Încălzirea unui conductor la trecerea curentului electric de [610797]

Încălzirea unui conductor la trecerea curentului electric de
conducție – Efectul Joule -Lentz

REZUMAT
Efectul termic (denumit și efect Joule -Lenz) este reprezentat de disiparea căldurii într -un
conductor traversat de un curent elect ric. Aceasta se datorează interacțiunii particulelor
curentului (de regulă electroni) cu atomii conductorului, interacțiuni prin care primele le cedează
ultimilor din energia lor cinetică, contribuind la mărirea agitației termice în masa conductorului.
Aplicații industrial e
Produsele tehnice (dispo zitive, aparate, utilaje) folosite la încălzire industrială, precum și pentru
uzul casnic, funcționează pe baza efectului Termic. Elementul constructiv de circuit comun în
alcătuirea acestor produse este un rezistor (sau mai multe, grupate adecvat) în care se dezvoltă
efectul Termic al curentului electric. Rezistorul său (elementul rezistiv care disipă căldura) este
realizat din nicrom, feronicrom, fecral, kanthal, cromal ș.a. Aceste materiale sunt rezistente la
temperaturi mari, au rezistivitate electrică ridicată și un coeficient mare de temperatură al
rezistivității.
Efectul termic al curentului electric are multiple aplicații industriale: cuptoarele încălzite electric,
tăierea metalelo r, sudarea cu arc electric etc.
Arcul electric este un curent electr ic de mare intensitate. La separarea sub sarcină electrică a
două piese metalice în contact, densitatea de curent crește foarte mult datorită micșorării
zonelor de contact, pe măsura depărtării pieselor și datorită tensiunii electromotoare (t.e.m.) de
autoinducție care ia nașt ere la întreruperea curentului.
Datorită efectului Joule -Lenz foarte puternic, metalul este topit local și vaporizat. În condițiile
existenței vaporilor metalici și a contactelor puternic încălzite, aerul dintre contacte se ionizează
și ia naștere o plasmă fierbinte cu temperaturi de cca. 6.000 –7.000 K. Sub acțiunea diferenței
de potențial dintre contacte , plasma se deplasează, formând arcul electric; deci curentul
electric continuă să existe și după întreruperea mecanică a circuitulu i.
Din procesele de recombinare ale purtătorilor de sarcină, arcul electric eliberează energie sub
formă de radiații luminoase intense. La sudarea metalelor, arcul electric se formează între un
electrod și piesa de sudat; tăierea metalelor se realizează p rin topire locală cu arc electric, iar la
întreruperea circuitelor electrice arcul este stins prin metode și dispozitive speciale care
favorizează procesele de deionizare în coloana de arc. La întrerupătorul cu pârghie, pentru a se
evita topirea sau distru gerea parțială prin arc electric a pieselor de contact, între acestea se
montează în paralel un condensator. Condensatorul se încarcă și preia energia eliberată de
câmpul magnetic prin curentul de autoinducție, fără a se mai produce un arc electric.
Când un material conductor este plasat într -un câmp magnetic alternativ, curenții induși
determină încălzirea materialului. La frecvențe mari încălzirea este mai pronunțată la suprafața
materialului conductor; efectul este utilizat la tratamente superficiale al e metalelor și pentru
lipire.
Cuptoarele electrice se utilizează și pentru topirea metalelor. Dacă un dielectric este introdus
între două armături plane, alimentate în curent alternativ, acesta se încălzește din cauza
pierderilor de polarizare. Fenomenul este utilizat pentru topirea ma selor plastice, la încălzirea
îmbinărilor din lemn, la încălzirea alimentelor în cuptoarele cu microunde ș.a.

Calculul la încălzirea produsă de trecerea curentului electric prin conductoarele aparatelor și
mașinilor electrice este foarte important: încălz irea nu trebuie să afecteze stabilitatea termică a
materialelor izolatoare.

INTRODUCERE
Această aplicație se referă la efectul Joule identificabil la încălzire a unei plăci din cupru asociată
trecerii unui curent electric de conducție. Fenomenul este neliniar , deoar ece rezistivitatea
electrică și conductivitatea termică a materialului variază cu temperatura.
Problema este de tip multidisciplinară, „multi -fizică”, și necesită rezolvarea simultană a două
subprobleme:
• Conducția electrică, în care sursa electrică este în afara domeniului, reprezentată prin
condiții
la limită.
• Transferul de căldură, în care sursa de căldură este reprezentată de pierderile prin efect
Joule
produse de curentul electric.

Scopul lucrarii:
În aceast ă lucrare de laborator am analizat o placă de cupru bidimensional ă
din punct de vedere al conduc tiei electrice, din punct de vedere al transferului de caldur ă și
efectul Joule produs de trecerea curentului electric prin placă
cu ajutoru l aplicatiei COMSOL Multiphysics. Se urmărește analiza distribut iei poten tialului
electric și a temperaturii pe suprafa ta plăcii.

Nr el J1 J2 Q1 Q2 delta J delta Q
524 -4.17E+06 4.17E+06 96300.78264 96327.52685 8.35E+06 26.744209
2096 -4.17E+06 4.17E+06 96179.63387 96186.63034 8.34E+06 6.996469
8394 -4.17E+06 4.17E+06 96154.32963 96156.10066 8.33E+06 1.771032