Das Joulesche Gesetz, auch als erstes Joulesches Gesetz bekannt, ist eines der Grundprinzipien der Physik, das das Verhalten von Elektrizität in leitfähigen Materialien regelt. Es wird oft verwendet, um das thermische Phänomen zu erklären, das auftritt, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt.
Wenn in einem elektrischen Leiter Strom zirkuliert, wird ein Teil der kinetischen Energie der Elektronen in Wärme umgewandelt, wodurch die Temperatur des Leiters steigt. Durch die Kollision der Elektronen mit den Molekülen des leitfähigen Materials, durch das sie zirkulieren, entsteht Wärme.
Definition des Jouleschen Gesetzes
Wenn ein leitfähiges Material Elektrizität transportiert, interagieren die sich bewegenden Elektronen mit den Atomen und Molekülen des Leiters und erzeugen Reibung auf mikroskopischer Ebene. Diese Reibung erzeugt Wärme, ein Phänomen, das als Widerstandserwärmung bekannt ist.
Die Größe dieser Wärme wird durch das Joulesche Gesetz bestimmt, das mathematisch durch die Gleichung ausgedrückt werden kann:
Q = I² · R · t
Wo:
- Q = Durch den Strom erzeugte Wärmeenergie. Im internationalen Maßsystem wird sie in Joule (J) ausgedrückt.
- I = Intensität des zirkulierenden Stroms, ausgedrückt in Ampere (A)
- R = Elektrischer Widerstand des Leiters, ausgedrückt in Ohm (Ω).
- t = Zeit, in Sekunden (s)
Der Joule-Effekt
Die von einem elektrischen Strom erzeugte Wärmeenergiemenge ist direkt proportional zum Quadrat der Stromstärke, wenn er durch den Leiter fließt, und zum Widerstand, den dieser Leiter dem Stromdurchgang entgegensetzt.
Beispiele für das Joulesche Gesetz
Dieses Gesetz hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in unserem täglichen Leben und in der modernen Technologie. Im Folgenden werde ich einige der bemerkenswertesten Beispiele erwähnen:
- Glühlampen: Glühlampen sind ein klassisches Beispiel für die Anwendung des Jouleschen Gesetzes. Dabei wird ein dünner Wolframfaden auf extreme Temperaturen erhitzt, wenn Strom durch ihn fließt, und emittiert sichtbares Licht.
- Geräte, die Wärme erzeugen: Viele Geräte basieren auf dem Joule-Effekt, um zu funktionieren: Elektroöfen, Toaster, Elektroheizungen ... In all diesen Fällen besteht das Ziel darin, Wärmeenergie zu erzeugen, indem Strom durch ihre Leiter geleitet wird.
- Der Wirkungsgrad von Elektromotoren: Bei Geräten wie Elektromotoren und Transformatoren kann die Widerstandserwärmung den Wirkungsgrad beeinträchtigen.
- Induktionsbremsen: Züge und Achterbahnen verwenden Induktionsbremsen, die auf dem Jouleschen Gesetz basieren. Wenn ein Magnet in der Nähe eines Leiters vorbeiläuft, wird ein elektrischer Strom erzeugt, der aufgrund des Widerstands des Materials als Wärme abgegeben wird und so dazu beiträgt, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu verringern.
- Widerstandsschweißen: In der Industrie ist Widerstandsschweißen eine Technik, die den Joule-Effekt nutzt, um metallische Materialien zu schmelzen und zu verbinden. Durch die Kontaktpunkte wird ein elektrischer Strom geleitet, der ausreichend Wärme erzeugt, um die Teile zu verschweißen.
- Eisschmelzanlagen: In Städten werden Heizkabel auf Straßen und Dächern eingesetzt, um im Winter Eis zu schmelzen. Diese Kabel wandeln Elektrizität durch den Joule-Effekt in Wärme um, was die Sicherheit erhöht und den Wartungsaufwand reduziert.
Ursprünge und Geschichte des Rechts
Die Entdeckung dieses Prinzips wird dem englischen Physiker James Prescott Joule zugeschrieben, der einen Großteil seines Lebens der Erforschung der Wechselwirkungen zwischen Elektrizität, Magnetismus und Wärme widmete.
Im Jahr 1841 zeigte Joule experimentell, dass die von einem Leiter beim Durchgang eines elektrischen Stroms erzeugte Wärme proportional zum Quadrat der Stromstärke, dem Widerstand des Leiters und der Zeit, während der der Strom fließt, ist.
Erwähnenswert ist jedoch auch der Physiker Heinrich Lenz, der eigenständig ein ähnliches Prinzip formulierte. Aus diesem Grund wird es in manchen Texten auch als Joule-Lenz-Gesetz bezeichnet.
Nachteil des Joule-Effekts
Der Hauptnachteil des Joule-Effekts ist der Verlust von Energie, die in Wärme umgewandelt wird, und die Überhitzung elektrischer Systeme.
In den allermeisten Anwendungen ist der Joule-Effekt unerwünscht. Aus diesem Grund benötigen einige elektrische und elektronische Geräte Kühlkörper, um eine übermäßige Erwärmung der verschiedenen Komponenten und/oder Geräte zu verhindern.
Ein Teil der zugeführten elektrischen Leistung wird in thermische Energie umgewandelt, die als Wärme abgegeben wird. Die erzeugte Wärme ist verlorene Energie und führt daher zu einer Verringerung des Wirkungsgrades.
Joule-Effekt und der Wirkungsgrad einer Solar-Photovoltaikanlage
Der Joule-Effekt kann einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz einer Photovoltaikanlage haben, insbesondere in der Übertragungs- und Speicherphase der erzeugten Energie.
Wenn Sonnenkollektoren Sonnenlicht in Strom umwandeln, muss der erzeugte Strom über Kabel transportiert und in Batterien gespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden. Während dieses Prozesses kommt es aufgrund der Widerstandserwärmung zu einem Energieverlust, der durch das Joulesche Gesetz beschrieben wird.
Verluste in Verbindungskabeln
In einer Photovoltaikanlage fließt der von den Solarmodulen erzeugte Strom durch Kabel, die die verschiedenen Komponenten wie den Wechselrichter und die Batterien verbinden. Wenn die Kabel einen erheblichen Widerstand aufweisen, wird ein Teil der Energie als Wärme abgegeben, wodurch die zur Nutzung verfügbare Strommenge verringert wird.
Speicherung in Batterien
Bei der Speicherung des erzeugten Stroms in Batterien entstehen ebenfalls Verluste durch interne Widerstandserwärmung der Zellen.
Dies kann die Lade- und Entladeeffizienz der Batterien beeinträchtigen und die Menge an verfügbarer Nutzenergie verringern.
Warum wird Strom über Hochspannungsleitungen übertragen?
Freileitungen übertragen elektrische Energie vom Stromerzeuger zum Verbraucher. Diese Stromleitungen haben einen Widerstand ungleich Null und unterliegen daher dem Joule-Effekt, der Übertragungsverluste verursacht.
Um Übertragungsverluste zu minimieren, gibt es zwei Lösungen:
-
Leiterwiderstand minimieren. Durch den Einsatz von Kupferleitern wird der Leitungswiderstand minimiert.
-
Erhöhen Sie die Spannung, um den Strom gemäß dem Ohmschen Gesetz zu verringern. Durch die Verringerung der Intensität nimmt die Menge der durch den Leiter zirkulierenden Elektronen ab und somit werden Kollisionen mit dem Leiter verringert.