Încălzirea unui conductor la trecerea curentului electric de conducție - Efectul Joule-Lentz

EFECTUL JOULE – LENTZ. LEGEA LUI JOULE:

Legea lui Joule, cunoscuta si sub denumirea de Efectul Joule, este o lege a fizicii care exprima relatia 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. Concret, efectul Joule consta in cresterea

temperaturii unui conductor ca un rezultat al rezistentei in urma parcurgerii acestuia de un curent electric.

Care este cauza unui astfel de 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.

Asa cum cunoasteti, 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. Pentru

intretinerea miscarii ordonate a acestora, se consuma energie. Lucrul 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 =UIDt

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.

Efectul termic (denumit si efect Joule-Lenz) 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.

Aplicatii industriale

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 căldura) este realizat din

nicrom, feronicrom, fecral, kanthal, cromal a.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. 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.

In conditiile existentei vaporilor metalici si a contactelor puternic incalzite, aerul dintre contacte se ionizeaza si ia

nastere o plasma fierbinte cu temperaturi de cca. 6.000–7.000 K. Sub actiunea diferentei de potential dintre contacte

plasma se deplaseaza, formand arcul electric; deci curentul electric continua sa existe si dupa intreruperea mecanica a

circuitului. Din procesele de recombinare ale purtatorilor de sarcina, arcul electric elibereaza energie sub forma de

radiatii luminoase intense. La sudarea metalelor, arcul electric se formeaza intre un electrod si piesa de sudat; taierea

metalelor se realizeaza prin topire locala cu arc electric, iar la intreruperea circuitelor electrice arcul este stins prin

metode si dispozitive speciale care favorizeaza procesele de deionizare in coloana de arc. La intrerupatorul cu

parghie, pentru a se evita topirea sau distrugerea partiala prin arc electric a pieselor de contact, intre acestea se

monteaza in paralel un condensator. Condensatorul se incarca si preia energia eliberata de câmpul magnetic prin