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Efeito Joule

Efeito Joule

O efeito Joule, também chamado de lei de Joule, é a manifestação térmica da resistência elétrica. Se a eletricidade circula em um condutor elétrico, uma parte da energia cinética dos elétrons é transformada em calor devido ao choque que os elétrons experimentam com as moléculas do condutor através das quais circulam, o que aumenta a temperatura do condutor. É nomeado em homenagem ao físico inglês James Prescott Joule.

Definição do efeito Joule:

A quantidade de energia térmica produzida por uma corrente elétrica é diretamente proporcional ao quadrado da intensidade da corrente quando esta flui através do condutor e à resistência que este condutor se opõe à passagem da corrente.

Esta definição pode ser expressa matematicamente da seguinte forma:

Q = I2 x R x t

onde:

Q = Energia térmica produzida pela corrente
I = Intensidade da corrente circulante
R = Resistência elétrica do condutor
t = Tempo

O funcionamento das lâmpadas é baseado no efeito Joule: o filamento é uma resistência que com a passagem da corrente se aquece para se tornar incandescente.

Na fórmula expressa da definição do efeito Joule, as magnitudes devem ser expressas no mesmo sistema de unidades. Assim, se expressarmos a intensidade em amperes (A), a resistência em ohms e o tempo em segundos, obtemos o calor produzido em joules (J).

Muitos aparelhos são baseados no efeito Joule para funcionar: fornos elétricos, torradeiras, aquecedores elétricos ... Em todos esses casos, pretende-se gerar energia térmica com a eletricidade passando por seus condutores. Esse calor que eles emitem é devido ao efeito Joule.

Na grande maioria das aplicações, no entanto, é um efeito indesejado e a razão pela qual dispositivos elétricos e eletrônicos precisam de dissipadores de calor, além de um ou mais ventiladores que afugentam o calor gerado e, assim, evitam o aquecimento excessivo dos diferentes componentes e / ou dispositivos. Nestes casos, o calor é perdido energia e, portanto, uma diminuição na eficiência.

Relação entre o efeito Joule e a termodinâmica

O efeito Joule tem uma conexão especial com a segunda lei da termodinâmica. A segunda lei da termodinâmica afirma que "a quantidade de entropia do universo tende a aumentar ao longo do tempo."

O segundo princípio da termodinâmica estabelece então a irreversibilidade dos fenômenos físicos, especialmente durante a troca de calor.

A lei de Joule na formulação mais geral envolve a transformação da energia elétrica em outras formas de energia nas quais a energia térmica desenvolvida é apenas um efeito indesejado e, na medida em que pode ser negligenciada, alguns exemplos de transformações de energia. energia regulada pela lei de Joule: energia mecânica (motores elétricos), luz (lâmpada de descarga, LED), ondas eletromagnéticas (antenas, lasers), química (eletroquímica) ...

Nessa formulação mais geral da lei de Joule, do ponto de vista do princípio, o produto da tensão de corrente transforma a energia elétrica em outras formas de energia, em princípio, de forma reversível, sem as limitações impostas pela termodinâmica.

Por exemplo, em motores elétricos, onde a energia elétrica é transformada em energia mecânica, uma eficiência pode ser definida como a relação entre energia elétrica (lei Joule I V) e potência mecânica, mesmo que atualmente sejam os motores elétricos mais eficientes. eles não excedem 50% de eficiência devido à resistência elétrica do cobre, o melhor condutor existente, a possibilidade de maior eficiência foi demonstrada com motores com enrolamentos supercondutores. Portanto, é possível conceber uma transformação reversível na qual toda energia elétrica é transformada em energia mecânica.

No caso de antenas, a eficiência da antena é definida como a razão entre a potência irradiada e a fonte de alimentação média alternada e, nesse caso, eficiências superiores a 90% são obtidas.

No que diz respeito à luz, a eficiência luminosa está ligada à relação entre a potência dissipada pelo efeito de Joule e útil para a energia da luz percebida pelo olho humano. Neste caso, enquanto as lâmpadas incandescentes comuns têm uma eficiência típica de 2%, uma lâmpada de descarga pode ter uma eficiência luminosa de 29%. Se pudéssemos encontrar uma forma eficiente de transformar energia elétrica em luz verde (para o qual a percepção humana é máxima) mecanismo, a eficiência luminosa seria de 100%.

Portanto, as limitações da segunda lei da termodinâmica não se aplicam à lei de Joule se forem interpretadas de maneira não-reducionista.

Transmissão de corrente alternada de alta tensão para eletricidade

As linhas aéreas de energia transferem eletricidade dos produtores de eletricidade para os consumidores. Essas linhas de energia têm uma resistência diferente de zero e, portanto, estão sujeitas ao efeito Joule ou aquecimento Joule, o que causa perdas na transmissão.

A divisão da potência entre as perdas de transmissão (aquecimento por efeito Joule nas linhas de transmissão) e a carga (energia útil fornecida ao consumidor) pode ser aproximada por um divisor de tensão. Para minimizar as perdas de transmissão, a resistência das linhas deve ser tão pequena quanto possível em comparação com a carga (resistência de aparelhos de consumo). A resistência da linha é minimizada pelo uso de condutores de cobre, mas as especificações da resistência e da fonte de alimentação dos dispositivos do consumidor são fixas.

Normalmente, um transformador é colocado entre as linhas e o consumo. Quando uma corrente elétrica de alta voltagem e baixa corrente no circuito primário (antes do transformador) se torna uma corrente de baixa voltagem e alta intensidade no circuito secundário (após o transformador), a resistência equivalente do circuito secundário aumenta e as perdas de transmissão são reduzidos proporcionalmente.

Durante a Guerra das correntes, instalações poderia usar transformador AC para reduzir as perdas de linha por aquecimento por efeito Joule à custa de uma linha de transmissão de tensão mais elevados, em comparação com instalações actuais.

Eficiência de aquecimento e efeito Joule

Como tecnologia de aquecimento, o aquecimento Joule tem um coeficiente de desempenho de 1,0, o que significa que cada joule de energia elétrica fornecida produz um joule de calor. Em contrapartida, uma bomba de calor pode ter um coeficiente de mais de 1,0, pois movimenta energia térmica adicional do ambiente para o elemento aquecido.

A definição da eficiência de um processo de aquecimento requer a definição dos limites do sistema a ser considerado. Para aquecer um edifício, a eficiência global é diferente quando se considera o efeito de aquecimento por unidade de energia fornecida no lado do medidor do cliente, em comparação com a eficiência global, considerando também as perdas na planta e transmissão de energia de energia.

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Última revisão: 28 de novembro de 2018