주울 효과 또는 주울의 법칙은 전류가 도체를 통과 할 때 일어나는 열로 전기 에너지의 변화의 결과이다. 이 효과는 작동하는 데 전기가 필요한 기기 나 장치를 켤 때마다 나타납니다.
다른 경우에는 바람직하지 않으며 최소화하려는 경우 내부 구성 요소의 고장을 일으킬 수 있으므로 열을 방출하기 위해 팬이 데스크탑 PC에 추가됩니다.
줄 효과를 사용하여 열을 생성하는 장치는 발열체라고하는 전류가 통과 할 때 가열되는 저항 내부에 있습니다.
설명
줄 효과는 물질을 구성하는 입자와 전하를 전달하는 입자 모두에서 미세한 규모의 입자에서 시작됩니다.
물질의 원자와 분자는 물질 내에서 가장 안정적인 위치에 있습니다. 그 부분에서 전류는 배터리의 양극에서 나오는 전하의 규칙적인 움직임으로 구성됩니다. 그들이 거기에서 나올 때 그들은 많은 잠재 에너지를 가지고 있습니다.
통과 할 때 하전 된 입자는 재료의 입자에 영향을 미치고 진동을 유발합니다. 이들은 이전에 가졌던 균형을 되 찾으려고 노력하여 주변에 과도한 에너지를 지각 할 수있는 열의 형태로 전달합니다.
방출되는 열 Q의 양은 전류 I의 강도, 도체 Δt 및 저항 요소 R 내부에서 순환하는 시간에 따라 다릅니다.
위의 방정식을 Joule-Lenz 법칙이라고합니다.
예
두 물리학자인 영국인 James Joule (1818-1889)과 러시아 Heinrich Lenz (1804-1865)는 전류가 흐르는 전선이 뜨거워 졌을뿐만 아니라 그 과정에서 전류가 감소하는 것을 독립적으로 관찰했습니다.
그런 다음 저항에 의해 발산되는 열의 양이 다음에 비례한다는 것이 확인되었습니다.
-순환 전류 강도의 제곱입니다.
-상기 전류가 도체를 통해 계속 흐르는 시간.
-상기 도체의 저항.
열의 단위는 동일한 에너지 단위입니다. 줄 (J)로 줄여서 줄입니다. 줄은 상당히 작은 에너지 단위이므로 예를 들어 칼로리와 같은 다른 단위가 자주 사용됩니다.
줄을 칼로리로 변환하려면 0.24를 곱하면 처음에 주어진 방정식이 직접 칼로리로 표현됩니다.
줄 효과 및 전기 에너지 전송
줄 효과는 버너 및 헤어 드라이어와 같은 국부적 인 열을 생성하는 데 환영받습니다. 그러나 다른 경우에는 다음과 같은 원치 않는 효과가 있습니다.
-컨덕터의 매우 큰 가열은 위험하여 화재와 화상을 일으킬 수 있습니다.
-트랜지스터가있는 전자 장치는 성능이 저하되고 너무 뜨거워도 작동하지 않을 수 있습니다.
-전기 에너지를 전달하는 전선은 항상 약간이라도 열이 발생하여 현저한 에너지 손실이 발생합니다.
발전소에서 전류를 전달하는 케이블이 수백 킬로미터를 달리기 때문입니다. 그들이 운반하는 에너지의 상당 부분은 목적지에 도달하지 못합니다. 왜냐하면 그것은 도중에 낭비되기 때문입니다.
이를 방지하기 위해 도체의 저항이 최소가되는 것이 좋습니다. 이것은 와이어의 길이, 단면적 및 와이어가 만들어지는 재료의 세 가지 중요한 요소의 영향을받습니다.
가장 좋은 도체는 금속이며 금,은, 백금 또는 구리가 가장 효율적입니다. 케이블의 전선은 구리 필라멘트로 만들어져 금만큼 잘 전도되지는 않지만 훨씬 저렴합니다.
와이어가 길수록 저항이 커지지 만 두꺼워지면 저항이 감소합니다. 이는 전하 캐리어의 이동을 촉진하기 때문입니다.
할 수있는 또 다른 일은 전류의 강도를 줄여 발열을 최소화하는 것입니다. 변압기는 강도를 적절하게 제어 할 책임이 있기 때문에 전기 에너지 전송에 매우 중요합니다.
식
연습 1
라디에이터는 전원이 2000W이고 220V 소켓에 연결되어 있음을 나타냅니다. 다음을 계산하십시오.
a) 라디에이터를 통해 흐르는 전류의 강도
b) 30 분 후에 변환 된 전기 에너지의 양
c)이 모든 에너지가 초기에 4ºC에있는 20 리터의 물을 가열하는 데 투자된다면 물이 가열 될 수있는 최대 온도는 얼마입니까?
솔루션
전력은 단위 시간당 에너지로 정의됩니다. 처음에 주어진 방정식에서 계수 Δt를 오른쪽으로 전달하면 단위 시간당 정확한 에너지를 갖게됩니다.
발열체의 저항은 옴의 법칙을 통해 알 수 있습니다 : V = IR, I = V / R. 그러므로:
따라서 현재 결과 :
솔루션 b
이 경우 Δt = 30 분 = = 30 x 60 초 = 1800 초입니다. 저항 값도 필요하며 이는 옴의 법칙에서 지워집니다.
값은 줄의 법칙으로 대체됩니다.
솔루션 c
물의 양을 특정 온도로 올리는 데 필요한 열량 Q는 획득해야하는 비열과 온도 변화에 따라 달라집니다. 다음과 같이 계산됩니다.
여기서 m은 물의 질량, C e 는 문제에 대한 데이터로 이미 사용 된 비열, ΔT는 온도 변화입니다.
물의 질량은 20L입니다. 밀도의 도움으로 계산됩니다. 물의 밀도 ρ 물 은 부피 대 질량의 비율입니다. 또한 리터를 입방 미터로 변환해야합니다.
m = 밀도 x 부피 = ρV이므로 질량은 다음과 같습니다.
섭씨에서 켈빈으로 이동하여 273.15K를 더해야합니다. 열 방정식에서 위의 값을 대체합니다.
연습 2
a) 교류 전압에 연결된 저항에 대한 전력 및 평균 전력에 대한 표현식을 찾습니다.
b) 120V 소켓에 1000W 전원이 연결된 헤어 드라이어가 있다고 가정하고 발열체의 저항과이를 통해 피크 전류 (최대 전류)를 찾습니다.
c) 240V 소켓에 연결하면 건조기는 어떻게됩니까?
솔루션
탭 전압은 V = V o 형식으로 번갈아 가며 나타납니다 . 센 ωt. 시간에 따라 변하기 때문에 평균 제곱근을 나타내는 아래 첨자 "rms"로 표시되는 전압과 전류의 유효 값을 정의하는 것이 매우 중요합니다.
전류 및 전압에 대한 이러한 값은 다음과 같습니다.
옴의 법칙을 적용 할 때 시간 함수로서의 전류는 다음과 같습니다.
이 경우 교류가 교차하는 저항의 전력은 다음과 같습니다.
검정력도 시간에 따라 달라지며 모든 것이 제곱되고 R이 항상 0보다 크므로 양의 양입니다.이 함수의 평균 값은 한주기의 적분으로 계산되며 결과는 다음과 같습니다.
유효 전압 및 전류 측면에서 전력은 다음과 같습니다.
솔루션 b
제공된 데이터로 마지막 방정식 적용 :
평균 P = 1000W 및 V rms = 120V
따라서 발열체를 통과하는 최대 전류는 다음과 같습니다.
저항은 평균 전력 방정식에서 풀 수 있습니다.
P 평균 = V rms . I rms = 240V x 16.7A ≈ 4000W
이는 발열체가 설계된 와트의 약 4 배이며,이 콘센트에 꽂은 직후에 소손됩니다.
응용
백열 전구
백열 전구는 빛과 열을 생성하므로 연결하면 즉시 알 수 있습니다. 두 효과를 모두 생성하는 요소는 매우 얇은 전도체 필라멘트이므로 저항이 높습니다.
이러한 저항 증가 덕분에 필라멘트의 전류는 감소했지만 줄 효과가 집중되어 백열이 발생합니다. 3400ºC의 높은 융점으로 인해 텅스텐으로 만들어진 필라멘트는 빛과 열을 방출합니다.
장치는 필라멘트의 열화를 방지하기 위해 저압에서 아르곤이나 질소와 같은 불활성 가스로 채워진 투명한 유리 용기에 넣어야합니다. 이렇게하지 않으면 공기 중의 산소가 필라멘트를 소비하고 전구가 즉시 작동을 멈 춥니 다.
자기 열 스위치
자석의 자기 효과는 고온에서 사라집니다. 이것은 과도한 전류의 흐름을 차단하는 장치를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 이것은 자기 열 스위치입니다.
전류가 흐르는 회로의 일부는 스프링에 부착 된 자석에 의해 닫힙니다. 자석은 자기 인력으로 인해 회로에 달라 붙고 가열에 의해 약화되지 않는 한 그대로 유지됩니다.
전류가 특정 값을 초과하면 자기가 약해지고 스프링이 자석을 분리하여 회로가 열립니다. 그리고 전류가 흐르려면 회로를 닫아야하므로 회로가 열리고 전류의 흐름이 차단됩니다. 이렇게하면 케이블이 가열되어 화재와 같은 사고가 발생할 수 있습니다.
퓨즈
회로를 보호하고 적시에 전류의 흐름을 차단하는 또 다른 방법은 줄 효과에 의해 가열 될 때 녹아 회로를 열어두고 전류를 차단하는 금속 스트립 인 퓨즈를 사용하는 것입니다.
그림 2. 퓨즈는 회로 보호 요소입니다. 금속은 과도한 전류가 흐르면 녹습니다. 출처 : Pixabay.
옴 가열 저온 살균
자연적으로 전기 저항이있는 음식을 통해 전류를 전달하는 것으로 구성됩니다. 이를 위해 부식 방지 재료로 만들어진 전극이 사용됩니다. 음식의 온도가 상승하고 열이 박테리아를 파괴하여 더 오래 보존하는 데 도움이됩니다.
이 방법의 장점은 기존 기술에서 요구하는 것보다 훨씬 짧은 시간에 가열이 발생한다는 것입니다. 장시간 가열하면 박테리아가 파괴되지만 필수 비타민과 미네랄도 중화됩니다.
단 몇 초 동안 지속되는 옴 가열은 식품의 영양 성분을 보존하는 데 도움이됩니다.
실험
다음 실험은 알려진 질량의 물에 흡수 된 열의 양을 측정하여 열 에너지로 변환 된 전기 에너지의 양을 측정하는 것입니다. 이를 위해 가열 코일을 물에 담그고 전류를 통과시킵니다.
기재
-폴리스티렌 컵 1 개
-멀티 미터
-섭씨 온도계
-1 개의 조정 가능한 전원, 범위 0-12V
-균형
-연결 케이블
-스톱워치
방법
코일은 줄 효과에 의해 가열되므로 물도 가열됩니다. 물의 질량과 초기 온도를 측정하고 가열 할 온도를 결정해야합니다.
그림 3. 얼마나 많은 전기 에너지가 열로 변환되는지 확인하기위한 실험. 출처 : F. Zapata.
1 분마다 연속 판독이 이루어지며 전류 및 전압 값이 기록됩니다. 기록을 사용할 수있게되면 공급되는 전기 에너지는 다음 방정식을 사용하여 계산됩니다.
Q = 나 2 .R. Δt (줄의 법칙)
V = IR (옴의 법칙)
그리고 물이 흡수하는 열의 양과 비교하십시오.
Q = m. C e . ΔT (해결 된 연습 1 참조)
에너지가 보존되므로 두 양이 동일해야합니다. 그러나 폴리스티렌은 비열이 낮고 열 에너지를 거의 흡수하지 않지만 대기에는 약간의 손실이 있습니다. 실험 오류도 고려해야합니다.
실험을 시작하기 전에 물을 실온보다 낮은 온도로 가열하면 대기로의 손실이 최소화됩니다.
즉, 물이 10ºC이고 주변 온도가 22ºC이면 물을 32ºC까지 끌어 올려야합니다.
참고 문헌
- Kramer, C. 1994. 물리학 관행. McGraw Hill. 197.
- 체. 줄 효과. 출처 : eltamiz.com.
- Figueroa, D. (2005). 시리즈 : 과학 및 공학 물리학. 볼륨 5. 정전기. Douglas Figueroa (USB) 편집.
- Giancoli, D. 2006. Physics : Principles with Applications. 6 일 . 에드 프렌 티스 홀.
- 하이퍼 텍스트. 줄 효과 란 무엇이며 왜 우리 삶에서 초월적인 것이 되었습니까? 출처 : hypertextual.com
- Wikipedia. 줄 효과. 출처 : es.wikipedia.org.
- Wikipedia. 줄 가열. 출처 : ko. wikipedia.org.