Николас Ривера - 24 май 2015 г. - 21:31 (CET)

джоул

Топлинните и електрическите токове винаги вървят ръка за ръка. За добро и за лошо.

Със сигурност неведнъж сте чували думата юли - и не се отнася до месеца от календара - или, напротив, думата джаул (думата юли на английски). Това идва в областта на науката от английския физик Джеймс Прескот Джоул (1818-1889), който проведени различни изследвания, свързани с движенията на субатомни частици, електрически токове и производство на енергия.

Този физик е баща на „Ефект на Джоул“ или „закон на Джоул“, един от стълбовете, които позволяват развитието и функционирането на много от продуктите, които ни заобикалят днес. Но какъв е ефектът на Джоул? Какво е значението на изследванията, проведени от този английски физик?

Разбиране на енергия и топлина

За да разберем ефекта на Джоул, трябва накратко да изясним понятието топлина. Топлина Известно е като освобождаване на енергия от системата като причина за движението, в микроскопичен мащаб, на частиците, които го съставят.

Например: ако загреем саксия с вода, това, което всъщност се произвежда, е увеличаване на енергията на системата, нещо, което на молекулярно ниво, то се превежда като по-голямо движение на частиците, изграждащи споменатата система. Тази "погълната" енергия по-късно се освобождава обратно навън под формата на топлина, при условие че средата, която заобикаля споменатата система, има по-ниски енергийни нива (в този случай е така, тъй като въздухът, който заобикаля гърнето, обикновено е на по-ниска температура).

Защо тази енергия се освобождава, вместо да се запазва? Всички системи са склонни, по природа, да търсят ситуация на покой или спокойствие - ние разбираме почивка или спокойствие като ситуацията, при която движението на частиците е най-малко възможно. По този начин, когато това състояние на относително спокойствие е нарушено, системите обменят енергия с околните да се опита да се доближи възможно най-много до това състояние. В случай на саксия, топлината се излъчва навън, за да се опита да се „охлади“ и да намали нейните енергийни нива. Този енергиен обмен е това, което наричаме топлина.

Какво представлява ефектът на Джоул и защо се появява?

Ефектът на Джоул от птичи поглед е освобождаването на топлина, причинено от движението на електрони - Известен също като електрически ток - от материал. Този ефект се отразява във формулата Q = P xt, където „Q“ е отделена енергия или топлина (също представена с буквата E и измерена в джаули или калории), „P“ е консумираната мощност (измерена във ватове) и „ t ”Изминалото време (измерено в секунди).

За да се разбере ефектът на Джоул, трябва да разберем произхода на електрическите токове. За да направите това, нека си представим проста схема с 6-волтова батерия (с положителен и отрицателен полюс) и съпротивление от около 3 ома.

При свързване на батерията към веригата, електроните, съхранявани в батерията, ще започнат да пътуват по веригата от положителния полюс към отрицателния, обхождайки проводниците и резистора, свързан към него.

Тези електрони се движат поради потенциална разлика - която в този случай е 6 волта. За да разберем тази концепция, нека си представим стълба. Положителният полюс е горната зона на стълбата. Отрицателният полюс, долната зона. От горната зона навиваме няколко топки. Те неизбежно ще започнат да се спускат надолу поради гравитационната сила. Нещо подобно се случва и с електроните. Това движение на електрони от положителния полюс (по-висок потенциал) към отрицателния полюс (по-нисък потенциал) е това, което познаваме като електрически ток.

Докато тези електрони се движат, те въздействат с други атоми и субатомни частици (тези, които съставят кабелите, резисторите и т.н.) и, следователно, ги карат да се движат в по-голяма или по-малка степен. Чрез увеличаване на движението си, той увеличава енергията си и следователно отделянето на топлина навън. Това неизбежно освобождаване - ще бъде избегнато само ако проводимите материали са 100% перфектни, нещо, което е невъзможно да се постигне - на енергия под формата на топлина е известно като ефект на Джоул.

Ефектът на Джоул и количеството топлина, което се отделя, зависи от няколко променливи:

Интензитет на тока. Или броят на електроните, които преминават за единица време. За да разберем тази концепция, нека си представим водопровод. Колкото по-голям е диаметърът на водопровода, толкова повече поток може да премине за една единица време. Настоящият интензитет е подобен. Колкото по-ниско е съпротивлението и колкото по-голяма е потенциалната разлика, толкова по-голям е броят на електроните в движение за единица време.

Съпротивата. Това е противопоставянето, което елементът представя на преминаването на електрони през него. Обикновено разбираме устойчивост на определен елемент (който може да бъде крушка или друг), но съпротивлението присъства и в кабелите, например. И то е, че целият материал, през който преминава електрическият ток, представлява противопоставяне на преминаването на електрони. Ако те не го представиха, най-добрата ефективност щеше да бъде получена от всички системи и генерираната топлина щеше да бъде незначителна. За да можем по-добре да разберем тази концепция: съпротива, бихме могли да я разберем като броя на препятствията, които един спортист би трябвало да преодолее в 200-метрова писта с препятствия. Колкото по-голямо е съпротивлението, толкова по-голям е броят на препятствията в електронния път.

Разликата в потенциала или напрежението. Връщайки се към аналогията, бихме могли да разберем потенциалната разлика като разликата във височината между горната част на стълбата и дъното. В този пример гравитацията привлича тела от горната зона. В случай на електрически ток атомите са тези, които привличат електроните от положителния полюс към отрицателния полюс, генерирайки това движение.

Време. Колкото по-дълго време се увеличава количеството на генерираната топлина. Следователно това също влияе.

Мощност. Обикновено влиянието на съпротивлението, интензивността и потенциалната разлика на веригата се събира в количество, известно като мощност (което е това, което се появява в предишната формула).

Ефектът на Джоул, нещо желано и презряно

Априори, ефектът на Джоул може да изглежда напълно нищожен, тъй като предотвратява получаването на максимално количество енергия от електрически ток, който захранва системата. Например в процесорите това е нещо, което винаги се опитваме да избягваме, тъй като става въпрос за възползване от най-голямото количество електрическа енергия, за да се увеличи производителността на компютъра, таблета или смартфона, към който е свързан.

Ефектът на Джоул е възхваляван и в същото време презиран ефект Но ефектът на Джоул също е е силно желана и съществена за много актуални продукти. Продукти като печки, нагреватели, термос, сушилни или дори стъклокерамика. И е, че този ефект позволява превръщането на електрическата енергия в топлина, нещо, което е широко използвано от инженерите през миналия век за създаването на безкрайни продукти.

В случай на сушилни, например, намираме поредица от резистори, които се нагряват с преминаването на електрически ток, като по този начин загрява въздуха, който изхвърля навън. Играта е да се опитаме да постигнем най-висока енергийна ефективност (с възможно най-малко количество електричество, загряваме въздуха до същата температура).

И така, ефектът на Джоул е, както всичко в живота, нещо много относително. В зависимост от средата и ситуацията, в която се намираме, ще се интересуваме от нейния външен вид или не. Но това е нещо, с което ще трябва да се справим, докато електрическата енергия е една от основите на нашето общество.