Încălzirea unui conductor

REZUMAT

In aceast referat am analizat o placa de cupru din punct de vedere al conductiei electrice, din punctul de vedere al transferului de caldura si efectul Joule produs de trecerea curentului electric prin placa.

INTRODUCERE

Scopul refereratului este acela de a observa modificarile si ce se intampla in interiorul placii la trecerea curentului electric, pentru aceasta am ales o placa din cupru de dimensiuni 1mX1m cu o decupare circulara in interior.

BAZELE TEORETICE

Legea lui Joule, cunoscuta si sub denumirea de Efectul Joule, este o lege a fizicii care exprima relatia caldurii generate de un curent care parcurge un conductor. Legea este exprimata astfel:

Q = I2 R-i

in care:

Q - caldura degajata, [Q]si = J (joule)

I – intensitatea curentului electric [I]si = A (amper)

R – rezistivitatea electrica [R]si = Ω (ohm) t – timpul [t]si = s (secunde)

La nivel atomic, efectul Joule este rezultatul miscarii electronilor si ciocnirea acestora cu atomii din conductor, efectuand un transfer de moment catre atom, marindu-i energia cinetica.

Concret, efectul Joule consta in cresterea temperaturii unui conductor ca un rezultat al rezistentei in urma parcurgerii acestuia de un curent electric.

Toate efectele curentului electric constau in transformarea energiei electrice intr-o alta forma de energie, in cazul efectului Joule energia electrica transformandu-se in energia termica.

Miscarea ordonata a purtatorii de sarcina intr-un conductor este caracterizata printr-o viteza medie (viteza de drift), ce se mentine constanta in cazul unui curent electric continuu. Stabilirea, practic instantanee, a curentului electric la inchiderea unui circuit este datorata campului electric, a carui viteza de propagare este de ordinul vitezei luminii, mult mai mare decat viteza miscarii de drift a purtatorilor liberi din conductor. Pentru intretinerea miscarii ordonate a acestora, se consuma energie. Lucrul lucrul mecanic efectuat de fortele campului la deplasarea unei sarcini Q intre doua puncte A si B, cu potentiale VA, respectiv VB, are expresia:

L=Q( VA- VB)=QU

`Utilizand definitia intensitatii curentului electric, energia consumata pentru transportul sarcinii electrice (care va fi notata in acest context cu W, pentru a nu fi confunata cu t.e.m. a unei surse) poate fi scrisa sub forma:

W =UIDt

Aceasta energie este transferata ionilor retelei, prin ciocnirile care au loc in interiorul conductorului. Astfel se intensifica miscarea termica, ceea ce va determina cresterea temperaturii acelui conductor, energia electrica consumata fiind transformata ireversibil in caldura.

DESCRIEREA APLICATIEI

1. Conductia electrica

Se aplica o diferenta de potential de 0.1 V intre doua laturi opuse, celelalte ramanand izolate electric.

Se definesc functiile, conditiile de frontiera si coeficientii ecuatiei cu derivate partiale,se rezolva problema si se ploteaza.Rezultatul este urmatorul:

Din graficul de mai sus, tinand cont de faptul ca nu exista surse de curent in domeniu,obtinem urmatoarele rezultate.Problema prezinta simetrie, deci curentul care intra este numeric egal si de semn contrar cu, curentul care iese. Bilantul curentilor la borne este egal si de semn contrar (pe latura 1 curentul are valoarea -7.698723e7 iar pe latura 4 are +7.698723e7 )