אפקט ג'ול: הסבר, דוגמאות, תרגילים, יישומים - גוּפָנִי - 2025

אפקט ג'אול או של ג'אול החוק הוא התוצאה של הפיכת אנרגיה חשמלית לחום, המתקיימת כאשר זרם חשמלי עובר דרך מנצח. השפעה זו קיימת בכל פעם שכל מכשיר או התקן שזקוק לחשמל כדי לתפקד מופעל.

פעמים אחרות זה לא רצוי ומבקשים למזער אותו, זו הסיבה שמאווררים מתווספים למחשב השולחני כדי לפזר חום, מכיוון שזה יכול לגרום לכישלון של הרכיבים הפנימיים.

המכשירים שמשתמשים באפקט ג'ול בכדי לייצר חום, הם בעלי התנגדות שמתחממת כאשר מועבר דרכו זרם, המכונה גוף חימום.

הֶסבֵּר

אפקט ג'ולה מקורו בסולם מיקרוסקופי בחלקיקים, הן אלה המרכיבים חומר והן כאלה הנושאים מטען חשמלי.

אטומים ומולקולות בחומר נמצאים במיקום הכי יציב שלהם בתוך החומר. הזרם החשמלי מצידו מורכב מתנועה מסודרת של מטענים חשמליים, המגיעים מהקוטב החיובי של הסוללה. כשהם יוצאים משם יש להם הרבה אנרגיה פוטנציאלית.

כאשר הם חולפים, החלקיקים הטעונים משפיעים על חלקי החומר וגורמים להם לרטוט. אלה ינסו להחזיר את האיזון שהיה להם בעבר, ולהעביר אנרגיה עודפת לסביבתם בצורה של חום מורגש.

כמות החום Q המשתחררת תלויה בעוצמת הזרם I, הזמן אליו הוא מסתובב בתוך המוליך Δt ואלמנט ההתנגדות R:

המשוואה לעיל נקראת חוק ג'ול-לנץ.

דוגמאות

שני פיזיקאים, ג'יימס ז'ול הבריטי (1818-1889) והיינריך לנץ הרוסי (1804-1865), צפו באופן עצמאי כי חוט הנושא זרם לא רק התחמם, אלא שהזרם שלו פחת במהלך התהליך.

ואז נקבע כי כמות החום שמתפזרת על ידי ההתנגדות היא פרופורציונלית ל:

- ריבוע עוצמת הזרם המסתובב.

- הזמן שאמר זרם נשאר זורם במוליך.

- ההתנגדות של המנצח האמור.

יחידות החום הן אותן יחידות אנרגיה: ג'ול, מקוצר ל- J. הג'אולה היא יחידת אנרגיה קטנה למדי, ולכן משתמשים לעתים קרובות באחרים, כמו קלוריות, למשל.

כדי להפוך את ג'ואלים לקלוריות, פשוט הכפל בגורם 0.24, כך שהמשוואה שניתנה בתחילתה מתבטאת ישירות בקלוריות:

אפקט ג'ול והובלת אנרגיה חשמלית

אפקט ג'ול מוזמן לייצר חום מקומי, כמו מבערים ומייבשי שיער. אך במקרים אחרים, יש לזה השפעות לא רצויות, כגון:

- חימום נהדר מאוד במוליכים יכול להיות מסוכן ולגרום לשריפות וכוויות.

- מכשירים אלקטרוניים עם טרנזיסטורים מקטינים את הביצועים שלהם ויכולים להיכשל גם אם הם מתחממים מדי.

- החוטים הנושאים אנרגיה חשמלית חווים תמיד חימום, אפילו מעט, מה שמוביל לאובדי אנרגיה בולטים.

הסיבה לכך היא שהכבלים המובילים זרם מתחנות כוח פועלים מאות קילומטרים. כל כך הרבה מהאנרגיה שהם נושאים לא מגיעה ליעדה, מכיוון שהיא מבוזבזת בדרך.

כדי להימנע מכך, מבקשים כי למוליכים יש את ההתנגדות הפחות אפשרית. זה מושפע משלושה גורמים חשובים: אורך החוט, שטח החתך והחומר ממנו הוא עשוי.

המוליכים הטובים ביותר הם מתכות, כאשר זהב, כסף, פלטינה או נחושת הם מהיעילים ביותר. חוטי הכבלים עשויים חוטי נחושת, מתכת שלמרות שהיא לא מוליכה כמו זהב, היא הרבה יותר זולה.

ככל שחוטים ארוכים יותר כך תהיה לו התנגדות רבה יותר, אך על ידי הפיכתם לסמיכות יותר, ההתנגדות פוחתת מכיוון שהדבר מקל על תנועתם של מובילי המטען.

דבר נוסף שניתן לעשות הוא להוריד את עוצמת הזרם, כך שהחימום יהיה ממוזער. רובוטריקים אחראים על בקרת העוצמה כראוי, וזו הסיבה שהם כל כך חשובים בהעברת אנרגיה חשמלית.

תרגילים

תרגיל 1

רדיאטור מציין שיש לו הספק של 2000 וואט ומחובר לשקע 220 וולט. חשב את הדברים הבאים:

א) עוצמת הזרם הזורם ברדיאטור

ב) כמות האנרגיה החשמלית שהופכה לאחר חצי שעה

ג) אם כל האנרגיה הזו מושקעת בחימום של 20 ליטר מים שנמצאים בתחילה בחום של 4 מעלות צלזיוס, מה תהיה הטמפרטורה המרבית שאליה ניתן לחמם את המים?

פתרון ל

כוח מוגדר כאנרגיה לזמן יחידה. אם במשוואה שניתנה בתחילת הדרך אנו מעבירים את הגורם tt לימין, תהיה לנו אנרגיה מדויקת ליחידת זמן:

ניתן לדעת את ההתנגדות של גוף החימום באמצעות החוק של אוהם: V = IR, שממנו יוצא כי אני = V / R. לכן:

כך התוצאות הנוכחיות:

פיתרון ב

במקרה זה Δt = 30 דקות = = 30 x 60 שניות = 1800 שניות. נדרש גם ערך ההתנגדות, שמובהר מחוקיו של אוהם:

הערכים מוחלפים בחוק של ז'ול:

פיתרון ג

כמות החום Q הדרושה להעלאת כמות מים לטמפרטורה מסוימת תלויה בחום הספציפי ובשונות הטמפרטורה שצריך לקבל. זה מחושב על ידי:

כאן m הוא מסה של מים, C _e הוא החום הספציפי, שכבר נלקח כנתון לבעיה, ו- is T הוא השינוי בטמפרטורה.

מסת המים היא שב- 20 ל '. זה מחושב בעזרת צפיפות. הצפיפות של מים ρ _מים היא היחס בין המסה לנפח. בנוסף עליכם להמיר ליטרים למטר מעוקב:

מכיוון m = צפיפות x נפח = ρV, המסה היא.

שים לב כי יש צורך לעבור מעלות צלזיוס לקלווין, להוסיף 273.15 K. החלפת האמור לעיל במשוואת החום:

תרגיל 2

א) מצא ביטויים לעוצמה והספק הממוצע להתנגדות המחוברת למתח מתחלף.

ב) נניח שיש לך מייבש שיער בהספק 1000 וואט המחובר לשקע 120 וולט, מצא את ההתנגדות של גוף החימום ואת הזרם השיא - זרם מקסימאלי - דרכו.

ג) מה קורה למייבש כאשר הוא מחובר לשקע 240 וולט?

פתרון ל

מתח הברז מתחלף, בצורת V = V _o . sen ωt. מכיוון שהוא משתנה בזמן, חשוב מאוד להגדיר את הערכים האפקטיביים של מתח וזרם כאחד המצוינים בתכנית "rms", העומדת על ריבוע ממוצע שורש.

ערכים אלה עבור זרם ומתח הם:

כאשר מיישמים את החוק של אוהם, הזרם כפונקציה של הזמן הוא כמו:

במקרה כזה, הכוח בנגד שנחצה על ידי זרם חילופי הוא:

רואים שהעוצמה משתנה גם היא עם הזמן, וכי מדובר בכמות חיובית, מכיוון שהכול בריבוע ו- R הוא תמיד> 0. הערך הממוצע של פונקציה זו מחושב על ידי שילוב במחזור ותוצאות:

מבחינת מתח וזרם יעילים, הכוח נראה כך:

פיתרון ב

החלת המשוואה האחרונה עם הנתונים שסופקו:

_ממוצע P = 1000 W ו- V _rms = 120 V

לכן הזרם המרבי דרך גוף החימום הוא:

ניתן לפתור התנגדות מהמשוואה של כוח ממוצע:

_ממוצע P = V _rms . I _rms = 240 V x 16.7 A ≈ 4000 W

זה בערך פי ארבעה מההספק שאליו מיועד גוף החימום, שיישרף מעט לאחר חיבור לשקע זה.

יישומים

נורות ליבון

נורת ליבון מייצרת אור וגם חום, אותם אנו יכולים להבחין מייד כאשר אנו מחברים אותו. האלמנט המייצר את שני האפקטים הוא חוט מוליך דק במיוחד, ולכן יש לו עמידות גבוהה.

הודות לעלייה זו בהתנגדות, למרות שהזרם פחת בחוט הנימה, אפקט ג'ולה מרוכז במידה כזו עד שמתרחשת ליבון. הנימה, העשויה טונגסטן בגלל נקודת ההתכה הגבוהה של 3400 מעלות צלזיוס, פולטת אור וגם חום.

יש לכלול את המכשיר במיכל זכוכית שקוף, הממלא בגז אינרטי, כגון ארגון או חנקן בלחץ נמוך, על מנת למנוע הידרדרות הנימה. אם לא נעשה בדרך זו, החמצן באוויר צורך את הנימה והנורה מפסיקה לעבוד באופן מיידי.

מתגים מגנטו-תרמיים

ההשפעות המגנטיות של מגנטים נעלמות בטמפרטורות גבוהות. ניתן להשתמש בזה כדי ליצור מכשיר הקוטע את זרימת הזרם, כאשר הוא מוגזם. זהו מתג מגנטותרמי.

חלק מהמעגל דרכו הזרם זורם נסגר על ידי מגנט המחובר למעיין. המגנט נדבק למעגל הודות למשיכה המגנטית ונשאר כך, כל עוד הוא לא נחלש על ידי חימום.

כאשר הזרם עולה על ערך מסוים, המגנטיות נחלשת והקפיץ מנתק את המגנט, וגורם למעגל להיפתח. ומכיוון שהזרם זקוק לסגירת המעגל בכדי לזרום, הוא נפתח וזרימת הזרם מופרעת. זה מונע את הכבלים להתחמם, מה שעלול לגרום לתאונות כמו שריפות.

נתיכים

דרך נוספת להגן על מעגל ולהפריע לזרימת הזרם במועד היא באמצעות נתיך, רצועת מתכת שכאשר היא מחוממת על ידי אפקט ג'ול נמס, משאירה את המעגל פתוח ומפריעה את הזרם.

איור 2. נתיך הוא אלמנט מגן מעגל. מתכת נמסה כאשר עוברים עליה זרם מוגזם. מקור: Pixabay.

פיסטור חימום אוהמי

זה מורכב מהעברת זרם חשמלי דרך מזון, שבאופן טבעי הוא בעל התנגדות חשמלית. לשם כך משתמשים באלקטרודות העשויות מחומר אנטי-קורוזיבי. הטמפרטורה של המזון עולה והחום משמיד את החיידקים, ועוזר לשמר אותו לאורך זמן.

היתרון בשיטה זו הוא שהחימום מתרחש בפחות זמן פחות מזה שדורש טכניקות קונבנציונאליות. חימום ממושך הורס חיידקים אך גם מנטרל ויטמינים ומינרלים חיוניים.

חימום אוהמי, שנמשך מספר שניות בלבד, מסייע בשימור התוכן התזונתי של המזון.

ניסויים

הניסוי הבא מורכב מדידת כמות האנרגיה החשמלית שהוסבה לאנרגיה תרמית, מדידת כמות החום שנספגת במסה ידועה של מים. לשם כך סליל החימום טובל במים, דרכם מועבר זרם.

חומרים

- כוס קלקר אחת

- מולטימטר

- מד חום צלזיוס

- מקור כוח מתכוונן 1, טווח 0-12 V

- איזון

- כבלי חיבור

סטופר

תהליך

הסליל מתחמם כתוצאה מאפקט הג'אול ולכן גם המים. עלינו למדוד את מסת המים ואת הטמפרטורה הראשונית שלהם, ולקבוע לאיזו טמפרטורה אנו הולכים לחמם.

איור 3. ניסוי כדי לקבוע כמה אנרגיה חשמלית הופכת לחום. מקור: פ. זפטה.

קריאות רצופות מתבצעות בכל דקה, ומתעדות את ערכי הזרם והמתח. ברגע שהרשומה זמינה מחושב האנרגיה החשמלית המסופקת באמצעות המשוואות:

ש = I ² .R. (T (חוק ז'ול)

V = IR (חוק אוהם)

והשווה עם כמות החום שנספגת על ידי גוף המים:

ש = מ. C _דואר . ΔT (ראה תרגיל 1 שנפתר)

מכיוון שהאנרגיה נשמרת, שתי הכמויות צריכות להיות שוות. עם זאת, למרות שלקיעור חום נמוך ספציפי וסופג כמעט ללא אנרגיה תרמית, עדיין יהיו כמה הפסדים באטמוספרה. יש לקחת בחשבון את שגיאת הניסוי.

הפסדים באטמוספרה ממוזערים אם המים מחוממים באותו מספר מעלות מעל לטמפרטורת החדר כפי שהיה מתחת לפני תחילת הניסוי.

במילים אחרות, אם המים היו 10 מעלות צלזיוס וטמפרטורת הסביבה הייתה 22 מעלות צלזיוס, עליכם להביא את המים ל 32 מעלות צלזיוס.

הפניות

1. Kramer, C. 1994. תרגילי פיזיקה. מקגרו היל. 197.
2. המסננת. אפקט ג'ול. התאושש מ: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). סדרה: פיזיקה למדע והנדסה. אמצעי אחסון 5. אלקטרוסטטיקה. נערך על ידי דאגלס פיגארואה (USB).
4. Giancoli, D. 2006. פיזיקה: עקרונות עם יישומים. 6 ^ה . אולם אד פרנטיס.
5. היפרטקסטואלי. מהי השפעת ג'ולה ומדוע זה הפך למשהו טרנסצנדנטי בחיינו התאושש מ: hypertextual.com
6. ויקיפדיה. אפקט ג'ול. התאושש מ: es.wikipedia.org.
7. ויקיפדיה. חימום ג'ול. התאושש מ: en. wikipedia.org.