Încălzirea unui conductor la trecerea curentului electric de conducție - efectul Joule-Lenz

Efectul Joule - Introducere

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. 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

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 =UIΔt

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.

(sursa: www.pss.ro – Efectele curentului electric)

Obiectivul lucrarii

Aceasta aplictie se refera la efectul Joule identificabil la incalzirea unei placi din cupru asociata trecerii unui curent electric de conducţie. Fenomenul este neliniar, deoarece rezistivitatea electrica si conductivitatea termica a materialului variaza cu temperatura.

Problema este de tipul „multi-fizică ”, si necesita rezolvarea simultană a două sub-probleme:

1. Conductia electrica;

2. Transferul de caldura , in care sursa de caldura este reprezentata de pierderile prin efect Joule produse de curentul electric.

Modelarea numeric este realizat în mediul de dezvoltare multi-fizică (FEM) COMSOL.

(Domeniul de calcul este o placa plana , patrata cu latura de 1m, din cupru, cu o decupare circulara in centru. Grosimea plăcii este neglijabila in raport cu celelalte dimensiuni, ceea ce permite reducerea studiului la un model 2D).

Sistemul fizic

1. Geometria

Se consideră o placă plană, patrata din cupru. Placa are latura de 1m si grosime neglijabila (in raport cu celelalte dimensiuni). In centrul placii se gaseste o decupare cu raza de 0.1 m .

2. Model fizic

3. Modelul matematic

Daca = ct. =>

4. Conditii la limita .