Пекло закона Джоуля «Приложения - упражнения»
Джоуль изучал эффект, возникающий при прохождении электрического тока через дирижер и так установлен известный закон Джоуля. Когда электрический заряд движется по проводнику, электроны сталкиваются друг с другом, выделяя тепло.
Используя эффект Джоуля, было разработано множество бытовых приборов и промышленного оборудования, в которых электрическая энергия преобразуется в тепло по этому принципу, например, электрические плиты и утюги.
Закон Джоуля используется при проектировании оборудования для снижения потерь энергии за счет тепла.
Немного узнаем Джеймса Джоуля:
Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889)
Он был британским физиком, проводившим исследования в области термодинамики, энергетики, электричества и магнетизма.
Вместе с Уильямом Томсоном они открыли так называемый эффект Джоуля-Томсона, с помощью которого они продемонстрировали, что можно охладить газ при расширении без выполнения внешней работы, что является основным принципом развития современных холодильников и кондиционеров. Он работал с лордом Кельвином, чтобы разработать абсолютную шкалу температуры, помог объяснить кинетическую теорию газов.
В его честь была названа международная единица энергии, тепла и работы - джоуль. [1]
Закон Джоуля
Что предлагает закон Джоуля?
Когда через элемент протекает электрический ток, часть энергии рассеивается в виде тепла. Закон Джоуля позволяет нам определить количество тепла, которое рассеивается в элементе в результате электрического тока, который циркулирует в нем. См. Рисунок 1.
Закон Джоуля гласит, что тепло (Q), которое генерируется в проводнике, пропорционально его электрическому сопротивлению R, квадрату тока, который проходит через него, и временному интервалу. См. Рисунок 2.
Математическое выражение закона Джоуля
Тепло, которое рассеивается в элементе при прохождении через него тока, дается математическим выражением на рисунке 3. Требуется знать значение электрического тока, циркулирующего через элемент, его электрическое сопротивление и интервал между время. [два].
Изучая потери тепла в элементе, они обычно выражаются как рассеиваемое тепло в единицах «калории», а не в джоулях. На рисунке 4 показана формула для определения количества тепла в калориях.
Как происходит потепление?
Когда электрический ток течет через проводник, электрический заряд сталкивается с атомами проводника, когда они движутся через него. Из-за этих ударов часть энергии преобразуется в тепло, повышая температуру проводящего материала. См. Рисунок 5.
Чем больше протекает ток, тем сильнее повышается температура и тем больше рассеивается тепла. Тепло, производимое электрическим током, протекающим по проводнику, является мерой работы, совершаемой током по преодолению сопротивления проводника.
Для перемещения электрического заряда требуется источник напряжения. Источник напряжения должен обеспечивать большую мощность, чем больше рассеивается тепла. Определив, сколько тепла вырабатывается, вы можете определить, сколько энергии должен подавать источник напряжения.
Приложения закона Джоуля
Эффект Джоуля в лампах накаливания
Лампы накаливания изготавливаются путем помещения в стеклянную колбу вольфрамовой нити с высокой температурой плавления. При температуре 500 ºC тела излучают красноватый свет, который превращается в белый при повышении температуры. Нить накала лампы при достижении 3.000 ºC излучает белый свет. Внутри ампулы создается высокий вакуум и помещается инертный газ, чтобы нить не горела.
Тепло, выделяемое током (эффект Джоуля) при прохождении через указанную нить накала, позволяет ей достичь температуры, необходимой для возникновения накала, эффекта материалов, излучающих свет при воздействии высоких температур. См. Рисунок 6.
Важно правильно выбрать лампу для большего Энергоэффективность. В лампах накаливания используется максимум 15% энергии, остальная электрическая энергия рассеивается в виде тепла. В светодиодных лампах от 80 до 90% преобразуется в световую энергию, только 10% теряется при рассеивании в виде тепла. Светодиодные лампы - лучший вариант, обладающий большей энергоэффективностью и меньшим потреблением электроэнергии. См. Рисунок 7. [3]
упражнения 1
Для лампы накаливания 100 Вт, 110 В определите:
а) Сила тока, протекающего через лампочку.
б) Энергия, которую он потребляет в час.
решение:
а) Электрический ток:
Используется выражение электрическая мощность:
Приглашаем вас ознакомиться со статьей Закон Ватта Энергия
По закону Ома получается значение электрического сопротивления лампочки:
мы приглашаем вас посмотреть статью Закон Ома и его секреты
б) Энергия, потребляемая в час
Закон Джоуля определяет количество тепла, рассеиваемого в лампе.
Если 1 киловатт-час = 3.600.000 джоулей, энергия, потребляемая в час, составляет:
Q = 0,002 кВтч
Результат:
i = 0,91 А; Q = 0,002 кВтч
Эффект Джоуля - Передача и распределение электрической энергии
Электроэнергия, которая вырабатывается на заводе, транспортируется по токопроводящим кабелям для последующего использования в домах, на предприятиях и в промышленности. [4]
По мере того, как ток циркулирует, тепло рассеивается за счет эффекта Джоуля, теряя часть энергии в окружающую среду. Чем больше ток, тем больше тепла рассеивается. Чтобы избежать потерь энергии, токи переносятся при малых токах и высоких напряжениях 380 кВ. Это повышает эффективность транспортировки электроэнергии. На подстанциях и трансформаторах они уменьшаются до уровней напряжения 110 В и 220 В для конечного использования (25 или 220 вольт). См. Рисунок 8.
Во многих устройствах используется эффект Джоуля, где электрическая энергия преобразуется в тепло, например, в электрических утюгах, водонагревателях, предохранителях, тостерах, электрических плитах и других. См. Рисунок 9.
упражнения 2
Электрический утюг мощностью 400 Вт используется в течение 10 минут. Зная, что утюг подключен к розетке на 110 В, определите:
а) Сила тока, протекающего через утюг.
б) Количество тепла, рассеиваемого утюгом.
решение:
Электрический ток
Используется выражение электрическая мощность:
p = vi
По закону Ома получается значение электрического сопротивления лампочки:
Тепло
Закон Джоуля определяет количество тепла, рассеиваемого пластиной. Если в минуте содержится 60 секунд, то 10 минут = 600 с.
Если 1 киловатт-час = 3.600.000 XNUMX XNUMX джоулей, выделяемое тепло составляет:
Q = 0,07 кВтч
Выводы
Закон Джоуля гласит, что тепло, выделяемое электрическим током, когда он циркулирует по проводнику, прямо пропорционально квадрату силы тока, умноженному на сопротивление и время, необходимое для циркуляции тока. В честь Джоуля единица энергии в международной системе теперь называется «Джоуль».
Многие устройства используют «эффект джоуля”, Генерируя тепло, пропуская ток через проводник, такой как духовки, плиты, тостеры, тарелки и другие.
Приглашаем вас оставлять свои комментарии и вопросы по этой интересной теме.