HIỆU ỨNG JOULE: GIẢI THÍCH, VÍ DỤ, BÀI TẬP, ỨNG DỤNG - VẬT LÝ - 2026

Các hiệu ứng Joule hay Joule của pháp luật là kết quả của việc chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt, diễn ra khi một dòng điện đi qua một dây dẫn. Hiệu ứng này xuất hiện bất cứ khi nào bật bất kỳ thiết bị hoặc thiết bị nào cần điện để hoạt động.

Những lần khác, điều đó là không mong muốn và người ta tìm cách giảm thiểu nó, do đó, người ta lắp thêm quạt vào máy tính để bàn để tản nhiệt, vì nó có thể gây hỏng các bộ phận bên trong.

Các thiết bị sử dụng hiệu ứng Joule để tạo ra nhiệt, bên trong có một điện trở nóng lên khi có dòng điện chạy qua, được gọi là bộ phận làm nóng.

Giải trình

Hiệu ứng Joule bắt nguồn từ quy mô vi mô trong các hạt, cả những hạt tạo nên vật chất và những hạt mang điện.

Nguyên tử và phân tử trong một chất ở vị trí ổn định nhất của chúng trong chất đó. Về phần mình, dòng điện bao gồm chuyển động có trật tự của các điện tích xuất phát từ cực dương của pin. Khi họ ra khỏi đó, họ có rất nhiều năng lượng tiềm tàng.

Khi chúng đi qua, các hạt mang điện tác động vào các hạt của vật liệu và khiến chúng dao động. Những thứ này sẽ cố gắng lấy lại sự cân bằng trước đó, cung cấp năng lượng dư thừa cho môi trường xung quanh dưới dạng nhiệt có thể cảm nhận được.

Nhiệt lượng Q tỏa ra phụ thuộc vào cường độ dòng điện I, thời gian dòng điện chạy trong vật dẫn Δt và phần tử có điện trở suất R:

Phương trình trên được gọi là định luật Joule-Lenz.

Ví dụ

Hai nhà vật lý, James Joule người Anh (1818-1889) và Heinrich Lenz (1804-1865) người Nga đã quan sát một cách độc lập rằng một dây dẫn mang dòng điện không chỉ trở nên nóng mà dòng điện của nó còn giảm trong quá trình này.

Sau đó, người ta xác định rằng lượng nhiệt do điện trở tản ra tỷ lệ với:

- Bình phương cường độ dòng điện tuần hoàn.

- Thời gian mà dòng điện vẫn chạy qua vật dẫn.

- Điện trở của vật dẫn nói trên.

Các đơn vị của nhiệt là các đơn vị năng lượng giống nhau: jun, viết tắt là J.Jun là một đơn vị năng lượng khá nhỏ, vì vậy các đơn vị khác thường được sử dụng, chẳng hạn như calo.

Để chuyển đổi jun thành calo, chỉ cần nhân với hệ số 0,24, sao cho phương trình đưa ra ở đầu được biểu thị trực tiếp bằng calo:

Hiệu ứng Joule và vận chuyển năng lượng điện

Hiệu ứng Joule được hoan nghênh để tạo ra nhiệt cục bộ, giống như đầu đốt và máy sấy tóc. Nhưng trong những trường hợp khác, nó có những tác dụng không mong muốn, chẳng hạn như:

- Sự gia nhiệt rất lớn trong dây dẫn có thể nguy hiểm, gây cháy và bỏng.

- Các thiết bị điện tử có bóng bán dẫn giảm hiệu suất và có thể hỏng ngay cả khi chúng quá nóng.

- Các dây dẫn mang năng lượng điện luôn bị nóng lên, thậm chí hơi nóng, dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể.

Điều này là do các dây cáp dẫn dòng điện từ các nhà máy điện chạy hàng trăm km. Phần lớn năng lượng chúng mang theo không đến được đích, vì nó bị lãng phí trên đường đi.

Để tránh điều này, người ta tìm cách sao cho các dây dẫn có điện trở ít nhất có thể. Điều này bị ảnh hưởng bởi ba yếu tố quan trọng: chiều dài của dây, diện tích mặt cắt ngang và vật liệu tạo ra nó.

Các chất dẫn điện tốt nhất là kim loại, với vàng, bạc, bạch kim hoặc đồng là một số chất hiệu quả nhất. Dây của cáp được làm bằng sợi đồng, một loại kim loại, mặc dù nó không dẫn điện tốt như vàng, nhưng nó rẻ hơn nhiều.

Dây càng dài thì càng có nhiều điện trở, nhưng bằng cách làm cho chúng dày hơn, điện trở sẽ giảm, vì điều này tạo điều kiện cho sự chuyển động của các hạt tải điện.

Một điều khác có thể được thực hiện là giảm cường độ dòng điện, để giảm thiểu sự phát nóng. Máy biến áp có nhiệm vụ kiểm soát cường độ thích hợp, đó là lý do tại sao chúng rất quan trọng trong việc truyền tải năng lượng điện.

Bài tập

Bài tập 1

Bộ tản nhiệt cho biết nó có công suất 2000W và được kết nối với ổ cắm 220 V. Tính toán sau:

a) Cường độ dòng điện chạy qua bộ tản nhiệt

b) Điện lượng đã biến đổi sau nửa giờ

c) Nếu đầu tư toàn bộ năng lượng này vào việc đun nóng 20 lít nước, lúc đầu ở 4ºC thì nhiệt độ tối đa mà nước có thể đun nóng sẽ là bao nhiêu?

Giải pháp cho

Công suất được định nghĩa là năng lượng trên một đơn vị thời gian. Nếu trong phương trình đã cho lúc đầu, chúng ta chuyển hệ số Δt sang bên phải, chúng ta sẽ có năng lượng chính xác trên một đơn vị thời gian:

Điện trở của phần tử đốt nóng có thể được biết thông qua định luật Ôm: V = IR, từ đó suy ra I = V / R. Như vậy:

Như vậy kết quả hiện tại:

Giải pháp b

Trong trường hợp này Δt = 30 phút = = 30 x 60 giây = 1800 giây. Giá trị của điện trở cũng được yêu cầu, được loại trừ khỏi định luật Ohm:

Các giá trị được thay thế trong định luật Joule:

Giải pháp c

Nhiệt lượng Q cần thiết để nâng một lượng nước lên một nhiệt độ nhất định phụ thuộc vào nhiệt dung riêng và sự biến thiên nhiệt độ cần thu được. Nó được tính bằng:

Ở đây m là khối lượng của nước, C _e là nhiệt lượng riêng, đã được lấy làm dữ liệu cho bài toán, và ΔT là độ biến thiên của nhiệt độ.

Khối lượng của nước là 20 L. Nó được tính toán với sự trợ giúp của mật độ. Khối lượng riêng của nước ρ _nước là tỷ số giữa khối lượng và thể tích. Ngoài ra, bạn phải chuyển đổi từ lít sang mét khối:

Vì m = khối lượng riêng x khối lượng = ρV nên khối lượng là.

Lưu ý rằng cần phải đi từ độ C. đến kelvin, thêm 273,15 K. Thay thế ở trên vào phương trình nhiệt:

Bài tập 2

a) Tìm biểu thức về công suất và công suất trung bình của một điện trở mắc vào hiệu điện thế xoay chiều.

b) Giả sử bạn có một máy sấy tóc có công suất 1000W được nối với ổ cắm 120 V, tìm điện trở của bộ phận đốt nóng và dòng điện cực đại - dòng điện cực đại - qua nó.

c) Điều gì xảy ra với máy sấy khi nó được nối với ổ cắm 240 V?

Giải pháp cho

Hiệu điện thế ở vòi là xoay chiều, có dạng V = V _o . sen ωt. Bởi vì nó thay đổi theo thời gian, điều rất quan trọng là phải xác định các giá trị hiệu dụng của cả điện áp và dòng điện, được biểu thị bằng chỉ số dưới “rms”, viết tắt của bình phương trung bình căn.

Các giá trị này cho dòng điện và điện áp là:

Khi áp dụng định luật Ôm, dòng điện là một hàm của thời gian là:

Trong trường hợp này, công suất trong một điện trở bị dòng điện xoay chiều vượt qua là:

Người ta thấy rằng công suất cũng thay đổi theo thời gian và nó là một đại lượng dương, vì mọi thứ đều bình phương và R luôn luôn> 0. Giá trị trung bình của hàm này được tính bằng tích phân trong một chu kỳ và cho kết quả:

Xét về điện áp và dòng điện hiệu dụng, công suất có dạng như sau:

Giải pháp b

Áp dụng phương trình cuối cùng với dữ liệu được cung cấp:

_{Có nghĩa là} P = 1000 W và V _rms = 120 V

Do đó cường độ dòng điện cực đại qua bộ phận đốt nóng là:

Điện trở có thể được giải quyết từ phương trình công suất trung bình:

P _{nghĩa là} = V _rms . I _rms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W

Đây là công suất xấp xỉ 4 lần công suất mà bộ phận làm nóng được thiết kế, sẽ hết ngay sau khi được cắm vào ổ cắm này.

Các ứng dụng

Bóng đèn sợi đốt

Bóng đèn sợi đốt tạo ra ánh sáng và cũng tỏa nhiệt, điều này chúng ta có thể nhận thấy ngay lập tức khi kết nối nó. Phần tử tạo ra cả hai hiệu ứng là một dây tóc rất mỏng, do đó có điện trở cao.

Nhờ sự gia tăng điện trở này, mặc dù dòng điện trong dây tóc đã giảm, nhưng hiệu ứng Joule vẫn tập trung đến mức xảy ra hiện tượng phát sáng. Dây tóc, được làm bằng vonfram do có nhiệt độ nóng chảy cao 3400 ºC, phát ra ánh sáng và cả nhiệt.

Thiết bị phải được bao bọc trong một hộp thủy tinh trong suốt, chứa đầy khí trơ, chẳng hạn như argon hoặc nitơ ở áp suất thấp, để tránh làm hỏng dây tóc. Nếu không làm theo cách này, oxy trong không khí sẽ tiêu thụ dây tóc và bóng đèn ngừng hoạt động ngay lập tức.

Công tắc nhiệt Magneto

Các hiệu ứng từ tính của nam châm biến mất ở nhiệt độ cao. Điều này có thể được sử dụng để tạo ra một thiết bị ngắt dòng điện khi nó quá mức. Đây là một công tắc nhiệt từ.

Một đoạn mạch có dòng điện chạy qua được đóng bằng nam châm gắn với lò xo. Nam châm dính vào mạch điện nhờ lực hút từ trường và vẫn như vậy, miễn là nó không bị suy yếu do nung nóng.

Khi dòng điện vượt quá một giá trị nhất định, từ tính yếu đi và lò xo tách ra khỏi nam châm, làm cho mạch hở. Và vì dòng điện cần đóng mạch để chạy, nó sẽ mở ra và dòng điện bị gián đoạn. Điều này ngăn không cho dây cáp nóng lên, có thể gây ra tai nạn như hỏa hoạn.

Cầu chì

Một cách khác để bảo vệ mạch điện và ngắt dòng điện kịp thời là dùng cầu chì, một dải kim loại khi bị tác động Joule nung nóng sẽ nóng chảy, khiến mạch điện bị hở và ngắt dòng điện.

Hình 2. Cầu chì là một phần tử bảo vệ mạch. Kim loại nóng chảy khi có dòng điện quá lớn chạy qua. Nguồn: Pixabay.

Thanh trùng bằng nhiệt Ohmic

Nó bao gồm truyền một dòng điện qua thực phẩm, tự nhiên có điện trở. Đối với điều này, các điện cực làm bằng vật liệu chống ăn mòn được sử dụng. Nhiệt độ thức ăn tăng lên và hơi nóng tiêu diệt vi khuẩn, giúp bảo quản được lâu hơn.

Ưu điểm của phương pháp này là gia nhiệt xảy ra trong thời gian ngắn hơn nhiều so với yêu cầu của các kỹ thuật thông thường. Đun nóng kéo dài tiêu diệt vi khuẩn nhưng cũng vô hiệu hóa các vitamin và khoáng chất cần thiết.

Chế độ hâm nóng Ohmic chỉ kéo dài vài giây giúp bảo toàn thành phần dinh dưỡng của thực phẩm.

Thí nghiệm

Thí nghiệm tiếp theo bao gồm đo lượng năng lượng điện được chuyển thành nhiệt năng bằng cách đo lượng nhiệt được hấp thụ bởi một khối lượng nước đã biết. Để làm điều này, một cuộn dây nóng được nhúng vào nước, qua đó có dòng điện chạy qua.

nguyên vật liệu

- 1 cốc polystyrene

- Đồng hồ vạn năng

- Nhiệt kế độ C

- 1 nguồn điện có thể điều chỉnh, phạm vi 0-12 V

- Thăng bằng

- Cáp kết nối

- Đồng hồ bấm giờ

Quá trình

Cuộn dây nóng lên bởi hiệu ứng jun và do đó nước cũng vậy. Chúng ta phải đo khối lượng của nước và nhiệt độ ban đầu của nó, và xác định xem chúng ta sẽ đốt nóng nó ở nhiệt độ nào.

Hình 3. Thí nghiệm xác định bao nhiêu năng lượng điện chuyển hóa thành nhiệt năng. Nguồn: F. Zapata.

Các bài đọc liên tiếp được thực hiện mỗi phút, ghi lại các giá trị dòng điện và điện áp. Khi có bản ghi, năng lượng điện cung cấp được tính bằng các công thức:

Q = I ² .R. Δt (Định luật Joule)

V = IR (Định luật Ôm)

Và so sánh với lượng nhiệt mà cơ thể hấp thụ nước:

Q = m. C _e . ΔT (xem bài tập 1 đã giải)

Vì năng lượng được bảo toàn nên cả hai đại lượng phải bằng nhau. Tuy nhiên, mặc dù polystyrene có nhiệt riêng thấp và hầu như không hấp thụ nhiệt năng, nhưng vẫn sẽ có một số tổn thất đối với khí quyển. Sai số thử nghiệm cũng phải được tính đến.

Tổn thất đối với khí quyển sẽ được giảm thiểu nếu nước được đun nóng ở nhiệt độ phòng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng ở cùng một số độ như trước khi bắt đầu thí nghiệm.

Nói cách khác, nếu nước ở 10ºC và nhiệt độ môi trường là 22ºC, thì bạn phải đưa nước lên 32ºC.

Người giới thiệu

1. Kramer, C. 1994. Thực hành Vật lý. Đồi McGraw. 197.
2. Cái sàng. Hiệu ứng joule. Được khôi phục từ: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 5. Chất tĩnh điện. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Vật lý: Các nguyên tắc với ứng dụng. 6 ^ngày . Ed Prentice Hall.
5. Siêu văn bản. Hiệu ứng Joule là gì và tại sao nó đã trở thành một thứ gì đó siêu việt trong cuộc sống của chúng ta. Được khôi phục từ: hypertextual.com
6. Wikipedia. Hiệu ứng joule. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Gia nhiệt joule. Đã khôi phục từ: vi. wikipedia.org.