Joulesches Gesetz

Das Joulesche Gesetz, benannt nach James Prescott Joule, beschreibt den Zusammenhang zwischen der durch einen Stromfluss in einem Leiter erzeugten Wärme und der dissipierten elektrischen Energie. Laut dem Jouleschen Gesetz ist die durch einen Stromfluss durch einen Leiter erzeugte Wärme direkt proportional zum Quadrat des Stroms, dem Widerstand des Leiters und der Zeitdauer des Stromflusses. Mathematisch lässt sich das Joulesche Gesetz ausdrücken als: Joule’sche Erwärmung = I² . R . t, wobei I der durch das Material fließende Strom (in Ampere, A), R der Widerstand des Materials (in Ohm, Ω) und t die Zeit, in der der Strom durch das Material fließt (in Sekunden, s), ist.

Berechnung der Joule’schen Erwärmung

Um die durch einen Stromfluss durch ein Material mit Widerstand erzeugte Joule’sche Erwärmung zu berechnen, müssen die Werte von I, R und t bekannt sein. Anschließend wird die oben genannte Formel verwendet, um die erzeugte Wärme zu bestimmen. Beispielsweise wird bei einem Strom von 2 Ampere, der 5 Sekunden lang durch einen Widerstand von 10 Ohm fließt, eine Joule’sche Erwärmung von 200 Joule erzeugt: Joule’sche Erwärmung = 2² . 10 . 5 = 200 Joule.

Anwendungen des Jouleschen Gesetzes

Das Joulesche Gesetz findet vielfältige Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Technik und Wissenschaft. Einige gängige Anwendungen der Joule’schen Erwärmung umfassen:

Elektrische Heizung: In elektrischen Heizgeräten, Bügeleisen, Toastern und anderen Haushaltsgeräten wird die Joule’sche Erwärmung genutzt, um Wärme zu erzeugen.
Industrielle Heizung: In der Industrie wird die Joule’sche Erwärmung zum Schmelzen und Schweißen von Metallen, zum Erhitzen von Öfen und zum Trocknen von Materialien eingesetzt.
Elektrische Schaltkreise: In elektrischen Schaltkreisen kann die Joule’sche Erwärmung auftreten, was zu einer Erwärmung von Widerständen und anderen elektrischen Komponenten führen kann. In einigen Fällen muss diese Wärme abgeleitet werden, um Schäden an den Komponenten zu verhindern.
Elektronik: In der Elektronik wird die Joule’sche Erwärmung für lokalisierte Heizanwendungen wie Löten und Bonden genutzt.
Medizinische Anwendungen: In der Medizin wird die Joule’sche Erwärmung bei der Elektrochirurgie eingesetzt, wo elektrische Energie zum Schneiden oder Koagulieren von Gewebe verwendet wird.

Beispiele für Joule’sche Erwärmung

Hier sind fünf Beispiele für den Widerstand in Ohm verschiedener Haushaltsgeräte:

Glühlampe: Der Widerstand einer Glühlampe variiert je nach ihrer Leistung und Spannung. Eine 60-Watt-Lampe für eine 120-Volt-Stromversorgung hat beispielsweise einen Widerstand von etwa 240 Ohm.
Elektrische Heizung: Eine elektrische Heizung hat typischerweise einen Widerstand von 10 Ohm bis zu mehreren hundert Ohm, je nach Größe und Leistung. Eine kleine 1.500-Watt-Heizung für eine 120-Volt-Stromversorgung hat beispielsweise einen Widerstand von etwa 10 Ohm.
Elektroherd: Die Heizelemente eines Elektroherds haben Widerstände von 10 bis 100 Ohm, je nach Größe und Leistung. Ein typisches 8-Zoll-Kochfeld eines Elektroherds hat beispielsweise einen Widerstand von etwa 20 Ohm.
Elektrisches Bügeleisen: Ein elektrisches Bügeleisen hat typischerweise einen Widerstand von 10 bis 30 Ohm, abhängig von seiner Größe und Leistung. Ein typisches 1.500-Watt-Bügeleisen für eine 120-Volt-Stromversorgung hat beispielsweise einen Widerstand von etwa 10 Ohm.
Elektrischer Toaster: Die Heizelemente eines elektrischen Toasters haben Widerstände von 10 bis 50 Ohm, je nach Größe und Leistung. Ein typischer Toaster für zwei Scheiben hat beispielsweise Heizelemente mit einem kombinierten Widerstand von etwa 20 Ohm.