Explicação do efeito Joule, exemplos, exercícios, aplicações

Ele Efeito Joule Ó Lei de Joule é o resultado da transformação da energia térmica, que ocorre quando uma corrente elétrica está passando por um motorista. Este efeito está presente, desde que qualquer dispositivo ou dispositivo que precise de eletricidade para funcionar.

Portanto, o efeito joule é observado diariamente. Às vezes, é útil, como utensílios domésticos e de cozinha (aquecedor de água, secadores de cabelo, pratos, fogões, etc.)

Outras vezes, é indesejável e procura minimizá -lo, para que o PC da mesa seja adicionado aos fãs para dissipar o calor, pois pode causar falhas nos componentes internos.

Os dispositivos que usam o efeito joule para produzir calor, têm uma resistência que é aquecida quando passada, chamada elemento de aquecimento.

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Explicação

O efeito Joule tem sua origem em uma escala microscópica nas partículas, tanto aquelas que compõem um material e aquelas que transportam a carga elétrica.

Átomos e moléculas em uma substância estão em sua posição mais estável dentro disso. Por sua vez, a corrente elétrica consiste em um movimento ordenado de cargas elétricas, que vêm do poste positivo da bateria. Ao sair de lá, eles têm muita energia em potencial.

Em seu caminho, partículas carregadas afetam as do material e as colocam para vibrar. Eles tentarão recuperar o equilíbrio que tinham anteriormente, fornecendo excesso de energia ao seu ambiente na forma de calor perceptível.

A quantidade de calor que destacou depende da intensidade da corrente Yo, O tempo em que circula dentro do motorista Δt e do elemento resistivo R:

Q = i².R. Δt (joules)

A equação anterior é chamada de lei de Joule-Lenz.

Exemplos

Dois físicos, o britânico James Joule (1818-1889) e o russo Heinrich Lenz (1804-1865) observaram, independentemente, que um fio que transportava a corrente não apenas foi aquecido, mas sua corrente diminuiu durante o processo.

Foi então estabelecido que a quantidade de calor dissipada pela resistência é proporcional a:

- O quadrado da intensidade da corrente.

- O tempo que a corrente permaneceu fluindo pelo motorista.

- A resistência do referido motorista.

As unidades de calor são as mesmas unidades de energia: joules, abreviadas como j. Joule é uma unidade de energia bastante pequena, para que outros como calorias sejam geralmente usados, por exemplo.

Para transformar Joules em calorias, basta se multiplicar pelo fator 0.24, para que a equação dada no início seja expressa diretamente em calorias:

Q = 0,24. Yo².R. Δt (calorias)

Efeito Joule e transporte de energia elétrica

O efeito Joule é bem -vindo a produzir calor localizado, como secadores de chifre e cabelo. Mas, em outros casos, tem efeitos indesejados, como:

- Um aquecimento muito grande nos motoristas pode ser perigoso, causando incêndios e queimaduras.

- Dispositivos eletrônicos com transistores diminuem seu desempenho e podem falhar mesmo que aqueçam demais.

- Os fios que transportam eletricidade sempre experimentam um aquecimento, mesmo que seja leve, o que leva a notáveis ​​perdas de energia.

Isso ocorre porque os cabos que transportam corrente das usinas elétricas têm centenas de quilômetros. Então, boa parte da energia que eles carregam não chega ao seu destino, porque é desperdiçado ao longo do caminho.

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Para evitar isso, os motoristas devem ter o máximo de resistência possível. Três fatores importantes influenciam o seguinte: o comprimento do fio, a área transversal -seccional e o material com o qual é feito.

Os melhores motoristas são metais, sendo ouro, prata, platina ou cobre, alguns dos mais eficientes. Os fios dos cabos são feitos com base em filamentos de cobre, um metal que, embora não conduza tão bem como ouro, é muito mais barato.

Quanto mais um fio, maior a resistência terá, mas, fabricando -os mais espessos, a resistência diminui, porque isso facilita o movimento dos portadores de carga.

Outra coisa que pode ser feita é reduzir a intensidade da corrente, para que o aquecimento seja minimizado. Os transformadores são responsáveis ​​por controlar a intensidade corretamente, por isso são tão importantes na transmissão de eletricidade.

Exercícios

Exercício 1

Um radiador indica que tem um poder de 2000W e está conectado à tomada de 220 v. Calcule o seguinte:

a) Intensidade da corrente que circula através do radiador

b) quantidade de energia elétrica que foi transformada após meia hora

c) Se toda essa energia for revertida no aquecimento de 20 litros de água que estão inicialmente a 4 ° C, qual será a temperatura máxima na qual a água pode ser aquecida?

Dados: O calor específico da água é CE = 4180 J/kg.K

Solução para

A energia é definida como energia por unidade de tempo. Se na equação dada no início, passamos o fator Δt À direita, haverá com precisão energia por unidade de tempo:

Q = i².R. ΔT → P = Q/ δt = i². R

A resistência do elemento de aquecimento pode ser conhecida através da lei de Ohm: V = i.R, do qual segue isso I = v/r. portanto:

P = i². (V/i) = eu. V

Assim, a corrente é:

I = p / v = 2000 w / 220 V = 9.09 a.

Solução b

Neste caso Δt = 30 minutos = = 30 x 60 segundos = 1800 segundos. O valor da resistência também é necessário, o que é claro da lei de Ohm:

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

Os valores são substituídos na lei de Joule:

Q = (9.09 a)². 24.2 ohm . 1800 s = 3.600.000 J = 3600 kJ.

Solução c

A quantidade de calor Q necessário para elevar uma quantidade de água a uma certa temperatura depende do calor específico e da variação de temperatura que precisa ser obtida. É calculado por:

Q = m. C_e. Δt

Aqui m É a massa de água, C_e É o calor específico, que já tem o problema do problema e Δt É variação de temperatura.

A massa de água é o que está em 20 l. É calculado com a ajuda da densidade. Densidade da água ρ_água É o quociente entre a massa e o volume. Além disso, você precisa converter os litros em metros cúbicos:

20 L = 0.02 m³

Como M = densidade x volume = ρv, A massa é.

M = 1000 kg/m³ x 0.02 m³ = 20 kg.

Δt = temperatura final - temperatura inicial = t_F - 4 ºC = T_F - 277.15 k

Observe que você precisa ir de graus Celsius para Kelvin, acrescentando 273.15 k. Substituindo o acima na equação do calor:

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.

Exercício 2

a) Encontre expressões de energia e energia média para uma resistência conectada a uma tensão alternativa.

Pode servir a você: densidade aparente: fórmula, unidades e exercícios resolvidos

b) Suponha que você tenha um secador de cabelo com 1000W de energia conectada à ingestão de 120 V, encontre a resistência do elemento de aquecimento e a corrente de pico - canto máximo - que o atravessa.

c) O que acontece com o secador ao conectá -lo a um tom de 240 V?

Solução para

A tensão do tiro é alternativa, da forma V = v_qualquer. Sen ωt. Porque é variável ao longo do tempo, é muito importanteRms”, Acrônimo para Raiz quadrada média.

Esses valores para a corrente e a tensão são:

Yo_Rms = 0.707 i_qualquer

V_Rms = 0.707 v_qualquer

Ao aplicar a lei de Ohm, a corrente em função do tempo é:

I = v/r = v_qualquer. sin ωT /r = i_qualquer. sin ωt

Nesse caso, o poder em uma resistência cruzada por uma corrente alternada é:

P = i².R = (eu_qualquer. sin ωt)².R = i_qualquer².R . Sen² ωt

Observa -se que o poder também varia com o tempo e que é uma quantidade positiva, pois tudo é cortado para o quadrado e r é sempre> 0. O valor médio desta função é calculado pela integração em um ciclo e resultados:

P_metade = ½. Yo_qualquer².R = i_Rms².R

Em termos de tensão e corrente eficazes, o poder permanece assim:

P_metade = V_Rms. Yo_Rms

Yo_Rms = P_metade / V_Rms = P_metade / 0.707 v_qualquer

Solução b

Aplicando a última equação com os dados fornecidos:

P_metade = 1000 W e V_Rms = 120 v

Yo_Rms = P_metade / V_Rms = 1000 W / 120 V = 8.33 a

Portanto, a corrente máxima através do elemento de aquecimento é:

Yo_qualquer = I_Rms /0.707 = 8.33 A/0.707 = 11.8 a

A resistência pode ser limpa da equação média de energia:

P_metade = I_Rms².R → r = p_metade / Yo_Rms² = 1000 com (8.33 a)² = 14.41 ohm.

Solução c

No caso de se conectar a uma tomada de 240 V, as mudanças médias de energia:

Yo_Rms = V_Rms / R = 240 v / 14.41 ohm = 16.7 a

P_metade = V_Rms. Yo_Rms = 240 V x 16.7 a ~ 4000 W

Isso é aproximadamente 4 vezes o poder para o qual o elemento de aquecimento foi projetado, que será queimado logo após ser conectado a esta foto.

Formulários

Lâmpadas incandescentes

Uma lâmpada incandescente produz luz e também calor, que podemos notar imediatamente ao conectá -la. O elemento que produz ambos os efeitos é um filamento de motorista muito fino, e é por isso que tem alta resistência.

Graças a esse aumento de resistência, embora a corrente tenha diminuído no filamento, o efeito Joule está concentrado a ponto de a incandescência ocorrer. O filamento, feito de tungstênio porque tem um ponto de fusão alto de 3400 ºC, emite luz e também calor.

O dispositivo deve ser bloqueado em um recipiente de vidro transparente, preenchido com um gás inerte, como argônio ou nitrogênio de baixa pressão, para evitar a deterioração do filamento. Se não for feito dessa maneira, o oxigênio do ar consome o filamento e a lâmpada para de funcionar no ato.

Interruptores de magneto-teatro

Os efeitos magnéticos dos ímãs desaparecem em altas temperaturas. Isso pode ser usado para criar um dispositivo que interrompa a passagem de corrente, quando é excessiva. Isso consiste em um interruptor magnetotérmico.

Uma parte do circuito através do qual a corrente é fechada por meio de um ímã sujeito a uma doca. O ímã adere ao circuito graças à atração magnética e, portanto, permanece, enquanto não está enfraquecido devido ao aquecimento.

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Quando a corrente excede um determinado valor, o magnetismo enfraquece e a doca decola o ímã, fazendo com que o circuito se abra. E como a corrente precisa que o circuito seja fechado para fluir, ele abre e a passagem atual é interrompida. Dessa maneira.

Fusíveis

Outra maneira de proteger um circuito e interromper oportunamente o passe atual é por um fusível, uma tira de metal que, quando é aquecida pelo efeito joule, derrete, deixando o circuito aberto e interrompendo a corrente.

Figura 2. Um fusível é um elemento de proteção de circuito. Metal derrete quando é atravessado por corrente excessiva. Fonte: Pixabay.

Pasteurização por aquecimento ôhmico

Consiste em passar uma corrente elétrica através dos alimentos, que naturalmente têm resistência elétrica. Para isso, os eletrodos feitos de material anticorrosivo são usados. A temperatura alimentar aumenta e o calor destrói as bactérias, ajudando a preservá -las por mais tempo.

A vantagem desse método é que o aquecimento ocorre em muito menos tempo do que o exigido por meio de técnicas convencionais. O aquecimento prolongado destrói bactérias, mas também neutraliza vitaminas e minerais que são essenciais.

O aquecimento ôndmico, que dura apenas alguns segundos, ajuda a preservar o conteúdo nutricional dos alimentos.

Experimentos

O experimento a seguir consiste em medir a quantidade de energia elétrica transformada em energia térmica, medindo a quantidade de calor absorvida por uma massa conhecida de água. Para isso, uma bobina de aquecimento é imersa na água, através da qual uma corrente é passada.

Materiais

- 1 copo de poliestireno

- Multímetro

- Termômetro Celsius

- 1 fonte de potência ajustável, do intervalo de 0-12 V

- Equilíbrio

- Cabos de conexão

- Cronômetro

Procedimento

A bobina é aquecida pelo efeito joule e, portanto, a água também. Você precisa medir a massa de água e sua temperatura inicial e determinar a temperatura que iremos aquecê -la.

Figura 3. Experimente para determinar quanta energia elétrica é transformada em calor. Fonte: f. Zapata.

Leituras sucessivas são feitas a cada minuto, registrando valores atuais e de tensão. Depois que o registro estiver disponível, a energia elétrica fornecida, através das equações:

Q = i².R. Δt (Joule Law)

V = i.R (Lei de Ohm)

E comparar com a quantidade de calor absorvida pela massa de água:

Q = m. C_e. Δt (Veja o exercício resolvido 1)

Como a energia é preservada, ambas as quantidades devem ser as mesmas. No entanto, embora o poliestireno tenha sob calor específico e quase não absorva energia térmica, também haverá algumas perdas para a atmosfera. Você também tem que levar em consideração o erro experimental.

As perdas para a atmosfera são minimizadas se a água for aquecida o mesmo número de graus acima da temperatura ambiente, que estava abaixo antes de começar com o experimento.

Em outras palavras, se a água estivesse a 10 ºC e a temperatura ambiente foi de 22 ºC, então você deve levar a água até 32 ºC.

Referências

1. Kramer, c. 1994. Práticas de física. McGraw Hill. 197.
2. A peneira. Efeito Joule. Recuperado de: Eltamiz.com.
3. Figueroa, d. (2005). Série: Física para Ciência e Engenharia. Volume 5. Eletrostática. Editado por Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, d. 2006. Física: Princípios com aplicações. 6^º. Ed Prentice Hall.
5. Hipertextual. Qual é o efeito Joule e por que se tornou algo transcendental para nossas vidas. Recuperado de: hipertextual.com
6. Wikipedia. Efeito Joule. Recuperado de: é.Wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule aquecimento. Recuperado de: em. Wikipedia.org.