Przykład prawa Joule'a

Kiedy krąży prąd elektryczny, część energii jest zamieniana na pracę, a część na ciepło. To ciepło jest wytwarzane, ponieważ gdy prąd elektryczny przepływa przez obwód, musi pokonać opór oferowany przez przewodnik. Energia zastosowana do pokonania oporu jest uwalniana w postaci ciepła.

Zjawisko to zaobserwował angielski naukowiec James Prescott Joule, który zaobserwował również związki istniejące między czasem, w którym prąd, a także natężenie tego prądu, ciepło lub wytworzoną pracę oraz stosowano różne metody pomiaru prądu i ciepła wygenerowane. Stwierdzenie prawa Joule'a jest następujące:

Ciepło wytwarzane w przewodniku przez przepływ prądu jest wprost proporcjonalne do oporu, kwadratu prądu i czasu jego podłączenia.

Prąd mierzony w amperach przepływa przez przewodniki; im większy opór na przepływ prądu ma przewodnik, tym trudniej będzie elektronom przejść przez przewodnik. Energia wykorzystywana do poruszania przepływu elektronów jest rozpraszana w postaci ciepła.

Obserwacje Joule'a są syntetyzowane według następującego wzoru:

J = I²* R * t
J = Jest to miara wytworzonego ciepła, mierzona w dżulach. Jeden dżul to 0,24 kalorii.
I = To jest Prąd. Jest mierzony w amperach.
R = Rezystancja przewodu lub obciążenia, mierzona w omach (W)
t = Jest to czas, w którym prąd krąży w przewodniku, lub też czas, w którym obwód pozostaje podłączony. Jest mierzony w sekundach.

Z tego wzoru możemy obliczyć dowolną z pozostałych wielkości:

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

Przykłady prawa Joule'a

Przykład 1. Oblicz ciepło wytwarzane przez prąd 2A na rezystancji 150 W w ciągu 7 sekund.

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

Wytwarzane jest 4200 dżuli ciepła.

Przykład 2. Oblicz prąd płynący przez obwód, jeśli wiemy, że przy rezystancji 150 W, 1500 J.

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

Prąd obwodu wynosi 2,5 ampera.

Przykład 3. Oblicz rezystancję przewodnika, jeśli wiemy, że prąd wynosi 1,25 A, czas 4,5 sekundy, a wytworzone ciepło 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

Rezystancja przewodu wynosi 225 omów.

Przykład 4. Oblicz, jak długo obwód jest podłączony, jeśli prąd wynosi 500 mA, rezystancja przewodu wynosi 125 W, a wytwarzane ciepło 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

Obwód jest podłączony na 1 sekundę.