Joulov efekt má široké možnosti použitia, spomenieme len niektoré : Vykurovanie, odmrazovanie zadného skla v aute, Bodové zváranie karosérií vozidiel, Kontrola teploty elektrických motorov používaním relé tepelnej ochrany, Udržiavanie stálej teploty potrubí Osvetlenie vláknovými žiarovkami, Ochrana poistkami ( I2t ). Podmienky v ktorých môže byť využitý : Tepelné podmienky káblov a vodičov, Elektrický oblúk (ničenie kontaktov), oblúkové pece (používajú teplotu oblúka), atď…
V rezistore odporu R, sa elektrické teplo vyjadrí ako: Hovoríme o Joulovom zákone. Na meranie spotreby elektrickej energie prístroja zapojeného na 220 V sieť sa bežne používa kilowatthodina (kWh), čo je energia dodaná (alebo spotrebovaná) elektrickým systémom s výkonom 1 kilowatt za 1 hodinu. 1kWh = 3600000 J = 3,6 MJ Cvičenia Príklad 1: Máme 100 Wattovú žiarovku pod napätím 220 voltov. Aký prúd ňou prechádza ? Odpoveď : P = U.I I = P/U I = 100/220 I = 0,45 ampère Príklad 2 : Máme rovnakú žiarovku ako v prvom príklade. Aká bude jej energetická spotreba za 30 minút? Odpoveď : W = P.t (P vo wattoch a t v sekundách) W = 100 * 30 * 60 = 180000 J = 180 kJ Iné riešenie vo watthodinách : W = P.t (P vo wattoch, t v hodinách) W = 100 * 0,5 = 50 Wh = 0,05 kWh
Výkon a energia Výkonný spotrebič dodáva v krátkom čase veľa energie. Výkon spotrebovaný spotrebičom a energia, ktorú spotrebuje za jednotku času vyjadríme ako: Spotrebovaná elektrická energia sa rovná súčinu výkonu P spotrebovaného v čase t: Jednotky energie Uznávaná jednotka energie (medzinárodná sústava) P sa vyjadruje vo wattoch (W) energia sa značí W, vyjadruje sa v jouloch (J) t sa vyjadruje v sekundách (s) Zaužívaná jednotka elektrickej energie P sa vyjadruje vo wattoch (W) W sa vyjadruje vo watt-hodinách (Wh) t sa vyjadruje v hodinách (h) Meranie energie Meranie spotreby elektrickej energie domácej elektroinštalácie sa robí elektromermi.
Ak zapneme viaceré žiarovky majúce v bežnej prevádzke menovité napätie zistíme, že niektoré svietia viac, iné menej. Žiarovka v diaprojektore (24V) má silnejšie svetlo ako žiarovka v lampe, ktorej napätie je 230V. Veličina vo vzťahu k svietivosti týchto žiaroviek, nie je ani napätie, ani intenzita prúdu (prúd) ale electrický výkon. Elektrický výkon sa vyjadruje vo wattoch (značka W). Elektrický výkon je dodávaný generátorom a spotrebovaný spotrebičom. Menovitý výkon spotrebiča je výkon spotrebovaný spotrebičom v normálnej prevádzke. Menovitý výkon údava výrobca. Rádove veličiny výkonu elektrických spotrebičov: Vzťah medzi výkonom, napätím a prúdom: Výkon jednosmerného prúdu Zapojme náš spotrebič (lampa 12V – 21W) na svorky generátora a nastavme napätie na menovitú hodnotu U= 12V. Zmerajme prúd I, ktorý lampou preteká. U = 12V I = 1,75 A Vidíme, že súčin U x I = 12V x 1,75 A = 21 x V x A Výkon P spotrebovaný spotrebičom, prvkom obvodu jednosmerného prúdu sa rovná súčinu napätia U na svorkách a prúdu I, ktorý ním preteká. P: výkon vo wattoch U: napätie vo voltoch I: prúd v ampéroch
Paralelné : Sériové :
Hľadanie malého opdoru: Pretekanie prúdu vodičom spôsobuje stratu energie zahrievaním. Táto spotrebovaná energia je o to väčšia o čo väčší je odpor. Na znižovanie energetickej straty s nebezpečným zahrievaním, sa vyberajú vodiče dostatočne hrubé, čo najkratšie a z materiálov s nízkym merným odporom: Meď je najpoužívanejším materiálom, má dobrú vodivosť, používa sa prakticky na výrobu všetkých elektrických vodičov. Hliník má o niečo väčší merný odpor ako meď, ale je ľahší. Používa sa na výrobu rozvodných káblov (vysoké napätie). Vzhľadom k tomu, že sa vyznačuje slabou pevnosťou, veľké káble musia byť vystužené oceľovými prútmi. Striebro je jedným z najlepších vodičov, ale na bežné používanie je príliš drahé. Vodiče v poistkách sa už nevyrábajú z olova ale zo striebornej zliatiny. Zlato je dobrým, ale veľmi drahým vodičom. Vyznačuje sa dvoma základnými vlastnosťami vďaka ktorým je tento kov nenahraditeľný. Prvou vlastnosťou je vysoká rozťažnosť a vláčnosť: vyrábajú sa z neho vlákna, tenšie ako vlasy, používané na mikroskopické spoje v integrovaných obvodoch (mikroprocesory…) Druhou vlastnosťou je stálosť. Vyrábajú sa pozlátené kontakty, touto úpravou sa zabezpečuje ochrana proti korózii. Hľadanie veľkého odporu Premena elektrickej energie na teplo je veľmi jednoduchá. Stačí pretekanie elektrického prúdu cez vodič s dostatočným odporom na uvoľnenie požadovaného tepla. Podľa vzťahu R = l / S existujú tri možnosti na získanie vysokého odporu: 1) vyberieme dlhý vodič. Áno, ale bude zavadzať. 2) vyberieme tenký vodič. Áno, ale ak bude veľmi tenký, rýchlo sa prehreje a roztaví sa. 3) vyberieme materiál s veľkým merným odporom. Nichróm, zliatina chrómu a niklu je najpoužívanejším materiálom na výrobu výhrevných odporov (jej merný odpor je takmer 60 krát väčší ako merný odpor medi.) Ďalšie použitie Cín nie je dobrý vodič, ale pre jeho nízku teplotu tavenia (232°C) sa používa na zváranie, niekedy v zliatine s olovom. Ortuť je jediný tekutý kov pri bežnej teplote. Používa sa na výrobu vypínačov, umiestnený v izolujúcej ampulke (väčšinou v sklenenej), ktorá sa preklápa, čím prichádza k vytvoreniu alebo k prerušeniu […]
Nech je R (W) odpor vodiča s plochou prierezu S (m2) a s dĺžkou l (m), vyrobený z materiálu s merným odporom r v(W.m), potom: Príklad: vypočítajme odpor medeného vodiča s plochou prierezu 2,5 mm2 a s dĺžkou 20 m. Radal: Nezabúdajte na jednotky. Práve nimi sa preukáže, že:
Dĺžka vodiča Čím je vodič dlhší, tým je väčší jeho odpor. Odpor vodiča je úmerný jeho dĺžke. Prierez vodiča Čím je menší prierez vodiča, tým je jeho elektrický odpor väčší. Odpor vodiča je inverzne úmerný ploche jeho prierezu, to znamená druhej mocnine jeho priemeru (ak má vodič okrúhly prierez) Materiál vodiča Niektoré kovy (striebro, meď, zlato, hliník) sa vyznačujú lepšou vodivosťou, niektoré horšou (železo, olovo). Vyrábajú sa kovovové zliatiny, ktorých elektrický odpor je oveľa väčší ako odpory kovov z ktorých sa skladajú (nichróm, niklová mosadz (alpaka)…). Merný odpor materiálu vodiča Merný odpor (ró) materiálu vodiča je odpor vodiča s jednotkovou dĺžkou 1 m a jednotkovým plošným prierezom 1m2. Vychádzajúc z veľkosti jednotkového prierezu (1m2), miera merného odporu vyjadrená v ohm-metroch je veľmi malá (rádovo 10-8) Merný odpor vybraných kovov, kovových zliatin a nekovov
Ohmov zákon Lineárne (ohmické) vodiče Každý dipól, alebo všeobecnejšie, každý vodič, ktorý sa správa ako rezistor, tzn. že má charakteristiku priamky prechádzajúcej počiatkom, sa volá lineárny (ohmický) vodič. Všetky kovy sú lineárne vodiče za podmienky, že ich teplota je konštantná. Vieme, že prietokom prúdu dochádza k uvoľňovaniu tepla. Žhaviace vlákno svietiacej žiarovky môže mať teplotu až 3000°C. Táto teplotná odchýlka je tak veľká, že sa stráca priamková charakteristika. Znenie Ohmovho zákona Napätie U na svorkách lineárneho vodiča sa rovná súčinu jeho odporu R a prúdu I ktorý ním preteká. Použitie zákona: Ohmov zákon sa vzťahuje na lineárne vodiče jednosmerného prúdu (podľa definície lineárneho vodiča) Rovnako je aplikovaný aj pre variabilné prúdy pre čisto odporové lineárne dipóly. Pri striedavom prúde sa používajú efektívne hodnoty. V iných prípadoch tento vzťah neplatí. Preto sa používa namiesto odporu impedancia. Premenlivý odpor Môžeme definovať odpor dipólov u ktorých ohmov zákon neplatí. Tento odpor nie je charakteristikou dipólu. Odpor (U/I) je premenlivý. Odpor vlákna žiarovky alebo termistora (CTN) je funkciou teploty, odpor fotorezistora je funkciou svietivosti…
Na svorky generátora zapojíme žiarovku. Funguje správne, pretože je prispôsobená napätiu generátora. V sériovom zapojení pridajme k žiarovke dipól iného spotrebiča. Vidíme, že intenzita osvetlenia žiarovky klesla. Z toho môžeme usúdiť, že prúd pretekajúci žiarovkou je slabší. Podľa všetkého dôvodom je pridaný spotrebič. Spomaľuje prúdový tok. Prietoku prúdu kladie elektrický odpor. Rezistory sú dipóly vyrábané práve pre ich elektrický odpor. Charakteristika rezistora: Obvodom pretekajúci prúd závisí od elektromotorickej sily generátora, to znamená od napätia na svorkách, keď je izolované a zároveň od vlastností všetkých spotrebičov obvodu, „brzdiacich“ tento prúd, čiže od odporu elektrického obvodu. Ak budeme súčasne merať intenzitu prúdu a napätie na svorkách dipólu, budeme môcť definovať veličinu nazývanú “elektrický odpor” Elektrický odpor: Konštantný pomer U/I vyjadruje elektrický odpor R rezistora. U vyjadrené vo voltoch a I v ampéroch, jednotkou odporu R je ohm a značí sa (omega)
