II.18. Legea lui Joule. Efectul termic al curentului electric

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

Aplicații

Cel mai cunoscut aparat care se bazează pe efectul electrotermic este becul electric care a fost inventat în 1878 de către inventatorul american, Thomas Edison.

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

👀 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 un curent 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.

Aplicații

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.

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.

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.

Legea lui Joule:

Căldura disipată (Q) de o porțiune de circuit cu rezistența electrică R este direct proporțională cu pătratul intensității curentului ( I² ) care parcurge acea porțiune, cu rezistența ei ( R ) și cu durata trecerii curentului ( Δt ).

unde,

R este rezistența electrică,

I este intensitatea curentului electric,

Δt este intervalul de timp.

Energia transferată conductorului de rezistență R este transmisă de către acesta mediului înconjurător sub formă de căldură (energie termică). Electronii liberi în mișcare se ciocnesc cu ionii rețelei metalice ai conductorului, astfel agitația termică se intensifică ducând la creșterea temperaturii și încălzirea conductorului.

👀 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.