Efè Joule

Efè Joule se tèmik manifestasyon rezistans elektrik ki rive lè yon kouran elektrik pase nan nenpòt kondiktè materyèl^[1]. Efè a rele apre fizisyen angle James Prescott Joule ki te dekouvri l an 1840^[2].

Chaufaj pa efè Joule rezistans yon toaster.

Anjeneral pale, kouran elektrik la asire pa mouvman an^{[N 1]} chaj elektrik. Pòtè chaj k ap deplase sa yo kominike avèk atòm yo ki konstitye mwayen kote yo deplase Modèl:Incises ki konstitye yon fren, yon rezistans nan mouvman yo. Pou transfere yon kantite detèmine nan kouran elektrik nan kab sa a, se poutèt sa li nesesè bay plis pouvwa a sa ki nesesè nan fen kondiktè a, ki pral gaye pandan entèraksyon ak atòm yo, nan fòm lan nan enèji tèmik (dissipasyon enèji elektrik. enèji nan fòm chalè). Sa a se efè Joule.

Yon sèl eksepsyon nan règ sa a: superconductors, ki mande kondisyon espesyal^{[N 2]} kenbe pwopriyete yo.

Lanati

Efè Joule a se yon efè tèmik ki rive lè kouran elektrik pase nan yon kondiktè. Li manifeste tèt li pa yon ogmantasyon nan enèji entèn kondiktè a epi jeneralman nan [[tanperati] li.

Enèji a gaye sou fòm chalè ant de moman t₁ ak t₂ pa yon dipol rezistans. R travèse pa yon kouran entansite i ekri:

Q=R\int _{t_{1}}^{t_{2}}i^{2}dt\,

ak :

Q nan joules (J),
R pou ohm $(\Omega )\,$ ,
i nan amps (A),
t nan segonn (s)

Se poutèt sa, pouvwa an mwayèn se:

P={\frac {Q}{t_{2}-t_{1}}}={\frac {R}{t_{2}-t_{1}}}\int _{t_{1}}^{t_{2}}i^{2}dt

ak: P nan watt (W)

Nan rejim aktyèl peryodik ekspresyon pouvwa a ka mete sou fòm sa a:

P=RI_{eff}^{2}\,

ak

I_{eff}\,

, valè rms entansite aktyèl la.

Nan rejim kouran dirèk ekspresyon pouvwa a vin:

P=RI^{2}\,

Si dipol sa a satisfè lwa Ohm a, nou ka ekri:

P=U\cdot I\,

P={\frac {U^{2}}{R}}\,

ak $U\,$ , valè efikas vòltaj la atravè tèminal li yo.

Sou yon echèl lokal, pouvwa a gaye pa efè Joule pou chak volim inite bay pa

p=\rho \cdot j_{eff}^{2}

kote j_eff se valè efikas dansite aktyèl la j(t) ak ρ se rezistivite materyèl la.

Itilizasyon fòmil sa yo pa toujou senp, patikilyèman lè rezistans depann sou tanperati kondiktè a. Pouvwa a gaye pa efè a Joule modifye tanperati a ki modifye rezistans a ki modifye pouvwa a gaye pa efè a Joule.

Efè Joule manifeste tèt li nan nenpòt kondiktè elektrik nan diferan degre:

Nan kèk ka, sa a se yon efè vle pwodwi chalè (radyatè elektrik, aparèy chofaj dlo, griye) oswa limyè (lanp enkandesan). An reyalite, ogmantasyon nan tanperati a nan kondiktè a lakòz yon echanj nan enèji ak deyò a nan fòm lan nan transfè tèmik. Si tanperati sa a vin trè wo, li tou degaje enèji atravè radyasyon vizib.
Nan lòt ka, efè Joule a responsab pou "pèt enèji", sa vle di konvèsyon endezirab, men inevitab, yon pati nan enèji elektrik la nan enèji tèmik. Sa a se ka a, pou egzanp, nan pèt liy pandan transpò a nan kouran elektrik, ki nou chache limite lè yo ogmante vòltaj la diminye entansite aktyèl la.

Fòm lokal lalwa Joule a

Fòm lokal la nan lwa Joule a fè li posib detèmine pouvwa a gaye pa efè a Joule lokalman ak nan ka patikilye tankou yon distribisyon inomojèn nan dansite aktyèl la nan yon kondiktè (ki se ka a nan kondiktè segondè frekans, akòz efè a po. ). Fòm lokal efè Joule a fè li posib pou etabli ekspresyon pouvwa pou chak inite volim (p) ki ekri:

p={\vec {J}}\cdot {\vec {E}}

oswa, ${\vec {J}}$ se dansite aktyèl la ak ${\vec {E}}$ se jaden elektrik la.

Ilistrasyon nan ka kondiktè a silendrik

Konsa, nou ka jwenn fòm efè Joule byen koni ( $P=RI^{2}\,$ ) ansanm ak ekspresyon klasik rezistans yon silendrik. kondiktè. Konsidere yon kondiktè omojèn, ki gen longè L (sou yon aks z) ak reyon r, ki bay yon kouran, I, ki gen dansite omojèn ${\vec {J}}$ , ki pote nan direksyon longitudinal kondiktè a: < matematik>\vec{J}=[0;0;j_{z}]</math>.

Pouvwa a sou volim kondiktè a (P) eksprime:

P=\int _{Volim}{\vec {J}}\cdot {\vec {E}}\ \mathrm {d} v\,

piske ${\vec {J}}=\sigma {\vec {E}}$ , nou ka ranplase ${\vec {E}}$ nan ekspresyon pouvwa a ki vin:

P=\int _{Volim}{\frac {1}{\sigma }}{\vec {J}}\cdot {\vec {J}}\mathrm {d} v\,

Lè sa a, kòm vektè dansite aktyèl la ${\vec {J}}$ gen yon sèl eleman, ki sipoze omojèn sou kondiktè a, pouvwa a vin:

P=\int _{Volim}{\frac {1}{\sigma }}j_{z}^{2}\mathrm {d} v\,

dansite aktyèl la konstan, nou retire li nan entegral la epi li vini:

P={\frac {j_{z}^{2}}{\sigma }}\int _{Volim}\mathrm {d} v\,

Finalman, sonje volim fil kondiktif la se $V=\pi r^{2}L$ , rezilta entegral la sou volim la bay:

P={\frac {1}{\sigma }}j_{z}^{2}\pi r^{2}L

oswa itilize $\rho ={\frac {1}{\sigma }}$ :

P=\rho j_{z}^{2}\pi r^{2}L

Sèvi ak lefèt ke ( $I=j_{z}S\,$ ) kote S se seksyon kondiktè a (sa vle di ( $S=\pi r^{2}\,$ ) , pouvwa a vin:

P=\rho {\frac {L}{S}}I^{2}

ekspresyon kote nou jwenn: ( $P=RI^{2}\,$ ) lè nou mete $R=\rho {\frac {L}{S}}$

Aplikasyon

Chofaj elektrik

Itilizasyon ki pi komen nan efè Joule a se chofaj elektrik: fè, radiatè elektrik, fou elektrik, recho elektrik, [[chofaj dlo] bouyi elektrik]], bouyi elektrik, seche cheve, griye, dra elektrik. Aparèy sa yo ki itilize yon rezistans elektrik gen yon efikasite tèmodinamik teyorik 100%: yo ka konvèti tout enèji elektrik an chalè pa konveksyon ak radyasyon.

ponp chalè ofri yon metòd diferan pou chofaj elektrik paske yo itilize sous chalè ki pa sèlman orijin elektrik. Balans enèji pandan operasyon yo pi wo (anviwon twa fwa plis)^{[N 3]}.

Ekleraj enkandesan

Lanp enkandesan sèvi ak efè Joule tou: filaman [[tengstèn], ki mete nan yon patiraj ki gen yon gaz nòb, chofe a yon tanperati ki wo (plis pase {{tmp |2200|°C}). }). Nan tanperati sa a, matyè emèt radyasyon nan vizib la (lwa Planck a) men tou nan envizib la (enfrawouj radyasyon) ki chofe anvlòp vè a ak anviwònman an. Sa a eksplike poukisa efikasite lumineux nan lanp enkandesan se byen ba (5 fwa mwens pase ekleraj fliyoresan, 10 fwa mwens pase lanp egzeyat).

Pwoteksyon enstalasyon elektrik

fus se aparèy ki itilize efè Joule pou fonn yon kondiktè kalibre, pou yo ka izole yon sikwi elektrik nan ka ta gen overcurrent .

disjoncteurs tèmik oswa Magnetothermic Circuit Breakers sèvi ak menm efè a, men san destriksyon fizik, yo ka reset.

Pèt liy

Câbles elektrik yo bay rezistans nan sikilasyon elektwon ki pwovoke pèt nan fòm kalori akòz efè Joule.

Nòt ak referans

Nòt

↑ Menm si vitès aparan chaj yo wo, mouvman fizik yo, pou egzanp nan ka yon kouran altènatif, ka ba.
↑ Jeneralman tanperati ki ba anpil, menm tou pre 0 K.
↑ Nou ap pale isit la sou balans enèji pandan operasyon an, balans enèji total yon ponp chalè konpare ak yon rezistans senp yo pa sijè. nan atik sa a.

Referans

↑ Joule effect, sou sit entènèt electropedia.org, konsilte nan dat 28 avril 2016.
↑ « XXXVIII. Sou chalè a evolye pa kondiktè metalik nan elektrisite, ak nan selil yo nan yon batri pandan elektwoliz », Filozofik Magazin Seri 3,‎ , p. 260–277 (ISSN 1941-5966, DOI 10.1080/14786444108650416)

Gade tou

Sou lòt pwojè yo :

efè Joule, sou Wiktionnaire

Atik ki gen rapò

[3] Menm si vitès aparan chaj yo wo, mouvman fizik yo, pou egzanp nan ka yon kouran altènatif, ka ba.

[4] Jeneralman tanperati ki ba anpil, menm tou pre 0 K.

[5] Nou ap pale isit la sou balans enèji pandan operasyon an, balans enèji total yon ponp chalè konpare ak yon rezistans senp yo pa sijè. nan atik sa a.

[1] Joule effect, sou sit entènèt electropedia.org, konsilte nan dat 28 avril 2016.

[2] « XXXVIII. Sou chalè a evolye pa kondiktè metalik nan elektrisite, ak nan selil yo nan yon batri pandan elektwoliz », Filozofik Magazin Seri 3,‎ , p. 260–277 (ISSN 1941-5966, DOI 10.1080/14786444108650416)

[1]

[2]

[N 1]

[N 2]

[N 3]