובה ביותר, בעלות יעילות אנרגטית גבוהה יותר וצריכת חשמל נמוכה יותר. ראה איור 7. [3]
תרגיל 1
עבור נורת ליבון של 100 ואט, 110 וו, קבעו:
א) עוצמת הזרם הזורם דרך הנורה.
ב) האנרגיה שהיא צורכת לשעה.
פתרון:
א) זרם חשמלי:
משתמשים בביטוי כוח חשמלי:
אנו מזמינים אתכם לראות את המאמר של חוק האנרגיה של וואט
על פי חוק אוהם מתקבל ערך ההתנגדות החשמלית של הנורה:
אנו מזמינים אתכם לראות את המאמר החוק של אוהם וסודותיו
ב) צריכת אנרגיה לשעה
חוק ג'ול קובע את כמות החום שמפוזרת בנורה
אם קילוואט שעה = 1 ג'ול, האנרגיה הנצרכת לשעה היא:
ש = 0,002 קוט"ש
תוצאה:
i = 0,91 A; ש = 0,002 קוט"ש
אפקט ג'ול - העברה והפצה של אנרגיה חשמלית
האנרגיה החשמלית, שנוצרת במפעל, מועברת באמצעות כבלים מוליכים לשימוש מאוחר יותר בבתים, עסקים ותעשיות. [4]
ככל שהזרם מסתובב, החום מתפזר על ידי אפקט הג'ול, ומאבד חלק מהאנרגיה לסביבה. ככל שהזרם גדול יותר, כך החום שמתפזר גדול יותר. כדי למנוע אובדן אנרגיה, זרמים מועברים בזרמים נמוכים ומתחים גבוהים של 380 קילו וולט. זה משפר את היעילות בהובלת אנרגיה חשמלית. בתחנות משנה ובשנאים הם מצטמצמים לרמות מתח ב -110 וולט וב 220 וולט לשימושם הסופי 25 או 220 וולט). ראה איור 8.
במכשירים רבים משתמשים באפקט הג'ול, בו אנרגיה חשמלית הופכת לחום, כמו למשל במגהצים חשמליים, מחממי מים, נתיכים, טוסטרס, כיריים חשמליות. ראה איור 9.
תרגיל 2
נעשה שימוש במגהץ חשמלי 400W למשך 10 דקות. בידיעה שהמגהץ מחובר לשקע חשמל 110 וולט, קבע:
א) עוצמת הזרם הזורם דרך הברזל.
ב) כמות החום שמפזרת המגהץ.
פתרון:
זרם חשמלי
משתמשים בביטוי כוח חשמלי:
p = vi
על פי חוק אוהם מתקבל ערך ההתנגדות החשמלית של הנורה:
מחממים
חוק ג'ול קובע את כמות החום המופצת בצלחת. אם דקה מכילה 60 שניות, אז 10 דקות = 600 שניות.
אם קילוואט שעה = 1 ג'ול, החום המשתחרר הוא:
ש = 0,07 קוט"ש
מסקנות
חוק ג'ול קובע כי החום שמייצר זרם חשמלי כאשר הוא מסתובב דרך מוליך הוא פרופורציונלי ישיר לריבוע עוצמת הזרם, כפול ההתנגדות והזמן שלוקח לזרם להסתובב. כמחווה לג'ול מכונה כיום יחידת האנרגיה במערכת הבינלאומית "ג'ולה".
מכשירים רבים משתמשים בתווית "אפקט ג'ול", על ידי הפקת חום על ידי העברת זרם דרך מוליך, כגון תנורים, תנורים, טוסטר, צלחות, בין היתר.
אנו מזמינים אתכם להשאיר את הערותיכם ושאלותיכם בנושא מעניין זה.