EFECTUL ELECTROTERMICPrima aplicaie industrial a efectului electrotermic a fost iluminatul electric. Ea dateaz din anul 1882, an n care prima uzin electric, construit de Edison, a alimentat 13000 de lmpi.

PRODUCEREA EFECTULUI ELECTROTERMICn anul 1801 Davy a observat c unind polii unei baterii printr-un fir subire de platin, acesta se poate nclzi pn la rou. Fenomenul observat constituie efectul termic al curentului electric. El a stat la baza procesului tehnic realizat la sfritul secolului al XIX-lea, progres constnd n introducerea iluminatului electric. n experimentul care urmeaz vom pune n eviden acest fenomen ntr-un fir de nichelin. EXPERIMENTUL I Alctuii un circuit dintr-un alimentator, un ntreruptor i un fir de nichelin spiralat, cu rezisten de circa 6, fixat pe un suport. Alimentai circuitul la tensiunea de 2V i nchidei ntreruptorul. Prindei rezistorul spiralat cu degetele. Vei simi degajarea de cldur. Deschidei circuitul i degajarea cldurii nceteaz. n timpul experimentului atingei i conductorii de legtur. Vei constata c acetia nu se nclzesc. Repetai experimentul, la aceiai tensiune, dar n curent alternativ. Fenomenul va fi acelai. Un conductor metalic prin care se stabilete un curent electric degaj cldur . Cldura degajat de un conductor a fost msurat prima dat de ctre J. P. Joule, n jurul anului 1850. Metoda folosit de el v este deja cunoscut, este metoda calorimetric. ntr-un calorimetrul cu ap se introduce conductorul. Cldura degajat de el este egal cu cea absorbit de ap i de vasul calorimetric (pierderile se neglijeaz). Iat cum se procedeaz pentru a determina aceast cldur: EXPERIMENTUL II

Fixai n bornele capacului calorimetrului un rezistor spiralat i introducei-l n paharul mic al calorimetrului care trebuie s conin ap (circa 75 cm3). Notm cu m masa apei . Realizai apoi montajul electric din figura de mai jos: i cu ajutorul unui termometru determinai temperatura (iniial) a apei 0. Alimentai apoi circuitul la tensiunea de 6V i ateptai puin (5-10 min.) agitnd cu agitatorul apa din pahar. Notai i intensitatea curentului I1. La ntreruperea circuitului msurai din nou temperatura apei (temperatura final) 1. Dac se neglijeaz cldura absorbit de paharul mic al calorimetrului, de termometru i de agitator, atunci cldura absorbit de ap Q1 i deci cea degajat de rezistor este: Q1 = mc( 1- 0) unde c este cldura masic a apei. Cele constatate n experimentul I ridic urmtoarea problem: de ce sesizm degajarea cldurii numai n conductorul spiralat de nichelin iar n conductorii de legtur nu, dei i ei sunt strbtui de acelai curent. Pentru a gsi rspunsul la aceast ntrebare trebuie cutat mrimea care difereniaz conductorii de legtur de cel de nichelin. Aceast mrime este rezistena lor. De exemplu, conductorii de legtur folosii n experimentul de mai sus au rezistena de circa 0,6 n timp ce conductorul spiralat de nichelin are rezistena de 6. Pentru a v convinge de rolul pe care l are rezistena conductorului n efectul electrotermic trebuie msurate cldurile degajate de doi conductori cu rezistene diferite, prin care, n acelai timp, se stabilete acelai curent.

LEGEA EFECTULUI ELECTROTERMICEXPERIMENTUL III Se stabilesc dou calorimetre, unul coninnd un rezistor cu rezistena R1 (de 6) i altul cu un rezistor R2 ( de 4). n ambele se pune aceiai cantitate de ap (circa 75 cm3) a crei mas o notm cu m. Cu ajutorul unui termometru se msoar temperatura apei din cele dou calorimetre. Ea va fi evident aceiai. Noi o notm cu 0. Se realizeaz circuitul din figur: i se alimenteaz la 12 V c.c. Dup circa 5 min., timp n care se agit continuu apa din calorimetre, se ntrerupe circuitul i se msoar din nou temperaturile apei din cele dou vase 1 i 2 . Cldurile degajate de cei doi conductori Q1 i Q2 sunt: Q1 = mc(1 0) , Q2 = mc(2 0) . Fcnd raportul acestora se obine dup simplificare: Q1 / Q2 = (1 0) / (2 0)

De aici rezult c pentru a determina experimental valoarea raportului Q1 / Q2 este suficient s se msoare temperaturile: 0, 1, 2. Comparai valoarea acestui cu cea a raportului rezistenelor celor doi conductori R1/R2 i vei constata apropierea lor. Inegalitatea rapoartelor se datoreaz pierderilor de cldur. Msurtori foarte precise au artat ns, c cele dou rapoarte sunt egale: Q1/Q2 = R1/R2 Cldurile degajate de doi conductori prin care se stabilete acelai curent, n acelai timp, sunt direct proporionale cu rezistenele acestor conductori. Q~R Aadar, conductori cum ar fi argintul, cuprul, i aluminiul pui n aceleai condiii cu conductorii de fier, nichelin, manganin, degaj mai puin cldur acetia din urm. Nichelina degaj de 15 ori mai mult cldur dect aluminiul n aceleai condiii. Pe baza acestei informaii se poate explica de ce conductorii de aluminiu sunt utilizai n instalaiile electrice, iar cei de nichelin la fabricarea aparatelor de nclzit, dar nu se poate explica de ce, uneori, se produc incendii din cauza supranclzirii conductorilor de aluminiu din instalaii. Cum ajung aceti conductori s se nclzeasc aa de tare nct s provoace incendii n cldiri? Pentru rezolvarea acestei probleme vom repeta experimentul II, stabilind n circuit un alt curent. n acest scop alimentm circuitul la o tensiune diferit de cea din experimentul II, spre exemplu 24Vc.c. EXPERIMENTUL IV Se pune n vasul calorimetric aceiai cantitate de ap ca n experimentul II, la aceiai temperatur iniial 0 i se ine nchis circuitul tot acelai timp. Se noteaz noua valoare a intensitii curentului I2 i se msoar, la sfrit, temperatura apei 2. Se calculeaz cantitatea de cldur degajat de conductor n aceste condiii: Q2 = mc( 2- 0) i apoi valoarea raportului dintre aceast cldur i cea din experimentul II, adic Q2/Q1. Acest raport se compar cu raportul ptratelor intensitilor curenilor I22/I12. Valorile lor vor fi apropiate, nu chiar egale, din cauza pierderilor de cldur de care nu s-a inut seama. Msurtorile de precizie au artat c cele dou rapoarte sunt egale. Q2/Q1 = I22/I12

Cldura degajat de doi conductori identici, n acelai timp, atunci cnd prin ei se stabilesc cureni diferii, sunt direct proporionale cu ptratele intensitilor acestor cureni. Q ~ I2 Deci, nclzirea conductorilor instalaiei se produce atunci cnd intensitatea curentului este mare. EXPERIMENTUL V Se realizeaz montajul din figur, fr ampermetru i se msoar temperatura iniial a apei 0. Se nchide circuitul i dup un timp t1 (5 min.) se msoar din nou temperatura 1. Se ateapt n continuare nc cteva minute i se noteaz temperatura final 2. Se calculeaz cldurile degajate pn n momentele t1 i t2 i apoi raportul lor: Q2/ Q1 = (2 0) / (1-0) care se compar cu cel al duratelor t2/t1. Msurtori mai exacte au artat c cele dou rapoarte sunt egale: Q2/Q1 = t2/t1 Cldurile degajate de un conductor strbtut de curent sunt direct proporionale cu duratele de alimentare ale acestuia. Q~t Din experimentele de mai sus rezult c prin efectul electrotermic se degaj cldur proporional cu rezistena conductorului R, cu ptratul intensitii curentului care-l strbate I2 i cu timpul ct st conductorul n circuit, t. Cldura degajat de un conductor prin care se stabilete un curent este direct proporional cu produsul dintre rezistena lui, ptratul intensitii curentului i durata de alimentare ( Legea lui Joule). Q ~ RI2t Dac R se msoar n ohmi, I n amperi, iar t n secunde, atunci valoarea lui Q se exprim n jouli i avem egalitatea: Q = RI2t

OBSERVAII

1. Rezistena conductorului din experimentul II, este R=6h, intensitatea curentului la tensiunea de 6V este I= 0,9A, iar timpul de funcionare t = 5min. Valoarea cldurii degajate conform legii lui Joule va fi: Qj = 6 0,92A 5 60s = 1458 J Cldura degajat, msurat calorimetric are ns o valoare mai mic dect prima: Qc = mc( 1 0) = 0,075kg4180J/kggrd4grd ~ 1254 J Explicaia st n neglijarea cldurii absorbite de vasul calorimetric, termometru i agitator. Pentru cineva care face o msurtoare este foarte important s tie ct de aproape este valoarea obinut prin msurare, de valoarea real. n cazul de mai sus aceasta se stabilete cu uurin pentru c se cunoate legea lui Joule, care permite determinarea valorii reale a cldurii degajate de conductor Qj. Este suficient s se calculeze diferena: Q = Qj Qc. Aceast diferen se numete eroare absolut de msurare. Deci pentru experimentul II eroarea absolut de msurare este: Q = 1458 J 1254 J = 204 J. 2. Cunoscnd legea lui Joule se poate determina randamentul electrotermic al unei instalaii de nclzire. S alegem de exemplu fierbtorul electric, care se folosete la fiertul laptelui i al altor lichide. Problema care se pune nu const n a ti ct cldur se pierde prin pereii vasului, ci ct de mic este cldura folosit pentru fierbere (Qc) n raport cu cea produs de aparat (Qj), adic raportul: = Qc/Qj Acest raport se numete randamentul electrotermic al fierbtorului. 3. Cunoscnd legea lui Joule se pot realiza probleme, cum ar fi proiectarea unei instalaii electrice pentru nclzire. Se analizeaz modul n care a fost proiectat instalaia cu care s-a realizat experimentul II. Principalele condiii care i s-au pus proiectantului au fost : nclzitorul s funcioneze la o tensiune U= 24V pentru c aceasta este tensiunea maxim pe care o poate da alimentatorul didactic; intensitatea curentului din circuit s fie I< 1A; apa din calorimetru s se nclzeasc cu circa 10C ntr-un timp mai mic dect o or de curs; s se nclzeasc o cantitate de ap cu masa mai mic dect masa apei care ar umple vasul calorimetric ( m= 150g). Presupunnd c toat cldura degajat de nclzitor este absorbit numai de lichidul din vas, avem:

R I2 t = mc(- 0) Valorile care decurg din condiiile date sunt I=1A, t=5min, m=50g, iar 0=10C. Rezistena nclzitorului va avea valoarea : R=6,9 4. Relaia dintre cldura degajat de un conductor i timpul de funcionare a circuitului este extrem de folositoare n exploatarea raional a circuitelor electrice. Iat un exemplu din practica de laborator. Un circuit conine un alimentator, un rezistor a crui rezisten are o valoare necunoscut i un ampermetru. nchiderea acestui circuit, incomplet cunoscut, poate pune n pericol ampermetrul, al crui conductor se poate nclzi peste limit i se poate topi. Pentru a evita aceast situaie se procedeaz astfel: se conecteaz la alimentator una din fiele de legtur ale circuitului, iar cu a doua se realizeaz o simpl atingere cu borna alimentatorului. Dac acul indicator al ampermetrului deviaz repede pn dincolo de limita de msurare a acestuia, atunci se ntrerupe contactul i aparatul este salvat. Daca i cea de-a doua banan ar fi introdus n borna alimentatorului, ntreruperea circuitului ar dura prea mult timp i aparatul s-ar distruge. Legea lui Joule ne permite s determinm eroarea de msurare a cldurilor degajate de nclzitoarele electrice, randamentul termic al acestora, s proiectm instalaii electrice i s exploatm raional circuitele.

CALDURA SI ENERGIA ELECTRICAEfectul electrotermic este un proces n timpul cruia se degaj cldur prin variaia energiei electrice. Variaia energiei electrice este: W W0 = Uq (1) unde U este tensiunea la bornele rezistorului, iar q, sarcina electric a purttorilor. Pe de alt parte, pe baza legii lui Ohm : U = R I unde R este rezistena rezistorului, iar I intensitatea curentului electric din circuit. Din formula de definiie a intensitii curentului rezult c : q = R t Avnd n vedere aceste expresii ale tensiunii i sarcinii electrice, formula (1) se poate scrie : W W0 = R I I t = RI2 t La sfritul paragrafului anterior s-a ajuns la c: Q = RI2t

Deci , rezult c variaia energiei electrice a unui circuit este egal cu cldura degajat prin poriunea n care se produce aceast variaie. W W0 = Q S analizm acest rezultat n condiiile unui anumit circuit electric; spre exemplu, cel format din maina Van de Graaff i descrctorul electric a crui energie o notm cu W0 . Prin acionarea manivelei maina se ncarc, ntre electrozi apare un cmp electric. Dac ncrcarea nceteaz, maina rmne ntr-o anumit stare caracterizat prin energia electric a cmpului dintre electrozii W. n timpul acestei operaii s-a efectuat un lucru mecanic egal cu variaia energiei sistemului: L = W W0 neglijnd pierderile prin frecri. Se aeaz descrctorul n contact cu electrozii i prin el se stabilete un curent. n urma acestei operaii maina se descarc, energia final a dispozitivului devenind W0. Prin descrcare variaia energiei electrice a sistemului main- descrctor este egal cu cldura degajat n aerul din jur. W W0 = Q Fcnd bilanul energetic al ntregului proces avem: L=WW=Q Dac descrcarea se realizeaz prin scnteie, atunci conductorul prin care se stabilete curentul este aerul. n aceste condiii variaia energiei electrice se regsete n cldura, lumina i sunetul produs n timpul descrcrii. Aadar, Q< | W W0 |

APLICAII ALE EFECTULUI ELECTROTERMIC1. SIGURANA FUZIBIL I BECUL ELECTRIC Constituie dou dintre numeroasele aplicaii ale acestui efect. Sigurana este un fir subire dintr-un aliaj de plumb Si staniu sau chiar din cupru, iar becul electric este, n esen, un fir de wolfram, nchis ntr-un glob de sticl n care se gsete un amestec de gaze. EXPERIMENTUL VI Se leag ntre cele dou borne ale capacului calorimetrului un fir cu diametrul de 0,1 mm i se realizeaz apoi circuitul din figur: Se nchide circuitul alimentat la tensiunea de 12V. Becul se aprinde. Se introduc bananele unui cordon de legtur n bornele de pe placa suport a becului. Aceast operaie se numete scurt-circuitarea becului. Firul se nroete repede i se topete ntrerupnd circuitul.

Un fir subire de cupru, introdus n serie ntr-un circuit protejeaz consumatorii din acest circuit n cazul apariiei unui scurt- circuit. n practic siguranele fuzibile sunt nchise n tuburi mici de sticl. Aceasta att pentru a grbi acumularea cldurii degajate (fapt ce duce la o topire mai rapid a firului), ct i pentru ca topirea s nu aprind aparatul. Conductorii din care se construiesc siguranele fuzibile trebuie s aib temperatura de topire sczute. Exemplu, cuprul are temperatura de topire de 1083C; temperatur mic n raport cu temperatura wolframului, din care este construit filamentul becului, de 3390C. Grosimea firului siguran se stabilete n funcie de limita superioar a intensitii curentului din circuitul n care se instaleaz ea. De exemplu, ampermetrul de laborator din trusa colar suport 5A. Un curent care depete aceast intensitate distruge aparatul. De aici rezult firul din care se construiete sigurana, trebuie s aib o astfel de grosime nct la un curent mai mare de 5A i n condiii de izolare termic dat, s se topeasc. 2. REOUL Privii inscripia de pe placa de baz a acestui aparat. Pe ea scrie 220V i 600W. Aceasta nseamn c tensiunea maxim la care poate fi utilizat este de 220V i c la aceast tensiune, puterea aparatului este de 600W. Introducei techerul n priz i observai procesul de nclzire. Treptat temperatura firului crete pn cnd acesta devine rou. Dup un timp nclzirea se stabilizeaz, temperatura rmne constant, culoarea conductorului spiralat nu se mai schimb. Explicaia st n faptul c, la o anumit diferena dintre temperatura conductorului i cea a aerului, cldura produs prin efect electrotermic este egal cu cea cedat aerului nconjurtor. 3. USCTORUL CU AER CALD Un motor electric, echipat cu un mic ventilator, antreneaz aerul printre spirele unui rezistor nclzit electric. nclzit astfel, aerul este canalizat prin orificiul de ieire al aparatului i trimis ctre obiectul care trebuie uscat. Este utilizat de obicei la uscarea prului. 4. INCUBATORUL Sau clocitoarea electric este un dulap mare, cu rafturi n care sunt aezate oule, nclzite electric. Cldura produs prin efectul termic nlocuiete pe cea degajat de corpul ginilor. n clocitoarele electrice oule nu se sparg i nu se rcesc. Din acest motiv numrul puilor scoi la suta de ou clocite, este cu 20% mai mare dect prin clocirea natural. n aceste aparate, temperatura este reglat automat, iar nvrtirea oulor este realizat tot automat la intervale de timp

necesare. Cu ajutorul incubatoarelor se clocesc mii de ou, n timp ce o gin poate cloci n 21 de zile numai 20 25 de ou. Efectul electrotermic poate fi utilizat n cuptoarele electrice, radiatoare, la nclzirea serelor, uscarea fructelor i a cerealelor, ns uneori el este i duntor. Efectul termic al curentului electric pune n pericol, spre exemplu, bobinajele motoarelor i ale transformatoarelor electrice. Dac inginerii n-ar ine seam de acest efect n proiectarea motoarelor electrice, acestea s-ar distruge n scurt timp de la punerea lor n funciune. Una dintre msurile de protecie contra acestui efect const n instalarea pe axul motorului a unui ventilator care, n timpul funcionrii, antreneaz aerul printre bobinele motorului, rcindu-le. Aspiratorul de praf este un exemplu elocvent n acest sens. Ventilatorul acestuia realizeaz nu numai rcirea motorului, ci i aspirarea prafului.