Efectul Joule – Lentz

EFECTELE CURENTULUI ELECTRIC:

Electroterapia utilizează curentul electric în tratamentul diferitelor afecţiuni şi în

diagnostic. Efectele directe şi indirecte ale curentului electric sunt:

- efectul termic al electricităţii este bazat pe legea Joule-Lenz: prin trecerea curentului

electric printr-un conductor, acesta se încălzeşte; organismul se comportă ca un

conductor şi se încălzeşte la trecerea curentului electric prin el;

- efectul chimic: prin trecerea curentului electric se produce electroliză în ţesuturi;

electroliza se produce doar la curent continuu, nu şi la curent alternativ; se pot

steriliza canalele radiculare prin electroliză în câmp electric; dintre electrozi disociază

ioni din electrolit – anioni la polul pozitiv şi cationi la polul negativ;

- efectul fizic: electroforeza, cataforeza, anaforeza; soluţia coloidală într-un câmp

electric se desface, iar particulele sunt atrase la poli, ele trecând printr-un perete

gros, dar care trebuie să fie poros;

- efectul magnetic: când trece printr-un conductor, curentul electric realizează un

câmp magnetic; astfel se realizează inducţia electro-magnetică; aşa se realizează

curentul alternativ şi mişcarea motorului electric; alt efect este cel de magnetism.

- Curenţii de înaltă frecvenţă (curenţi Tesla) – se pot realiza prin circuit oscilant cu

lămpi sau cu diode sau prin circuit scânteie (bobină-condensator).

Efectul Joule (numit si efectul electrocaloric sau efectul electrotermic)

reprezinta fenomenul fizic de incalzire a corpurilor la trecerea curentului electric prin

ele. Efectul Joule se opune trecerii curentului prin corpuri cu structura cristalina si cu

electroni liberi pentru a pastra legaturile dintre electroni stabile. Acest efect „de

opunere” conduce la o disipare de energie si deci la incalzirea materialului prin care

trece curentul electric.

Efectul Joule este un fenomen fizic, ceea ce implica faptul ca toate

consecintele sale nu pot fi reversibile sau inlaturate. Consecintele sale sunt atât

negative (daunatoare) cat si pozitive (folositoare). Oamenii au cautat sa foloseasca

acest efect, care face parte din viata de zi cu zi a fiecaruia si au incercat sa-i inlature

consecintele daunatoare.

Efectul poarta numele fizicianului englez James Prescott Joule(1818-1889),

care a facut numeroase cercetari in domeniul electricitatii si al termodinamicii. In

cursul investigatiilor sale despre caldura emisa intr-un circuit electric, a formulat o

lege, cunoscuta sub numele de legea lui Joule: cantitatea de caldura Q degajata la

trecerea curentului electric printr-un conductor este direct proportionala cu rezistenta

R a conductorului, cu patratul intensitatii curentului si cu timpul t considerat. Expresia

matematica a legii este: Q=R*I*I*t.

Consecinte daunatoare sunt: incalzirea oricarui conductor parcurs de

curent: masinile electrice se incalzesc foarte rapid si suprafetele necesita sa fie

marite in dimensiune pentru a rezista la trecerea curentului, pentru ca cu cat

suprafata este mai mare cu atât rezistenta este mai mica, iar cu cat rezistivitatea

materialului este mai mare si rezistenta creste (R=O*l/S);

in transportul energiei electrice prin stalpii de

inalta tensiune, efectul Joule duce la pierderi de energie electrica .

Insa consecintele pozitive ale efectului Joule sunt in numar mult mai mare

decat cele negative. Majoritatea aplicatiilor efectului Joule se refera la aparate de uz

casnic, deci la anumite facilitati care confera mai multa usurinta vieţii omului. Astfel,

unele dintre cele mai cunoscute aplicatii aleefectului Joule sunt: resoul, fierul de

calcat, radiatoarele, fierbatorul electric, masina de spalat, uscatorul de par, bricheta

de la automobile si unele instrumente de masura a temperaturii.

Toate aceste aparate functioneaza in urma aparitiei efectului Joule după un

principiu relativ simplu: la trecerea curentului, in interiorul fiecarui aparat exista un

conductor prin care trece curentul electric. Datorita efectului Joule apare cresterea de

temperatura, pe care fiecare aparat o foloseste cu un anumit scop.

Efectul Joule-Lenz se opune trecerii curentului prin corpuri cu structura

cristalina si electroni liberi pentru a pastra legaturile dintre electroni stabile. Trebuie

precizat faptul ca efectul Joule se manifesta atata timp cat mediul conducator are o

anumita rezistenta electrica, deoarece, sub o anumita valoare a temperaturii, foarte

scazuta, rezistivitatea conductorilor scade brusc la valori mici, rezultand fenomenul

de supraconductibilitate.

Efectul termic (denumit şi efect Joule-Lenz) este reprezentat de disiparea căldurii intr-un conductor traversat de un curent electric. Aceasta se datorează interacţiunii particulelor curentului (de regulă electroni) cu atomii conductorului, interacţiuni prin care primele le cedează ultimilor din energia lor cinetică, contribuind la mărirea agitaţiei termice in masa conductorului.

Produsele folosite la incălzirea industrială, precum şi pentru uzul casnic, funcţionează pe baza efectului Joule-Lenz. Elementul de circuit comun in construcţia acestor produse este un rezistor (sau mai multe, grupate adecvat) in care se dezvoltă efectul Joule al curentului electric. Rezistorul său (elementul rezistiv care disipă căldura) este realizat din nicrom, feronicrom, fecral, kanthal, cromal ş.a. Aceste materiale sunt rezistente la temperaturi mari, au rezistivitate electrică ridicată şi un coeficient mare de temperatură al rezistivităţii. Efectul termic al curentului electric are multiple aplicaţii industriale: cuptoarele incălzite electric, tăierea metalelor, sudarea cu arc electric etc.

Arcul electric este un curent electric de mare intensitate. La separarea sub sarcină electrică a două piese metalice in contact, densitatea de curent creşte foarte mult datorită micşorării zonelor de contact, pe măsura depărtării pieselor şi datorită tensiunii electromotoare (t.e.m.) de autoinducţie care ia naştere la intreruperea curentului.

Datorită efectului Joule-Lenz foarte puternic, metalul este topit local şi vaporizat. In condiţiile existenţei vaporilor metalici şi a contactelor puternic incălzite, aerul dintre contacte se ionizează şi ia naştere o plasmă fierbinte cu temperaturi de cca. 6.000–7.000 K.

Sub acţiunea diferenţei de potenţial dintre contacte plasma se deplasează, formand arcul electric; deci curentul electric continuă să existe şi după intreruperea mecanică a circuitului.

Din procesele de recombinare ale purtătorilor de sarcină, arcul electric eliberează energie sub formă de radiaţii luminoase intense. La sudarea metalelor, arcul electric se formează intre un electrod şi piesa de sudat; tăierea metalelor se realizează prin topire locală cu arc electric, iar la intreruperea circuitelor electrice arcul este stins prin metode şi dispozitive speciale care favorizează procesele de deionizare in coloana de arc. La intrerupătorul cu parghie, pentru a se evita topirea sau distrugerea parţială prin arc electric a pieselor de contact, intre acestea se montează in paralel un condensator. Condensatorul se incarcă şi preia energia eliberată de campul magnetic prin curentul de autoinducţie, fără a se mai produce un arc electric.

Cand un material conductor este plasat intr-un camp magnetic alternativ, curenţii induşi determină incălzirea materialului. La frecvenţe mari incălzirea este mai pronunţată la suprafaţa materialului conductor; efectul este utilizat la tratamente superficiale ale metalelor şi pentru lipire.

Cuptoarele electrice se utilizează şi pentru topirea metalelor. Dacă un dielectric este introdus intre două armături plane, alimentate in curent alternativ, acesta se incălzeşte din cauza pierderilor de polarizare. Fenomenul este utilizat pentru topirea maselor plastice, la incălzirea imbinărilor din lemn, la incălzirea alimentelor in cuptoarele cu microunde ş.a.

Calculul la incălzirea produsă de trecerea curentului electric prin conductoarele aparatelor şi maşinilor electrice este foarte important: incălzirea nu trebuie să afecteze stabilitatea termică a materialelor izolatoare.

Aparat pentru ablatie cu radiofrecventa-Thermocon

(aplicatie medicala)

Domeniui de utilizare:

Thermocon furnizeaza caldura in corpul omenesc prin intermediul radio frecventei

fara nici un inconvenient sau contractie musculara.

-Electrodul izolat a carui parte finala este destinata sa livreze acest curent electric

este inserat in corp prin piele si genereaza efectul Joule prin partea activa.

-Efectul Joule va coagula tesutul respectiv pana la necroza tumorii (termocoagulare)

sau va bloca un nerv pentru a elimina durerea.

-Operatia este bazata pe incizie dar operarea cu Thermocon este bazata pe

inserarea percutanata a unei canule care va lasa cicatrici foarte mici si va facilita

astfel o recuperare intradevar rapida.

-Avand multe avantaje cum ar fi siguranta pacientului, usurinta in folosire,

repetabilitatea operatiilor, Thermocon de asemenea controleaza cu acuratete

puterea de iesire (temperatura) a partii active a electrodului, pentru a putea

determina si comanda exact forma si dimensiunea leziunii generate.

-Displayul LCD al aparatului arata in timp real impedanta, stimularea electrica,

puterea, timpul, conditiile de operare, pentru a ne da o imagine cat mai precisa

asupra evenimentelor care se petrec.

Madalina Buzea

Master IMC

An II