EFECTE JOULE: EXPLICACIÓ, EXEMPLES, EXERCICIS, APLICACIONS - FÍSICA - 2025

El efecte Joule o llei de Joule és el resultat de la transformació de l'energia elèctrica en calor, que té lloc quan un corrent elèctric travessa un conductor. Aquest efecte està present sempre que s'encén qualsevol aparell o dispositiu que necessiti electricitat per funcionar.

Altres vegades és indesitjable i es busca minimitzar-lo, per això a la PC d'escriptori se li afegeixen ventiladors per dissipar la calor, ja que pot causar fallades als components interns.

Els aparells que es valen de l'efecte Joule per produir calor, tenen al seu interior una resistència que s'escalfa quan se li fa passar corrent, anomenada element de calefacció.

explicació

L'efecte Joule té el seu origen a escala microscòpica en les partícules, tant les que conformen un material com les que transporten la càrrega elèctrica.

Els àtoms i les molècules en una substància es troben en la seva posició més estable a l'interior d'aquesta. Per la seva banda, el corrent elèctric consisteix en un moviment ordenat de càrregues elèctriques, que provenen de l'pol positiu de la bateria. A l'sortir d'allà tenen molta energia potencial.

Al seu pas, les partícules carregades impacten a les de l'material i les posen a vibrar. Aquestes tractaran de recobrar l'equilibri que tenien prèviament, lliurant l'excés d'energia al seu entorn en forma de calor perceptible.

La quantitat de calor Q desprès depèn de la intensitat del corrent I, el temps pel qual circula dins el conductor At i de l'element resistiu R:

L'equació anterior rep el nom de llei de Joule-Lenz.

exemples

Dos físics, el britànic James Joule (1818-1889) i el rus Heinrich Lenz (1804-1865) van observar, de manera independent, que un filferro que transportava corrent no només s'escalfava, sinó que la seva corrent anava disminuint durant el procés.

Després es va establir que, la quantitat de calor dissipada per la resistència és proporcional a:

- El quadrat de la intensitat del corrent circulant.

- El temps que romania dit corrent fluint pel conductor.

- La resistència del conductor.

Les unitats de la calor són les mateixes unitats de l'energia: els joules, abreujats com J. L'joule és una unitat d'energia bastant petita, llavors solen emprar altres com les calories, per exemple.

Per transformar joules a calories només cal multiplicar pel factor 0,24, de manera que l'equació donada a l'començament, s'expressa directament en calories:

Efecte Joule i transport d'energia elèctrica

L'efecte Joule és benvingut per produir calor localitzat, com fogons i assecadors de cabell. Però en altres casos, té efectes indesitjats, com per exemple:

- Un escalfament molt gran en els conductors pot ser perillós, causant incendis i cremades.

- Els dispositius electrònics amb transistors disminueixen el seu rendiment i poden fallar fins i tot si s'escalfen massa.

- Els filferros que transporten energia elèctrica experimenten sempre un escalfament, encara que sigui lleu, el qual condueix a pèrdues notables d'energia.

Això es deu al fet que els cables que transporten corrent des de les centrals elèctriques tenen recorreguts de centenars de quilòmetres. Llavors bona part de l'energia que porten no aconsegueix a arribar al seu destí, perquè es malgasta en el camí.

Per evitar-ho, es busca que els conductors tinguin la menor resistència possible. En això influeixen tres factors importants: la longitud d'el filferro, l'àrea de secció transversal i el material amb què està fet.

Els millors conductors són els metalls, sent or, plata, platí o coure alguns dels més eficients. Els filferros dels cables estan fets a força de filaments de coure, metall que, encara que no condueix tan bé com l'or, si és bastant més barat.

Com més llarg sigui un filferro, major resistència tindrà, però a l'fabricar més gruixuts, la resistència disminueix, perquè això facilita el moviment dels portadors de càrrega.

Una altra cosa que es pot fer és disminuir la intensitat del corrent, perquè l'escalfament es minimitzi. Els transformadors s'encarreguen de controlar la intensitat apropiadament, per això són tan importants en la transmissió d'energia elèctrica.

exercicis

exercici 1

Un radiador indica que posseeix una potència de 2000W i està connectat a la presa de 220 V. Calcular el següent:

a) Intensitat del corrent que circula pel radiador

b) Quantitat d'energia elèctrica que s'ha transformat a l'cap de mitja hora

c) Si tota aquesta energia s'inverteix a escalfar 20 litres d'aigua que inicialment són a 4 ºC, quina serà la màxima temperatura a la qual es pot escalfar l'aigua?

solució a

La potència es defineix com a energia per unitat de temps. Si en l'equació donada a l'començament passem el factor At a la dreta, es tindrà precisament energia per unitat de temps:

La resistència de l'element calefactor es pot conèixer a través de la llei d'Ohm: V = IR, de la qual es dedueix que I = V / R. per tant:

Així el corrent resulta:

solució b

En aquest cas At = 30 minuts = = 30 x 60 segons = 1800 segons. També es requereix el valor de la resistència, que es buida de la llei d'Ohm:

Se substitueixen els valors en la llei de Joule:

solució c

La quantitat de calor Q necessària per elevar una quantitat d'aigua a certa temperatura depèn de la calor específica i de la variació de temperatura que es necessita obtenir. Es calcula mitjançant:

Aquí m és la massa d'aigua, C _i és la calor específica, que ja es té com a dada de el problema i At és la variació de temperatura.

La massa d'aigua és la que hi ha a 20 L. Es calcula amb ajuda de la densitat. La densitat de l'aigua ρ _aigua és el quocient entre la massa i el volum. A més cal convertir els litres a metres cúbics:

Com m = densitat x volum = ρV, la massa és.

Cal notar que cal passar de graus centígrads a kelvin, sumant 273.15 K. Substituint l'anterior en l'equació de la calor:

exercici 2

a) Trobar expressions per potència i la potència mitjana per a una resistència connectada a un voltatge altern.

b) Suposeu que té un assecador de cabell amb 1000W de potència connectat a la presa de 120 V, trobi la resistència de l'element calefactor i el corrent pic -corrent màxima- que el travessa.

c) Què passa amb l'assecador a l'connectar-lo a una presa de 240 V?

solució a

El voltatge de la presa és altern, de la forma V = V _o. sen ωt. Per ser variable en el temps, és molt important definir els valors eficaços, tant de l'voltatge com del corrent, els quals es denoten amb el subíndex "rms", sigles de root pixen square.

Aquests valors per a la corrent i el voltatge són:

A l'aplicar la llei d'Ohm, el corrent en funció de el temps queda com:

En aquest cas, la potència en una resistència travessada per un corrent altern és:

Es veu que la potència també varia amb el temps, i que és una quantitat positiva, ja que tot està elevat a el quadrat i R sempre és> 0. El valor mitjà d'aquesta funció es calcula mitjançant integració en un cicle i resulta:

En termes de l'voltatge i el corrent eficaços, la potència queda així:

solució b

Aplicant l'última equació amb les dades subministrades:

P _mitjana = 1000 W i V _rms = 120 V

Per tant el corrent màxima a través d'l'element calefactor és:

La resistència pot aclarir de l'equació de la potència mitjana:

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

Això és aproximadament 4 vegades la potència per la qual està dissenyat l'element calefactor, que es cremarà en breu després de ser connectat a aquesta presa.

aplicacions

bombetes incandescents

Una bombeta incandescent produeix llum i també la calor, cosa que podem notar immediatament a l'connectar-la. L'element que produeix dos efectes és un filament de conductor molt prim, que per això té una resistència elevada.

Gràcies a aquest augment de la resistència, si bé el corrent ha disminuït en el filament, l'efecte Joule es concentra a tal punt que es produeix la incandescència. El filament, fabricat de tungstè pel fet que té un alt punt de fusió de 3400 ºC, emet llum i també calor.

El dispositiu ha de tancar-se en un recipient de vidre transparent, que s'omple d'un gas inert, com argó o nitrogen a baixa pressió, per evitar el deteriorament de l'filament. Si no es fa d'aquesta manera, l'oxigen de l'aire consumeix el filament i la bombeta deixa de funcionar a l'acte.

Interruptors magneto-tèrmics

Els efectes magnètics dels imants desapareixen a altes temperatures. Això pot aprofitar-se per crear un dispositiu que interrompi el pas de corrent, quan aquest sigui excessiu. En això consisteix un interruptor magnetotèrmic.

Una part de l'circuit per la qual circula el corrent està tancada mitjançant un imant subjecte a una molla. L'imam s'enganxa a l'circuit gràcies a l'atracció magnètica i així roman, mentre aquesta no es debiliti per causa de l'escalfament.

Quan el corrent sobrepassa cert valor, el magnetisme es debilita i el moll desenganxa l'imam, fent que el circuit s'obri. I com el corrent necessita que el circuit estigui tancat per poder fluir, aquest s'obre i el pas de corrent s'interromp. D'aquesta manera s'impedeix l'escalfament dels cables que podria originar accidents com incendis.

fusibles

Una altra manera de protegir un circuit i interrompre oportunament el pas de corrent és mitjançant un fusible, una tira de metall que quan s'escalfa per efecte Joule, es fon, deixant obert el circuit i interrompent el corrent.

Figura 2. Un fusible és un element protector de circuit. El metall es fon quan és travessat per un corrent excessiva. Font: Pixabay.

Pasteurització per escalfament òhmic

Consisteix a fer passar un corrent elèctric pels aliments, que naturalment tenen resistència elèctrica. Per a això s'utilitzen elèctrodes fets de material anticorrosiu. La temperatura dels aliments augmenta i la calor destrueix els bacteris, ajudant a preservar-los per més temps.

L'avantatge que presenta aquest mètode és que l'escalfament es produeix en molt menys temps que el que es requereix mitjançant tècniques convencionals. L'escalfament prolongat destrueix els bacteris però també neutralitza vitamines i minerals que són imprescindibles.

L'escalfament òhmic, que dura només uns segons, ajuda a preservar el contingut nutricional dels aliments.

experiments

El següent experiment consisteix a mesurar la quantitat d'energia elèctrica convertida en energia tèrmica, mesurant la quantitat de calor absorbida per una massa coneguda d'aigua. Per a això es submergeix en aigua una bobina calefactora, a través de la qual es fa passar un corrent.

materials

- 1 got de poliestirè

- Multímetre

- Termòmetre Celsius

- 1 font de poder ajustable, de rang 0-12 V

- Balança

- Cables de connexió

- Cronòmetre

procediment

La bobina s'escalfa per efecte joule i, per tant, l'aigua també. Cal mesurar la massa d'aigua i la seva temperatura inicial, i determinar fins que temperatura anem a escalfar-la.

Figura 3. Experiment per determinar quanta energia elèctrica es transforma en calor. Font: F. Zapata.

Es van prenent lectures successives cada minut, registrant els valors de corrent i voltatge. Una vegada que es disposa d'el registre, es calcula l'energia elèctrica subministrada, mitjançant les equacions:

Q = I ².R. At (Llei de Joule)

V = IR (Llei d'Ohm)

I comparar amb la quantitat de calor absorbida per la massa d'aigua:

Q = m. C _i. At (veure exercici resolt 1)

Com l'energia es conserva, les dues quantitats haurien de ser iguals. No obstant això, tot i que el poliestirè té sota calor específica i gairebé no absorbeix energia tèrmica, igualment hi haurà algunes pèrdues cap a l'atmosfera. També cal tenir en compte l'error experimental.

Les pèrdues a l'atmosfera es minimitzen si s'escalfa l'aigua el mateix nombre de graus per sobre de la temperatura ambient, a què havia per sota abans de començar amb l'experiment.

En altres paraules, si l'aigua estava a 10 ºC i la temperatura ambient era de 22 ºC, llavors cal portar l'aigua fins a 32 ºC.

referències

1. Kramer, C. 1994. Pràctiques de Física. McGraw Hill. 197.
2. El tamís. Efecte Joule. Recuperat de: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Sèrie: Física per a Ciències i Enginyeria. Volum 5. Electrostàtica. Editat per Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 ^th. Ed Prentice Hall.
5. Hipertextual. Què és l'efecte Joule i per què s'ha convertit en una cosa transcendental per a les nostres vides. Recuperat de: hipertextual.com
6. Wikipedia. Efecte Joule. Recuperat de: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Joule heating. Recuperat de: a. wikipedia.org.