Nicolás Rivera - 24 mai 2015 - 21:31 (CET)

care

Căldura și curenții electrici merg întotdeauna mână în mână. La bine și la rău.

Cu siguranță, în mai multe ocazii ați auzit cuvântul iulie - și fără referire la luna calendarului - sau, dimpotrivă, cuvântul Joule (cuvântul iulie în engleză). Aceasta vine, în domeniul științei, de la fizicianul englez James Prescott Joule (1818-1889), care a efectuat diverse studii legate de mișcările particulelor subatomice, curenții electrici și generarea de energie.

Acest fizician a fost tatăl lui „Efect Joule” sau „legea Joule”, unul dintre pilonii care permit dezvoltarea și funcționarea multor dintre produsele care ne înconjoară astăzi. Dar care este efectul Joule? Care este semnificația studiilor efectuate de acest fizician englez?

Înțelegerea energiei și căldurii

Pentru a înțelege efectul Joule, trebuie să clarificăm pe scurt conceptul de căldură. Căldură Este cunoscut ca eliberarea de energie de către un sistem ca cauză a mișcării, la scară microscopică, a particulelor care o compun.

De exemplu: dacă încălzim o oală cu apă, ceea ce se produce de fapt este o creștere a energiei sistemului, ceva care, la nivel molecular, este tradus ca o mișcare mai mare a particulelor care alcătuiesc sistemul menționat. Această energie „absorbită”, ulterior, este eliberată înapoi în exterior sub formă de căldură, cu condiția ca mediul care înconjoară sistemul respectiv să aibă niveluri mai mici de energie (în acest caz, deoarece aerul care înconjoară oala este de obicei la o temperatură mai scăzută).

De ce această energie este eliberată în loc să fie conservată? Toate sistemele tind, prin natura lor, să caute o situație de odihnă sau calm - înțelegem odihna sau calmul ca fiind situația în care mișcarea particulelor sale este cel mai puțin posibilă. Prin urmare, când această stare de calm relativ este perturbată, sistemele schimbă energia cu cei din jur să încerce să se apropie cât mai mult de starea respectivă. În cazul oalei, căldura este emisă spre exterior pentru a încerca să „se răcească” și să-i reducă nivelul de energie. Acel schimb de energie este ceea ce numim căldură.

Care este efectul Joule și de ce apare?

Efectul Joule, din vedere de pasăre, este eliberarea de căldură cauzată de mișcarea electronilor –Cunoscut și sub numele de curent electric– de un material. Acest efect se reflectă în formula Q = P xt, unde „Q” este energia sau căldura degajată (reprezentată și de litera E și măsurată în Jouli sau Calorii), „P” este puterea consumată (măsurată în wați) și „T” Timpul scurs (măsurat în secunde).

Pentru a înțelege efectul Joule, trebuie să înțelegem originea curenților electrici. Pentru a face acest lucru, să ne imaginăm un circuit simplu cu o baterie de 6 volți (cu un pol pozitiv și unul negativ) și o rezistență de aproximativ 3 ohmi.

La conectarea bateriei la circuit, electronii depozitați în baterie vor începe să parcurgă circuitul de la polul pozitiv la negativ, traversând firele și rezistența conectată la acesta.

Acești electroni se mișcă din cauza unei diferențe de potențial - care, în acest caz, este de 6 volți. Pentru a înțelege acest concept, să ne imaginăm o scară. Polul pozitiv este zona superioară a scării. Polul negativ, zona inferioară. Din zona superioară, rulăm câteva bile. Acestea, inevitabil, vor începe să coboare în jos din cauza forței gravitaționale. Ceva similar se întâmplă cu electronii. Această mișcare a electronilor de la polul pozitiv (potențial mai mare) la polul negativ (potențial mai mic) este ceea ce cunoaștem sub numele de curent electric.

Pe măsură ce acei electroni se mișcă, acestea au impact cu alți atomi și particule subatomice (cele care alcătuiesc cablurile, rezistențele etc.) și, prin urmare, le determină să se deplaseze într-o măsură mai mare sau mai mică. Prin creșterea mișcării sale, își mărește energia și, prin urmare, eliberarea de căldură către exterior. Această eliberare inevitabilă - ar fi evitată numai dacă materialele conductoare ar fi 100% perfecte, ceea ce este imposibil de realizat - de energie sub formă de căldură este cunoscută sub numele de efect Joule.

Efectul Joule și cantitatea de căldură degajată depind de mai multe variabile:

Intensitatea curentului. Sau numărul de electroni care trec pe unitate de timp. Pentru a înțelege acest concept, să ne imaginăm o conductă de apă. Cu cât diametrul conductei de apă este mai mare, cu atât poate trece mai mult debit într-o unitate de timp. Intensitatea curentului este similară. Cu cât rezistența este mai mică și diferența de potențial este mai mare, cu atât este mai mare numărul de electroni în mișcare într-o unitate de timp.

Rezistenta. Este opoziția pe care o prezintă un element la trecerea electronilor prin el. În mod normal, înțelegem rezistența la un anumit element (care poate fi un bec sau orice altul), dar rezistența este prezentă și în cabluri, de exemplu. Și este faptul că tot materialul prin care trece curentul electric prezintă opoziție față de trecerea electronilor. Dacă nu l-au prezentat, cea mai bună performanță posibilă ar fi obținută de la toate sistemele și căldura generată ar fi neglijabilă. Pentru a putea înțelege mai bine acest concept: rezistența, l-am putea înțelege ca numărul de obstacole pe care un atlet ar trebui să le depășească într-un curs de obstacole de 200 de metri. Cu cât rezistența este mai mare, cu atât este mai mare numărul de obstacole din calea electronilor.

Diferența de potențial sau tensiune. Revenind la analogie, am putea înțelege diferența de potențial ca diferența de înălțime dintre vârful unei scări și partea de jos. În acest exemplu, gravitația atrage corpuri din zona superioară. În cazul curentului electric, atomii sunt cei care atrag electronii de la polul pozitiv la cel negativ, generând acea mișcare.

Timp. Cu cât timpul este mai lung, crește cantitatea de căldură generată. Prin urmare, influențează și el.

Putere. În mod normal, influența rezistenței, intensității și diferenței de potențial a unui circuit este reunită într-o cantitate cunoscută sub numele de putere (care este cea care apare în formula anterioară).

Efectul Joule, ceva dorit și disprețuit

A priori, efectul Joule poate părea total neglijabil, deoarece împiedică obținerea cantității maxime de energie dintr-un curent electric care alimentează un sistem. De exemplu, în procesoare este ceva ce încercăm întotdeauna să evităm, deoarece este vorba de a profita de cea mai mare cantitate de energie electrică pentru a crește performanța computerului, tabletei sau smartphone-ului la care este conectat.

Efectul Joule este un efect lăudat și, în același timp, disprețuit, dar și efectul Joule este foarte dorit și esențial pentru multe produse actuale. Produse precum sobe, încălzitoare, termos, uscătoare sau chiar sticlă-ceramică. Și acest efect permite transformarea energiei electrice în căldură, lucru care a fost exploatat pe scară largă de ingineri în secolul trecut pentru crearea de produse nesfârșite.

În cazul uscătoarelor, de exemplu, găsim o serie de rezistențe care se încălzesc odată cu trecerea curentului electric, încălzind astfel aerul pe care îl expulzează spre exterior. Jocul este să încerci să obții cea mai mare eficiență energetică (cu cea mai mică cantitate de electricitate posibilă, încălzește aerul la aceeași temperatură).

Astfel, efectul Joule este, ca orice lucru din viață, ceva foarte relativ. În funcție de mediul înconjurător și de situația în care ne aflăm, ne va interesa sau nu aspectul acestuia. Dar cu asta va trebui să ne ocupăm atât timp cât energia electrică este una dintre bazele societății noastre.