EFEK JOULE: PENJELASAN, CONTOH, LATIHAN, APLIKASI - FISIK - 2025

The efek Joule atau Joule hukum adalah hasil dari transformasi energi listrik menjadi panas, yang terjadi ketika arus listrik melewati konduktor. Efek ini muncul setiap kali alat atau perangkat yang membutuhkan listrik untuk berfungsi dihidupkan.

Di lain waktu itu tidak diinginkan dan diupayakan untuk meminimalkannya, itulah sebabnya kipas ditambahkan ke PC desktop untuk menghilangkan panas, karena dapat menyebabkan kegagalan komponen internal.

Perangkat yang menggunakan efek Joule untuk menghasilkan panas, memiliki resistansi di dalam yang memanas saat arus melewatinya, yang disebut elemen pemanas.

Penjelasan

Efek Joule berasal dari skala mikroskopis dalam partikel, baik yang menyusun suatu material maupun yang membawa muatan listrik.

Atom dan molekul dalam suatu zat berada pada posisi paling stabilnya di dalam zat tersebut. Pada bagiannya, arus listrik terdiri dari pergerakan muatan listrik yang teratur, yang berasal dari kutub positif aki. Ketika mereka keluar dari sana, mereka memiliki banyak energi potensial.

Saat mereka lewat, partikel bermuatan berdampak pada material dan menyebabkannya bergetar. Ini akan mencoba mendapatkan kembali keseimbangan yang mereka miliki sebelumnya, mengirimkan energi berlebih ke lingkungan mereka dalam bentuk panas yang terlihat.

Jumlah panas yang dilepaskan Q tergantung pada intensitas arus I, waktu yang bersirkulasi di dalam konduktor Δt dan elemen resistif R:

Persamaan di atas disebut hukum Joule-Lenz.

Contoh

Dua fisikawan Inggris James Joule (1818-1889) dan Rusia Heinrich Lenz (1804-1865) secara independen mengamati bahwa kawat pembawa arus tidak hanya menjadi panas, tetapi arusnya berkurang selama proses tersebut.

Kemudian ditetapkan bahwa jumlah panas yang dihamburkan oleh resistansi sebanding dengan:

- Kuadrat intensitas arus sirkulasi.

- Waktu yang mengatakan arus tetap mengalir melalui konduktor.

- Resistensi konduktor tersebut.

Satuan kalor adalah satuan energi yang sama: joule, disingkat J. Joule adalah satuan energi yang cukup kecil, jadi sering digunakan energi lain, seperti kalori, misalnya.

Untuk mengubah joule menjadi kalori, kalikan saja dengan faktor 0,24, sehingga persamaan yang diberikan di awal langsung dinyatakan dalam kalori:

Efek joule dan transportasi energi listrik

Efek Joule diperbolehkan untuk menghasilkan panas lokal, seperti pembakar dan pengering rambut. Tetapi dalam kasus lain, ini memiliki efek yang tidak diinginkan, seperti:

- Pemanasan yang sangat tinggi pada konduktor bisa berbahaya, menyebabkan kebakaran dan luka bakar.

- Perangkat elektronik dengan transistor menurunkan kinerjanya dan dapat gagal meskipun terlalu panas.

- Kabel yang membawa energi listrik selalu mengalami pemanasan, bahkan sedikit, yang menyebabkan hilangnya energi yang cukup besar.

Pasalnya, kabel yang mengalirkan arus dari pembangkit listrik menempuh jarak ratusan kilometer. Begitu banyak energi yang mereka bawa tidak sampai ke tujuannya, karena terbuang percuma dalam perjalanan.

Untuk menghindari hal ini, konduktor diupayakan memiliki hambatan sekecil mungkin. Ini dipengaruhi oleh tiga faktor penting: panjang kawat, luas penampang, dan bahan pembuatannya.

Konduktor terbaik adalah logam, dengan emas, perak, platina atau tembaga menjadi beberapa yang paling efisien. Kawat kabel terbuat dari filamen tembaga, logam yang, meskipun tidak terkonduksi sebaik emas, namun jauh lebih murah.

Semakin panjang sebuah kabel, semakin besar resistansi yang dimilikinya, tetapi dengan membuatnya lebih tebal, resistansinya berkurang, karena ini memfasilitasi pergerakan pembawa muatan.

Hal lain yang dapat dilakukan adalah dengan menurunkan intensitas arus, sehingga pemanasan dapat diminimalkan. Transformator bertanggung jawab untuk mengontrol intensitas dengan benar, itulah mengapa mereka sangat penting dalam transmisi energi listrik.

Latihan

Latihan 1

Radiator menunjukkan bahwa ia memiliki daya 2000W dan terhubung ke soket 220 V. Hitung yang berikut:

a) Intensitas arus yang mengalir melalui radiator

b) Jumlah energi listrik yang telah diubah setelah setengah jam

c) Jika semua energi ini diinvestasikan untuk memanaskan 20 liter air yang awalnya bersuhu 4 ºC, berapakah suhu maksimum untuk memanaskan air?

Solusi untuk

Daya didefinisikan sebagai energi per satuan waktu. Jika dalam persamaan yang diberikan di awal kita melewatkan faktor Δt ke kanan, kita akan mendapatkan energi yang tepat per unit waktu:

Hambatan elemen pemanas dapat diketahui melalui hukum Ohm: V = IR, yang mana I = V / R. Jadi:

Jadi hasil saat ini:

Solusi b

Dalam hal ini Δt = 30 menit = = 30 x 60 detik = 1800 detik. Nilai resistansi juga diperlukan, yang dihapus dari hukum Ohm:

Nilai-nilai tersebut diganti dalam hukum Joule:

Solusi c

Jumlah panas Q yang diperlukan untuk menaikkan sejumlah air ke suhu tertentu bergantung pada panas jenis dan variasi suhu yang perlu diperoleh. Ini dihitung dengan:

Di sini m adalah massa air, C _e adalah kalor jenis, yang telah diambil sebagai data untuk soal, dan ΔT adalah variasi suhu.

Massa air adalah dalam 20 L. Ini dihitung dengan bantuan massa jenis. Massa jenis air ρ _air adalah perbandingan massa terhadap volume. Selanjutnya, Anda harus mengubah liter menjadi meter kubik:

Karena m = massa jenis x volume = ρV, maka massanya adalah.

Perhatikan bahwa kita harus beralih dari derajat celcius ke kelvin, menambahkan 273,15 K.Mengganti persamaan di atas dalam persamaan kalor:

Latihan 2

a) Temukan ekspresi untuk daya dan daya rata-rata untuk resistansi yang terhubung ke tegangan bolak-balik.

b) Misalkan Anda memiliki pengering rambut dengan daya 1000W yang terhubung ke soket 120 V, temukan resistansi elemen pemanas dan arus puncak - arus maksimum - yang melaluinya.

c) Apa yang terjadi pada pengering jika dihubungkan ke soket 240 V?

Solusi untuk

Tegangan keran bolak-balik, dalam bentuk V = V _o . sen ωt. Karena waktu bervariasi, sangat penting untuk menentukan nilai efektif tegangan dan arus, yang dilambangkan dengan subskrip "rms", yang berarti root mean square.

Nilai arus dan tegangan ini adalah:

Saat menerapkan hukum Ohm, arus sebagai fungsi waktu adalah sebagai:

Dalam kasus seperti itu, daya dalam resistor yang dilintasi arus bolak-balik adalah:

Terlihat bahwa daya juga bervariasi dengan waktu, dan itu adalah besaran positif, karena semuanya kuadrat dan R selalu> 0. Nilai rata-rata fungsi ini dihitung dengan integrasi dalam siklus dan hasil:

Dalam hal tegangan dan arus efektif, daya terlihat seperti ini:

Solusi b

Menerapkan persamaan terakhir dengan data yang disediakan:

_Berarti P = 1000 W dan V _rms = 120 V.

Oleh karena itu arus maksimum yang melalui elemen pemanas adalah:

Resistensi dapat diselesaikan dari persamaan kekuatan rata-rata:

P _mean = V _rms . Saya _rms = 240 V x 16,7 A ≈ 4000 W.

Ini kira-kira 4 kali watt elemen pemanas dirancang, yang akan terbakar segera setelah dicolokkan ke stopkontak ini.

Aplikasi

Lampu pijar

Sebuah bola lampu pijar menghasilkan cahaya dan juga panas, yang dapat kita lihat langsung saat kita menghubungkannya. Elemen yang menghasilkan kedua efek tersebut adalah filamen konduktor yang sangat tipis, yang karenanya memiliki ketahanan yang tinggi.

Berkat peningkatan resistansi ini, meskipun arus pada filamen berkurang, efek Joule terkonsentrasi sedemikian rupa sehingga terjadi pijar. Filamen, terbuat dari tungsten karena titik lelehnya yang tinggi yaitu 3400 ºC, memancarkan cahaya dan juga panas.

Perangkat harus ditutup dengan wadah kaca transparan, yang diisi dengan gas inert, seperti argon atau nitrogen pada tekanan rendah, untuk menghindari kerusakan filamen. Jika tidak dilakukan dengan cara ini, oksigen di udara mengkonsumsi filamen dan bohlam berhenti bekerja seketika.

Sakelar magneto-termal

Efek magnetis magnet menghilang pada suhu tinggi. Ini dapat digunakan untuk membuat perangkat yang mengganggu aliran arus, bila berlebihan. Ini adalah sakelar magnetotermik.

Bagian dari rangkaian tempat arus mengalir ditutup oleh magnet yang dipasang pada pegas. Magnet menempel pada sirkuit berkat tarikan magnet dan tetap demikian, selama tidak dilemahkan oleh pemanasan.

Ketika arus melebihi nilai tertentu, magnet melemah dan pegas melepaskan magnet, menyebabkan rangkaian terbuka. Dan karena arus membutuhkan rangkaian untuk ditutup agar dapat mengalir, ia membuka dan aliran arus terputus. Ini mencegah kabel memanas, yang bisa menyebabkan kecelakaan seperti kebakaran.

Sekering

Cara lain untuk melindungi rangkaian dan memutus aliran arus secara tepat waktu adalah dengan menggunakan sekering, sebongkah logam yang ketika dipanaskan oleh efek Joule, meleleh, membiarkan rangkaian terbuka dan mengganggu arus.

Gambar 2. Sekring adalah elemen pelindung sirkuit. Logam meleleh saat dilewatkan oleh arus berlebih. Sumber: Pixabay.

Pasteurisasi pemanasan ohmik

Ini terdiri dari melewatkan arus listrik melalui makanan, yang secara alami memiliki hambatan listrik. Untuk ini, elektroda yang terbuat dari bahan anti korosi digunakan. Suhu makanan meningkat dan panasnya menghancurkan bakteri, membantu mengawetkannya lebih lama.

Keuntungan dari metode ini adalah bahwa pemanasan terjadi dalam waktu yang jauh lebih singkat daripada yang dibutuhkan oleh teknik konvensional. Pemanasan dalam waktu lama menghancurkan bakteri tetapi juga menetralkan vitamin dan mineral penting.

Pemanasan ohmik, yang berlangsung hanya beberapa detik, membantu menjaga kandungan nutrisi makanan.

Eksperimen

Percobaan berikutnya terdiri dari mengukur jumlah energi listrik yang diubah menjadi energi termal dengan mengukur jumlah panas yang diserap oleh massa air yang diketahui. Untuk melakukan ini, koil pemanas direndam dalam air, yang dilalui arus.

bahan

- 1 cangkir polistiren

- Multimeter

- Termometer Celcius

- 1 sumber daya yang dapat disesuaikan, kisaran 0-12 V.

- Keseimbangan

- Kabel koneksi

- Stopwatch

Proses

Koil memanas karena efek joule dan oleh karena itu juga air. Kita harus mengukur massa air dan suhu awalnya, dan menentukan pada suhu berapa kita akan memanaskannya.

Gambar 3. Percobaan untuk menentukan seberapa besar energi listrik yang diubah menjadi panas. Sumber: F. Zapata.

Pembacaan berturut-turut dilakukan setiap menit, mencatat nilai arus dan tegangan. Setelah catatan tersedia, energi listrik yang disuplai dihitung menggunakan persamaan:

Q = I ² .R. Δt (Hukum Joule)

V = IR (Hukum Ohm)

Dan bandingkan dengan jumlah panas yang diserap oleh tubuh air:

Q = m. C _e . ΔT (lihat latihan terselesaikan 1)

Karena energi kekal, kedua besaran harus sama. Namun, meskipun polistiren memiliki panas jenis yang rendah dan hampir tidak menyerap energi panas, masih ada beberapa kehilangan ke atmosfer. Kesalahan eksperimental juga harus diperhitungkan.

Kehilangan ke atmosfir diminimalkan jika air dipanaskan dengan derajat yang sama di atas suhu kamar seperti di bawah sebelum memulai percobaan.

Dengan kata lain, jika suhu air 10ºC dan suhu lingkungan sekitar 22ºC, maka air harus dinaikkan sampai 32ºC.

Referensi

1. Kramer, C. 1994. Praktik Fisika. McGraw Hill. 197.
2. Saringan. Efek joule. Diperoleh dari: eltamiz.com.
3. Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 5. Elektrostatika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
4. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. 6 ^th . Ed Prentice Hall.
5. Hypertekstual. Apa itu efek Joule dan mengapa itu menjadi sesuatu yang transendental dalam hidup kita. Diperoleh dari: hypertextual.com
6. Wikipedia. Efek joule. Diperoleh dari: es.wikipedia.org.
7. Wikipedia. Pemanasan joule. Diperoleh dari: en. wikipedia.org.