Запал закону Джоуля "Застосування - вправи"
Джоуль вивчав ефект, який виникає при циркуляції електричного струму провідник і встановлений таким чином відомим законом Джоуля. Коли електричний заряд рухається по провіднику, електрони стикаються один з одним, виробляючи тепло.
Використовуючи ефект Джоуля, було розроблено кілька побутових приладів та промислового обладнання, де за цим принципом електрична енергія перетворюється у тепло, наприклад, електроплити та праски.
Закон Джоуля використовується при проектуванні обладнання для зменшення втрат енергії через тепло.
Трохи пізнання Джеймса Джоуля:
Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889)
Він був британським фізиком, який проводив дослідження термодинаміки, енергетики, електрики та магнетизму.
Разом з Вільямом Томсоном вони відкрили так званий ефект Джоуля - Томсона, за допомогою якого продемонстрували, що можна охолоджувати газ при розширенні, не виконуючи зовнішніх робіт, основний принцип розвитку сучасних холодильників та кондиціонерів. Він працював з лордом Кельвіном, щоб розробити абсолютну шкалу температури, допоміг пояснити кінетичну теорію газів.
На його честь була названа міжнародна одиниця енергії, тепла та роботи, джоуль. [1]
Закон Джоуля
Що пропонує закон Джоуля?
Коли через елемент протікає електричний струм, частина енергії розсіюється у вигляді тепла. Закон Джоуля дозволяє визначити кількість теплоти, що розсіюється в елементі, в результаті електричного струму, який циркулює через нього. Дивіться малюнок 1.
Закон Джоуля стверджує, що тепло (Q), яке утворюється в провіднику, пропорційне його електричному опору R, квадрату струму, що проходить через нього, і інтервалу часу. Дивіться малюнок 2.
Математичний вираз закону Джоуля
Тепло, що розсіюється в елементі, коли по ньому циркулює струм, визначається математичним виразом на рисунку 3. Потрібно знати значення електричного струму, який циркулює через елемент, його електричний опір та інтервал час. [два].
Вивчаючи втрати тепла в елементі, вони зазвичай виражаються як тепло, що розсіюється в одиниці "калорія", а не в Джоулі. На рисунку 4 представлена формула для визначення кількості тепла в калоріях.
Як відбувається потепління?
Коли через провідник протікає електричний струм, електричний заряд стикається з атомами провідника, коли вони рухаються по ньому. Через ці удари частина енергії перетворюється в тепло, збільшуючи температуру провідного матеріалу. Дивіться малюнок 5.
Чим більше струму тече, тим більше зростає температура і тим більше тепловиділення розсіюється. Тепло, яке виробляється електричним струмом, що протікає через провідник, є мірою роботи, яку виконує струм при подоланні опору провідника.
Для переміщення електричного заряду потрібно джерело напруги. Джерело напруги повинно подавати більше енергії, чим більше тепла розсіюється. Визначивши, скільки тепла виробляється, ви можете визначити, скільки енергії має подавати джерело напруги.
Застосування закону Джоуля
Ефект Джоуля в лампах розжарювання
Лампи розжарювання виготовляються шляхом розміщення вольфрамової нитки, що плавиться, у скляну колбу. При температурі 500 ºC тіла випромінюють червонуватий промінь, який при підвищенні температури перетворюється в білий. Нитка цибулини, досягнувши 3.000 ºC, випромінює біле світло. Усередині ампули робиться високий вакуум і розміщується інертний газ, щоб нитка розжарення не горіла.
Тепло, що виділяється струмом (ефект Джоуля), проходячи через зазначену нитку, дозволяє йому досягти температури, необхідної для розжарювання, ефекту матеріалів, що випромінюють світло при дії високих температур. Дивіться малюнок 6.
Важливо правильно вибрати цибулину для більшої енергоефективність. У лампах розжарювання використовується лише максимум 15% енергії, решта електричної енергії розсіюється в теплі. У світлодіодних лампочках від 80 до 90% перетворюється на світлову енергію, лише 10% витрачається при розсіюванні у вигляді тепла. Світлодіодні лампочки - найкращий варіант, маючи більшу енергоефективність та нижче споживання електроенергії. Див. Малюнок 7. [3]
Вправу 1
Для лампи розжарювання 100 Вт, 110 В визначте:
а) Інтенсивність струму, що протікає через колбу.
б) Енергія, яку вона витрачає за годину.
рішення:
а) Електричний струм:
Використовується вираз електричної потужності:
Запрошуємо переглянути статтю Закон Ватта Енергія
За законом Ома отримано значення електричного опору лампочки:
ми запрошуємо вас переглянути статтю Закон Ома та його таємниці
б) Споживання енергії за годину
Закон Джоуля визначає кількість теплоти, що розсіюється в колбі
Якщо 1 кіловат-година = 3.600.000 джоулів, споживана енергія на годину становить:
Q = 0,002 кВт-год
Результат:
i = 0,91 А; Q = 0,002 кВт-год
Ефект Джоуля - передача та розподіл електричної енергії
Електрична енергія, що виробляється на заводі, транспортується провідними кабелями для подальшого використання в будинках, на підприємствах та в промисловості. [4]
У міру циркуляції струму тепло розсіюється за допомогою ефекту Джоуля, втрачаючи частину енергії в навколишнє середовище. Чим більше струм, тим більше тепло, що розсіюється. Щоб уникнути втрат енергії, струми транспортуються при малих струмах і високих напругах 380 кВ. Це покращує ефективність транспортування електричної енергії. У підстанціях і трансформаторах вони знижуються до рівнів напруги при 110 В і 220 В для остаточного використання (25 або 220 Вольт). Дивіться малюнок 8.
У багатьох приладах використовується ефект Джоуля, де електрична енергія перетворюється на тепло, наприклад, у прасках, водонагрівачах, запобіжниках, тостерах, електричних плитах та ін. Див. Малюнок 9.
Вправу 2
Електрична праска потужністю 400 Вт використовується протягом 10 хвилин. Знаючи, що праска підключена до електричної розетки 110 В, визначте:
а) Інтенсивність струму, що протікає через залізо.
б) Кількість тепла, що розсіюється залізом.
рішення:
Електричний струм
Використовується вираз електричної потужності:
p = vi
За законом Ома отримано значення електричного опору лампочки:
Тепло
Закон Джоуля визначає кількість теплоти, що розсіюється в пластині. Якщо хвилина містить 60 секунд, то 10 хвилин = 600 с.
Якщо 1 кіловат-година = 3.600.000 джоулів, виділяється тепло:
Q = 0,07 кВт-год
Висновки
Закон Джоуля стверджує, що тепло, що виробляється електричним струмом, коли він циркулює через провідник, прямо пропорційне квадрату інтенсивності струму, помноженому на опір і час, необхідний циркуляції струму. На честь Джоуля одиниця енергії в міжнародній системі тепер називається “Джоуль”.
Багато пристроїв використовуютьефект джоуля”, Виробляючи тепло, пропускаючи струм через провідник, наприклад, печі, печі, тостери, тарілки та ін.
Запрошуємо вас залишити свої коментарі та запитання на цю цікаву тему.