जूल प्रभाव: स्पष्टीकरण, उदाहरण, अभ्यास, अनुप्रयोग - शारीरिक - 2025

जौल प्रभाव या जूल के कानून गर्मी में विद्युत ऊर्जा के परिवर्तन है, जो जगह लेता है विद्युत धारा एक कंडक्टर से होकर गुजरता है जब का परिणाम है। यह प्रभाव तब भी मौजूद होता है जब किसी भी उपकरण या उपकरण को कार्य करने के लिए बिजली की आवश्यकता होती है।

दूसरी बार यह अवांछनीय है और इसे कम से कम करने की मांग की जाती है, यही कारण है कि प्रशंसकों को गर्मी को फैलाने के लिए डेस्कटॉप पीसी में जोड़ा जाता है, क्योंकि यह आंतरिक घटकों की विफलता का कारण बन सकता है।

जो उपकरण ऊष्मा उत्पन्न करने के लिए जूल प्रभाव का उपयोग करते हैं, उनके अंदर एक प्रतिरोध होता है जो एक करंट के माध्यम से गुजरने पर गर्म हो जाता है, जिसे ताप तत्व कहा जाता है।

व्याख्या

जूल प्रभाव का मूल कणों में सूक्ष्म पैमाने पर होता है, जो दोनों एक सामग्री बनाते हैं और जो विद्युत आवेश को वहन करते हैं।

किसी पदार्थ में परमाणु और अणु पदार्थ के भीतर अपनी सबसे स्थिर स्थिति में होते हैं। इसके भाग के लिए, विद्युत प्रवाह में विद्युत आवेशों के क्रमबद्ध संचलन होते हैं, जो बैटरी के धनात्मक ध्रुव से आते हैं। जब वे वहां से निकलते हैं तो उनमें बहुत अधिक ऊर्जा होती है।

जैसे-जैसे वे गुजरते हैं, आवेशित कण उन सामग्रियों को प्रभावित करते हैं और उन्हें कंपन का कारण बनाते हैं। ये पहले से मौजूद संतुलन को फिर से हासिल करने की कोशिश करेंगे, जिससे उनके आसपास की ऊर्जा अधिक हो जाएगी।

जारी किए गए ऊष्मा Q की मात्रा वर्तमान I की तीव्रता पर निर्भर करती है, जिसके लिए यह कंडक्टर के अंदर घूमता है और प्रतिरोधक तत्व R:

उपरोक्त समीकरण को जूल-लेनज कानून कहा जाता है।

उदाहरण

दो भौतिक विज्ञानी, ब्रिटिश जेम्स जूल (1818-1889) और रूसी हेनरिक लेनज़ (1804-1865) ने स्वतंत्र रूप से देखा कि एक करंट ले जाने वाला तार न केवल गर्म हो गया, बल्कि यह कि इस प्रक्रिया के दौरान उसका प्रवाह कम हो गया।

तब यह स्थापित किया गया था कि प्रतिरोध द्वारा नष्ट की गई गर्मी की मात्रा आनुपातिक है:

- परिसंचारी धारा की तीव्रता का वर्ग।

- कहा गया कि वर्तमान समय कंडक्टर के माध्यम से बहता रहा।

- उक्त कंडक्टर का प्रतिरोध।

ऊष्मा की इकाइयाँ ऊर्जा की समान इकाइयाँ होती हैं: जूल, जिसे संक्षिप्त रूप में जे। जूल ऊर्जा की एक काफी छोटी इकाई है, इसलिए दूसरों को अक्सर उपयोग किया जाता है, जैसे कि कैलोरी, उदाहरण के लिए।

जूल को कैलोरी में बदलने के लिए, बस कारक 0.24 से गुणा करें, ताकि शुरुआत में दिए गए समीकरण को सीधे कैलोरी में व्यक्त किया जाए:

जूल प्रभाव और विद्युत ऊर्जा परिवहन

जूल प्रभाव स्थानीयकृत गर्मी का उत्पादन करने के लिए स्वागत है, जैसे बर्नर और हेयर ड्रायर। लेकिन अन्य मामलों में, इसके अवांछित प्रभाव हैं, जैसे:

- कंडक्टरों में एक बहुत बड़ा हीटिंग खतरनाक हो सकता है, जिससे आग और जलता है।

- ट्रांजिस्टर वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरण अपने प्रदर्शन को कम करते हैं और बहुत गर्म होने पर भी विफल हो सकते हैं।

- विद्युत ऊर्जा ले जाने वाले तारों को हमेशा हीटिंग का अनुभव होता है, यहां तक ​​कि थोड़ा सा, जो उल्लेखनीय ऊर्जा नुकसान की ओर जाता है।

ऐसा इसलिए है क्योंकि बिजली संयंत्रों से करंट ले जाने वाले केबल सैकड़ों किलोमीटर तक चलते हैं। इतनी ऊर्जा जो वे ले जाते हैं, वह अपने गंतव्य तक नहीं पहुंचती है, क्योंकि यह रास्ते में बर्बाद हो जाती है।

इससे बचने के लिए, यह मांग की जाती है कि कंडक्टरों में कम से कम संभव प्रतिरोध हो। यह तीन महत्वपूर्ण कारकों से प्रभावित होता है: तार की लंबाई, क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र, और जिस सामग्री से इसे बनाया जाता है।

सबसे अच्छे कंडक्टर धातु हैं, जिनमें सोना, चांदी, प्लेटिनम या तांबे सबसे कुशल हैं। केबलों के तार तांबे के फिलामेंट्स, एक धातु से बने होते हैं, हालांकि यह सोने के साथ-साथ आचरण नहीं करता है, यह बहुत सस्ता है।

एक तार जितना लंबा होता है, उसके पास उतना ही अधिक प्रतिरोध होगा, लेकिन उन्हें मोटा बनाने से प्रतिरोध कम हो जाता है, क्योंकि इससे चार्ज वाहक के संचलन में आसानी होती है।

एक और चीज जो किया जा सकता है वह है चालू की तीव्रता को कम करना, ताकि हीटिंग कम से कम हो। ट्रांसफॉर्मर तीव्रता को ठीक से नियंत्रित करने के लिए जिम्मेदार हैं, यही कारण है कि वे विद्युत ऊर्जा के संचरण में इतने महत्वपूर्ण हैं।

अभ्यास

अभ्यास 1

एक रेडिएटर इंगित करता है कि इसमें 2000W की शक्ति है और यह 220 V सॉकेट से जुड़ा है। निम्नलिखित की गणना करें:

a) रेडिएटर के माध्यम से बहने वाली वर्तमान की तीव्रता

b) विद्युत ऊर्जा की मात्रा जो आधे घंटे के बाद रूपांतरित हो गई है

c) यदि यह सभी ऊर्जा 20 लीटर पानी को गर्म करने में लगाई जाती है जो शुरू में 4 allC है, तो अधिकतम तापमान क्या होगा जिससे पानी को गर्म किया जा सकता है?

का हल

पावर को प्रति यूनिट समय ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया गया है। यदि शुरुआत में दिए गए समीकरण में हम कारक को दाईं ओर से गुजरते हैं, तो हमारे पास समय की प्रति इकाई ठीक ऊर्जा होगी:

हीटिंग तत्व के प्रतिरोध को ओम के नियम के माध्यम से जाना जा सकता है: वी = आईआर, जिसमें से यह निम्न है कि मैं = वी / आर। इस प्रकार:

इस प्रकार वर्तमान परिणाम:

समाधान b

इस मामले में thist = 30 मिनट = = 30 x 60 सेकंड = 1800 सेकंड। प्रतिरोध के मूल्य की भी आवश्यकता होती है, जो ओम के नियम से साफ होता है:

मूल्यों को जूल के नियम में प्रतिस्थापित किया गया है:

समाधान c

एक निश्चित तापमान पर पानी की मात्रा बढ़ाने के लिए आवश्यक गर्मी की मात्रा विशिष्ट ताप और तापमान में भिन्नता पर निर्भर करती है जिसे प्राप्त करने की आवश्यकता होती है। इसकी गणना इसके द्वारा की जाती है:

यहां मी पानी का द्रव्यमान है, सी _ई विशिष्ट गर्मी है, जो पहले से ही समस्या के लिए डेटा के रूप में लिया जाता है, और inT तापमान में भिन्नता है।

पानी का द्रव्यमान यह है कि 20 एल में घनत्व की मदद से गणना की जाती है। पानी ρ _पानी का घनत्व द्रव्यमान का आयतन का अनुपात है। इसके अलावा, आपको लीटर को क्यूबिक मीटर में बदलना होगा:

चूंकि m = घनत्व x मात्रा = ρV, द्रव्यमान है।

ध्यान दें कि 273.15 K. को गर्मी समीकरण में ऊपर से जोड़ना, डिग्री सेंटीग्रेड से केल्विन तक जाना आवश्यक है:

व्यायाम २

क) एक प्रत्यावर्ती वोल्टेज से जुड़े प्रतिरोध के लिए शक्ति और औसत शक्ति के लिए भाव खोजें।

बी) मान लीजिए कि आपके पास 1000 वी की शक्ति के साथ 120 वी सॉकेट से जुड़ा हेयर ड्रायर है, इसके माध्यम से हीटिंग तत्व और चरम वर्तमान के प्रतिरोध को ढूंढें - अधिकतम वर्तमान।

c) जब यह 240 V सॉकेट से जुड़ा होता है तो ड्रायर का क्या होता है?

का हल

नल वोल्टेज बारी-बारी से V = V _{o के रूप में होता है} । सेन ωt। क्योंकि यह समय में परिवर्तनशील है, इसलिए वोल्टेज और करंट दोनों के प्रभावी मूल्यों को परिभाषित करना बहुत महत्वपूर्ण है, जो कि सबस्क्रिप्ट "आरएमएस" द्वारा निरूपित किए जाते हैं, जो रूट माध्य वर्ग के लिए है।

वर्तमान और वोल्टेज के लिए ये मूल्य हैं:

ओम के नियम को लागू करते समय, समय के एक कार्य के रूप में वर्तमान है:

ऐसी स्थिति में, एक प्रत्यावर्ती धारा द्वारा पार की गई प्रतिरोधकता में शक्ति है:

यह देखा जाता है कि शक्ति समय के साथ भी बदलती है, और यह एक सकारात्मक मात्रा है, क्योंकि सब कुछ चुकता है और आर हमेशा होता है। 0. इस फ़ंक्शन के औसत मूल्य की गणना एक चक्र और परिणामों में एकीकरण द्वारा की जाती है:

प्रभावी वोल्टेज और करंट के संदर्भ में, शक्ति इस तरह दिखती है:

समाधान b

आपूर्ति किए गए डेटा के साथ अंतिम समीकरण लागू करना:

_मीन पी = 1000 डब्ल्यू और वी _{आरएमएस} = 120 वी

इसलिए हीटिंग तत्व के माध्यम से अधिकतम वर्तमान है:

प्रतिरोध को माध्य शक्ति के समीकरण से हल किया जा सकता है:

पी का _मतलब = वी _{आरएमएस} । मैं _rms = 240 V x 16.7 A = 4000 W

यह लगभग 4 गुना वाट क्षमता है जिसे हीटिंग तत्व के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो इस आउटलेट में प्लग किए जाने के तुरंत बाद जल जाएगा।

अनुप्रयोग

अत्यधिक चमकीले बल्ब

एक गरमागरम प्रकाश बल्ब प्रकाश और गर्मी भी पैदा करता है, जिसे हम कनेक्ट होने पर तुरंत नोटिस कर सकते हैं। तत्व जो दोनों प्रभाव पैदा करता है, एक बहुत ही पतली कंडक्टर फिलामेंट है, जिसके कारण उच्च प्रतिरोध है।

प्रतिरोध में इस वृद्धि के लिए धन्यवाद, हालांकि फिलामेंट में वर्तमान कम हो गया है, जूल प्रभाव इस हद तक केंद्रित है कि गरमागरमता होती है। 3400 emC के उच्च गलनांक के कारण टंगस्टन से बना फिलामेंट, प्रकाश का उत्सर्जन करता है और गर्मी का भी।

डिवाइस को एक पारदर्शी कांच के कंटेनर में संलग्न किया जाना चाहिए, जो एक अक्रिय गैस से भरा होता है, जैसे कि कम दबाव पर आर्गन या नाइट्रोजन के साथ, फिलामेंट की गिरावट से बचने के लिए। यदि इस तरह से नहीं किया जाता है, तो हवा में ऑक्सीजन फिलामेंट का उपभोग करता है और बल्ब तुरंत काम करना बंद कर देता है।

मैग्नेटो-थर्मल स्विच

मैग्नेट के चुंबकीय प्रभाव उच्च तापमान पर गायब हो जाते हैं। यह एक उपकरण बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है जो अत्यधिक होने पर वर्तमान के प्रवाह को बाधित करता है। यह एक मैग्नेटोथर्मिक स्विच है।

सर्किट का एक हिस्सा जिसके माध्यम से एक झरने से जुड़े चुंबक द्वारा वर्तमान प्रवाह को बंद कर दिया जाता है। चुंबक चुंबकीय आकर्षण के लिए धन्यवाद सर्किट से चिपक जाता है और तब तक रहता है, जब तक कि यह गर्म होकर कमजोर न हो जाए।

जब करंट एक निश्चित मान से अधिक हो जाता है, तो चुंबकत्व कमजोर हो जाता है और स्प्रिंग चुंबक को अलग कर देता है, जिससे सर्किट खुल जाता है। और चूंकि प्रवाह करने के लिए धारा को सर्किट को बंद करने की आवश्यकता होती है, यह खुलता है और प्रवाह का प्रवाह बाधित होता है। यह केबलों को गर्म होने से रोकता है, जिससे आग जैसी दुर्घटनाएं हो सकती हैं।

फ़्यूज़

एक सर्किट की रक्षा करने और एक समय पर ढंग से प्रवाह को बाधित करने का एक अन्य तरीका फ्यूज के माध्यम से होता है, धातु की एक पट्टी जो जूल प्रभाव से गर्म होने पर पिघल जाती है, सर्किट को खुला छोड़ देती है और वर्तमान को बाधित करती है।

चित्रा 2. एक फ्यूज एक सर्किट रक्षक तत्व है। अत्यधिक करंट से गुजरने पर धातु पिघल जाती है। स्रोत: पिक्साबे

ओमिक हीटिंग पाश्चराइजेशन

इसमें भोजन के माध्यम से विद्युत प्रवाह पारित करना शामिल है, जिसमें स्वाभाविक रूप से विद्युत प्रतिरोध होता है। इसके लिए, एंटीकोर्सिव सामग्री से बने इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है। भोजन का तापमान बढ़ जाता है और गर्मी बैक्टीरिया को नष्ट कर देती है, जिससे इसे अधिक समय तक संरक्षित रखने में मदद मिलती है।

इस पद्धति का लाभ यह है कि पारंपरिक तकनीकों द्वारा आवश्यक कम से कम समय में हीटिंग होती है। लंबे समय तक हीटिंग बैक्टीरिया को नष्ट कर देता है, लेकिन आवश्यक विटामिन और खनिजों को भी बेअसर करता है।

ओमिक हीटिंग, जो केवल कुछ सेकंड तक रहता है, भोजन की पोषण सामग्री को संरक्षित करने में मदद करता है।

प्रयोगों

अगले प्रयोग में पानी के ज्ञात द्रव्यमान द्वारा अवशोषित ऊष्मा की मात्रा को मापकर तापीय ऊर्जा में परिवर्तित विद्युत ऊर्जा की मात्रा को मापना शामिल है। ऐसा करने के लिए, एक हीटिंग कॉइल पानी में डूब जाता है, जिसके माध्यम से एक वर्तमान पारित किया जाता है।

सामग्री

- 1 पॉलीस्टीरीन कप

- मल्टीमीटर

- सेल्सियस तापमापी

- 1 समायोज्य पावर स्रोत, रेंज 0-12 वी

- संतुलन

- कनेक्शन केबल

- स्टॉपवॉच

प्रक्रिया

कॉयल जूल प्रभाव से गर्म होता है और इसलिए पानी भी। हमें पानी के द्रव्यमान और उसके शुरुआती तापमान को मापना चाहिए और यह निर्धारित करना चाहिए कि हम इसे किस तापमान पर गर्म करने जा रहे हैं।

चित्रा 3. यह निर्धारित करने के लिए कि गर्मी में कितनी विद्युत ऊर्जा का परिवर्तन होता है। स्रोत: एफ। ज़पाटा

वर्तमान और वोल्टेज मूल्यों को रिकॉर्ड करते हुए, प्रत्येक मिनट में लगातार रीडिंग ली जाती है। एक बार रिकॉर्ड उपलब्ध होने के बाद, विद्युत ऊर्जा की गणना समीकरणों का उपयोग करके की जाती है:

Q = I ².R Δt (जूल का नियम)

V = IR (ओम का नियम)

और पानी के शरीर द्वारा अवशोषित गर्मी की मात्रा के साथ तुलना करें:

क्यू = एम। सी _ई । ΔT (देखें हल किया गया व्यायाम 1)

चूंकि ऊर्जा का संरक्षण किया जाता है, दोनों मात्राएं समान होनी चाहिए। हालांकि, हालांकि पॉलीस्टाइनिन में कम विशिष्ट गर्मी होती है और लगभग कोई थर्मल ऊर्जा अवशोषित नहीं होती है, फिर भी वातावरण को कुछ नुकसान होगा। प्रयोगात्मक त्रुटि को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए।

वायुमंडल को होने वाले नुकसानों को कम किया जाता है यदि पानी को कमरे के तापमान से उतनी ही डिग्री गर्म किया जाए जितना प्रयोग शुरू करने से पहले नीचे था।

दूसरे शब्दों में, यदि पानी 10ºC था और परिवेश का तापमान 22,C था, तो आपको 32ºC तक पानी लाना होगा।

संदर्भ

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