Voorbeeld van de wet van Joule

Wanneer een elektrische stroom circuleert, wordt een deel van de energie omgezet in arbeid en een deel in warmte. Deze warmte wordt geproduceerd omdat wanneer de elektrische stroom door het circuit gaat, deze de weerstand moet overwinnen die door de geleider wordt geboden. Deze energie die wordt toegepast om weerstand te overwinnen, komt vrij in de vorm van warmte.

Dit fenomeen werd waargenomen door de Engelse wetenschapper James Prescott Joule, die ook de relaties observeerde die bestonden tussen de tijd dat de stroom, evenals de intensiteit van die stroom, met de warmte of met het gegenereerde werk, en gebruikte verschillende methoden om de stroom en de warmte te meten gegenereerd. De verklaring van de wet van Joule is als volgt:

De warmte die in een geleider wordt geproduceerd door het passeren van stroom is recht evenredig met de weerstand, het kwadraat van de stroom en de tijd dat deze is aangesloten.

Stroom, gemeten in Ampère, gaat door de geleiders; hoe meer weerstand tegen stroomdoorgang een geleider heeft, hoe moeilijker het voor elektronen zal zijn om door de geleider te bewegen. De energie die wordt gebruikt om de elektronenstroom te verplaatsen, wordt als warmte gedissipeerd.

De waarnemingen van Joule worden gesynthetiseerd in de volgende formule:

J = I²* R * t
J = Het is de maat voor de geproduceerde warmte, die wordt gemeten in Joules. Eén joule is gelijk aan 0,24 calorieën.
I = Het is de Stroom. Het wordt gemeten in ampère.
R = Weerstand van de geleider of belasting, gemeten in Ohm (W)
t = Het is de tijd dat de stroom door de geleider circuleert, of ook de tijd dat het circuit aangesloten blijft. Het wordt gemeten in seconden.

Met deze formule kunnen we elk van de andere hoeveelheden berekenen:

ik = √ (J) / (R * t)
R = (J) / (I²* t)
t = (J) / (I²* R)

Voorbeelden van de wet van Joule

voorbeeld 1. Bereken de warmte die wordt geproduceerd door een stroom van 2A op een weerstand van 150 W, gedurende 7 seconden.

J =?
ik = 2 A
R = 150 W
t = 7 s
J = I²* R * t
J = (2²) (150) (7) = (4) (150) (7) = 4200 J

Er wordt 4200 Joule aan warmte geproduceerd.

Voorbeeld 2. Bereken de stroom die door een circuit circuleert, als we dat weten op een weerstand van 150 W, 1500 J.

J = 1500 J
ik =?
R = 80 W
t = 3 s
ik = √ (J) / (R * t)
I = √ (1500) / (80 * 3) = √ (1500) / (240) = -6,25 = 2,5 A

De circuitstroom is 2,5 ampère.

Voorbeeld 3. Bereken de weerstand van de geleider, als we weten dat de stroom 1,25 A is, is de tijd 4,5 seconden en is de geproduceerde warmte 1458 J.

J = 1458 J
ik = 1,2 A
R =?
t = 4,5 s
R = (J) / (I²* t)
R = (1458) / (1,2²) (4,5) = (1458) / (1,44) (4,5) = (1458) / (6,48) = 225 W

De weerstand van de geleider is 225 Ohm.

Voorbeeld 4. Bereken hoe lang een circuit is aangesloten, als de stroom 500 mA is, is de weerstand van de geleider 125 W en de geproduceerde warmte is 31,25 J.

J = 31,25 J
ik = 500 mA = 0,5 A
R = 125 W
t =?
t = (J) / (I²* R)
t = (31,25) / (0,5²) (125) = (31.25) / (0.25) (125) = (31.25) / (31.25) = 1 s

Het circuit is gedurende 1 seconde aangesloten.