EFFETTO JOULE: SPIEGAZIONE, ESEMPI, ESERCIZI, APPLICAZIONI - FISICO - 2024

L' effetto Joule o legge di Joule è il risultato della trasformazione dell'energia elettrica in calore, che avviene quando una corrente elettrica passa attraverso un conduttore. Questo effetto è presente ogni volta che viene acceso un apparecchio o un dispositivo che necessita di elettricità per funzionare.

Altre volte è indesiderabile e si cerca di ridurlo al minimo, ecco perché le ventole vengono aggiunte al PC desktop per dissipare il calore, poiché può causare guasti ai componenti interni.

I dispositivi che utilizzano l'effetto Joule per produrre calore, hanno al loro interno una resistenza che si riscalda al passaggio di una corrente, chiamata elemento riscaldante.

Spiegazione

L'effetto Joule ha la sua origine su scala microscopica nelle particelle, sia quelle che compongono un materiale sia quelle che trasportano carica elettrica.

Gli atomi e le molecole in una sostanza sono nella loro posizione più stabile all'interno della sostanza. Da parte sua, la corrente elettrica consiste in un movimento ordinato di cariche elettriche, che provengono dal polo positivo della batteria. Quando escono da lì hanno molta energia potenziale.

Mentre passano, le particelle cariche colpiscono quelle del materiale e le fanno vibrare. Questi cercheranno di ritrovare l'equilibrio che avevano in precedenza, fornendo energia in eccesso all'ambiente circostante sotto forma di calore percettibile.

La quantità di calore Q rilasciata dipende dall'intensità della corrente I, dal tempo per il quale circola all'interno del conduttore Δt e dell'elemento resistivo R:

L'equazione di cui sopra è chiamata legge di Joule-Lenz.

Esempi

Due fisici, il britannico James Joule (1818-1889) e il russo Heinrich Lenz (1804-1865) osservarono indipendentemente che un filo che trasportava corrente non solo diventava caldo, ma la sua corrente diminuiva durante il processo.

Quindi è stato stabilito che la quantità di calore dissipata dalla resistenza è proporzionale a:

- Il quadrato dell'intensità della corrente circolante.

- Il tempo in cui detta corrente è rimasta a scorrere nel conduttore.

- La resistenza di detto conduttore.

Le unità di calore sono le stesse unità di energia: joule, abbreviato in J. Il joule è un'unità di energia abbastanza piccola, quindi ne vengono spesso utilizzate altre, come le calorie, ad esempio.

Per trasformare i joule in calorie, è sufficiente moltiplicare per il fattore 0,24, in modo che l'equazione data all'inizio sia espressa direttamente in calorie:

Effetto Joule e trasporto di energia elettrica

L'effetto Joule è gradito per produrre calore localizzato, come bruciatori e asciugacapelli. Ma in altri casi, ha effetti indesiderati, come:

- Un riscaldamento molto intenso nei conduttori può essere pericoloso, provocando incendi e ustioni.

- I dispositivi elettronici con transistor riducono le loro prestazioni e possono guastarsi anche se si surriscaldano.

- I fili che trasportano l'energia elettrica subiscono sempre un riscaldamento, anche lieve, che porta a notevoli perdite di energia.

Questo perché i cavi che trasportano la corrente dalle centrali elettriche corrono per centinaia di chilometri. Gran parte dell'energia che trasportano non raggiunge la sua destinazione, perché viene sprecata per strada.

Per evitare ciò, si cerca che i conduttori abbiano la minor resistenza possibile. Ciò è influenzato da tre fattori importanti: la lunghezza del filo, l'area della sezione trasversale e il materiale di cui è composto.

I migliori conduttori sono i metalli, con oro, argento, platino o rame tra i più efficienti. I fili dei cavi sono realizzati in filamenti di rame, un metallo che, sebbene non conduca bene come l'oro, è molto più economico.

Più un filo è lungo, maggiore sarà la resistenza che avrà, ma rendendoli più spessi la resistenza diminuisce, perché questo facilita il movimento dei portatori di carica.

Un'altra cosa che si può fare è diminuire l'intensità della corrente, in modo da ridurre al minimo il riscaldamento. I trasformatori sono responsabili del controllo corretto dell'intensità, ecco perché sono così importanti nella trasmissione di energia elettrica.

esercizi

Esercizio 1

Un radiatore indica che ha una potenza di 2000W ed è collegato alla presa 220 V. Calcola quanto segue:

a) Intensità della corrente che scorre attraverso il radiatore

b) Quantità di energia elettrica che è stata trasformata dopo mezz'ora

c) Se tutta questa energia viene investita nel riscaldamento di 20 litri di acqua che inizialmente sono a 4 ºC, quale sarà la temperatura massima alla quale l'acqua potrà essere riscaldata?

Soluzione a

La potenza è definita come energia per unità di tempo. Se nell'equazione data all'inizio passiamo il fattore Δt a destra, avremo appunto energia per unità di tempo:

La resistenza dell'elemento riscaldante si può conoscere tramite la legge di Ohm: V = IR, da cui segue che I = V / R. Così:

Quindi i risultati attuali:

Soluzione b

In questo caso Δt = 30 minuti = = 30 x 60 secondi = 1800 secondi. È richiesto anche il valore della resistenza, che è cancellato dalla legge di Ohm:

I valori sono sostituiti nella legge di Joule:

Soluzione c

La quantità di calore Q necessaria per portare una quantità di acqua ad una certa temperatura dipende dal calore specifico e dalla variazione di temperatura che si vuole ottenere. È calcolato da:

Qui m è la massa dell'acqua, C _e è il calore specifico, che è già considerato come dato per il problema, e ΔT è la variazione di temperatura.

La massa d'acqua è quella in 20 L. Viene calcolata con l'aiuto della densità. La densità dell'acqua ρ _dell'acqua è il rapporto tra massa e volume. Inoltre, devi convertire i litri in metri cubi:

Poiché m = densità x volume = ρV, la massa è.

Si noti che è necessario passare da gradi centigradi a kelvin, aggiungendo 273,15 K.Sostituendo quanto sopra nell'equazione del calore:

Esercizio 2

a) Trova le espressioni per la potenza e la potenza media per una resistenza collegata a una tensione alternata.

b) Supponi di avere un asciugacapelli con potenza 1000W collegato alla presa da 120 V, trova la resistenza dell'elemento riscaldante e la corrente di picco - corrente massima - che lo attraversa.

c) Cosa succede all'asciugatrice quando è collegata a una presa da 240 V?

Soluzione a

La tensione di presa è alternata, nella forma V = V _o . sen ωt. Poiché è variabile nel tempo, è molto importante definire i valori effettivi di tensione e corrente, che sono indicati dal pedice "rms", che sta per root mean square.

Questi valori di corrente e tensione sono:

Quando si applica la legge di Ohm, la corrente in funzione del tempo è come:

In tal caso, la potenza in un resistore attraversato da una corrente alternata è:

Si vede che la potenza varia anche con il tempo, e che è una quantità positiva, poiché tutto è al quadrato e R è sempre> 0. Il valore medio di questa funzione è calcolato per integrazione in un ciclo e risulta:

In termini di tensione e corrente effettive, la potenza è simile a questa:

Soluzione b

Applicando l'ultima equazione con i dati forniti:

P _media = 1000 W e V _rms = 120 V.

Pertanto la corrente massima che attraversa l'elemento riscaldante è:

La resistenza può essere risolta dall'equazione della potenza media:

P _media = V _rms . I _rms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W.

Questo è circa 4 volte il wattaggio per cui è progettato l'elemento riscaldante, che si brucerà poco dopo essere stato collegato a questa presa.

applicazioni

Lampadine a incandescenza

Una lampadina a incandescenza produce luce e anche calore, che possiamo notare immediatamente quando la colleghiamo. L'elemento che produce entrambi gli effetti è un filamento conduttore molto sottile, che quindi ha un'elevata resistenza.

Grazie a questo aumento di resistenza, sebbene la corrente sia diminuita nel filamento, l'effetto Joule è concentrato a tal punto che si verifica l'incandescenza. Il filamento, in tungsteno grazie al suo alto punto di fusione di 3400 ºC, emette luce e anche calore.

Il dispositivo deve essere racchiuso in un contenitore di vetro trasparente, riempito con un gas inerte, come argon o azoto a bassa pressione, per evitare il deterioramento del filamento. Se non si esegue in questo modo, l'ossigeno nell'aria consuma il filamento e la lampadina smette di funzionare immediatamente.

Interruttori magnetotermici

Gli effetti magnetici dei magneti scompaiono alle alte temperature. Questo può essere utilizzato per creare un dispositivo che interrompe il flusso di corrente, quando è eccessivo. Questo è un interruttore magnetotermico.

Una parte del circuito attraverso il quale scorre la corrente è chiusa da un magnete fissato a una molla. Il magnete si attacca al circuito grazie all'attrazione magnetica e lo rimane, purché non venga indebolito dal riscaldamento.

Quando la corrente supera un certo valore, il magnetismo si indebolisce e la molla stacca il magnete provocando l'apertura del circuito. E poiché la corrente ha bisogno che il circuito venga chiuso per fluire, si apre e il flusso di corrente viene interrotto. Ciò impedisce il riscaldamento dei cavi, che potrebbe causare incidenti come incendi.

I fusibili

Un altro modo per proteggere un circuito e interrompere tempestivamente il flusso di corrente è mediante un fusibile, un nastro metallico che, riscaldato per effetto Joule, si scioglie lasciando il circuito aperto e interrompendo la corrente.

Figura 2. Un fusibile è un elemento di protezione del circuito. Il metallo si scioglie quando viene attraversato da una corrente eccessiva. Fonte: Pixabay.

Pastorizzazione ohmica a caldo

Consiste nel far passare una corrente elettrica attraverso il cibo, che naturalmente ha una resistenza elettrica. Per questo, vengono utilizzati elettrodi in materiale anticorrosivo. La temperatura del cibo aumenta e il calore distrugge i batteri, aiutando a conservarlo più a lungo.

Il vantaggio di questo metodo è che il riscaldamento avviene in un tempo molto inferiore a quello richiesto dalle tecniche convenzionali. Il riscaldamento prolungato distrugge i batteri ma neutralizza anche le vitamine ei minerali essenziali.

Il riscaldamento ohmico, che dura pochi secondi, aiuta a preservare il contenuto nutritivo degli alimenti.

esperimenti

Il prossimo esperimento consiste nel misurare la quantità di energia elettrica convertita in energia termica misurando la quantità di calore assorbita da una massa d'acqua nota. Per fare ciò, una serpentina di riscaldamento viene immersa nell'acqua, attraverso la quale passa una corrente.

materiale

- 1 tazza in polistirolo

- Multimetro

- Termometro Celsius

- 1 fonte di alimentazione regolabile, range 0-12 V

- Equilibrio

- Cavi di collegamento

- Cronometro

Processi

La serpentina si riscalda per effetto joule e quindi anche l'acqua. Dobbiamo misurare la massa dell'acqua e la sua temperatura iniziale e determinare a quale temperatura la riscalderemo.

Figura 3. Esperimento per determinare quanta energia elettrica viene trasformata in calore. Fonte: F. Zapata.

Le letture successive vengono effettuate ogni minuto, registrando i valori di corrente e tensione. Una volta che il record è disponibile, l'energia elettrica fornita viene calcolata utilizzando le equazioni:

Q = I ² .R. Δt (legge di Joule)

V = IR (legge di Ohm)

E confronta con la quantità di calore assorbita dal corpo idrico:

Q = m. C _e . ΔT (vedi esercizio risolto 1)

Poiché l'energia è conservata, entrambe le quantità dovrebbero essere uguali. Tuttavia, sebbene il polistirolo abbia un basso calore specifico e assorba quasi nessuna energia termica, ci saranno comunque alcune perdite nell'atmosfera. Anche l'errore sperimentale deve essere preso in considerazione.

Le perdite nell'atmosfera sono ridotte al minimo se l'acqua viene riscaldata dello stesso numero di gradi sopra la temperatura ambiente rispetto a prima di iniziare l'esperimento.

In altre parole, se l'acqua era a 10ºC e la temperatura ambiente era di 22ºC, allora devi portare l'acqua fino a 32ºC.

Riferimenti

1. Kramer, C. 1994. Physics Practices. McGraw Hill. 197.
2. Il setaccio. Effetto Joule. Estratto da: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 5. Elettrostatica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 ^° . Ed Prentice Hall.
5. Ipertestuale. Cos'è l'effetto Joule e perché è diventato qualcosa di trascendentale nelle nostre vite. Estratto da: hypertextual.com
6. Wikipedia. Effetto Joule. Estratto da: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Riscaldamento Joule. Estratto da: en. wikipedia.org.