La llei d'Ohm. L'efecte Joule

Pràctica: La llei d'Ohm. L'efecte Joule.
• Objectius
• Treballar el concepte de resistència.
• Comprovar la llei d'Ohm.
• Comprovar l'efecte Joule.
• Aprendre a treballar amb els multímetres.
• Insistir en el concepte d'error en una mesura directa i en una indirecte.
• Fonaments
• Llei d'Ohm
• En un element de cirucit es compleix la llei d'Ohm si la relació entre la diferència de potencial (V)
entre els extrems de l'element, i la intensitat (I) que hi circula és lineal. V=R*I (amb R constant).
• En un mateix circuit elèctric a més voltatge (V), més intensitat (I) i a més resistència (R) menys
intensitat.
• Efecte Joule
• Quan un corrent circula per un conductor (o en general per una resistència R), aquest s'escalfa degut
al xoc dels electrons lliures amb els ions que forman el conductor. L'energia dissipada per unitat de
temps en forma de calor es pot calcular: P=R*I2 on I és la intensitat que hi circula. En un cert temps t,
l'energia elèctrica transformada en energia calorífica serà: E=P*t=R*I2*t.
• Joule, James Prescott (1818−89) Físic britànic, discípul de Dalton. Va ser un dels científics que més
va contribuir a l'estudi experimental i teòric de l'energia i les seves aplicacions tècniques. Estudià
l'efecto calorífic del corrent elèctric i va trobar l'equivalència mecànica de la calor.
• Material
• Resistències, multímetres, cables, calorímetres, proveta, piles.
• Resistència: Component d'un circuit elèctric que s'oposa al pas del corrent. Els electrons que circulen
per aquest xoque contra els àtoms que formen la resistència obligan així a que aquests electrons hagin
de seguir una trajectòria de zig−zag i que redueixin la seva velocitat. Aquest conjunt de xocs produeix
una força de fregament que escalfa la resistència. Matemàticament es representa així i en els
esquemes dels circuits elèctrics es representa amb aquest símbol:
• Procediment: Comprovació de la llei d'Ohm per una resistència.
• Mesurem el voltatge de les tres piles obtenim els resultats següents: 1ª Pila = 4,33 V, 2ª Pila = 4,72 V,
3ª Pila = 4,16 V. Muntem un circuit amb una pila i una resistència mesurant la intensitat que hi
circula, el multímetre electrònic assenyala 0,11 A.
• Muntem el mateix circuit amb la mateixa resistència però emprant dos i tres piles succesivament. La
intensitat que hi circula assenyalada pel multímetre electrònic en cadascun dels dos casos és 0,24 A i
0,35 A.
1
• Elaborem els càlculs a partir de la fórmula: R = V / I.
Circuits
Una pila
Dues piles
Tres piles
Voltatge
4,33 V
9,05 V
13,21 V
Intensitat
0,11 A
0,24 A
0,35 A
Resistència
39
38
38
• Hem de tenir en compte la mesura de la resistència a l'hora d'utilitzar el número de xifres
significatives. Hem d'emprar només dues ja que el denominador en té només dues encara que el
numerador en tingui tres.
• La raó per la que no hem fet la pràctica utilitzant bombetes és simplement que emprant dades visibles,
equiparables i comparabes podem observar d'una forma millor l'efecte Joule, ja que si haguessim
utilitzat bombetes seria difícil percebre les variacions de calor despreses per la resistència d'aquestes
amb els augments de voltatge.
• Contruim un gràfic V−I (voltatge−intensitat)
• Procediment 2: Comprovació del efecte Joule en una resistència.
• Hem efectuat el muntatge de tres piles en sèrie amb l'amperímetre, el calorímtre, el termòmetre i la
resistència que podem observar a continuació. Tanquem el circuit i posem en marxa el cronòmetre
que cada cop que assenyali una variació de temps d'un minut anotarem la temperatura a dins del
calorímetre. Obtenint una taula de resultats.
Taula de Valors de temps−temperatura de l'aire
Temperatura inicial (0 s)
21 ºC
60 s
21,5 ºC
120 s
22 ºC
180 s
23 ºC
240 s
23,5 ºC
300 s
24 ºC
360 s
25 ºC
420 s
26 ºC
480 s
26,5 ºC
• El calor absorvida per l'aire provè de l'energia dissipada per la resistència. El que implica que
l'equació de l'efecte Joule i la de calor absorvida són igualables. Q=m*Ce*(Tf−Ti)=R*I2*t.
Comprovem aquesta igualtat. Com a observació haig de dir que el nivell d'Intensitat que marcaven les
tres piles al principi de la pràctica (en els primers exercicis) va minvar fins a la meitat quan vam haver
de fer aquest. A més a més alguna cosa va fallar degut a que la diferència entre el calor absorvida i el
calor cedida és molt i molt gran encara que els càlculs estiguin ben fets. El principal problema que
trobo es que la massa en kg de l'aire és de 0,00047 kg i això requeix una diferència molt, però que
molt gran, per a igualar les equacions.
Taula de dades
Temperatura inicial de l'aire
Massa de l'aire
21ºC
0,47 g 0,00047 kg
2
Ce de l'aire
Resistència
Intensitat
Càlculs de el calor cedida i el calor absorvida
Temps (s)
Temperatura (ºC)
60
21,5
120
22
180
23
...
...
130 J/KgºC
38
0,17 A
Q (absorvida)
0,03
0,06
0,12
...
Q(cedida)
65,9
131,8
197,7
...
• Procediment 2: Qüestions.
• Aplicacions de l'efecte Joule:
• Una de les aplicacions més importants per a la vida qüotidiana a on s'aplica l'efecte Joule és l'estufa
elèctrica. Que es basa principalment en un fil conductor que ofereix una resistència al pas d'electrons
en la circulació per la seva matèria, el que produeix una força de fregament que escalfa el conductor i
cedeix una intensa calor a l'aire.
• Altre de les aplicacions són les cuïnes elèctriques que aprofitan el mateix principi que les estufes
elèctriques escalfa els objectes de la seva superfície.
• Desavantatges de l'efecte Joule:
• La gran majoria dels circuits integrats, per no dir tots, perden part del seu nivell de rendiment quan
s'escalfen degut a l'efecte Joule. Per això, hem de mantenir aquests circuits ben airejats, encara que
per a que el seu rendiment disminuegi han de trobar−se en un nivell de temperatura molt alt. Per
exemple el cas dels microprocessadors. Als micropocessadors s'encapsula una gran quantitat de
connexions en un espai molt reduït a on els principals sistema de ventilació són el disipador de calor,
el ventilador de la caixa (ordinador) i el ventilador del processador. El ventilador de la caixa remou
l'aire de dins per refrescar tots els circuits. Al processador s'utilitza el disipador que és una placa de
coure que absorveix el calor cedit pel processador i el ventilador que es troba situat just damunt
refreda el disipador.
Voltatge
Intensitat =
Resistència
Procediments per als càlcus (exemple primer apartat)
Amperímetre
A
Calorímetre amb termòmetre i resistència
3
•
4