II.15.1. Efectul termic al curentului electric. Legea lui Joule și aplicațiile ei.

Efectul termic al curentului electric (efectul Joule) constă în încălzirea unui conductor la trecerea curentului electric prin el.

👀 Experiment: Efectul termic al curentului electric

Materiale necesare:
O baterie, un bec de lanternă, sârmă de cupru, fire de legătură.

Descrierea experimentului:

• Realizează un circuit electric format dintr-o baterie, bec, o sârmă de cupru, fire de legătură.
• Închide circuitul și lasă să treacă curentul electric prin circuit, câteva minute.
• Privește filamentul becului și atinge cu mâna sârma.
• Ce observi ?

  Sârma de cupru s-a încălzit foarte puțin, iar filamentul becului s-a încălzit foarte mult, chiar până la incandescență (s-a înroșit).

Concluzia experimentului:
Conductoarele electrice se încălzesc diferit la trecerea curentului electric prin ele, astfel:

• Metalele bune conductoare (exemple: argintul, cuprul, aurul, aluminiul) au o rezistență mică și se încălzesc puțin la trecerea curentului electric prin ele.

• Metalele greu conductoare (exemple: wolframul,nichelina, manganina) au o rezistență mare și se încălzesc mult la trecerea curentului electric prin ele.

Legea lui Joule măsoară cantitativ căldura degajată la trecerea curentului electric printr-un conductor.

Legea lui Joule:

Căldura Q degajată la trecerea curentului electric printr-un conductor este proporțională cu rezistența conductorului R, cu pătratul intensității curentului electric I² și cu intervalul de timp Δt cât circulă curentul electric prin el.

Q = R ∙ I² ∙ Δt

Explicația transformării energiei electrice în căldură la trecerea curentului electric printr-un conductor:

La scară microscopică, electronii liberi din metal se deplasează printre ionii rețelei metalice, având loc interacțiuni între aceștia. Prin ciocniri repetate ale electronilor liberi cu ionii rețelei crește energia cinetică a electronilor și viteza acestora. Cum energia cinetică în agitația termică este funcție de temperatură, electronii vor conduce la încălzirea conductorului parcurs de curent electric.

👀 Experiment: Legea lui Joule

Materiale necesare:
O baterie, calorimetru cu sârmă de nichelină și termometru, fire de legătură, pahar gradat, cronometru.

Descrierea experimentului:

• Măsoară o anumită cantitate de apă (0,1 kg) și pune-o în calorimetru.
• Măsoară temperatura apei.
• Pune capacul calorimetrului cu sârma de nichelină în apă.
• Leagă o baterie la bornele conductorului de nichelină și pornește cronometrul.
• Așteaptă până crește temperatura apei cu câteva grade (3°C), și oprește cronometrul.
• Calculează căldura degajată de conductorul de nichelină, la trecerea curentului electric prin el.

  Q = R ∙ I² ∙ Δt = m ∙ c ∙ ΔT
  Q = 0,1 ∙ 4185 ∙ 3 = 1255,5 J

Concluzia experimentului:
Știind I = 0,02 A și Δt = 12 min = 720 s, află rezistența rezistorului.

Aplicațiile efectului termic (efectului Joule):

1. Becul cu incandescență (cu filament din tungsten/wolfram)

Filamentul becului este confecționat dintr-un metal greu conductor cu rezistență mare (tungsten/wolfram), care la trecerea curentului electric prin el se încălzește până la incandescență, producând lumină.

Componentele unui bec:

2. Siguranţa fuzibilă.

Siguranţa fuzibilă protejează aparatele electrice din instalaţiile electrice împotriva supracurenţilor care apar în reţea, mai ales la producerea unui scurtcircuit. Ea joacă rol de întrerupător electric când apar curenţi cu intensităţi foarte mari în circuit. Fiind confecţionată dintr-un fir foarte subţire din argint sau cupru, ea are o rezistenţă mare comparativ cu restul aparatelor (rezistenţa unui conductor este invers proporţională cu grosimea acestuia). Când supracurenţii trec prin reţeaua electrică, firul siguranţei se topeşte şi întrerupe trecerea acestora prin aparate (care altfel, le-ar arde). Siguranţa arsă se înlocuieşte cu alta nouă (cumpărată din comerţ), după ce s-a înlăturat cauza care a produs scurtcircuitul.

3. Aparatele cu rezistor de nichelină/manganină (fier de călcat, placă de păr, ondulator de păr, prăjitoare de pâine, radiatoare, reșouri etc.)

Alte aplicații ale efectului electrotermic sunt aparatele cu rezistor. De exemplu fierul de călcat are un conductor dintr-un aliaj de crom – nichel spiralat, care traversat de curent electric se încălzeşte până la o temperatură de 700°C. El este plasat în interiorul carcasei metalice. Căldura degajată este transmisă tălpii metalice pentru netezirea rufelor.

De exemplu, fierul de călcat are un conductor dintr-un aliaj de crom – nichel spiralat, care traversat de curent electric se încălzeşte până la o temperatură de 700°C. El este plasat în interiorul carcasei metalice. Căldura degajată este transmisă tălpii metalice pentru netezirea rufelor.

Foenul (uscătorul de păr) conţine pe lângă rezistorul de nichelină spiralat şi un motor electric pentru a evacua aerul cald spre părul ce trebuie uscat.