ジュールの法則「アプリケーション-演習」の熱
ジュールは、電流が循環するときに生じる効果を研究しました 指揮者であり、よく知られているジュール法によって確立されています。 電荷が導体を通って移動すると、電子が 衝突して熱を発生します。
ジュール効果を利用して、電気コンロやアイロンなど、この原理で電気エネルギーを熱に変換する複数の家電製品や産業機器が設計されています。
ジュールの法則は、熱によるエネルギー損失を減らすために機器の設計に使用されます。
ジェームズ・ジュールを少し知る：
ジェームズ・プレスコット・ジュール（1818-1889）
彼は、熱力学、エネルギー、電気、および磁気の研究を行った英国の物理学者でした。
彼らはウィリアム・トムソンと一緒に、いわゆるジュール・トムソン効果を発見しました。これにより、現在の冷蔵庫やエアコンの開発の基本原理である外部作業を行わなくても、膨張時にガスを冷却できることが実証されました。 彼はケルビン卿と協力して温度の絶対尺度を開発し、ガスの運動論を説明するのを手伝いました。
エネルギー、熱、仕事の国際単位であるジュールは、彼に敬意を表して名付けられました。 [1]
ジュールの法則
ジュールの法則は何を提案していますか？
電流が要素を流れるとき、エネルギーの一部は熱として放散されます。 ジュールの法則により、要素を循環する電流の結果として要素内で放散される熱の量を決定できます。 図1を参照してください。
ジュールの法則によれば、導体で発生する熱（Q）は、導体の電気抵抗R、導体を流れる電流の2乗、および時間間隔に比例します。 図XNUMXを参照してください。
ジュールの法則の数学的表現
電流が要素を循環するときに要素内で放散される熱は、図3の数式で与えられます。要素を循環する電流の値、その電気抵抗、および時間。 [二]。
要素の熱損失を調べる場合、通常、ジュールではなく「カロリー」の単位で放散される熱として表されます。 図4は、カロリー単位の熱量を決定するための式を示しています。
温暖化はどのように起こりますか？
導体に電流が流れると、導体の原子が導体を通過するときに電荷が衝突します。 これらの衝撃により、エネルギーの一部が熱に変換され、導電性材料の温度が上昇します。 図5を参照してください。
より多くの電流が流れるほど、温度の上昇が大きくなり、より多くの熱が放散されます。 導体を流れる電流によって生成される熱は、導体の抵抗を克服するために電流によって行われる仕事の尺度です。
電荷を移動するには、電圧源が必要です。 電圧源は、より多くの熱を放散するほど、より多くの電力を供給しなければなりません。 生成される熱量を決定することにより、電圧源が供給しなければならないエネルギー量を決定できます。
ジュールの法則の適用
白熱電球のジュール効果
白熱電球は、ガラス球に高融点のタングステンフィラメントを入れることで作られています。 500ºCの温度では、体は赤みがかった光を発し、温度が上がると白に変化します。 電球のフィラメントは、3.000℃に達すると白色光を発します。 アンプルの内部は高真空にされ、フィラメントが燃焼しないように不活性ガスが配置されます。
フィラメントを通過するときに電流によって放出される熱（ジュール効果）により、フィラメントは白熱光が発生するのに必要な温度に達することができます。これは、高温にさらされたときに発光する材料の効果です。 図6を参照してください。
より大きくするために適切な電球を選択することが重要です エネルギー効率。 白熱電球では、エネルギーの最大15％のみが使用され、残りの電気エネルギーは熱で放散されます。 LED電球では、80〜90％が光エネルギーに変換され、熱の形で放散するときに無駄になるのはわずか10％です。 LED電球は、エネルギー効率が高く、電力消費量が少ない、最良の選択肢です。 図7を参照してください。[3]
1エクササイズ
100 W、110 Vの白熱電球の場合、以下を決定します。
a）電球を流れる電流の強さ。
b）XNUMX時間あたりに消費するエネルギー。
解決策：
a）電流：
電力の表現が使用されます：
の記事をご覧ください。 ワットの法則エネルギー
オームの法則により、電球の電気抵抗の値が得られます。
記事をご覧ください オームの法則とその秘密
b）XNUMX時間あたりに消費されるエネルギー
ジュールの法則は、電球で放散される熱の量を決定します
1キロワット時= 3.600.000ジュールの場合、XNUMX時間あたりに消費されるエネルギーは次のようになります。
Q = 0,002 kWh
結果:
i = 0,91 A; Q = 0,002 kWh
ジュール効果-電気エネルギーの伝達と分配
工場で発生する電気エネルギーは、導電性ケーブルで輸送され、家庭、企業、産業で使用されます。 [4]
電流が循環すると、ジュール効果によって熱が放散され、エネルギーの一部が環境に失われます。 電流が大きいほど、放散される熱も大きくなります。 エネルギー損失を回避するために、電流は380kVの低電流および高電圧で輸送されます。 これにより、電気エネルギーの輸送効率が向上します。 変電所および変圧器では、最終的な使用のために110Vおよび220Vの電圧レベルに下げられます25または220ボルト）。 図8を参照してください。
多くの電化製品では、電気アイロン、給湯器、ヒューズ、トースター、電気ストーブなど、電気エネルギーが熱に変換されるジュール効果が使用されます。 図9を参照してください。
2エクササイズ
400Wの電気アイロンを10分間使用します。 アイロンが110Vのコンセントに接続されていることを知って、次のことを決定します。
a）鉄を流れる電流の強さ。
b）鉄によって放散される熱の量.
解決策：
電流
電力の表現が使用されます：
p = vi
オームの法則により、電球の電気抵抗の値が得られます。
熱
ジュールの法則は、プレートで放散される熱の量を決定します。 60分に10秒が含まれる場合、600分= XNUMX秒。
1キロワット時= 3.600.000ジュールの場合、放出される熱は次のようになります。
Q = 0,07 kWh
結論
ジュールの法則によれば、電流が導体を循環するときに発生する熱は、電流の強さのXNUMX乗に抵抗を掛け、電流が循環するのにかかる時間に正比例します。 ジュールに敬意を表して、国際システムのエネルギーの単位は現在「ジュール」と呼ばれています。
多くのデバイスは「ジュール効果」、オーブン、ストーブ、トースター、プレートなどの導体に電流を流すことによって熱を発生させることによって。
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