ผลจูล: คำอธิบายตัวอย่างแบบฝึกหัดการใช้งาน - กายภาพ - 2025

ผลจูลหรือจูลกฎหมายเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ เอฟเฟกต์นี้จะปรากฏขึ้นทุกครั้งที่เครื่องใช้ไฟฟ้าหรืออุปกรณ์ใด ๆ ที่ต้องใช้ไฟฟ้าในการทำงานเปิดอยู่

ในบางครั้งมันไม่เป็นที่พึงปรารถนาและพยายามที่จะย่อให้เล็กที่สุดนั่นคือเหตุผลที่พัดลมถูกเพิ่มเข้าไปในเดสก์ท็อปพีซีเพื่อกระจายความร้อนเนื่องจากอาจทำให้ส่วนประกอบภายในล้มเหลวได้

อุปกรณ์ที่ใช้เอฟเฟกต์จูลในการผลิตความร้อนมีความต้านทานภายในที่ร้อนขึ้นเมื่อกระแสไหลผ่านเรียกว่าองค์ประกอบความร้อน

คำอธิบาย

เอฟเฟกต์จูลมีต้นกำเนิดจากระดับจุลภาคในอนุภาคทั้งที่ประกอบเป็นวัสดุและที่มีประจุไฟฟ้า

อะตอมและโมเลกุลของสารอยู่ในตำแหน่งที่เสถียรที่สุดภายในสสาร ในส่วนของมันกระแสไฟฟ้าประกอบด้วยการเคลื่อนที่ตามลำดับของประจุไฟฟ้าซึ่งมาจากขั้วบวกของแบตเตอรี่ เมื่อออกไปจากที่นั่นก็จะมีพลังงานศักย์มากมาย

เมื่อผ่านไปอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะกระทบกับวัสดุและทำให้พวกมันสั่นสะเทือน สิ่งเหล่านี้จะพยายามคืนความสมดุลที่เคยมีโดยส่งพลังงานส่วนเกินไปยังสิ่งรอบตัวในรูปแบบของความร้อนที่รับรู้ได้

ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาขึ้นอยู่กับความเข้มของกระแส I เวลาที่มันไหลเวียนภายในตัวนำΔtและองค์ประกอบตัวต้านทาน R:

สมการข้างต้นเรียกว่ากฎ Joule-Lenz

ตัวอย่าง

นักฟิสิกส์สองคนคือ James Joule ชาวอังกฤษ (1818-1889) และ Heinrich Lenz ชาวรัสเซีย (1804-1865) สังเกตได้อย่างอิสระว่าสายไฟที่มีกระแสไฟฟ้าไม่เพียง แต่ร้อนขึ้น แต่กระแสไฟฟ้าลดลงในระหว่างกระบวนการ

จากนั้นเป็นที่ยอมรับว่าปริมาณความร้อนที่กระจายไปตามความต้านทานนั้นแปรผันตาม

- กำลังสองของความเข้มของกระแสหมุนเวียน

- เวลาที่บอกว่ากระแสไฟฟ้ายังคงไหลผ่านตัวนำ

- ความต้านทานของตัวนำดังกล่าว

หน่วยของความร้อนเป็นหน่วยเดียวกันของพลังงาน: จูลหรือเรียกโดยย่อว่า J. จูลเป็นหน่วยพลังงานที่ค่อนข้างเล็กดังนั้นจึงมักใช้อย่างอื่นเช่นแคลอรี่เป็นต้น

ในการเปลี่ยนจูลเป็นแคลอรี่เพียงแค่คูณด้วยปัจจัย 0.24 เพื่อให้สมการที่ระบุในตอนต้นแสดงเป็นแคลอรี่โดยตรง:

ผลจูลและการขนส่งพลังงานไฟฟ้า

เอฟเฟกต์ Joule สามารถผลิตความร้อนเฉพาะที่เช่นหัวเผาและไดร์เป่าผม แต่ในกรณีอื่น ๆ จะมีผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์เช่น:

- ความร้อนสูงมากในตัวนำอาจเป็นอันตรายทำให้เกิดไฟไหม้และไหม้ได้

- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีทรานซิสเตอร์ลดประสิทธิภาพและอาจล้มเหลวได้แม้ว่าจะร้อนเกินไป

- สายไฟที่มีพลังงานไฟฟ้ามักจะเกิดความร้อนแม้เพียงเล็กน้อยซึ่งนำไปสู่การสูญเสียพลังงานที่น่าสังเกต

เนื่องจากสายเคเบิลที่นำกระแสจากโรงไฟฟ้าวิ่งเป็นระยะทางหลายร้อยกิโลเมตร พลังงานจำนวนมากที่พวกเขาพกพาไปไม่ถึงปลายทางเพราะมันสูญเปล่าไประหว่างทาง

เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ขอให้ตัวนำมีความต้านทานน้อยที่สุด สิ่งนี้ได้รับอิทธิพลจากปัจจัยสำคัญสามประการ ได้แก่ ความยาวของเส้นลวดพื้นที่หน้าตัดและวัสดุที่ใช้ทำ

ตัวนำที่ดีที่สุดคือโลหะโดยทองคำเงินแพลตตินั่มหรือทองแดงมีประสิทธิภาพมากที่สุด สายไฟของสายเคเบิลทำจากเส้นใยทองแดงซึ่งเป็นโลหะที่ถึงแม้ว่ามันจะทำไม่ได้ดีเท่ากับทองคำ แต่ก็มีราคาถูกกว่ามาก

ลวดยิ่งยาวความต้านทานก็จะยิ่งมากขึ้น แต่การทำให้หนาขึ้นความต้านทานจะลดลงเพราะสิ่งนี้ช่วยให้การเคลื่อนที่ของตัวพาประจุไฟฟ้าสะดวกขึ้น

อีกสิ่งหนึ่งที่สามารถทำได้คือลดความเข้มของกระแสไฟฟ้าเพื่อให้ความร้อนลดลง หม้อแปลงมีหน้าที่ควบคุมความเข้มอย่างเหมาะสมนั่นคือเหตุผลว่าทำไมจึงมีความสำคัญในการส่งผ่านพลังงานไฟฟ้า

การออกกำลังกาย

แบบฝึกหัด 1

หม้อน้ำระบุว่ามีกำลังไฟ 2000W และเชื่อมต่อกับซ็อกเก็ต 220 V คำนวณสิ่งต่อไปนี้:

ก) ความเข้มของกระแสที่ไหลผ่านหม้อน้ำ

b) ปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่เปลี่ยนรูปหลังจากผ่านไปครึ่งชั่วโมง

c) หากนำพลังงานทั้งหมดนี้ไปลงทุนในการทำความร้อนน้ำ 20 ลิตรที่เริ่มต้นที่ 4 ºCอุณหภูมิสูงสุดที่น้ำสามารถอุ่นได้จะเป็นเท่าใด?

วิธีแก้ปัญหา

พลังงานหมายถึงพลังงานต่อหน่วยเวลา ถ้าในสมการที่ให้ไว้ตอนต้นเราส่งปัจจัยΔtไปทางขวาเราจะมีพลังงานที่แม่นยำต่อหนึ่งหน่วยเวลา:

ความต้านทานขององค์ประกอบความร้อนสามารถทราบได้ผ่านกฎของโอห์ม: V = IR ซึ่งเป็นไปตามนั้น I = V / R ดังนั้น:

ดังนั้นผลลัพธ์ปัจจุบัน:

แนวทางแก้ไข b

ในกรณีนี้Δt = 30 นาที = = 30 x 60 วินาที = 1800 วินาที จำเป็นต้องมีค่าความต้านทานซึ่งเคลียร์จากกฎของโอห์ม:

ค่าจะถูกแทนที่ในกฎของ Joule:

แนวทางแก้ไข c

ปริมาณความร้อน Q ที่จำเป็นในการเพิ่มปริมาณน้ำให้อยู่ในอุณหภูมิหนึ่งขึ้นอยู่กับความร้อนจำเพาะและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ต้องได้รับ คำนวณโดย:

ในที่นี้ m คือมวลของน้ำ C _eคือความร้อนจำเพาะซึ่งถูกนำมาใช้เป็นข้อมูลสำหรับปัญหาแล้วและΔTคือความแปรผันของอุณหภูมิ

มวลของน้ำอยู่ที่ 20 ลิตรคำนวณโดยใช้ความหนาแน่น ความหนาแน่นของน้ำρ _น้ำคืออัตราส่วนของมวลต่อปริมาตร นอกจากนี้คุณต้องแปลงลิตรเป็นลูกบาศก์เมตร:

เนื่องจาก m = ความหนาแน่น x ปริมาตร = ρVมวลจึงเป็น

โปรดทราบว่าเราต้องเปลี่ยนจากองศาเซนติเกรดเป็นเคลวินโดยเพิ่ม 273.15 K. การแทนค่าข้างต้นในสมการความร้อน:

แบบฝึกหัด 2

a) ค้นหานิพจน์สำหรับกำลังและกำลังเฉลี่ยสำหรับความต้านทานที่เชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ

b) สมมติว่าคุณมีเครื่องเป่าผมที่มีกำลังไฟ 1000W เชื่อมต่อกับซ็อกเก็ต 120 V ค้นหาความต้านทานขององค์ประกอบความร้อนและกระแสไฟฟ้าสูงสุด - กระแสไฟฟ้าสูงสุด - ผ่าน

c) จะเกิดอะไรขึ้นกับเครื่องเป่าเมื่อเชื่อมต่อกับซ็อกเก็ต 240 V?

วิธีแก้ปัญหา

แรงดันไฟฟ้าประปาสลับในรูปแบบ V = V o sen ωt. เนื่องจากเวลามีการเปลี่ยนแปลงจึงเป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องกำหนดค่าที่มีประสิทธิภาพของทั้งแรงดันและกระแสซึ่งแสดงด้วยตัวห้อย“ rms” ซึ่งย่อมาจากกำลังสองค่าเฉลี่ยราก

ค่าเหล่านี้สำหรับกระแสและแรงดันคือ:

เมื่อใช้กฎของโอห์มกระแสไฟฟ้าตามฟังก์ชันของเวลาจะเป็นดังนี้:

ในกรณีเช่นนี้กำลังในตัวต้านทานที่ข้ามด้วยกระแสสลับคือ:

จะเห็นว่ากำลังแปรผันตามเวลาเช่นกันและเป็นปริมาณบวกเนื่องจากทุกอย่างเป็นกำลังสองและ R จะ> 0 เสมอค่าเฉลี่ยของฟังก์ชันนี้คำนวณโดยการรวมในวงจรและผลลัพธ์:

ในแง่ของแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพพลังงานจะมีลักษณะดังนี้:

แนวทางแก้ไข b

การใช้สมการสุดท้ายกับข้อมูลที่ให้มา:

_{ค่าเฉลี่ย} P = 1,000 W และ V _rms = 120 V

ดังนั้นกระแสสูงสุดผ่านองค์ประกอบความร้อนคือ:

ความต้านทานสามารถแก้ไขได้จากสมการของกำลังเฉลี่ย:

P _{หมายถึง} = V RMS ฉัน_rms = 240 V x 16.7 A ≈ 4000 W

นี่คือประมาณ 4 เท่าของวัตต์ที่องค์ประกอบความร้อนได้รับการออกแบบมาซึ่งจะไหม้หลังจากเสียบเข้ากับเต้าเสียบนี้ไม่นาน

การประยุกต์ใช้งาน

หลอดไส้

หลอดไฟแบบไส้ให้แสงสว่างและความร้อนด้วยซึ่งเราสามารถสังเกตเห็นได้ทันทีเมื่อเชื่อมต่อ องค์ประกอบที่ก่อให้เกิดผลกระทบทั้งสองคือฟิลาเมนต์ตัวนำที่บางมากจึงมีความต้านทานสูง

ด้วยความต้านทานที่เพิ่มขึ้นนี้แม้ว่ากระแสจะลดลงในไส้หลอด แต่เอฟเฟกต์ Joule จะเข้มข้นจนถึงระดับที่เกิดการขาด ไส้หลอดทำจากทังสเตนเนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูง 3400 ºCเปล่งแสงและให้ความร้อนด้วย

อุปกรณ์ควรอยู่ในภาชนะแก้วใสซึ่งเต็มไปด้วยก๊าซเฉื่อยเช่นอาร์กอนหรือไนโตรเจนที่ความดันต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพของไส้หลอด ถ้าไม่ทำเช่นนี้ออกซิเจนในอากาศจะกินไส้หลอดและหลอดไฟจะหยุดทำงานทันที

สวิตช์แม๊กเทอร์มอล

ผลแม่เหล็กของแม่เหล็กจะหายไปที่อุณหภูมิสูง สามารถใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์ที่ขัดขวางการไหลของกระแสไฟฟ้าเมื่อมีมากเกินไป นี่คือสวิตช์แม่เหล็ก

ส่วนหนึ่งของวงจรที่กระแสไฟฟ้าถูกปิดโดยแม่เหล็กที่ติดอยู่กับสปริง แม่เหล็กเกาะติดกับวงจรเนื่องจากแรงดึงดูดของแม่เหล็กและยังคงอยู่ตราบเท่าที่มันไม่ได้ถูกทำให้ร้อนลง

เมื่อกระแสเกินค่าที่กำหนดแม่เหล็กจะอ่อนตัวลงและสปริงจะดึงแม่เหล็กออกทำให้วงจรเปิด และเนื่องจากกระแสต้องปิดวงจรเพื่อที่จะไหลมันจึงเปิดขึ้นและการไหลของกระแสจะถูกขัดจังหวะ เพื่อป้องกันไม่ให้สายเคเบิลร้อนขึ้นซึ่งอาจทำให้เกิดอุบัติเหตุเช่นไฟไหม้

ฟิวส์

อีกวิธีหนึ่งในการป้องกันวงจรและขัดขวางการไหลของกระแสไฟฟ้าในเวลาที่เหมาะสมคือการใช้ฟิวส์ซึ่งเป็นแถบโลหะที่เมื่อได้รับความร้อนจากเอฟเฟกต์จูลจะหลอมละลายปล่อยให้วงจรเปิดและขัดจังหวะกระแส

รูปที่ 2. ฟิวส์เป็นองค์ประกอบป้องกันวงจร โลหะละลายเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้ามากเกินไป ที่มา: Pixabay

พาสเจอร์ไรส์ความร้อน Ohmic

ประกอบด้วยการส่งกระแสไฟฟ้าผ่านอาหารซึ่งมีความต้านทานไฟฟ้าตามธรรมชาติ สำหรับสิ่งนี้จะใช้อิเล็กโทรดที่ทำจากวัสดุป้องกันการกัดกร่อน อุณหภูมิของอาหารสูงขึ้นและความร้อนทำลายแบคทีเรียช่วยถนอมอาหารได้นานขึ้น

ข้อดีของวิธีนี้คือการให้ความร้อนเกิดขึ้นในเวลาน้อยกว่าที่เทคนิคทั่วไปกำหนด การให้ความร้อนเป็นเวลานานจะทำลายแบคทีเรีย แต่ยังทำให้วิตามินและแร่ธาตุที่จำเป็นเป็นกลาง

การให้ความร้อนแบบ Ohmic ซึ่งใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีจะช่วยรักษาคุณค่าทางโภชนาการของอาหาร

การทดลอง

การทดลองต่อไปนี้ประกอบด้วยการวัดปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่แปลงเป็นพลังงานความร้อนการวัดปริมาณความร้อนที่ดูดซับโดยมวลของน้ำที่ทราบ ในการทำเช่นนี้ขดลวดความร้อนจะถูกจุ่มลงในน้ำซึ่งกระแสไฟฟ้าจะผ่านไป

วัสดุ

- ถ้วยโพลีสไตรีน 1 ถ้วย

- มัลติมิเตอร์

- เครื่องวัดอุณหภูมิเซลเซียส

- แหล่งจ่ายไฟที่ปรับได้ 1 จุดช่วง 0-12 V

- ความสมดุล

- สายเชื่อมต่อ

- นาฬิกาจับเวลา

กระบวนการ

ขดลวดร้อนขึ้นโดยผลจูลและน้ำก็เช่นกัน เราต้องวัดมวลของน้ำและอุณหภูมิเริ่มต้นและกำหนดอุณหภูมิที่เราจะให้ความร้อน

รูปที่ 3. การทดลองเพื่อหาปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่เปลี่ยนเป็นความร้อน ที่มา: F. Zapata

การอ่านค่าต่อเนื่องจะใช้เวลาทุกนาทีบันทึกค่ากระแสและแรงดันไฟฟ้า เมื่อบันทึกพร้อมใช้งานพลังงานไฟฟ้าที่ให้มาจะคำนวณโดยใช้สมการ:

ถาม = ฉัน² . Δt (กฎของ Joule)

V = IR (กฎของโอห์ม)

และเปรียบเทียบกับปริมาณความร้อนที่ร่างกายดูดซับ:

Q = ม. ค_จ . ΔT (ดูแบบฝึกหัดที่แก้ไข 1)

เนื่องจากพลังงานได้รับการอนุรักษ์ปริมาณทั้งสองควรเท่ากัน อย่างไรก็ตามแม้ว่าโพลีสไตรีนจะมีความร้อนจำเพาะต่ำและแทบจะไม่ดูดซับพลังงานความร้อน แต่ก็ยังคงมีการสูญเสียบางส่วนต่อชั้นบรรยากาศ นอกจากนี้ยังต้องคำนึงถึงข้อผิดพลาดในการทดลองด้วย

การสูญเสียสู่ชั้นบรรยากาศจะลดลงหากน้ำได้รับความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิห้องในระดับเดียวกันกับอุณหภูมิด้านล่างก่อนเริ่มการทดลอง

กล่าวอีกนัยหนึ่งถ้าน้ำอยู่ที่10ºCและอุณหภูมิโดยรอบอยู่ที่22ºCคุณต้องนำน้ำขึ้นไปที่32ºC

อ้างอิง

1. Kramer, C. 1994. ปฏิบัติการทางฟิสิกส์. McGraw Hill 197
2. ตะแกรง ผลจูล สืบค้นจาก: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่มที่ 5. ไฟฟ้าสถิต. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
4. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 TH Ed Prentice Hall
5. Hypertextual ผลจูลคืออะไรและเหตุใดจึงกลายเป็นสิ่งที่ยอดเยี่ยมในชีวิตของเรา ดึงมาจาก: hypertextual.com
6. วิกิพีเดีย ผลจูล สืบค้นจาก: es.wikipedia.org.
7. วิกิพีเดีย เครื่องทำความร้อน Joule กู้คืนจาก: en. wikipedia.org