تطبيقات التسخين الناتج عن التيار الكهربائي

تأثير التسخين الناتج عن التيار الكهربائي:

يمكن ملاحظة تأثير التسخين للتيار الكهربائي في حياتنا اليومية، وفقاً لقانون حفظ الطاقة، فإنّ إجمالي الطاقة في النظام ثابت دائماً، هذا هو المفهوم الذي نستخدمه عندما نستخدم الكهرباء لتشغيل الهاتف أو التلفزيون أو السيارة، نحن نقوم بتحويل شكل من أشكال الطاقة إلى شكل آخر. هل لاحظت أنّه عندما تفرط في استخدام هاتفك، يبدأ في أن يصبح دافئاً؟ هذا لأنّه عندما نقوم بتحويل الكهرباء إلى أشكال أخرى من الطاقة، يتم تحويل بعض الطاقة إلى عمل مفيد، ولكن يتم تحويل كمية معينة منها إلى طاقة حرارية، هذا هو تأثير التسخين للتيار الكهربائي، وهذا ما يسمى “تسخين جول” أو “تسخين أوم” أو “التسخين المقاوم”.

لاحظ “جيمس بريسكوت جول” هذه الظاهرة في القرن التاسع عشر. قام بتمرير سلك يحمل تياراً عبر الماء ولاحظ ارتفاع درجة حرارة الماء لمدة 30 دقيقة. لقد جرب تركيبات مختلفة من أطوال الأسلاك وكمية التيار المتدفق عبرها، استنتج أخيراً أنّ تأثير التسخين للتيار يتناسب مع التيار المتدفق عبر السلك وقيمة مقاومة المادة، هذا النوع من التسخين لا يعتمد على اتجاه التيار.

قانون جول للتسخين الكهربائي:

حساب الحرارة المتولدة عن التيار الكهربائي:

يتم إعطاء مقدار الحرارة المتولدة (H) بالعلاقة التالية:

H ∝ I²Rt

تسمى هذه المعادلة معادلة جول للتسخين الكهربائي. حيث: (I) هو التيار الكهربائي المار من خلال المكوّن، (R) هي المقاومة و(t) هي الفترة الزمنية لتوليد الحرارة.

ينص قانون جول على أنّ مقدار إنتاج الحرارة في الموصل هو:

• يتناسب طردياً مع مربع التيار الكهربائي المتدفق من خلاله.
  
• يتناسب طرديا مع مقاومة الموصل.
  
• يتناسب طردياً مع الوقت الذي يتدفق فيه التيار الكهربائي عبر الموصل.
  

حساب الطاقة والقوى الكهربائية:

يُعطى الشغل المبذول في دفع شحنة حول دائرة كهربائية بواسطة:

 w.d = VIt

 P = w.d

t = VI

يتم إعطاء الطاقة الكهربائية التي يستهلكها جهاز كهربائي بواسطة:

P = VI = I²R = V²/R

مثال حسابي 1:

لدينا لمبة كهربائية مرقمة 100W ،240V، احسب: 1) التيار عبر الفتيل عندما يعمل المصباح بشكل طبيعي. 2) مقاومة الفتيل المستخدم في اللمبة.

الحل:

I = P/V = 100/240 = 0.4167A
R = P/I² = 100/ 0.4167² = 576.04Ω or R = V²/P =240²/100 = 576Ω

3) أوجد الطاقة المشتتة في 5 دقائق بواسطة لمبة كهربائية ذات خيوط مقاومة 500Ω موصولة بمصدر 240V.

الحل:

E = Pt = V2 / R * t = (2402 * 5 * 60) / 500 = 34،560J

مثال حسابي 2:

يتم استخدام سخّان غطس 2.5 كيلو واط لتسخين المياه. احسب جهد تشغيل السّخان إذا كانت مقاومته 24Ω، وتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية خلال ساعتين.

الحل:

P=VI=I²R
I = (2500/24)^1/2 =10.2062A
V=IR= 10.2062 * 24 = 244.9488V

E = VIt = Pt = 2500*2*60*60 = 1.8 * 10⁷J

or E= VIt = 244.9488 * 10.2062 * 2 * 60 * 60 = 1.8 * 10⁷J

تطبيقات التسخين الناتج عن التيار الكهربائي في الحياة اليومية:

السخان الكهربائي وسخان المياه:

عندما تكون هذه الأجهزة متصلة بمصدر الكهرباء فإنّها تصبح ساخنة ولكن الأسلاك تبقى باردة، إنّها تتكون من (nichrome) ذو مقاومة عالية وبالتالي تنتج لدينا مقاومة عالية، الحرارة المنتجة تتناسب طردياً مع مقاومة المادة التي يتدفق من خلالها التيار.

اللمبة الكهربائية:

تتكون خيوط المصباح الكهربائي من (tungsten) وهو عبارة عن عنصر فلزي يستخدم لتقسية الفولاذ، مع نقطة انصهار عالية، يتم وضع خيط في غلاف زجاجي مملوء بغاز النيتروجين والأرجون. نظراً لأنّ مقاومة الشعيرة الرقيقة عالية جداً، فإنّ كمية إنتاج الحرارة كبيرة مثل التيار الكهربائي الذي يتدفق عبر الفتيل. بسبب كمية كبيرة من إنتاج الحرارة، تصبح لمبة الشعيرة بيضاء اللون، ومن ثم فإنّ خيوط المصباح ينبعث منها الضوء والحرارة.

الصمام الكهربائي – Electric fuse:

تذوب الأسلاك التي تتكون من بعض المواد بسرعة وتنكسر عند مرور تيار كهربائي كبير من خلالها، تستخدم هذه الأسلاك لصنع الصمّامات الكهربائية. تتكون جميع الدوائر الكهربائية في جميع المباني من صمامات كهربائية، يوجد حد أقصى للتيار الذي يمكن أن يتدفق بأمان عبر الدائرة، إذا تجاوز التيار عن طريق الخطأ هذا الحد، فقد يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة الأسلاك مما يؤدي إلى نشوب حريق، إذا كان هناك فتيل مناسب في الدائرة، فسوف ينفجر ويكسر الدائرة.

وبالتالي، فإنّ الصمام الكهربائي هو جهاز أمان يمنع الأضرار التي تلحق بالدوائر الكهربائية والحرائق المحتملة. عندما يتدفق تيار كهربائي كبير عبر دائرة وبالتالي عبر سلك الصمّام، يحدث قدر كبير من إنتاج الحرارة، بسبب هذا الإنتاج الكبير للحرارة، يذوب سلك الصمام وتنقطع الدائرة بحيث يتوقف التيار عن التدفق عبر الدائرة، وهذا يحفظ الدائرة الكهربائية من الإحتراق. الصمّامات الكهربائية لها تصنيفات وهي: (1A ،2A ،3A ،5A ،10A).

المكوى الكهربائي:

يتكون المكوى الكهربائي من سبائك لها نقطة انصهار عالية، يعمل السخّان الكهربائي وسخان المياه بنفس الآلية.