Cele mai importante aspecte ale lecției
Efectul Joule (termic): Fenomenul prin care un conductor se încălzește la trecerea curentului electric, indiferent de sensul acestuia.
Legea lui Joule: \(Q = R \cdot I^2 \cdot t\). Căldura disipată este proporțională cu pătratul curentului, rezistența și timpul.
Formulele energiei electrice: \(W = U \cdot I \cdot t = I^2 \cdot R \cdot t = \frac{U^2}{R} \cdot t\) (măsurată în \(\text{J}\) sau \(\text{kWh}\)).
Puterea electrică: \(P = \frac{W}{t} = U \cdot I = I^2 \cdot R = \frac{U^2}{R}\) (măsurată în \(\text{W}\)).
Echivalență importantă: \(1\text{ kWh} = 3,6 \cdot 10^6\text{ J}\).
Legea lui Joule: \(Q = R \cdot I^2 \cdot t\). Căldura disipată este proporțională cu pătratul curentului, rezistența și timpul.
Formulele energiei electrice: \(W = U \cdot I \cdot t = I^2 \cdot R \cdot t = \frac{U^2}{R} \cdot t\) (măsurată în \(\text{J}\) sau \(\text{kWh}\)).
Puterea electrică: \(P = \frac{W}{t} = U \cdot I = I^2 \cdot R = \frac{U^2}{R}\) (măsurată în \(\text{W}\)).
Echivalență importantă: \(1\text{ kWh} = 3,6 \cdot 10^6\text{ J}\).
Efectul termic (sau efectul Joule) reprezintă fenomenul de încălzire a unui conductor la trecerea curentului electric prin acesta.
Încălzirea conductorului nu depinde de sensul de curgere a curentului electric.
Energia electrică furnizată de generatoare este transformată de diverși consumatori în alte forme de energie, conform legii conservării energiei:
| Conversie de energie | Exemplu de dispozitiv |
|---|---|
| Energie electrică \(\rightarrow\) Energie termică | Reșou, uscător de păr, fier de călcat |
| Energie electrică \(\rightarrow\) Energie mecanică | Motor electric |
| Energie electrică \(\rightarrow\) Energie luminoasă | Bec, LED |
| Energie electrică \(\rightarrow\) Energie chimică | Acumulator în proces de încărcare |
| Energie electrică \(\rightarrow\) Energie sonoră | Difuzor |
De ce se încălzește uscătorul de păr atunci când funcționează?
Uscătorul de păr conține o rezistență electrică parcursă de curent. Datorită efectului Joule (termic), energia electrică transmisă prin sarcinile electrice în mișcare se transformă parțial sau total în căldură (energie termică).
Legea lui Joule: Căldura (\(Q\)) degajată într-un conductor la trecerea curentului electric este direct proporțională cu rezistența conductorului (\(R\)), cu pătratul intensității curentului (\(I^2\)) și cu durata trecerii curentului (\(t\)).
\[ W = Q = R \cdot I^2 \cdot t \]
Formula fundamentală a legii lui Joule
Folosind legea lui Ohm (\(U = I \cdot R\)), energia electrică consumată pe o porțiune de circuit se poate exprima și sub formele:
\[ W = U \cdot I \cdot t \]
\[ W = \frac{U^2}{R} \cdot t \]
Forme echivalente de calcul al energiei electrice
În Sistemul Internațional, unitatea de măsură pentru energie este Joule-ul: \([W]_{\text{SI}} = \text{J}\).
Pentru consumul casnic și industrial se utilizează kilowatt-ora (kWh):
\[ 1 \text{ kWh} = 1000 \text{ W} \cdot 3600 \text{ s} = 3.600.000 \text{ J} = 3,6 \cdot 10^6 \text{ J} \]
Calculați căldura disipată de un rezistor cu rezistența de \(10\ \Omega\) prin care trece un curent de \(2\text{ A}\) timp de \(5\text{ s}\).
Aplicăm legea lui Joule:
\[ Q = R \cdot I^2 \cdot t = 10 \cdot 2^2 \cdot 5 = 10 \cdot 4 \cdot 5 = 200 \text{ J} \]
Răspuns: Căldura disipată este de \(200\text{ J}\).
Puterea electrică (\(P\)) este mărimea fizică scalară egală cu raportul dintre energia electrică consumată și intervalul de timp corespunzător.
\[ P = \frac{W}{t} \]
Relația de definiție a puterii electrice
Unitatea de măsură în S.I. este Watt-ul: \([P]_{\text{SI}} = \text{W}\) (\(1\text{ W} = 1\text{ J} / 1\text{ s}\)).
\[ P = U \cdot I \]
\[ P = I^2 \cdot R \]
\[ P = \frac{U^2}{R} \]
Formule de calcul pentru puterea electrică
Un bec alimentat la rețeaua de \(230\text{ V}\) prin care trece un curent de \(0,2\text{ A}\) dezvoltă o putere electrică de:
\[ P = 230\text{ V} \cdot 0,2\text{ A} = 46\text{ W} \]
Ce putere dezvoltă un încălzitor electric având rezistența de \(40\ \Omega\) conectat la o tensiune de \(200\text{ V}\)?
Folosim relația \(P = \frac{U^2}{R}\):
\[ P = \frac{200^2}{40} = \frac{40.000}{40} = 1000 \text{ W} = 1 \text{ kW} \]
Răspuns: Puterea este de \(1000\text{ W}\) (sau \(1\text{ kW}\)).
Probleme practice
Problemă 1 (Ușoară): Un fier de călcat electric funcționează la o tensiune de \(220\text{ V}\) și absoarbe o intensitate a curentului de \(5\text{ A}\). Calculați puterea electrică a fierului de călcat.
Folosim formula directă a puterii electrice:
\[ P = U \cdot I \]
\[ P = 220\text{ V} \cdot 5\text{ A} = 1100\text{ W} = 1,1\text{ kW} \]
Răspuns: Puterea este de \(1100\text{ W}\).
Problemă 2 (Medie): Un conductor având rezistența electrică de \(25\ \Omega\) este parcurs de un curent electric cu intensitatea de \(2\text{ A}\) timp de \(4\text{ minute}\). Aflați căldura degajată de conductor în acest interval de timp.
Transformăm timpul în unități din Sistemul Internațional:
\[ t = 4\text{ min} = 4 \cdot 60\text{ s} = 240\text{ s} \]
Aplicăm legea lui Joule (\(Q = R \cdot I^2 \cdot t\)):
\[ Q = 25\ \Omega \cdot (2\text{ A})^2 \cdot 240\text{ s} \]
\[ Q = 25 \cdot 4 \cdot 240 = 100 \cdot 240 = 24.000\text{ J} = 24\text{ kJ} \]
Răspuns: Căldura degajată este de \(24.000\text{ J}\) (sau \(24\text{ kJ}\)).
Problemă 3 (Dificilă): Un radiator electric cu puterea de \(1500\text{ W}\) funcționează zilnic timp de \(4\text{ ore}\), conectat la o tensiune de \(230\text{ V}\).
a) Calculați rezistența electrică a radiatorului.
b) Determinați energia electrică consumată într-o lună (30 de zile), exprimată în \(\text{kWh}\) și în Jouli (\(\text{J}\)).
a) Calculați rezistența electrică a radiatorului.
b) Determinați energia electrică consumată într-o lună (30 de zile), exprimată în \(\text{kWh}\) și în Jouli (\(\text{J}\)).
a) Din formula puterii \(P = \frac{U^2}{R}\), deducem rezistența:
\[ R = \frac{U^2}{P} = \frac{230^2}{1500} = \frac{52.900}{1500} \approx 35,27\ \Omega \]
b) Timpul total de funcționare în ore:
\[ t_{\text{total}} = 30 \text{ zile} \cdot 4 \text{ ore/zi} = 120\text{ h} \]
Energia în \(\text{kWh}\):
\[ P = 1500\text{ W} = 1,5\text{ kW} \]
\[ W = P \cdot t_{\text{total}} = 1,5\text{ kW} \cdot 120\text{ h} = 180\text{ kWh} \]
Transformăm energia în Jouli:
\[ W = 180 \cdot 3,6 \cdot 10^6\text{ J} = 6,48 \cdot 10^8\text{ J} = 648\text{ MJ} \]
Răspuns: Rezistența este \(\approx 35,27\ \Omega\), iar energia consumată este de \(180\text{ kWh}\) (\(6,48 \cdot 10^8\text{ J}\)).
