Încălzirea unui conductor la trecerea curentului electric de [610799]

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

REZUMAT
Efectul Joule -Lenz este reprezentat de disiparea căldurii într -un conductor traversat de un curent
electric datorat interacțiunii particulelor curentului cu atomii conductorului, interacțiuni prin care
primele le cedează ultimilor din energia lor cinetică, contribuind la mărirea agitație i termice în
masa conductorului
Formula : Q=I2 * R * t
Unde : Q = caldura degajata [Q] si=J(joule)
I=intensitatea curentului electric [I] si = A (amper)
R=rezistivitatea electrica [R]si = Ώ (ohm)
t=timpul [t] si=s (secunda)
Aplicații industriale
• Produsele tehnice (dispozitive, aparate, utilaje) folosite la încălzire industrială, precum și
pentru uzul casnic, funcțio nează pe baza efectului Termic care are la baza ca element
constructiv de circuit comun în alcătuirea ac estor produse Rezistorul ( in interiorul
acestuia se dezvoltă efectul Termic al curentului e lectric .
• Efectul termic al curentului electric are multiple aplicații industriale: cuptoarele încălzite
electric, tăierea metalelor etc.
Calculul la încălzirea produsă de trecerea curentului electric prin conductoarele aparatelor și
mașinilor electrice est e foarta important a deoarece încălzirea nu trebuie să afecteze stabilitatea
termică a materialelor izolatoare.
• Sudarea metalelor se realizeaza cu arcul electric ce se formează între un electrod și piesa
de sudat;
• Cuptoarele electrice se utilizează și pentru topirea metalelor.. Fenomenul este utilizat
pentru topirea maselor plastice, la încălzirea îmbinărilor din lemn, la încălzirea
alimentelor în cuptoarele cu microunde ș.a.

INTRODUCERE
Această aplicație se referă la efectul Joule identificabil la încălzirea unei plăci din cupru asociată
trecerii unui curent electric de conducție. Fenomenul este neliniar, deoarece rezistivitatea
electrică și conductivitatea termică a materialului variază cu temperatura.
Problema este de tip multidisciplinară, „m ulti-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 această lucrare de laborator am analizat o placă de cupru bidimensională din punct de
vedere al conduc tiei electrice, din punct de vedere al transferului de caldură și efectul Joule
produs de trecerea curentului electric prin placă cu ajutorul aplicatiei COMSOL Multiphysics.
Se urmărește analiza distributiei poten tialului electric și a temperaturii pe suprafa ta plăcii.

1. Conductia electrica
Se aplica o diferenta de potential de 0.1 V intre doua la turi opuse , celelalte fiind izolate electric .
Se definesc conditiile de frontiera si coeficientii :
• Conductivitatea materialului : σ=1
𝜌𝑜(1+𝛼(𝑇−𝑇𝑜)) unde ρo= rezistivitatea la
temperature To , σ = coeficientul de variatie a rezistivitat ii cu temperature
• Conditia de izolatie : n * J =0
• Conditia de masa: V=0 , potential 0

2 . Transferul de caldura
Curentul de conductie , prin ef ect Joule , genereaza incalzirea placii.Se considera ca laturile
vertical e ale patratului si frontier a interioara sunt in contact cu un mediul aflat la 27 o C , iar
suprafetele orizontale sunt izolate.Pentru a construi model ul cu cele doua probleme trebuie tinut
seama ca problema de conductie este rezolvata in raport cu potenti alul e lectric .
• Caldura generata de trecerea curentului electric prin placa este proportional a cu patratul
densitatii de current , adica cu patratul gradientului potentialului electric V .
• Coeficientul de proporționalitate este rezistivitatea electrică:
Q=ρ|J|2=1
𝜎|J|2=1
𝜎|σE|2=σ|∇V|2

Teste de acuratete
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

Studii parametrice
Variatia temperaturii într -un punct de coordonate (0, 0.4) atunci când rezistivitatea electrică
variază fată de cea initiala de 2, 4, 8 ori se poate observa pe graficul următor:

Se remarcă faptul că timpul necesar atingerii regimului stationar este aproximativ identic în toate
cazurile și durează pân ăla 0,5s, dar temperature maximă
Atinsă scade în fiecare caz

Pentru cazul în care materialul are conductivitatea termică k/2, k/4, k/8 din conductivitatea
termică initială, graficul este următorul:

Pentru cazul în care materialul are conductivitatea termică k/8 din conductivitatea termică initial
se mareste timpul de la 2000 la 10 000 secunde iar graficul este următorul:

Concluzii :
Efectul Joule este un fenomen fizic, ceea ce implica faptul ca toate consecintele sale nu pot
fi reversibile sau inlaturate.
Consecinte daunatoare sunt:
• incalzirea oricarui conductor parcurs de curent: masinile electrice se incalzesc foarte
rapid si supra fetele necesita sa fie marite in dimensiune pentru a rezista la trecerea
curentului, pentru ca cu cat suprafata este mai mare cu atât rezistenta este mai mica, iar
cu cat rezistivitatea materialului este mai mare si rezistenta creste
• in transportul energiei electrice prin stalpii de inalta tensiune, efectul Joule duce la
pierderi de energie electrica
Consecinte positive : aplicatiile industriale

Bibliografie:
https://ro.wikipedia.org/wiki/Efectele_curentului_electric
https://docgo.org/efectul -joule -lentz -wK4IRwI
http://electro.curs.pub.ro/2017/pluginfile.php/7732/mod_resource/content/1/Efectul_Joule.pdf