Joule Effet Explication, Exemples, exercices, applications

Il Effet joule o La loi de Joule est le résultat de la transformation de l'énergie thermique, qui a lieu lorsqu'un courant électrique passe par un conducteur. Cet effet est présent à condition que tout appareil ou appareil qui a besoin d'électricité pour fonctionner.

Donc l'effet Joule est observé quotidiennement. Parfois, il est utile, comme les appareils à domicile et à la cuisine (chauffe-eau, sèche-cheveux, assiettes, poêles, etc.)

D'autres fois, il n'est pas souhaitable et il cherche à le minimiser, de sorte que le PC de bureau est ajouté des ventilateurs pour dissiper la chaleur, car il peut provoquer des échecs aux composants internes.

Les appareils qui utilisent l'effet Joule pour produire de la chaleur, ont une résistance qui est chauffée lorsqu'elle est passée, appelée élément chauffant.

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Explication

L'effet Joule a son origine sur une échelle microscopique dans les particules, à la fois celles qui composent un matériau et celles qui transportent la charge électrique.

Les atomes et les molécules d'une substance sont dans leur position la plus stable à l'intérieur. Pour sa part, le courant électrique se compose d'un mouvement ordonné des charges électriques, qui proviennent du poteau de batterie positif. En quittant là-bas, ils ont beaucoup d'énergie potentielle.

Sur leur chemin, les particules chargées ont un impact. Ceux-ci tenteront de récupérer l'équilibre qu'ils avaient auparavant, offrant un excès d'énergie à leur environnement sous forme de chaleur perceptible.

La quantité de chaleur détachée dépend de l'intensité du courant Toi, Le temps qu'il circule à l'intérieur du conducteur Δt et de l'élément résistif R:

Q = I².R. ΔT (Joules)

L'équation précédente s'appelle la loi de Joule-Lenz.

Exemples

Deux physiciens, le British James Joule (1818-1889) et le russe Heinrich Lenz (1804-1865) ont observé, indépendamment, qu'un fil qui transportait le courant a non seulement été chauffé, mais son courant diminuait pendant le processus.

Il a ensuite été établi que la quantité de chaleur dissipée par la résistance est proportionnelle à:

- Le carré de l'intensité du courant courant.

- Le temps où le courant est resté coulant par le conducteur.

- La résistance dudit conducteur.

Les unités de chaleur sont les mêmes unités d'énergie: Joules, abrégés que J. Joule est une unité d'énergie assez petite, donc d'autres tels que les calories sont généralement utilisés, par exemple.

Pour transformer les joules en calories, il suffit de se multiplier par le facteur 0,24, de sorte que l'équation donnée au début est exprimée directement en calories:

Q = 0,24. Toi².R. ΔT (calories)

Joule Effet et transport électrique

L'effet Joule est le bienvenu pour produire de la chaleur localisée, comme les sèche-cheveux et les coiffures. Mais dans d'autres cas, il a des effets indésirables, tels que:

- Un très grand réchauffement chez les conducteurs peut être dangereux, provoquant des incendies et des brûlures.

- Les appareils électroniques avec des transistors diminuent leurs performances et peuvent échouer même s'ils chauffent trop.

- Les fils qui transportent l'électricité éprouvent toujours un chauffage, même s'il est doux, ce qui entraîne des pertes d'énergie notables.

C'est parce que les câbles qui transportent le courant des usines électriques ont des centaines de kilomètres. Ensuite, une bonne partie de l'énergie qu'ils portent n'atteint pas leur destination, car elle est gaspillée en cours de route.

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Pour éviter cela, les conducteurs sont recherchés à avoir autant de résistance que possible. Trois facteurs importants influencent ceci: la longueur du fil, la zone de section transversale et le matériau avec lequel il est fabriqué.

Les meilleurs pilotes sont les métaux, étant en or, en argent, en platine ou en cuivre certains des plus efficaces. Les fils des câbles sont fabriqués sur la base de filaments en cuivre, un métal qui, bien qu'il ne roule pas aussi bien que l'or, il est beaucoup moins cher.

Plus un fil est long, plus la résistance aura grande, mais en les fabriquant plus épais, la résistance diminue, car cela facilite le mouvement des porteurs de charge.

Une autre chose qui peut être faite est de réduire l'intensité du courant, afin que le chauffage soit minimisé. Les transformateurs sont responsables du contrôle correctement de l'intensité, ils sont donc si importants dans la transmission de l'électricité.

Exercices

Exercice 1

Un radiateur indique qu'il a un pouvoir de 2000w et est lié à la prise de 220 V. Calculez ce qui suit:

a) Intensité du courant qui circule à travers le radiateur

b) quantité d'énergie électrique qui a été transformée après une demi-heure

c) Si toute cette énergie est inversée dans le chauffage de 20 litres d'eau qui est initialement à 4 ° C, quelle sera la température maximale à laquelle l'eau peut être chauffée?

Données: La chaleur spécifique de l'eau est CE = 4180 J / kg.K

Solution à

L'alimentation est définie comme l'énergie par unité de temps. Si dans l'équation donnée au début, nous passons le facteur Δt À droite, il y aura précisément de l'énergie par unité de temps:

Q = I².R. ΔT → p = q / δt = i². R

La résistance de l'élément chauffant peut être connue grâce à la loi d'Ohm: V = i.R, à partir de laquelle il résulte que I = v / r. donc:

P = i². (V / i) = i. V

Ainsi, le courant est:

I = p / v = 2000 w / 220 v = 9.09 A.

Solution B

Dans ce cas Δt = 30 minutes = = 30 x 60 secondes = 1800 secondes. La valeur de la résistance est également requise, ce qui ressort clairement de la loi d'Ohm:

R = v / i = 220 v / 9.09 a = 24.2 ohms

Les valeurs sont remplacées dans la loi de Joule:

Q = (9.09 a)². 24.2 ohms . 1800 s = 3.600.000 j = 3600 kJ.

Solution C

La quantité de chaleur Q nécessaire pour augmenter une quantité d'eau à une certaine température dépend de la chaleur spécifique et de la variation de température qui doit être obtenue. Il est calculé par:

Q = M. C_et. Δt

Ici m C'est la masse d'eau, C_et C'est la chaleur spécifique, qui a déjà le problème du problème et Δt C'est la variation de la température.

La masse d'eau est ce qui est dans 20 L. Il est calculé à l'aide de la densité. Densité d'eau ρ_eau C'est le quotient entre la masse et le volume. De plus, vous devez convertir les litres en mètres cubes:

20 L = 0.02 m³

Comme m = densité x volume = ρv, La pâte est.

M = 1000 kg / m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

Δt = température finale - température initiale = t_F - 4 ºC = T_F - 277.15 K

Notez que vous devez passer de Deges Celsius à Kelvin, en ajoutant 273.15 K. Remplacement de ce qui précède dans l'équation de la chaleur:

3.600.000 J = 20 kg x 4180 J / kg . K . (T_F - 277.quinze)

T_F = 3.600.000 J / (20 kg x 4180 J / kg . K) + 277.15 K = 320. 2 K = 47.05 ºC.

Exercice 2

a) Trouvez des expressions pour la puissance et la puissance moyenne pour une résistance liée à une tension alternative.

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b) Supposons que vous avez un sèche-cheveux avec 1000 W de puissance connectée à l'apport de 120 V, trouvez la résistance de l'élément chauffant et le courant de pointe - le coin maximum - qui le traverse.

c) Qu'arrive-t-il au sèche-linge lors de la connexion à une prise de 240 V?

Solution à

La tension du tir est alternative, de la forme V = V_soit. Sen ωt. Parce qu'il est variable dans le temps, c'est très importantRMS», Acronyme pour Carré moyen racine.

Ces valeurs pour le courant et la tension sont:

Toi_RMS = 0.707 I_soit

V_RMS = 0.707 V_soit

Lors de l'application de la loi d'Ohm, le courant en fonction du temps est:

I = v / r = v_soit. péché ΩT / r = i_soit. péché Ωt

Dans ce cas, la puissance dans une résistance traversée par un courant alternatif est:

P = i².R = (i_soit. péché Ωt)².R = i_soit².R . Sen² Ωt

On voit que la puissance varie également avec le temps, et que c'est une quantité positive, car tout est coupé sur le carré et R est toujours> 0. La valeur moyenne de cette fonction est calculée par intégration dans un cycle et des résultats:

P_moitié = ½. Toi_soit².R = i_RMS².R

En termes de tension et de courant effectifs, la puissance reste comme ceci:

P_moitié = V_RMS. Toi_RMS

Toi_RMS = P_moitié / V_RMS = P_moitié / 0.707 V_soit

Solution B

Application de la dernière équation avec les données fournies:

P_moitié = 1000 W et V_RMS = 120 V

Toi_RMS = P_moitié / V_RMS = 1000 W / 120 V = 8.33 A

Par conséquent, le courant maximum à travers l'élément chauffant est:

Toi_soit = I_RMS / 0.707 = 8.33 a / 0.707 = 11.8 A

La résistance peut être éliminée de l'équation de puissance moyenne:

P_moitié = I_RMS².R → r = p_moitié / Yo_RMS² = 1000 W / (8.33 a)² = 14.41 ohm.

Solution C

En cas de connexion à une prise de 240 V, la puissance moyenne change:

Toi_RMS = V_RMS / R = 240 v / 14.41 ohm = 16.7 A

P_moitié = V_RMS. Toi_RMS = 240 V x 16.7 à ≈ 4000 W

C'est environ 4 fois la puissance pour laquelle l'élément chauffant est conçu, qui sera brûlé peu de temps après avoir été connecté à cette photo.

Applications

Ampoules incandescentes

Une ampoule à incandescence produit de la lumière et de la chaleur, que nous pouvons remarquer immédiatement lors de la connexion. L'élément qui produit les deux effets est un filament de pilote très mince, c'est pourquoi il a une résistance élevée.

Grâce à cette augmentation de la résistance, bien que le courant ait diminué dans le filament, l'effet Joule est concentré au point que l'inclandescence se produit. Le filament, en tungstène car il a un point de fusion élevé de 3400 ºC, émet de la lumière et de la chaleur.

L'appareil doit être verrouillé dans un récipient en verre transparent, qui est rempli d'un gaz inerte, comme de l'argon ou de l'azote à basse pression, pour éviter la détérioration du filament. Si cela ne se fait pas de cette manière, l'oxygène de l'air consomme le filament et l'ampoule cesse de fonctionner sur l'acte.

Commutateurs de thèmes magnéto

Les effets magnétiques des aimants disparaissent à des températures élevées. Cela peut être utilisé pour créer un appareil qui interrompt le passage du courant, lorsqu'il est excessif. Cela se compose d'un interrupteur magnétotherme.

Une partie du circuit à travers lequel le courant est fermé au moyen d'un aimant soumis à un quai. L'aimant colle au circuit grâce à l'attraction magnétique et reste donc, bien qu'elle ne soit pas affaiblie en raison du chauffage.

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Lorsque le courant dépasse une certaine valeur, le magnétisme s'affaiblit et que le quai enlève l'aimant, ce qui a fait l'ouverture du circuit. Et comme le courant a besoin que le circuit soit fermé pour couler, il s'ouvre et le passage de courant est interrompu. De cette façon, le chauffage des câbles qui pourraient provoquer des accidents tels que des incendies est évité.

Fusibles

Une autre façon de protéger un circuit et d'interrompre en temps opportun le passage de courant est par un fusible, une bande métallique qui lorsqu'elle est chauffée par un effet de joule, fond, laissant le circuit ouvert et interrompant le courant.

Figure 2. Un fusible est un élément protecteur de circuit. Le métal fond quand il est traversé par un courant excessif. Source: Pixabay.

Pasteurisation par chauffage ohmique

Il consiste à passer un courant électrique à travers la nourriture, qui a naturellement une résistance électrique. Pour cela, des électrodes en matériau anticorrosives sont utilisées. La température alimentaire augmente et la chaleur détruit les bactéries, aidant à les préserver plus longtemps.

L'avantage de cette méthode est que le réchauffement se produit en beaucoup moins de temps que celui requis par les techniques conventionnelles. Le réchauffement prolongé détruit les bactéries mais neutralise également les vitamines et les minéraux essentiels.

Le chauffage ohmique, qui ne dure à quelques secondes, aide à préserver le contenu nutritionnel des aliments.

Expériences

L'expérience suivante consiste à mesurer la quantité d'énergie électrique transformée en énergie thermique, mesurant la quantité de chaleur absorbée par une masse d'eau connue. Pour cela, une bobine de chauffage est immergée dans l'eau, à travers laquelle un courant est passé.

Matériaux

- 1 verre de polystyrène

- Multimètre

- Thermomètre Celsius

- 1 Source de puissance réglable, de la plage 0-12 V

- Équilibre

- Câbles de connexion

- Chronomètre

Procédure

La bobine est chauffée par un effet Joule et, par conséquent, l'eau aussi. Vous devez mesurer la masse d'eau et sa température initiale, et déterminer à quelle température nous allons la chauffer.

figure 3. Expérimentez pour déterminer la quantité d'énergie électrique transformée en chaleur. Source: F. Zapata.

Les lectures successives sont prises à chaque minute, enregistrant les valeurs de courant et de tension. Une fois l'enregistrement disponible, l'énergie électrique fournie, par les équations:

Q = I².R. Δt (Joule Law)

V = i.R (Loi d'Ohm)

Et comparer avec la quantité de chaleur absorbée par la masse d'eau:

Q = M. C_et. Δt (Voir l'exercice résolu 1)

Comme l'énergie est préservée, les deux quantités devraient être les mêmes. Cependant, bien que le polystyrène ait sous une chaleur spécifique et n'absorbe presque pas d'énergie thermique, il y aura également des pertes vers l'atmosphère. Vous devez également prendre en compte l'erreur expérimentale.

Les pertes dans l'atmosphère sont minimisées si l'eau est chauffée au même nombre de degrés au-dessus de la température ambiante, qui était ci-dessous avant de commencer par l'expérience.

En d'autres termes, si l'eau était à 10 ºC et que la température ambiante était de 22 ºC, alors vous devez prendre l'eau jusqu'à 32 ºC.

Les références

1. Kramer, C. 1994. Pratiques de physique. McGraw Hill. 197.
2. Le tamis. Effet joule. Récupéré de: Eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 5. Électrostatique. Édité par Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Physique: principes avec applications. 6^e. Ed Prentice Hall.
5. Hypertextuel. Quel est l'effet Joule et pourquoi il est devenu quelque chose de transcendantal pour nos vies. Récupéré de: hypertextuel.com
6. Wikipédia. Effet joule. Récupéré de: est.Wikipédia.org.
7. Wikipédia. Chauffage de Joule. Récupéré de: dans. Wikipédia.org.