Der Joule-Effekt, auch Joulesches Gesetz genannt, ist die thermische Manifestation des elektrischen Widerstands.
Wenn in einem elektrischen Leiter Strom zirkuliert, wird ein Teil der kinetischen Energie der Elektronen in Wärme umgewandelt, wodurch sich die Temperatur des Leiters erhöht.
Die Wärme entsteht durch die Kollision der Elektronen mit den Molekülen des leitfähigen Materials, durch das sie zirkulieren.
Das Joulesche Gesetz ist nach dem englischen Physiker James Prescott Joule benannt .
Joules erstes Gesetz wird manchmal auch als Joule-Lenz-Gesetz bezeichnet, da es später von Heinrich Lenz für unabhängig befunden wurde.
Wie ist der Joule-Effekt definiert?
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.
Wie lautet die Formel für den Joule-Effekt?
Aus der vorherigen Definition lässt sich die Formel des Jouleschen Gesetzes mathematisch wie folgt ausdrücken:
Q = I 2 R t
wo:
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Q = vom Strom erzeugte Wärmeenergie. Im internationalen Maßsystem wird es in Joule (J) ausgedrückt.
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I = Intensität des Kreisstroms ausgedrückt in Ampere (A)
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R = Elektrischer Widerstand des Leiters, ausgedrückt in Ohm.
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t = Zeit, in Sekunden (s)
Beispiele für das Joulesche Gesetz
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Glühbirnen: Der Glühfaden ist ein Widerstand, der sich bei Stromdurchgang erwärmt, bis er glüht. Wie zu sehen ist, ist die von der Glühbirne abgegebene Wärmemenge proportional zum Widerstand des Glühfadens.
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Haushaltsgeräte, die Wärme erzeugen: Viele Haushaltsgeräte arbeiten mit dem Joule-Effekt: Elektroöfen, Toaster, Elektroheizungen ... In all diesen Fällen soll durch den Durchgang von Strom durch seine Leiter Wärmeenergie erzeugt werden. Diese Wärme, die sie abgeben, ist auf den Joule-Effekt zurückzuführen.
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Der Wirkungsgrad von Elektromotoren hängt vom Jouleschen Gesetz ab.
Was ist die Kehrseite des Joule-Effekts?
Der Hauptnachteil des Joule-Effekts ist der Energieverlust, der in Wärme umgewandelt wird, und die Überhitzung elektrischer Systeme.
Bei 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 vermeiden.
Ein Teil der zugeführten elektrischen Leistung wird in Wärmeenergie umgewandelt, die als Wärme abgeführt wird. Daher ist die erzeugte Wärme verschwendete Energie und daher eine Verringerung der Effizienz.
Warum wird Strom über Hochspannungsleitungen übertragen?
Freileitungen übertragen elektrische Energie vom Stromerzeuger zu den Verbrauchern. Diese Stromleitungen haben einen Widerstand ungleich Null und unterliegen daher dem Joule-Effekt, der Übertragungsverluste verursacht.
Um Übertragungsverluste zu minimieren, gibt es zwei Lösungen:
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Minimieren Sie den Widerstand der Leiter. Durch die Verwendung von Kupferleitern wird der Leitungswiderstand minimiert.
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Erhöhen Sie die Spannung, um die Stromstärke gemäß dem Ohmschen Gesetz zu verringern. Eine Verringerung der Intensität verringert die Menge an Elektronen, die durch den Leiter zirkulieren, und daher werden die Kollisionen mit dem Leiter verringert.