قانون ژول چیست ؟

 قانون ژول، که به نام قانون ژول-لنز نیز شناخته می‌شود، یک قانون فیزیکی است که رابطه بین گرمای تولید شده توسط جریان الکتریکی عبوری از یک رسانا و عوامل مؤثر بر آن را بیان می‌کند. این قانون به افتخار فیزیکدان انگلیسی، جیمز پرسکات ژول، که در سال 1840 آن را کشف کرد، نامگذاری شده است.

ژول :

• به طور ساده، یک ژول مقدار انرژی لازم برای انجام کار وقتی است که نیروی یک نیوتن، جسمی را به اندازه یک متر در جهت نیرو جابجا کند.
• به عبارت دیگر، 1 ژول برابر است با کار انجام شده توسط نیروی 1 نیوتن که جسمی را 1 متر در جهت اعمال نیرو جابجا می‌کند.
  

بیان قانون ژول:

قانون ژول بیان می‌کند که مقدار گرمای (Q) تولید شده در یک رسانای الکتریکی با عوامل زیر رابطه مستقیم دارد:

• مربع شدت جریان الکتریکی (I²): هرچه جریان عبوری از رسانا بیشتر باشد، گرمای تولید شده به توان دو افزایش می‌یابد.
• مقاومت الکتریکی رسانا (R): هرچه مقاومت رسانا در برابر عبور جریان بیشتر باشد، گرمای بیشتری تولید می‌شود.
• مدت زمان عبور جریان (t): هرچه جریان برای مدت زمان طولانی‌تری از رسانا عبور کند، گرمای بیشتری تولید می‌شود.

فرمول ریاضی قانون ژول:

این قانون به صورت ریاضی به شکل زیر بیان می‌شود:

• Q = I^2 R t

که در آن:

• Q مقدار گرمای تولید شده (بر حسب ژول)
• I شدت جریان الکتریکی (بر حسب آمپر)
• R مقاومت الکتریکی رسانا (بر حسب اهم)
• t مدت زمان عبور جریان (بر حسب ثانیه)

توان الکتریکی و قانون ژول:

با تقسیم کردن مقدار گرما (انرژی) بر زمان، می‌توان توان الکتریکی (P) مصرف شده در رسانا را به دست آورد:

P = Q/T 

همچنین با استفاده از قانون اهم (V = IR)، می‌توان فرمول‌های دیگری برای توان الکتریکی به دست آورد:

P = VI 

اهمیت و کاربردهای قانون ژول:

قانون ژول یک اصل اساسی در علم الکتریسیته است و کاربردهای فراوانی دارد، از جمله:

• طراحی وسایل گرمایشی الکتریکی: از جمله بخاری‌های برقی، اتوها، توسترها و المنت‌های گرمایشی. در این وسایل، از
• مقاومت‌های الکتریکی با مقدار مناسب برای تولید گرمای مورد نظر استفاده می‌شود.
• محاسبه تلفات انرژی در سیم‌ها و مدارهای الکتریکی: عبور جریان از هر رسانایی با مقاومت همراه است و باعث تولید گرما و اتلاف انرژی می‌شود. قانون ژول به مهندسان کمک می‌کند تا این تلفات را محاسبه و در طراحی سیستم‌های انتقال و توزیع برق بهینه سازی کنند.
• فیوزها: فیوزها قطعات محافظتی در مدارهای الکتریکی هستند که بر اساس اثر گرمایی جریان عمل می‌کنند. هنگامی که جریان از حد مجاز فراتر رود، گرمای تولید شده در فیوز باعث ذوب شدن سیم نازک آن و قطع مدار می‌شود.
• روشنایی: در لامپ‌های رشته‌ای قدیمی، عبور جریان از فیلامنت تنگستن با مقاومت بالا باعث گرم شدن آن و تابش نور می‌شود.

برخی از تعاریف دیگر ژول:

• کار لازم برای جابجایی یک کولن بار الکتریکی در اختلاف پتانسیل الکتریکی یک ولت.
• کار لازم برای متراکم کردن گازی با فشار یک پاسکال به اندازهٔ یک متر مکعب.
• کار لازم برای تولید توان یک واتی به مدت یک ثانیه.
  
  

رابطه ژول و سایر یکاها

ژول (Joule) به عنوان یکای اندازه‌گیری انرژی و کار در سیستم بین‌المللی یکاها (SI)، با سایر یکاها ارتباط تنگاتنگی دارد. در اینجا به برخی از این ارتباطات اشاره می‌کنیم:

1. ژول و نیوتن متر (N·m):

 یک ژول برابر است با کار انجام شده توسط نیروی یک نیوتن که جسمی را یک متر در جهت اعمال نیرو جابجا می‌کند.

بنابراین:

• 1 ژول = 1 نیوتن × متر (N·m)
  

2. ژول و وات ثانیه (W·s):

وات یکای توان است و ثانیه یکای زمان. توان به معنای نرخ انجام کار است.

بنابراین:

• 1 ژول = 1 وات × ثانیه (W·s)
  

3. ژول و کالری:

کالری یکای قدیمی‌تر انرژی است که بیشتر در مباحث مربوط به گرما و تغذیه استفاده می‌شود.

•  1 کالری ≈ 4.186 ژول
  

4. ژول و الکترون ولت (eV):

الکترون ولت یکای انرژی است که در فیزیک اتمی و ذرات زیراتمی کاربرد دارد.

• 1 الکترون ولت ≈ 1.602 × 10^-19 ژول
  

5. ژول و ارگ:

ارگ یکای انرژی در سیستم cgs است.

• 1 ژول = 10^7 ارگ
  

نکات مهم:

• با وجود اینکه بُعد (دیمانسیون) ژول با نیوتن-متر یکی است ‎(1 J = 1 N·m = 1 kg·m2·s−2)‎ اما بهتر است ایندو را بجای یکدیگر بکار نبریم، چراکه نیتون-متر (N·m) یکای گشتاور است اما ژول واحد انرژیست.
• این ارتباطات به ما کمک می‌کنند تا انرژی را در واحدهای مختلف اندازه‌گیری و تبدیل کنیم.

هر ژول چند کالری است ؟

برای تبدیل ژول به کالری، باید بدانید که کالری و ژول هر دو واحدهای اندازه‌گیری انرژی هستند، اما با مقیاس‌های متفاوت.

تعریف کالری و ژول:

• کالری (cal): مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک گرم آب به اندازه یک درجه سلسیوس است.

• ژول (J): واحد استاندارد انرژی در سیستم بین‌المللی یکاها (SI) است.

رابطه بین ژول و کالری:

• 
  به طور تقریبی، 1 کالری برابر با 4.184 ژول است.
• بنابراین، برای تبدیل ژول به کالری، باید مقدار ژول را بر 4.184 تقسیم کنید.

محاسبه:

• اگر بخواهیم بدانیم هر ژول چند کالری است، باید 1 را بر 4.184 تقسیم کنیم که نتیجه تقریباً 0.239 کالری می‌شود.
• یعنی: 1 ژول ≈ 0.239 کالری
  
  

نکات مهم:
در مباحث تغذیه، معمولاً از «کیلوکالری» (kcal) استفاده می‌شود که برابر با 1000 کالری است.
این تبدیل‌ها تقریبی هستند و مقدار دقیق آنها ممکن است کمی متفاوت باشد.

قانون ژول و کار

جریانی که از یک مدار می‌گذرد، می‌تواند اثرهای گوناگونی ایجاد کند. علاوه بر گرم کردن رساناها، این جریان می‌تواند تبدیلهای شیمیایی یا جابجایی عقربه مغناطیسی را باعث شود. در این مورد جریان الکتریکی ، کار انجام می‌دهد. در آزمایشهایی که توسط ژول و لنز انجام شد، جریان از رساناهای ساکن می‌گذشت. به این دلیل ، تنها نتیجه عبور جریان گرم کردن این رساناها بود. بنا بر قانون بقای انرژی ، تمام کار انجام شده توسط جریان به گرما تبدیل می‌شد.

می‌توان کار انجام شده توسط نیروهای الکتریکی را موقع گذشتن جریان از رسانا به آسانی محاسبه کرد. اگر اختلاف پتانسیل دو انتهای رسانا را با U نشان دهیم، کار انجام شده برای انتقال واحد بار از داخل رسانا از نظر عددی با U برابر است. در صورتی که مقدار بار الکتریکی ، q برابر شود، کار انجام شده نیز q مرتبه بزرگتر می‌شود. اگر بر اثر عبور جریان I در مدت زمان t ، بار q انتقال یافته باشد () در آن صورت کار انجام شده برابر خواهد بود. بنابراین نتیجه می‌گیریم که اگر جسم رسانا ساکن باشد، در این صورت کار انجام شده توسط جریان کاملا به گرما تبدیل می‌شود.

بیان قانون ژول برحسب توان الکتریکی

اگر کار انجام شده توسط جریان را در فاصله زمانی معین بدانیم، می‌توانیم توان جریان را محاسبه کنیم. توان در حالت کلی به صورت کار انجام شده در واحد زمان تعریف می‌شود. بنابراین اگر توان الکتریکی را با P نشان دهیم، چون کار انجام شده توسط جریان در جسم رسانای ساکن کلا به گرما تبدیل می‌شود، لذا توان الکتریکی جریان مستقیم در هر رسانایی با حاصل‌ضرب ولتاژ (اختلاف پتانسیل) دو سر رسانا در جریان الکتریکیی که از آن عبور می‌کند، برابر است.

آزمایش قانون ژول فیزیک یازدهم

قانون ژول، یکی از مباحث مهم در فیزیک یازدهم، به بررسی رابطه بین گرمای تولید شده در یک رسانای الکتریکی و عوامل مؤثر بر آن می‌پردازد. آزمایش قانون ژول به شما کمک می‌کند تا این رابطه را به صورت عملی مشاهده و درک کنید.

هدف آزمایش:

• بررسی و تأیید قانون ژول
• اندازه‌گیری گرمای تولید شده در یک رسانای الکتریکی
• بررسی تأثیر عوامل مختلف (جریان، مقاومت، زمان) بر گرمای تولید شده
  

مواد و وسایل مورد نیاز:

• منبع تغذیه DC
• آمپرسنج
• ولت‌سنج
• مقاومت الکتریکی
• گرماسنج
• دماسنج
• سیم‌های رابط
• آب مقطر
  

مراحل انجام آزمایش:

• آماده‌سازی مدار:
• مدار الکتریکی را مطابق شکل کتاب درسی یا راهنمای آزمایش ببندید.
• مقاومت الکتریکی را داخل گرماسنج قرار دهید.
• گرماسنج را با مقدار مشخصی آب مقطر پر کنید.
• دماسنج را داخل گرماسنج قرار دهید.

اندازه‌گیری اولیه:

• دمای اولیه آب را ثبت کنید.
• جریان الکتریکی را از مدار عبور دهید.
• همزمان با عبور جریان، زمان را ثبت کنید.
  

اندازه‌گیری نهایی:

• پس از گذشت مدت زمان مشخص، جریان را قطع کنید.
  دمای نهایی آب را ثبت کنید.

محاسبات:

• مقدار گرمای تولید شده (Q) را با استفاده از رابطه Q = mcΔT محاسبه کنید.
• مقدار گرمای تولید شده را با استفاده از قانون ژول (Q = I²Rt) نیز محاسبه کنید.
• نتایج حاصل از دو روش را با یکدیگر مقایسه کنید.
  

نکات مهم:

• برای دقت بیشتر، از دماسنج با دقت بالا استفاده کنید.
• برای کاهش اتلاف گرما، گرماسنج را عایق‌بندی کنید.
• مقدار جریان و زمان را طوری انتخاب کنید که تغییرات دما قابل اندازه‌گیری باشد.
• این آزمایش را چند بار با مقادیر متفاوت جریان، مقاومت و زمان انجام دهید و نتایج را ثبت کنید.

قانون ژول:

• قانون ژول بیان می‌کند که گرمای تولید شده در یک رسانای الکتریکی با مجذور جریان الکتریکی، مقاومت رسانا و زمان عبور جریان رابطه مستقیم دارد.
  

اهمیت آزمایش:

• این آزمایش به شما کمک می‌کند تا:
• مفهوم قانون ژول را به صورت عملی درک کنید.
• اهمیت عوامل مؤثر بر گرمای تولید شده را مشاهده کنید.
• مهارت‌های عملی خود در اندازه‌گیری و محاسبات را تقویت کنید.
• امیدوارم این توضیحات برای شما مفید باشد.

 

آزمایش قانون ژول به روش گرماسنجی

آزمایش قانون ژول به روش گرماسنجی، آزمایشی است که برای بررسی رابطه بین گرمای تولید شده توسط یک رسانای الکتریکی و جریان الکتریکی عبوری از آن، مقاومت رسانا و زمان عبور جریان انجام می‌شود. در این آزمایش، از گرماسنج برای اندازه‌گیری گرمای تولید شده استفاده می‌شود.

مواد و وسایل مورد نیاز:

• منبع تغذیه DC
• آمپرسنج
• ولت‌سنج
• مقاومت الکتریکی
• گرماسنج
• دماسنج
• سیم‌های رابط
• آب مقطر
  

روش انجام آزمایش:

• ابتدا مدار الکتریکی را مطابق شکل زیر ببندید.
• مقاومت الکتریکی را داخل گرماسنج قرار دهید.
• گرماسنج را با مقدار مشخصی آب مقطر پر کنید.
• دماسنج را داخل گرماسنج قرار دهید و دمای اولیه آب را ثبت کنید.
• جریان الکتریکی را از مدار عبور دهید و همزمان با آن، زمان عبور جریان را نیز ثبت کنید.
• پس از گذشت مدت زمان مشخص، جریان الکتریکی را قطع کنید و دمای نهایی آب را ثبت کنید.
  

مقدار گرمای تولید شده توسط مقاومت الکتریکی را با استفاده از رابطه زیر محاسبه کنید:

• Q = mcΔT
• که در آن:
• Q مقدار گرمای تولید شده (ژول)
• m جرم آب (کیلوگرم)
• c ظرفیت گرمایی ویژه آب (4186 ژول بر کیلوگرم درجه سلسیوس)
• ΔT تغییرات دما (درجه سلسیوس)
  

مقدار گرمای تولید شده را با استفاده از قانون ژول نیز محاسبه کنید:

• Q = I²Rt
• که در آن:
• I جریان الکتریکی (آمپر)
• R مقاومت الکتریکی (اهم)
• t زمان عبور جریان (ثانیه)

نتایج حاصل از دو روش را با یکدیگر مقایسه کنید.

نکات مهم:

• برای دقت بیشتر در اندازه‌گیری دما، از دماسنج با دقت بالا استفاده کنید.
• برای کاهش اتلاف گرما، گرماسنج را عایق بندی کنید.
• مقدار جریان الکتریکی و زمان عبور جریان را به گونه‌ای انتخاب کنید که تغییرات دما قابل اندازه‌گیری باشد.
• این آزمایش را چند بار با مقادیر مختلف جریان الکتریکی، مقاومت و زمان تکرار کنید و نتایج را ثبت کنید.
• با انجام این آزمایش، می‌توانید قانون ژول را به طور عملی بررسی کنید و رابطه بین گرمای تولید شده و عوامل مؤثر بر آن را مشاهده کنید.