மின்னோட்டத்தின் வெப்ப விளைவு

மின்னோட்டத்தின் வெப்ப விளைவு

ஒரு மின்தடையாக்கியின் வழியாக மின்னோட்டம் பாயும் போது, மின்தடையாக்கிக்கு அளிக்கப்படும் மின்னாற்றலில் சிறிதளவு வெப்ப ஆற்றலாக மாற்றப்பட்டு வீணாகிறது. மின்னோட்டத்தின் இந்த வெப்பவிளைவே ஜுல் வெப்ப விளைவு எனப்படும். மின்னோட்டம் எவ்வாறு வெப்ப ஆற்றலை ஏற்படுத்துகிறதோ அதேபோல் வெப்ப ஆற்றலை தகுந்த முறையில் பயன்படுத்தி மின்னியக்கு விசையை (மின் ஆற்றல்) பெற முடியும். இதுவே வெப்ப மின் விளைவு எனப்படும்.

1. ஜுலின் விதி

ஒரு கடத்தியின் குறுக்கே உள்ள V எனும் மின்னழுத்த வேறுபாட்டினால்  என்ற மின்னோட்டம் t நேரத்திற்கு பாய்கிறது எனில், மின்கலத்தொகுப்பினால் செய்யப்பட்ட வேலை அல்லது பயன்படுத்தப்படும் மின்னழுத்த ஆற்றல்

புற விளைவுகள் ஏதும் இல்லையெனில், இந்த ஆற்றல் கடத்தியை வெப்பப்படுத்த பயன்படும். இதன் மூலம் உருவாகும் வெப்ப ஆற்றல் (H) ஆனது 

கடத்தியில் மின்தடை R இருந்தால்,

இந்த தொடர்பு ஜுல் என்பவரால் சோதனை முறையில் சரிபார்க்கப்பட்டது. எனவே இது ஜுல் வெப்ப விதி எனப்படும். ஜுலின் விதிப்படி, ஒரு மின்சுற்றில் மின்னோட்டம் பாய்வதால் உருவாக்கப்படும் வெப்பமானது

(i) மின்னோட்டத்தின் இருமடிக்கு நேர்த்தகவிலும்

(ii) மின்சுற்றின் மின்தடைக்கு நேர்த்தகவிலும்

(iii) மின்னோட்டம் பாயும் நேரத்திற்குநேர்த்தகவிலும் அமையும்

எடுத்துக்காட்டு 2.27

10Ω மின்தடையாக்கி வழியாக 5 A மின்னோட்டம் 5 நிமிட நேரம் பாய்வதால் தோன்றும் வெப்ப ஆற்றலின் மதிப்பை காண்க.

தீர்வு

R = 10 Ω, I = 5A, t = 5 நிமிடங்க ள் = 5x 60S

H = I² Rt

= 5² X 10 X 5X 60

= 25X 10 X 300

= 25 X 3000

= 75000 J (அல்லது) 75 Kj

2. ஜுல் வெப்ப விதியின் பயன்பாடுகள்

1. மின் சூடேற்றிகள்

படம் 2.30 காட்டியுள்ள மின் இஸ்திரிபெட்டி, மின் சூடேற்றி, ரொட்டி சுடும் மின்கருவி முதலியன மின்னோட்டத்தின் வெப்ப விளைவை பயன்படுத்தும் வீட்டு உபயோகச் சாதனங்களாகும். இந்த சாதனங்களில் சூடேற்றும் கம்பியானது நிக்கல் மற்றும் குரோமியத்தின் உலோகக் கலவையான நிக்ரோமினால் ஆனது. நிக்ரோமின் மின்தடை எண் மிக அதிகம். மேலும் இதனை ஆக்ஸினேற்றம் அடையாமலே மிக அதிக வெப்பநிலைக்கு வெப்பப்படுத்த முடியும்.

எடுத்துக்காட்டு 2.28

10 Ω மின்தடை கொண்ட மின் சூடேற்றி 220 V மின்திறன் மூலத்துடன் இணைக்கப்பட்டு 1 kg நிறையுள்ள நீரில் மூழ்க வைக்கப்பட்டுள்ளது. நீரின் வெப்பநிலையை 30°C லிருந்து 60°C க்கு உயர்த்த மின் சூடேற்றி எவ்வளவு நேரத்திற்கு இயக்கப்பட வேண்டும்?

(நீரின் தன்வெப்ப ஏற்புத்திறன் S = 4200 J kg^-1K^-1)

தீர்வு

ஜுலின் வெப்ப விதிப்படி H = I² Rt

மின் சூடேற்றி வழியேபாயும்மின்னோட்டம் = 220V/10Ω = 22A

மின் சூடேற்றி 1 விநாடியில் உற்பத்தி செய்யும் வெப்பம் H = I² R

H = (22)² x 10 = 4840 J = 4.84 kJ.

உண்மையில் இந்த மின் சூடேற்றியின் திறன் மதிப்பு 4.84 k W ஆகும்.

1kg நிறையுள்ள நீரின் வெப்பநிலையை 30°C லிருந்து 60°C க்கு உயர்த்த தேவைப்படும் வெப்ப ஆற்றலின் அளவு

Q= ms ∆T (பார்க்க வகுப்பு XI தொகுதி 2, அலகு 8)

இங்கு m = 1 kg.

s=4200 J kg^-1K^-1, ∆T = 30 K,

எனவே Q = 1 x 4200 x 30 = 126 kJ

இந்த வெப்ப ஆற்றலை தோற்றுவிக்கத் தேவைப்படும் நேரம்

t= Q/I²R= 126x10³/4840 ≈ 26.03S

2. மின் உருகிக் கம்பிகள்

அதிகமான அளவுமின்னோட்டம்மின் சாதனங்கள் வழியாக பாயும் போது தோன்றும் வெப்பத்தினால் அவை பாதிக்கப்படாமல் இருக்க தொடரிணைப்பில் மின் உருகிகள் படம் (2.31) இல் காட்டியுள்ளவாறு இணைக்கப்படுகின்றன. மின் உருகிக் கம்பிகள் என்பது மிகக் குறைந்த நீளமுள்ள குறைவான உருகுநிலை கொண்ட பொருளாலானவை. மின்னோட்டத்தின் அளவு குறிப்பிட்ட மதிப்பைவிட அதிகரிக்கும்போது இவை உருகி மின் சுற்றை திறந்த சுற்றாக்கும். 15Aக்கு குறைவாக மின்னோட்டம் செல்லும் மின்சுற்றுகளில் காரீயம் (Lead) மற்றும் வெள்ளீயத்தினால் (Tin) ஆன உலோகக்கலவை மின் உருகு இழையாக பயன்படுத்தப்படுகிறது. 15 Aக்கு அதிகமான மின்னோட்டம் செல்லும் மின்சுற்றுகளில் தாமிரக்கம்பிகள் மின் உருகு இழையாக பயன்படுத்தப்படுகிறது.

இந்த மின் உருகு இழையில் உள்ள குறைபாடு என்னவென்றால் மின்னோட்டம் குறிப்பிட்ட அளவை விட அதிகரிக்கும்போது உருகி எரிந்து விடுவதால் அதனை மாற்ற வேண்டிய அவசியம் ஏற்படுகிறது.

தற்போது நமது வீடுகளில் மின் உருகிகளுக்கு பதிலாக மின்சுற்று துண்டிப்பான்கள் (Trippers) பயன்படுகின்றன. தவறான மின் இணைப்புகள் அல்லது அளவுக்கு அதிகமான மின்னோட்டம் மின்சுற்றில் பாயும் போது மின் துண்டிப்பான்களின் சாவி மின் சுற்றை திறந்துவிடும். பின்னர் மின்சுற்றின் பழுதை நீக்கியவுடன், நாம் மின் துண்டிப்பானின் சாவியை மூடி விடலாம். இதனை படம் 2.32 இல் தெரிந்து கொள்ளலாம்.

3. மின் உலைகள்

படம் 2.33 ல் காட்டியுள்ள உலைகள் எஃகு, சிலிக்கான் கார்பைடு, குவார்ட்ஸ், கேலியம் ஆர்சினைடு போன்ற தொழில் நுட்ப முக்கியத்துவம் வாய்ந்த பல பொருட்களை உருவாக்க பயன்படுத்தப்படுகின்றன. 1500°C வெப்பநிலை வரை உருவாக்க மாலிப்டினம்நிக்கல் கம்பி சுற்றப்பட்ட சிலிக்கா குழாய் பயன்படுகின்றது. கார்பன் வில் உலைகள் (Carbon arc furnaces) சுமார் 3000°C வெப்பநிலை வரை உருவாக்க பயன்படுகின்றன.

4. மின் விளக்குகள்

மின் விளக்குகளில் டங்க்ஸ்டன் இழைகள் (உருகுநிலை 3380°C) கண்ணாடி குடுவைகளில் வைக்கப்பட்டு மின்னோட்டம் மூலம் மீ உயர் வெப்பநிலைக்கு சூடேற்றப்படுகின்றன. மின் விளக்குகளில் (Incandesent lamp) 5% மட்டுமே மின் ஆற்றல் ஒளியாக மாற்றப்படுகிறது. மீதமுள்ள ஆற்றல் வெப்பமாக வீணாகிறது. மின்னிறக்க விளக்குகள் (Discharge lamp), மின் பற்றவைத்தல் (வெல்டிங்), மின் வில் போன்றவை மின்னோட்டத்தின் வெப்பவிளைவை பயன்டுத்துகின்றன. இதனை படம் 2.34ல் காணலாம்.