Apabila arus elektrik mengalir melalui perintang, sebahagian tenaga elektrik dipindahkan kepada bahan sebagai tenaga dalaman. Akibatnya, suhu perintang boleh meningkat. Fenomena ini dikenali sebagai kesan Joule atau pemanasan rintangan. Ia digunakan dengan sengaja dalam cerek elektrik, pembakar roti dan elemen pemanas, tetapi ia juga menjadi sumber kehilangan tenaga dalam kabel dan peralatan elektrik.
Medan elektrik memindahkan tenaga kepada bahan apabila arus mengalir
Medan elektrik melakukan kerja pada pembawa cas yang bergerak melalui bahan. Dalam pengalir biasa, pembawa cas kerap berinteraksi dengan struktur bahan. Tenaga yang dibekalkan oleh medan tidak semestinya muncul sebagai peningkatan berterusan halaju hanyutan. Sebaliknya, sebahagian tenaga dipindahkan kepada getaran dan gerakan mikroskopik bahan, lalu meningkatkan tenaga dalaman dan akhirnya suhu jika haba tidak dibuang pada kadar yang sama.
Kadar pemanasan berkait dengan kuasa elektrik
Kuasa elektrik pada sesuatu komponen ialah kadar pemindahan tenaga. Secara umum, kuasa bagi komponen dua terminal berkait dengan hasil darab beza keupayaan merentasinya dan arus yang melaluinya, iaitu P = IV. Bagi perintang ohmik, gabungan hubungan ini dengan Hukum Ohm menunjukkan bahawa kuasa lesapan bertambah dengan kuasa dua arus apabila rintangan dikekalkan. Dengan V = IR, P = IV = I²R = V²/R; bentuk I²R sesuai apabila arus diketahui, manakala V²/R sesuai apabila voltan merentasi perintang itu diketahui. Sebab itu peningkatan arus yang sederhana boleh menaikkan kadar pemanasan dengan ketara.
Kesan yang sama boleh berguna atau membazirkan tenaga
Dalam elemen pemanas, bahan dan geometri dipilih supaya pemanasan rintangan berlaku pada kadar yang dikehendaki. Dalam talian penghantaran kuasa, pemanasan kabel ialah kehilangan yang perlu dikurangkan. Bagi kuasa penghantaran yang sama, meningkatkan voltan membolehkan arus dikurangkan. Oleh sebab kehilangan pemanasan dalam kabel bergantung kuat pada arus, penghantaran pada voltan tinggi membantu mengurangkan tenaga yang hilang sebagai haba.
Contoh cerek: cerek 2.0 kW pada 230 V mengambil arus I = P/V = 2000/230 ≈ 8.7 A, dan rintangan elemennya R = V²/P = 230²/2000 ≈ 26 Ω. Dalam 3 minit (180 s), tenaga yang dipindahkan ialah 2000 × 180 = 360 kJ. Jika rintangan diubah: pada voltan 230 V, perintang 26 Ω memberi kira-kira 2.0 kW manakala 52 Ω memberi kira-kira 1.0 kW, tetapi pada arus tetap 8.7 A, 26 Ω memberi kira-kira 2.0 kW dan 52 Ω memberi kira-kira 4.0 kW.
Contoh talian: untuk menghantar 1 MW melalui talian berintangan 5 Ω (anggaran, litar arus terus yang ringkas), pada 10 kV arus ialah I = P/V = 1 × 10⁶/10 000 = 100 A, jadi kehilangan I²R = 100² × 5 = 50 kW, kira-kira 5% daripada kuasa. Pada 100 kV, I = 10 A dan kehilangan I²R = 10² × 5 = 500 W, kira-kira 0.05%. Menaikkan voltan sepuluh kali ganda mengurangkan arus sepuluh kali ganda dan kehilangan talian seratus kali ganda. Kehilangan talian dikira dengan I²R menggunakan arus talian, bukan V²/R dengan voltan penghantaran, kerana hanya sebahagian kecil voltan itu jatuh merentasi talian.
Suhu sendiri boleh mengubah rintangan
Rintangan banyak bahan berubah apabila suhu berubah. Dalam logam biasa, rintangan lazimnya meningkat apabila suhu naik dalam julat operasi tertentu. Oleh itu, pemanasan Joule boleh mengubah arus dan kadar pemanasan seterusnya. Analisis sebenar peralatan elektrik perlu mengambil kira cara haba dipindahkan ke persekitaran melalui konduksi, perolakan dan sinaran, bukan hanya kuasa elektrik yang masuk.
Sejarah ringkas
James Prescott Joule melaporkan hubungan antara arus, rintangan dan haba pada 1840 hingga 1841. Heinrich Lenz mencapai keputusan yang sama secara bebas pada 1842, jadi hubungan ini juga dikenali sebagai hukum Joule-Lenz.
Bagaimana kita mengetahui hal ini?
Apakah kesan Joule?