Joule-törvény példája

Amikor egy elektromos áram kering, az energia egy része munkává, egy része pedig hővé alakul. Ez a hő azért keletkezik, mert amikor az elektromos áram áthalad az áramkörön, akkor le kell győznie a vezető által kínált ellenállást. Ez az ellenállás leküzdésére alkalmazott energia hő formájában szabadul fel.

Ezt a jelenséget James Prescott Joule angol tudós figyelte meg, aki megfigyelte az idő közötti kapcsolatokat is áram, valamint az áram intenzitása a hővel vagy a keletkező munkával, és az áram és a hő mérésére különböző módszereket alkalmazott generált. Joule törvényének megállapítása a következő:

Az áram áthaladásával a vezetőben termelt hő egyenesen arányos az ellenállással, az áram négyzetével és a bekötés idejével.

Az áram, amperben mérve, áthalad a vezetőkön; minél nagyobb az ellenállása az áram áthaladásának a vezetőnek, annál nehezebb az elektronok számára a vezetőn való mozgás. Az elektronáramlás mozgatásához felhasznált energia hőként oszlik el.

Joule megfigyeléseit a következő képlettel szintetizálják:

J = I²* R * t
J = A megtermelt hő mértéke, amelyet Joule-ban mérnek. Egy joule 0,24 kalóriának felel meg.
I = Ez az áram. Amperben mérik.
R = a vezető vagy a terhelés ellenállása, ohmban mérve (W)
t = Ez az az idő, amikor az áram kering a vezetőn, vagy az az idő is, amikor az áramkör csatlakozik. Ez másodpercekben mérhető.

Ebből a képletből kiszámíthatjuk a többi mennyiséget:

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

Példák Joule törvényére

1. példa. Számítsa ki a 2A áram által termelt hőt 150 másodperces ellenállás mellett 7 másodperc alatt.

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

4200 joule hő keletkezik.

2. példa. Számítsa ki az áramkörön átáramló áramot, ha tudjuk, hogy 150 W ellenállásnál 1500 J-nál nagyobb.

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

Az áram áram 2,5 A.

3. példa. Számítsa ki a vezető ellenállását, ha tudjuk, hogy az áram 1,25 A, az idő 4,5 másodperc és az előállított hő 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

A vezető ellenállása 225 Ohm.

4. példa. Számítsa ki, hogy egy áramkör mennyi ideig van csatlakoztatva, ha az áram 500 mA, a vezető ellenállása 125 W, a termelt hő pedig 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

Az áramkör 1 másodpercig csatlakozik.