le effet joule ou la loi de Joule est le résultat de la transformation de l'énergie électrique en chaleur, qui a lieu lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur. Cet effet est présent chaque fois qu'un appareil ou appareil qui a besoin d'électricité pour fonctionner est mis en marche..
D'autres fois, cela n'est pas souhaitable et on cherche à le minimiser, c'est pourquoi des ventilateurs sont ajoutés au PC de bureau pour dissiper la chaleur, car cela peut provoquer une défaillance des composants internes..
Les appareils qui utilisent l'effet Joule pour produire de la chaleur ont à l'intérieur une résistance qui s'échauffe lorsqu'un courant est amené à le traverser, appelée élément chauffant.
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L'effet Joule trouve son origine à l'échelle microscopique dans les particules, aussi bien celles qui composent un matériau que celles qui portent une charge électrique.
Les atomes et molécules d'une substance sont dans leur position la plus stable au sein de la substance. De son côté, le courant électrique consiste en un mouvement ordonné de charges électriques, qui proviennent du pôle positif de la batterie. En partant de là, ils ont beaucoup d'énergie potentielle.
En passant, les particules chargées impactent celles du matériau et les font vibrer. Ceux-ci essaieront de retrouver l'équilibre qu'ils avaient auparavant, en fournissant un excès d'énergie à leur environnement sous forme de chaleur perceptible..
La quantité de chaleur Q libérée dépend de l'intensité du courant je, le temps pendant lequel il circule à l'intérieur du conducteur Δt et de l'élément résistif R:
Q = Ideux.R. Δt (joules)
L'équation ci-dessus s'appelle la loi de Joule-Lenz.
Deux physiciens, le britannique James Joule (1818-1889) et le russe Heinrich Lenz (1804-1865) ont observé indépendamment qu'un fil porteur de courant non seulement devenait chaud, mais que son courant diminuait au cours du processus..
Ensuite, il a été établi que la quantité de chaleur dissipée par la résistance est proportionnelle à:
- Le carré de l'intensité du courant de circulation.
- Le temps pendant lequel ledit courant est resté à travers le conducteur.
- La résistance dudit conducteur.
Les unités de chaleur sont les mêmes unités d'énergie: joules, en abrégé J. Le joule est une unité d'énergie assez petite, donc d'autres comme les calories sont souvent utilisées, par exemple.
Pour transformer les joules en calories, il suffit de multiplier par le facteur 0,24, de sorte que l'équation donnée au début soit directement exprimée en calories:
Q = 0,24. jedeux.R. Δt (calories)
L'effet Joule est le bienvenu pour produire de la chaleur localisée, comme les brûleurs et les sèche-cheveux. Mais dans d'autres cas, il a des effets indésirables, tels que:
- Un échauffement excessif des conducteurs peut être dangereux et provoquer des incendies et des brûlures..
- Les appareils électroniques à transistors diminuent leurs performances et peuvent tomber en panne même s'ils deviennent trop chauds.
- Les fils qui transportent l'énergie électrique subissent toujours un échauffement, même léger, ce qui entraîne des pertes d'énergie notables.
En effet, les câbles qui transportent le courant des centrales électriques parcourent des centaines de kilomètres. Une grande partie de l'énergie qu'ils transportent n'atteint pas sa destination, car elle est gaspillée en chemin.
Pour éviter cela, on cherche à ce que les conducteurs présentent le moins de résistance possible. Ceci est influencé par trois facteurs importants: la longueur du fil, la section transversale et le matériau à partir duquel il est fabriqué..
Les meilleurs conducteurs sont les métaux, l'or, l'argent, le platine ou le cuivre étant parmi les plus efficaces. Les fils des câbles sont constitués de filaments de cuivre, un métal qui, bien qu'il ne conduise pas aussi bien que l'or, il est beaucoup moins cher.
Plus un fil est long, plus il aura de résistance, mais en les rendant plus épais, la résistance diminue, car cela facilite le mouvement des porteurs de charge.
Une autre chose qui peut être faite est de diminuer l'intensité du courant, de sorte que le chauffage soit minimisé. Les transformateurs sont responsables de contrôler l'intensité de manière appropriée, c'est pourquoi ils sont si importants dans la transmission de l'énergie électrique.
Un radiateur indique qu'il a une puissance de 2000 W et est connecté au 220 V. Calculez ce qui suit:
a) Intensité du courant traversant le radiateur
b) Quantité d'énergie électrique transformée après une demi-heure
c) Si toute cette énergie est investie dans le chauffage de 20 litres d'eau initialement à 4 ºC, 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
La puissance est définie comme l'énergie par unité de temps. Si dans l'équation donnée au début on passe le facteur Δt Sur la droite, nous aurons précisément l'énergie par unité de temps:
Q = Ideux.R. Δt → P = Q / Δt = jedeux. R
La résistance de l'élément chauffant peut être trouvée grâce à la loi d'Ohm: V = I.R, d'où il résulte que I = V / R. donc:
P = Ideux. (V / I) = I. V
Ainsi les résultats actuels:
I = P / V = 2000 W / 220 V = 9,09 A.
Dans ce cas Δt = 30 minutes = = 30 x 60 secondes = 1800 secondes. La valeur de la résistance est également requise, ce qui est effacé de la loi d'Ohm:
R = V / I = 220 V / 9,09 A = 24,2 ohms
Les valeurs sont substituées dans la loi de Joule:
Q = (9,09 A)deux. 24,2 ohm. 1 800 s = 3 600 000 J = 3600 kJ.
La quantité de chaleur Q nécessaire pour porter une quantité d'eau à une certaine température dépend de la chaleur spécifique et de la variation de température à obtenir. Il est calculé par:
Q = m. Cet. ΔT
Ici m est le plan d'eau, Cet est la chaleur spécifique, qui est déjà prise comme donnée du problème et ΔT est la variation de température.
La masse d'eau est celle de 20 L. Elle est calculée à l'aide de la densité. La densité de l'eau ρL'eau est le rapport masse / volume. De plus, vous devez convertir des litres en mètres cubes:
20 L = 0,02 m3
Quoi m = densité x volume = ρV, la masse est.
m = 1 000 kg / m3 x 0,02 m3 = 20 kg.
ΔT = température finale - température initiale = TF - 4 ºC = TF - 277,15 K
Notez que nous devons passer des degrés centigrades au kelvin, en ajoutant 273,15 K. En remplaçant ce qui précède dans l'équation de la chaleur:
3 600 000 J = 20 kg x 4180 J / kg. K . (TF - 277,15)
TF = 3 600 000 J / (20 kg x 4180 J / kg. K) + 277,15 K = 320. 2 K = 47,05 ºC.
a) Trouvez des expressions pour la puissance et la puissance moyenne pour une résistance connectée à une tension alternative.
b) Supposons que vous ayez un sèche-cheveux avec 1000 W de puissance connecté à la prise 120 V, trouvez la résistance de l'élément chauffant et le courant de crête - courant maximum - à travers celui-ci.
c) Qu'arrive-t-il au sèche-linge lorsqu'il est connecté à une prise 240 V?
La tension de la prise est alternative, de la forme V = Vou alors. sen ωt. Comme il est variable dans le temps, il est très important de définir les valeurs effectives de la tension et du courant, qui sont désignées par l'indice "rms”, Acronyme de carré moyen de la racine.
Ces valeurs de courant et de tension sont:
jerms = 0,707 Iou alors
Vrms = 0,707 Vou alors
En appliquant la loi d'Ohm, le courant en fonction du temps est comme:
I = V / R = Vou alors. sen ωt / R = Iou alors. sen ωt
Dans ce cas, la puissance dans une résistance traversée par un courant alternatif est:
P = Ideux.R = (jeou alors. sen ωt)deux.R = Iou alorsdeux.R. sendeux ωt
On voit que la puissance varie également avec le temps, et que c'est une grandeur positive, puisque tout est au carré et R est toujours> 0. La valeur moyenne de cette fonction est calculée par intégration dans un cycle et résulte:
Pmoitié = ½. jeou alorsdeux.R = Irmsdeux.R
En termes de tension et de courant RMS, la puissance ressemble à ceci:
Pmoitié = Vrms. jerms
jerms = Pmoitié / Vrms = Pmoitié / 0,707 Vou alors
Application de la dernière équation avec les données fournies:
Pmoitié = 1000 W et Vrms = 120 V
jerms = Pmoitié / Vrms = 1 000 W / 120 V = 8,33 A
Par conséquent, le courant maximal à travers l'élément chauffant est:
jeou alors = Jerms /0.707 = 8,33 A / 0,707 = 11,8 A
La résistance peut être résolue à partir de l'équation de la puissance moyenne:
Pmoitié = Jermsdeux.R → R = Pmoitié / JErmsdeux = 1000 W / (8,33 A)deux = 14,41 ohms.
En cas de connexion à une prise 240 V, la puissance moyenne change:
jerms = Vrms / R = 240 V / 14,41 ohm = 16,7 A
Pmoitié = Vrms. jerms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W
C'est environ 4 fois la puissance pour laquelle l'élément chauffant est conçu, qui brûlera peu de temps après avoir été branché sur cette prise..
Une ampoule à incandescence produit de la lumière et de la chaleur, ce que nous pouvons remarquer immédiatement lorsque nous la connectons. L'élément qui produit les deux effets est un filament conducteur très fin, qui a donc une résistance élevée.
Grâce à cette augmentation de résistance, bien que le courant ait diminué dans le filament, l'effet Joule se concentre à tel point qu'il se produit une incandescence. Le filament, en tungstène en raison de son point de fusion élevé de 3400 ºC, émet de la lumière et de la chaleur.
Le dispositif doit être enfermé dans un récipient en verre transparent, qui est rempli d'un gaz inerte, tel que l'argon ou l'azote à basse pression, pour éviter la détérioration du filament. Si cela n'est pas fait, l'oxygène de l'air consomme le filament et l'ampoule cesse de fonctionner immédiatement..
Les effets magnétiques des aimants disparaissent à des températures élevées. Cela peut être utilisé pour créer un appareil qui interrompt le flux de courant, lorsqu'il est excessif. Ceci est un interrupteur magnétothermique.
Une partie du circuit à travers laquelle le courant circule est fermée par un aimant fixé à un ressort. L'aimant adhère au circuit grâce à l'attraction magnétique et le reste tant qu'il n'est pas affaibli par le chauffage.
Lorsque le courant dépasse une certaine valeur, le magnétisme s'affaiblit et le ressort détache l'aimant, provoquant l'ouverture du circuit. Et comme le courant a besoin que le circuit soit fermé pour circuler, il s'ouvre et le flux de courant est interrompu. Cela empêche les câbles de chauffer, ce qui pourrait provoquer des accidents tels que des incendies..
Une autre façon de protéger un circuit et d'interrompre le passage du courant en temps opportun est au moyen d'un fusible, une bande métallique qui, lorsqu'elle est chauffée par effet Joule, fond, laissant le circuit ouvert et interrompant le courant..
Il consiste à faire passer un courant électrique à travers les aliments, qui ont naturellement une résistance électrique. Des électrodes en matériau anticorrosion sont utilisées à cet effet. La température des aliments augmente et la chaleur détruit les bactéries, aidant à les conserver plus longtemps..
L'avantage de cette méthode est que le chauffage se produit en beaucoup moins de temps que ce qui est requis par les techniques conventionnelles. Un chauffage prolongé détruit les bactéries mais neutralise également les vitamines et minéraux essentiels.
Le chauffage ohmique, qui ne dure que quelques secondes, permet de préserver le contenu nutritionnel des aliments.
L'expérience suivante consiste à mesurer la quantité d'énergie électrique convertie en énergie thermique, à mesurer la quantité de chaleur absorbée par une masse d'eau connue. Pour ce faire, une bobine de chauffage est immergée dans l'eau, à travers laquelle un courant est passé.
- 1 tasse en polystyrène
- Multimètre
- Thermomètre Celsius
- 1 alimentation réglable, plage 0-12 V
- Équilibre
- Câbles de connexion
- Chronomètre
La résistance s'échauffe par effet joule et donc aussi l'eau. Il faut mesurer la masse d'eau et sa température initiale, et déterminer à quelle température on va la chauffer.
Des lectures successives sont prises toutes les minutes, enregistrant les valeurs de courant et de tension. Une fois l'enregistrement disponible, l'énergie électrique fournie est calculée à l'aide des équations:
Q = Ideux.R. Δt (Loi de Joule)
V = I.R (Loi d'Ohm)
Et comparez avec la quantité de chaleur absorbée par le plan d'eau:
Q = m. Cet. ΔT (voir exercice résolu 1)
Puisque l'énergie est conservée, les deux quantités doivent être égales. Cependant, bien que le polystyrène ait une faible chaleur spécifique et n'absorbe presque pas d'énergie thermique, il y aura toujours des pertes dans l'atmosphère. L'erreur expérimentale doit également être prise en compte.
Les pertes dans l'atmosphère sont minimisées si l'eau est chauffée au même nombre de degrés au-dessus de la température ambiante qu'elle l'était en dessous avant de commencer 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 porter l'eau à 32 ºC.
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