Ніколас Рівера - 24 травня 2015 р. - 21:31 (CET)

який

Тепловий та електричний струми завжди йдуть рука об руку. До кращого і гіршого.

Напевно, неодноразово ви чули слово липень - і не маючи на увазі місяць календаря - або, навпаки, слово джоуль (слово липень англійською мовою). Це відбувається в галузі науки від англійського фізика Джеймса Прескотта Джоуля (1818-1889), який проводив різні дослідження, пов'язані з рухами субатомних частинок, електричні струми та генерація електроенергії.

Цей фізик був батьком "Ефект Джоуля" або "Закон Джоуля", один із стовпів, який дозволяє розробляти та експлуатувати багато продуктів, які нас оточують сьогодні. Але що таке ефект Джоуля? Яке значення досліджень, проведених цим англійським фізиком?

Розуміння енергії та тепла

Для того, щоб зрозуміти ефект Джоуля, ми повинні коротко пояснити поняття тепла. Тепло Це відоме як виділення енергії системою як причина руху в мікроскопічному масштабі частинок, що її складають.

Наприклад: якщо ми нагріваємо казан з водою, насправді виробляється збільшення енергії системи, щось таке, що на молекулярному рівні, це перекладається як більший рух частинок, що складають згадану систему. Пізніше ця «поглинена» енергія вивільняється назад у вигляді тепла за умови, що середовище, яке оточує згадану систему, має нижчий рівень енергії (у цьому випадку це так, оскільки повітря, яке оточує горщик, зазвичай знаходиться на нижча температура).

Чому ця енергія виділяється замість збереженої? Усі системи, як правило, прагнуть до ситуації спокою чи спокою - ми розуміємо спокій або спокій як ситуацію, в якій рух її частинок є найменшим із можливих. Таким чином, коли цей стан відносного спокою порушується, системи обмінюються енергією з оточуючими намагатися наблизитись якомога ближче до цього стану. У випадку з горщиком тепло виділяється назовні, щоб спробувати «охолонути» і зменшити рівень його енергії. Цей енергетичний обмін ми називаємо теплом.

Що таке ефект Джоуля і чому він виникає?

Ефект Джоуля з висоти пташиного польоту є виділення тепла, викликане рухом електронів –Також відомий як електричний струм - матеріалом. Цей ефект відображається у формулі Q = P xt, де «Q» - енергія або тепло, що виділяється (також представлене буквою E і вимірюється в джоулях або калоріях), «P» - споживана потужність (вимірюється у ватах) та « t ”Час, що минув (вимірюється в секундах).

Щоб зрозуміти ефект Джоуля, ми повинні розуміти походження електричних струмів. Для цього уявімо просту схему з акумулятором 6 Вольт (з позитивним і негативним полюсом) і опором близько 3 Ом.

При підключенні акумулятора до ланцюга, електрони, що зберігаються в батареї, почнуть рухатися по ланцюгу від позитивного полюса до негативного, обхід проводів і підключеного до нього резистора.

Ці електрони рухаються через різницю потенціалів - яка в даному випадку становить 6 вольт. Щоб зрозуміти це поняття, уявімо сходи. Позитивний полюс - це верхня область сходів. Негативний полюс, нижня зона. З верхньої зони котимо кілька куль. Вони, неминуче, почнуть опускатися вниз завдяки гравітаційній силі. Щось подібне відбувається з електронами. Цей рух електронів від позитивного полюса (вищий потенціал) до негативного полюса (нижчий потенціал) - це те, що ми знаємо як електричний струм.

Коли ці електрони рухаються, вони впливають на інші атоми та субатомні частинки (ті, що складають кабелі, резистори тощо) і, отже, змушують їх рухатися більшою чи меншою мірою. Збільшуючи свій рух, він збільшує свою енергію і, отже, виділення тепла назовні. Це неминуче вивільнення - його можна було б уникнути, якби провідні матеріали були на 100% досконалими, чого неможливо досягти - енергії у вигляді тепла відомий як ефект Джоуля.

Ефект Джоуля і кількість виділеного тепла залежить від кількох змінних:

Інтенсивність струму. Або кількість електронів, які проходять за одиницю часу. Щоб зрозуміти це поняття, уявімо собі водопровід. Чим більше діаметр водопровідної труби, тим більше потоку вона може пройти за одну одиницю часу. Поточна інтенсивність подібна. Чим менший опір і чим більша різниця потенціалів, тим більша кількість електронів, що рухаються за одиницю часу.

Опір. Це опозиція, яку представляє елемент при проходженні через нього електронів. Зазвичай ми розуміємо стійкість до певного елемента (яким може бути лампочка або будь-який інший), але опір також присутній у кабелях, наприклад. І це те, що весь матеріал, через який проходить електричний струм, представляє протидію проходженню електронів. Якби вони цього не подали, найкраще з усіх систем можна було б отримати продукти, а тепло, яке виробляється, було б незначним. Щоб ми могли краще зрозуміти це поняття: опір ми могли б розуміти як кількість перешкод, які спортсмен повинен подолати на 200-метровій смузі перешкод. Чим вище опір, тим більше число перешкод на шляху електронів.

Різниця в потенціалі або напрузі. Повертаючись до аналогії, ми могли б зрозуміти різницю потенціалів як різницю у висоті між верхом сходів і дном. У цьому прикладі гравітація притягує тіла з верхньої зони. У випадку електричного струму атоми притягують електрони від позитивного до негативного полюса, створюючи цей рух.

Час. Чим довший час, тим більше збільшується кількість виробленого тепла. Тому це також впливає.

Потужність. Зазвичай вплив опору, інтенсивності та різниці потенціалів ланцюга об'єднують у величині, відомій як потужність (яка є тією, що вказана в попередній формулі).

Ефект Джоуля, щось бажане і зневажене

Апріорі ефект Джоуля може здатися зовсім незначним, оскільки запобігає отриманню максимальної кількості енергії від електричного струму, який живить систему. Наприклад, у процесорах цього ми завжди намагаємось уникати, оскільки мова йде про те, щоб скористатися найбільшою кількістю електричної енергії для підвищення продуктивності комп’ютера, планшета чи смартфона, до якого він підключений.

Ефект Джоуля - це хвалений і водночас зневажений ефект. Але ефект Джоуля також є є дуже бажаним і необхідним для багатьох сучасних продуктів. Такі вироби, як печі, обігрівачі, термоси, сушарки або навіть склокераміка. І саме цей ефект дозволяє перетворювати електричну енергію в тепло, що широко використовувалось інженерами протягом минулого століття для створення нескінченних продуктів.

Наприклад, у випадку з сушарками ми знаходимо серію резисторів, які нагріваються з проходженням електричного струму, тим самим нагріваючи повітря, яке воно викидає назовні. Гра полягає в тому, щоб спробувати отримати найвищу енергоефективність (з мінімальною кількістю електроенергії, підігріти повітря до тієї ж температури).

Таким чином, ефект Джоуля є, як і все в житті, щось дуже відносне. Залежно від середовища та ситуації, в якій ми опинилися, нас буде цікавити його вигляд чи ні. Але з цим нам доведеться мати справу, доки електрична енергія є однією з основ нашого суспільства.