Primjer Jouleova zakona

Kad cirkulira električna struja, dio energije pretvara se u rad, a dio u toplinu. Ta se toplina stvara jer kad električna struja putuje kroz krug, mora nadvladati otpor koji pruža vodič. Ova energija primijenjena za prevladavanje otpora oslobađa se u obliku topline.

Ovu je pojavu primijetio engleski znanstvenik James Prescott Joule, koji je također primijetio odnose koji postoje između vremena koje je struje, kao i intenzitet te struje, s toplinom ili s generiranim radom, a koristili su različite metode mjerenja struje i topline generirano. Izjava Jouleova zakona je sljedeća:

Toplina koja nastaje u vodiču prolaskom struje izravno je proporcionalna otporu, kvadratu struje i vremenu kada je spojena.

Struja, izmjerena u amperima, prolazi kroz vodiče; što veći otpor prolazu struje ima vodič, to će teže biti da se elektroni kreću kroz vodič. Energija koja se koristi za pomicanje strujanja elektrona rasipa se kao toplina.

Jouleova zapažanja sintetizirana su u sljedećoj formuli:

J = I²* R * t
J = To je mjera proizvedene topline koja se mjeri u džulima. Jedan džul jednak je 0,24 kalorije.

I = To je Struja. Mjeri se u pojačalima.
R = Otpor vodiča ili opterećenja, izmjereno u Ohm (W)
t = To je vrijeme dok struja kruži kroz vodič, ili također vrijeme dok krug ostaje spojen. Mjeri se u sekundama.

Iz ove formule možemo izračunati bilo koju drugu količinu:

I = √ (J) / (R * t)
R = (J) / (I²* t)
t = (J) / (I²* R)

Primjeri Jouleova zakona

Primjer 1. Izračunajte toplinu proizvedenu strujom od 2A na otporu od 150 W tijekom 7 sekundi.

J =?
I = 2 A
R = 150 W
t = 7 s
J = I²* R * t
J = (2²) (150) (7) = (4) (150) (7) = 4200 J

Proizvodi se 4200 džula topline.

Primjer 2. Izračunajte struju koja prolazi kroz krug, ako to znamo preko otpora od 150 W, 1500 J.

J = 1500 J
I =?
R = 80 W
t = 3 s
I = √ (J) / (R * t)
I = √ (1500) / (80 * 3) = √ (1500) / (240) = √6,25 = 2,5 A

Struja kruga je 2,5 ampera.

Primjer 3. Izračunajte otpor vodiča, ako znamo da je struja 1,25 A, vrijeme 4,5 sekunde, a proizvedena toplina 1458 J.

J = 1458 J
I = 1,2 A
R =?
t = 4,5 s
R = (J) / (I²* t)
R = (1458) / (1.2²) (4,5) = (1458) / (1,44) (4,5) = (1458) / (6,48) = 225 W

Otpor vodiča je 225 Ohma.

Primjer 4. Izračunajte koliko je dugo spojen krug, ako je struja 500 mA, otpor vodiča 125 W, a proizvedena toplina 31,25 J.

J = 31,25 J
I = 500 mA = 0,5 A
R = 125 W
t =?
t = (J) / (I²* R)
t = (31,25) / (0,5²) (125) = (31,25) / (0,25) (125) = (31,25) / (31,25) = 1 s

Krug je povezan 1 sekundu.