ジュール効果またはジュールの法則は、電流が導体を通過する際に起こる熱への電気エネルギーの変換の結果です。この効果は、機能するために電気を必要とするアプライアンスまたはデバイスがオンになっている場合に常に発生します。
また、内部コンポーネントの障害の原因となる可能性があるため、デスクトップPCにファンを追加して熱を放散することは望ましくなく、それを最小限に抑えることが求められます。
ジュール効果を使用して熱を生成するデバイスは、内部に電流が流れると加熱される抵抗を持っています。これは、発熱体と呼ばれます。
説明
ジュール効果は、材料を構成する粒子と電荷を運ぶ粒子の両方の微視的スケールの粒子に起源があります。
物質内の原子と分子は、物質内で最も安定した位置にあります。その部分では、電流は、バッテリーの正極から来る電荷の秩序だった動きで構成されています。彼らがそこから出るとき、彼らは多くの潜在的エネルギーを持っています。
それらが通過するとき、荷電粒子は材料のものに影響を与え、それらを振動させる。これらは以前にあったバランスを取り戻そうとし、過剰なエネルギーを知覚できる熱の形で周囲に届けます。
放出される熱量Qは、電流Iの強さ、それが導体内を循環する時間Δtおよび抵抗素子Rに依存します。
上記の方程式はジュール・レンツの法則と呼ばれます。
例
2人の物理学者、英国のジェームズジュール（1818-1889）とロシアのハインリッヒレンツ（1804-1865）は、電流が流れるワイヤーが熱くなるだけでなく、その過程で電流が減少することを個別に観察しました。
次に、抵抗によって放散される熱量が次の値に比例することが確認されました。
-循環電流の強度の2乗。
-電流が導体を流れ続けた時間。
-上記の導体の抵抗。
熱の単位は同じエネルギーの単位です。Jと省略されたジュールです。ジュールはかなり小さいエネルギーの単位であるため、たとえばカロリーなど、他の単位がよく使用されます。
ジュールをカロリーに変換するには、係数0.24を掛けるだけで、最初に与えられた方程式が直接カロリーで表されます。
ジュール効果と電気エネルギー輸送
ジュール効果は、バーナーやヘアドライヤーなどの局所的な熱を生成することを歓迎します。ただし、他の場合には、次のような望ましくない影響があります。
-導体の非常に大きな加熱は危険で、火災や火傷を引き起こす可能性があります。
-トランジスタを備えた電子デバイスは、パフォーマンスを低下させ、熱くなりすぎても故障する可能性があります。
-電気エネルギーを運ぶワイヤーは、たとえ少しでも、常に加熱を経験します。これは、顕著なエネルギー損失につながります。
これは、発電所から電流を運ぶケーブルが数百キロも走るからです。彼らが運ぶエネルギーの多くは、途中で浪費されているため、目的地に到達しません。
これを回避するために、導体の抵抗をできるだけ小さくすることが求められます。これは、ワイヤの長さ、断面積、およびワイヤの材料である3つの重要な要素の影響を受けます。
最良の導体は金属で、金、銀、プラチナ、または銅が最も効率的なものです。ケーブルのワイヤーは、銅のフィラメントである金属でできています。これは、金と同じように導電性はありませんが、はるかに安価です。
ワイヤが長いほど抵抗は大きくなりますが、ワイヤを太くすることにより、抵抗が減少します。これにより、電荷キャリアの移動が容易になるためです。
実行できるもう1つのことは、電流の強度を減らし、加熱を最小限に抑えることです。トランスは、強度を適切に制御する責任があります。そのため、電気エネルギーの伝達においてトランスは非常に重要です。
演習
演習1
ラジエーターはそれが2000Wの電力を持ち、220 Vソケットに接続されていることを示します。以下を計算します。
a）ラジエーターを流れる電流の強度
b）30分後に変換された電気エネルギーの量
c）このエネルギーすべてが、最初は4℃であった20リットルの水を加熱することに費やされた場合、水を加熱できる最高温度はどれくらいですか？
への解決策
電力は、単位時間あたりのエネルギーとして定義されます。最初に示した方程式で係数Δtを右に渡すと、単位時間あたりのエネルギーが正確に得られます。
発熱体の抵抗は、オームの法則：V = IRから知ることができます。これから、I = V / Rとなります。したがって：
したがって、現在の結果：
ソリューションb
この場合、Δt= 30分= = 30 x 60秒= 1800秒。抵抗の値も必要であり、オームの法則からクリアされています。
値はジュールの法則で置き換えられます：
ソリューションc
水の量を特定の温度に上げるのに必要な熱量Qは、取得する必要がある比熱と温度の変動に依存します。次のように計算されます。
ここで、mは水の質量、C eは比熱であり、すでに問題のデータとして使用されています。ΔTは温度変化です。
水の質量は20Lでの質量です。密度を利用して計算しています。水ρの密度水は、体積に対する質量の比です。さらに、リットルを立方メートルに変換する必要があります。
m =密度x体積=ρVなので、質量は
摂氏摂氏からケルビンに移行し、273.15 Kを追加する必要があることに注意してください。熱方程式に上記を代入します。
演習2
a）交流電圧に接続された抵抗の電力と平均電力の式を見つけます。
b）120 Vのソケットに1000 Wの電源が接続されたヘアドライヤーがあるとすると、発熱体の抵抗と、そこを通るピーク電流（最大電流）がわかります。
c）240 Vソケットに接続すると、乾燥機はどうなりますか？
への解決策
タップ電圧は、V = V oの形式で交番します。センωt。時間で変化するため、電圧と電流の両方の実効値を定義することが非常に重要です。これは、二乗平均平方根を表す添え字「rms」で示されます。
電流と電圧のこれらの値は次のとおりです：
オームの法則を適用すると、時間の関数としての電流は次のようになります。
このような場合、交流電流と交差する抵抗器の電力は次のとおりです。
すべてが二乗され、Rは常に> 0であるため、電力も時間とともに変化し、正の量であることがわかります。この関数の平均値は、サイクルと結果の積分によって計算されます。
実効電圧と実効電流に関して、電力は次のようになります。
ソリューションb
提供されたデータを使用して最後の方程式を適用します。
平均 P = 1000 WおよびV rms = 120 V
したがって、発熱体を流れる最大電流は次のとおりです。
抵抗は平均電力の方程式から解くことができます：
P 平均 = V rms。I rms = 240 V x 16.7 A≈4000 W
これは、発熱体が設計されているワット数の約4倍であり、このコンセントに接続するとすぐに燃え尽きます。
用途
白熱電球
白熱電球は光を発し、熱も発生します。接続するとすぐに気づきます。両方の効果を生み出す要素は非常に細い導体フィラメントであるため、抵抗が高くなります。
この抵抗の増加のおかげで、フィラメントの電流は減少しましたが、ジュール効果は白熱光が発生する程度に集中しています。フィラメントはタングステンでできており、融点が3400℃と高いため、光を放出し、熱を放出します。
デバイスは、フィラメントの劣化を防ぐために、低圧のアルゴンや窒素などの不活性ガスで満たされた透明なガラス容器に封入する必要があります。この方法で行わないと、空気中の酸素がフィラメントを消費し、電球はすぐに動作を停止します。
磁気熱スイッチ
磁石の磁気効果は高温で消えます。これを使用して、電流が過剰な場合に電流の流れを遮断するデバイスを作成できます。磁熱式スイッチです。
電流が流れる回路の一部は、ばねに取り付けられた磁石によって閉じられます。磁石は、磁力のおかげで回路にくっついて、加熱によって弱まらない限り、そのまま残ります。
電流がある値を超えると、磁力が弱まり、スプリングが磁石を引き離し、回路が開きます。また、電流を流すには回路を閉じる必要があるため、回路が開いて電流の流れが遮断されます。火災などの事故の原因となるケーブルの発熱を防ぎます。
ヒューズ
回路を保護し、電流の流れを適時に遮断する別の方法は、ジュール効果によって加熱されたときに溶けて回路を開いたままにし、電流を遮断する金属ストリップであるヒューズを使用することです。
図2.ヒューズは回路保護要素です。過大な電流が流れると金属が溶けます。出典：Pixabay。
オーミック加熱殺菌
それは自然に電気抵抗を持っている食物に電流を流すことから成ります。これには、防食材料で作られた電極が使用されます。食品の温度が上昇し、熱が細菌を破壊し、より長く保存するのに役立ちます。
この方法の利点は、加熱が従来の技術で必要な時間よりもはるかに短い時間で発生することです。長時間の加熱はバクテリアを破壊しますが、必須のビタミンやミネラルも中和します。
ほんの数秒続くオーミック加熱は、食品の栄養含有量を維持するのに役立ちます。
実験
次の実験は、既知の質量の水によって吸収される熱の量を測定することにより、熱エネルギーに変換された電気エネルギーの量を測定することから成ります。これを行うには、加熱コイルを水に浸し、そこに電流を流します。
材料
-ポリスチレンカップ1個
-マルチメーター
-摂氏温度計
-1つの調整可能な電源、範囲0-12 V
- 残高
-接続ケーブル
-ストップウォッチ
処理する
ジュール効果によってコイルが加熱され、水も加熱されます。水の質量とその初期温度を測定し、それを加熱する温度を決定する必要があります。
図3.どれだけの電気エネルギーが熱に変換されるかを調べる実験。出典：F. Zapata
電流と電圧の値を記録しながら、毎分連続して読み取りが行われます。レコードが利用可能になると、供給された電気エネルギーは次の方程式を使用して計算されます。
Q = I 2 .R。Δt（ジュールの法則）
V = IR（オームの法則）
そして、水域によって吸収された熱量と比較してください：
Q = m。C e。ΔT（解答演習1を参照）
エネルギーが節約されるので、両方の量は等しいはずです。ただし、ポリスチレンは比熱が低く、熱エネルギーをほとんど吸収しませんが、大気への損失はまだあります。実験誤差も考慮する必要があります。
実験を開始する前に、水が室温よりも高い温度で加熱されていれば、大気への損失は最小限に抑えられます。
つまり、水が10ºCで周囲温度が22ºCの場合、水を32ºCにする必要があります。
参考文献
- クレイマー、C。1994。物理学の実践。マグローヒル。197。
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- Figueroa、D.（2005）。シリーズ：理工学のための物理学。ボリューム5.静電気。ダグラスフィゲロア（USB）によって編集されました。
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- ハイパーテキスト。ジュール効果とは何か、そしてなぜそれが私たちの生活の中で超越的なものになったのか。から回復：hypertextual.com
- ウィキペディア。ジュール効果。回復元：es.wikipedia.org。
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