تأثير الجول: شرح ، أمثلة ، تمارين ، تطبيقات - جسدي - بدني - 2026

و تأثير جول أو جول في القانون هو نتيجة لتحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة، والتي يحدث عندما يمر تيار كهربائي خلال موصل. يكون هذا التأثير موجودًا عند تشغيل أي جهاز أو جهاز يحتاج إلى كهرباء للعمل.

في أحيان أخرى يكون الأمر غير مرغوب فيه ويتم السعي لتقليله ، ولهذا السبب يتم إضافة المراوح إلى كمبيوتر سطح المكتب لتبديد الحرارة ، حيث يمكن أن يتسبب ذلك في فشل المكونات الداخلية.

الأجهزة التي تستخدم تأثير جول لإنتاج الحرارة ، لها مقاومة داخلها ترتفع درجة حرارتها عند مرور تيار عبرها ، تسمى عنصر التسخين.

تفسير

ينشأ تأثير جول على مقياس مجهري في الجسيمات ، سواء تلك التي تشكل مادة أو تلك التي تحمل شحنة كهربائية.

تكون الذرات والجزيئات في مادة ما في أكثر أوضاعها استقرارًا داخل المادة. من جانبه ، يتكون التيار الكهربائي من حركة مرتبة للشحنات الكهربائية ، والتي تأتي من القطب الموجب للبطارية. عندما يخرجون من هناك يكون لديهم الكثير من الطاقة الكامنة.

أثناء مرورها ، تؤثر الجسيمات المشحونة على تلك الموجودة في المادة وتتسبب في اهتزازها. سيحاول هؤلاء استعادة التوازن الذي كان لديهم سابقًا ، مما يوفر طاقة زائدة لمحيطهم في شكل حرارة محسوسة.

تعتمد كمية الحرارة المنبعثة على شدة التيار I ، والوقت الذي يدور فيه داخل الموصل Δt والعنصر المقاوم R:

تسمى المعادلة أعلاه قانون جول لينز.

أمثلة

لاحظ عالمان فيزيائيان ، وهما البريطاني جيمس جول (1818-1889) والروسي هاينريش لينز (1804-1865) بشكل مستقل أن السلك الحامل للتيار لم يصبح ساخنًا فحسب ، بل انخفض تياره أثناء العملية.

ثم ثبت أن كمية الحرارة التي تبددها المقاومة تتناسب مع:

- مربع شدة التيار المتداول.

- الوقت الذي قال فيه التيار الذي ظل يتدفق عبر الموصل.

- مقاومة هذا الموصل.

وحدات الحرارة هي نفس وحدات الطاقة: الجول ، والمختصر باسم J. الجول هو وحدة صغيرة إلى حد ما من الطاقة ، لذلك غالبًا ما يتم استخدام وحدات أخرى ، مثل السعرات الحرارية ، على سبيل المثال.

لتحويل الجول إلى سعرات حرارية ، اضرب ببساطة في العامل 0.24 ، بحيث يتم التعبير عن المعادلة الواردة في البداية مباشرةً بالسعرات الحرارية:

تأثير الجول ونقل الطاقة الكهربائية

تأثير جول مرحب به لإنتاج حرارة موضعية ، مثل الشعلات ومجففات الشعر. لكن في حالات أخرى ، يكون لها آثار غير مرغوب فيها ، مثل:

- يمكن أن تكون التسخين الشديد في الموصلات خطيرة ، مما يؤدي إلى نشوب حرائق وحروق.

- تقلل الأجهزة الإلكترونية ذات الترانزستورات من أدائها ويمكن أن تفشل حتى لو سخنت بشدة.

- دائمًا ما تتعرض الأسلاك التي تحمل الطاقة الكهربائية للتسخين ، ولو بشكل طفيف ، مما يؤدي إلى خسائر ملحوظة في الطاقة.

وذلك لأن الكابلات التي تحمل التيار من محطات الطاقة تعمل لمئات الكيلومترات. الكثير من الطاقة التي يحملونها لا تصل إلى وجهتها ، لأنها تُهدر في الطريق.

لتجنب ذلك ، يُطلب أن يكون للموصلات أقل مقاومة ممكنة. يتأثر هذا بثلاثة عوامل مهمة: طول السلك ، ومنطقة المقطع العرضي ، والمواد التي صنع منها.

أفضل الموصلات هي المعادن ، مع كون الذهب أو الفضة أو البلاتين أو النحاس من أكثرها كفاءة. تصنع أسلاك الكابلات من خيوط نحاسية ، وهي معدن رغم أنه لا يوصل مثل الذهب ، إلا أنه أرخص بكثير.

كلما زاد طول السلك ، زادت المقاومة ، ولكن بجعلها أكثر سمكًا ، تقل المقاومة ، لأن هذا يسهل حركة حاملات الشحنة.

شيء آخر يمكن القيام به هو تقليل شدة التيار ، بحيث يتم تقليل التسخين. المحولات مسؤولة عن التحكم في الكثافة بشكل صحيح ، وهذا هو سبب أهميتها في نقل الطاقة الكهربائية.

تمارين

التمرين 1

يشير المبرد إلى أنه يحتوي على طاقة تبلغ 2000 واط ومتصل بمقبس 220 فولت. احسب الآتي:

أ) شدة التيار المتدفق عبر المبرد

ب) مقدار الطاقة الكهربائية التي تم تحويلها بعد نصف ساعة

ج) إذا تم استثمار كل هذه الطاقة في تسخين 20 لترًا من الماء بدرجة حرارة أولية 4 درجات مئوية ، فما هي درجة الحرارة القصوى التي يمكن تسخين الماء عندها؟

الاجابه على

يتم تعريف الطاقة على أنها طاقة لكل وحدة زمنية. إذا مررنا في المعادلة الواردة في البداية العامل Δt إلى اليمين ، فسنحصل على طاقة بالضبط لكل وحدة زمنية:

يمكن معرفة مقاومة عنصر التسخين من خلال قانون أوم: V = IR ، ومنه يتبع ذلك I = V / R. هكذا:

وبالتالي النتائج الحالية:

الحل ب

في هذه الحالة Δt = 30 دقيقة = = 30 × 60 ثانية = 1800 ثانية. مطلوب أيضًا قيمة المقاومة ، والتي تم مسحها من قانون أوم:

يتم استبدال القيم في قانون جول:

الحل ج

تعتمد كمية الحرارة Q اللازمة لرفع كمية من الماء إلى درجة حرارة معينة على الحرارة النوعية والتغير في درجة الحرارة التي يجب الحصول عليها. يتم حسابها من خلال:

هنا m كتلة الماء ، و C _e الحرارة النوعية ، والتي تم أخذها بالفعل كبيانات للمشكلة ، و ΔT هي تغير درجة الحرارة.

كتلة الماء تساوي 20 لترًا وتحسب بمساعدة الكثافة. كثافة الماء - _الماء هي نسبة الكتلة إلى الحجم. بالإضافة إلى ذلك ، عليك تحويل اللترات إلى متر مكعب:

بما أن م = الكثافة × الحجم = ρV ، فالكتلة تساوي.

لاحظ أنه من الضروري الانتقال من درجة مئوية إلى كلفن ، بإضافة 273.15 كلفن ، واستبدال ما سبق في معادلة الحرارة:

تمرين 2

أ) ابحث عن تعبيرات عن الطاقة ومتوسط ​​القدرة لمقاومة متصلة بجهد متناوب.

ب) لنفترض أن لديك مجفف شعر بقوة 1000 وات متصل بمقبس 120 فولت ، ابحث عن مقاومة عنصر التسخين وتيار الذروة - أقصى تيار - من خلاله.

ج) ماذا يحدث للمجفف عند توصيله بمقبس 240 فولت؟

الاجابه على

يتناوب جهد الصنبور ، في الشكل V = V _o. سن ωt. نظرًا لأنه متغير في الوقت المناسب ، فمن المهم جدًا تحديد القيم الفعالة لكل من الجهد والتيار ، والتي يتم الإشارة إليها بواسطة الرمز "rms" ، والذي يرمز إلى جذر متوسط ​​التربيع.

هذه القيم للتيار والجهد هي:

عند تطبيق قانون أوم ، يكون التيار كدالة للوقت كما يلي:

في مثل هذه الحالة ، تكون القدرة في المقاوم التي يتقاطع معها التيار المتردد هي:

يُلاحظ أن القوة تختلف أيضًا مع الوقت ، وهي كمية موجبة ، نظرًا لأن كل شيء مربّع و R دائمًا> 0. يتم حساب القيمة المتوسطة لهذه الوظيفة بالتكامل في دورة والنتائج:

من حيث الجهد الفعال والتيار ، تبدو الطاقة كما يلي:

الحل ب

تطبيق المعادلة الأخيرة بالبيانات المقدمة:

_يعني P = 1000 W و V _rms = 120 V

لذلك يكون الحد الأقصى للتيار عبر عنصر التسخين هو:

يمكن حل المقاومة من معادلة القوة المتوسطة:

_متوسط P = _{جذر متوسط ​​التربيع}. أنا _{جذر متوسط ​​التربيع} = 240 فولت × 16.7 أمبير ≈ 4000 واط

هذا ما يقرب من 4 أضعاف القوة الكهربائية التي تم تصميم عنصر التسخين من أجلها ، والتي ستحترق بعد وقت قصير من توصيلها بهذا المنفذ.

التطبيقات

المصابيح المتوهجة

تنتج المصباح المتوهج الضوء والحرارة أيضًا ، والتي يمكن أن نلاحظها على الفور عند توصيلها. العنصر الذي ينتج كلا التأثيرين هو خيط موصل رفيع جدًا ، وبالتالي يتمتع بمقاومة عالية.

بفضل هذه الزيادة في المقاومة ، على الرغم من انخفاض التيار في الفتيل ، إلا أن تأثير جول يتركز إلى الحد الذي يحدث فيه الإنارة. الخيط المصنوع من التنجستن بسبب درجة انصهاره العالية البالغة 3400 درجة مئوية ، ينبعث منه الضوء والحرارة أيضًا.

يجب وضع الجهاز في وعاء زجاجي شفاف مملوء بغاز خامل مثل الأرجون أو النيتروجين عند ضغط منخفض لتجنب تلف الفتيل. إذا لم يتم القيام بذلك بهذه الطريقة ، فإن الأكسجين الموجود في الهواء يستهلك الفتيل ويتوقف المصباح عن العمل على الفور.

مفاتيح مغناطيسية حرارية

تختفي التأثيرات المغناطيسية للمغناطيس في درجات الحرارة العالية. يمكن استخدام هذا لإنشاء جهاز يقطع تدفق التيار عندما يكون مفرطًا. هذا مفتاح مغناطيسي للحرارة.

جزء من الدائرة يتم من خلاله إغلاق التيار الكهربائي بواسطة مغناطيس متصل بنابض. يلتصق المغناطيس بالدائرة بفضل الجاذبية المغناطيسية ويبقى كذلك ، طالما أنه لا يضعف بالتسخين.

عندما يتجاوز التيار قيمة معينة ، تضعف المغناطيسية ويفصل الزنبرك المغناطيس ، مما يؤدي إلى فتح الدائرة. ونظرًا لأن التيار يحتاج إلى إغلاق الدائرة من أجل التدفق ، فإنه ينفتح ويتقطع تدفق التيار. هذا يمنع الكابلات من التسخين ، مما قد يتسبب في وقوع حوادث مثل الحرائق.

الصمامات

هناك طريقة أخرى لحماية الدائرة الكهربائية ومقاطعة تدفق التيار في الوقت المناسب وهي عن طريق الصمامات ، وهي عبارة عن شريط من المعدن يذوب عند تسخينه بتأثير جول ، تاركًا الدائرة مفتوحة ومقاطعة التيار.

الشكل 2. المصهر هو عنصر حماية الدائرة. يذوب المعدن عندما يمر عبر التيار الزائد. المصدر: Pixabay.

تسخين أومي بالبسترة

يتكون من تمرير تيار كهربائي عبر الطعام ، والذي يتمتع بطبيعة الحال بمقاومة كهربائية. لهذا الغرض ، يتم استخدام أقطاب كهربائية مصنوعة من مادة مضادة للتآكل. ترتفع درجة حرارة الطعام وتدمر الحرارة البكتيريا مما يساعد على الاحتفاظ بها لفترة أطول.

ميزة هذه الطريقة هي أن التسخين يحدث في وقت أقل بكثير مما تتطلبه التقنيات التقليدية. يدمر التسخين المطول البكتيريا ولكنه أيضًا يحيد الفيتامينات والمعادن الأساسية.

تساعد التسخين الأومي ، الذي يستمر لبضع ثوانٍ فقط ، في الحفاظ على المحتوى الغذائي للطعام.

التجارب

تتكون التجربة التالية من قياس كمية الطاقة الكهربائية المحولة إلى طاقة حرارية عن طريق قياس كمية الحرارة التي تمتصها كتلة معروفة من الماء. للقيام بذلك ، يتم غمر ملف التسخين في الماء ، والذي يمر من خلاله تيار.

المواد

- 1 كوب بوليسترين

- المقياس المتعدد

- ترمومتر مئوي

- مصدر طاقة واحد قابل للتعديل ، المدى 0-12 فولت

- توازن

- كبلات التوصيل

- ساعة التوقيف

معالجة

يسخن الملف بتأثير الجول وبالتالي الماء أيضًا. يجب علينا قياس كتلة الماء ودرجة حرارته الأولية ، وتحديد درجة الحرارة التي سنقوم بتسخينها.

الشكل 3. قم بتجربة لتحديد مقدار الطاقة الكهربائية التي تتحول إلى حرارة. المصدر: F. Zapata.

يتم أخذ قراءات متتالية كل دقيقة ، مع تسجيل قيم التيار والجهد. بمجرد توفر السجل ، يتم حساب الطاقة الكهربائية المزودة باستخدام المعادلات:

س = أنا ². Δt (قانون الجول)

V = IR (قانون أوم)

وقارن مع كمية الحرارة التي يمتصها الجسم من الماء:

س = م. ج _هـ. ΔT (انظر التمرين 1 محلول)

نظرًا للحفاظ على الطاقة ، يجب أن تكون كلتا الكميتين متساويتين. ومع ذلك ، على الرغم من أن البوليسترين يحتوي على حرارة نوعية منخفضة ولا يمتص أي طاقة حرارية تقريبًا ، فلا يزال هناك بعض الخسائر في الغلاف الجوي. يجب أيضًا مراعاة الخطأ التجريبي.

يتم تقليل الخسائر في الغلاف الجوي إذا تم تسخين الماء بنفس عدد الدرجات فوق درجة حرارة الغرفة كما كان أقل قبل بدء التجربة.

بمعنى آخر ، إذا كانت درجة حرارة الماء 10 درجة مئوية وكانت درجة الحرارة المحيطة 22 درجة مئوية ، فعليك رفع درجة حرارة الماء إلى 32 درجة مئوية.

المراجع

1. كرامر ، سي 1994. ممارسات الفيزياء. ماكجرو هيل. 197.
2. المنخل. تأثير الجول. تم الاسترجاع من: eltamiz.com.
3. فيغيروا ، د. (2005). السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 5. الكهرباء الساكنة. حرره دوغلاس فيغيروا (USB).
4. جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. 6 ^عشر. إد برنتيس هول.
5. النص الفائق. ما هو تأثير جول ولماذا أصبح شيئًا فائقًا في حياتنا. تم الاسترجاع من: hypertextual.com
6. ويكيبيديا. تأثير الجول. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.
7. ويكيبيديا. تسخين جول. تعافى من: en. wikipedia.org.