EFECTUL JOULE – LENZ

Student: Tudose Dragos

Grupa: MS9 , An. 1

Profesor: Alexandru Morega

Jean-Bogdan Dumitru

~ 2013 ~

Legea lui Joule, mai este cunoscuta si sub denumirea de Efectul Joule si reprezinta o

lege a fizicii care exprima formula matematica a caldurii generate de un curent care parcurge un

conductor.

Legea este exprimata astfel:

in care:

Q - caldura degajata, [Q]si = J (joule)

I – intensitatea curentului electric [I]si = A (amper)

R – rezistivitatea electrica [R]si = 8 (ohm)

t – timpul [t]si = s (secunde)

La nivel atomic, efectul Joule este rezultatul miscarii electronilor si ciocnirea acestora cu

atomii din conductor, efectuand un transfer de moment catre atom, marindu-i energia cinetica.

Mai concret, efectul Joule consta in cresterea temperaturii unui conductor ca un rezultat

al rezistentei in urma parcurgerii acestuia de un curent electric.[1]

Cauze ale acestui efect.

Toate efectele curentului electric constau in transformarea energiei electrice intr-o alta

forma de energie, in cazul efectului Joule energia electrica transformandu-se in energia termica.

De aceea este simplu de inteles de ce vom cauta cauza acestui efect studiind modul in care se

consuma energia campului electric atunci cand este realizata o miscare ordonata de sarcina

electrica intr-un mediu conductor.

Miscarea ordonata a purtatorii de sarcina intr-un conductor este caracterizata printr-o

viteza medie (viteza de drift), ce se mentine constanta in cazul unui curent electric continuu.

Stabilirea, practic instantanee, a curentului electric la inchiderea unui circuit este datorata

campului electric, a carui viteza de propagare este de ordinul vitezei luminii, mult mai mare

decat viteza miscarii de drift a purtatorilor liberi din conductor. [3]

Pentru intretinerea miscarii ordonate a acestora, se consuma energie. Lucrul mecanic

efectuat de fortele campului la deplasarea unei sarcini Q intre doua puncte A si B, cu potentiale

VA, respectiv VB, are expresia:

L=Q( VA- VB)=QU

Caldura degajata intr-un interval de timp Dt, la trecerea unui curent electric continuu,

de intensitate I, printr-un rezistor de rezistenta R, este proportionala cu patratul intensitatii

curentului electric, cu rezistenta electrica a rezistorului si cu intervalul de timp considerat

(legea Joule).

Utilizand definitia intensitatii curentului electric, energia consumata pentru

transportul sarcinii electrice (care va fi notata in acest context cu W, pentru a nu fi confunata cu

t.e.m. a unei surse) poate fi scrisa sub forma:

W =U I Dt

Aceasta energie este transferata ionilor retelei, prin ciocnirile care au loc in interiorul

conductorului. Astfel se intensifica miscarea termica, ceea ce va determina cresterea temperaturii

acelui conductor, energia electrica consumata fiind transformata ireversibil in caldura. [2]

Efectul Joule-Lenz , cunoscut si ca Efectul termic , este reprezentat de disiparea caldurii

intr-un conductor traversat de un curent electric. Aceasta se datoreaza interactiunii particulelor

curentului cu atomii conductorului, interactiuni prin care primele le cedeaza ultimilor din energia

lor cinetica, contribuind la marirea agitatiei termice in masa conductorului.

Produsele folosite la incalzirea industriala, precum si pentru uzul casnic, functioneaza pe

baza efectului Joule-Lenz.

Elementul de circuit comun in constructia acestor produse este un rezistor (sau mai multe,

grupate adecvat) in care se dezvolta efectul Joule al curentului electric. Rezistorul sau (elementul

rezistiv care disipa caldura) este realizat din nicrom, feronicrom, fecral, kanthal, cromal s.a.

Aceste materiale sunt rezistente la temperaturi mari, au rezistivitate electrica ridicata si un

coeficient mare de temperatura al rezistivitatii. Efectul termic al curentului electric are multiple

aplicatii industriale: cuptoarele incalzite electric, taierea metalelor, sudarea cu arc electric etc.

Cand un material conductor este plasat intr-un camp magnetic alternativ, curentii indusi

determină incalzirea materialului. La frecvente mari incalzirea este mai pronuntata la suprafata

materialului conductor; efectul este utilizat la tratamente superficiale ale metalelor si pentru

lipire.

Calculul la incalzirea produsa de trecerea curentului electric prin conductoarele aparatelor

si masinilor electrice este foarte important: incalzirea nu trebuie sa afecteze stabilitatea termica a

materialelor izolatoare. [3]

Diverse aplicari ale efectului.

Produsele folosite la incalzirea industriala, precum si pentru uzul casnic, functioneaza pe

baza efectului Joule-Lenz.

Arcul electric este un curent electric de mare intensitate. La separarea sub sarcina

electrica a doua piese metalice in contact, densitatea de curent creste foarte mult datorita

micsorarii zonelor de contact, pe masura departarii pieselor si datorita tensiunii electromotoare

(t.e.m.) de autoinductie care ia nastere la intreruperea curentului. Datorita efectului Joule-Lenz

foarte puternic, metalul este topit local si vaporizat.[3]

Cuptoarele electrice se utilizează si pentru topirea metalelor. Daca un dielectric este

introdus intre doua armaturi plane, alimentate in curent alternativ, acesta se incalzeste din cauza

pierderilor de polarizare. Fenomenul este utilizat pentru topirea maselor plastice, la incalzirea

imbinarilor din lemn, la incalzirea alimentelor in cuptoarele cu microunde s.a. Calculul la

incalzirea produsa de trecerea curentului electric prin conductoarele aparatelor si masinilor

electrice este foarte important: incalzirea nu trebuie sa afecteze stabilitatea termica a materialelor

izolatoare.[1]

O aplicaţie a Efectului Electrotermic este

siguranţa fuzibilă locuinţele sau aparatele

electrice de scurtcircuite. În caz de scurtcircuit,

siguranţa se topeşte şi curentul electric se

întrerupe, evitându-se astfel un incendiu sau

distrugerea aparatelor electrice.

Firul conductor din interiorul siguranţei

trebuie să fie suficient de subţire pentru a proteja

eficient locuinţa pentru ca firele de sectiune

redusa reactioneaza mult mai rapid (se incalzesc

pana cedeaza) la supratensiuni sau scurtcircuit.[2]

[4]

~ Bibliografie ~

[1] http://ro.wikipedia.org

[2] http://electroliza.wikispaces.com/Efectul+termic

[3] http://cursuri.iem.pub.ro/2013/pluginfile.php/234/mod_resource/content/2/Efectul_Joule.pdf

[4] http://www.niden.ro/sigurante-fuzibile-/383-siguranta-fuzibila-5x20mm-.html