ஜூல் வெப்பமாக்கல் விதி

ஜூல் வெப்பமாக்குதல் (Joule heating) என்பது ஒரு கடத்தி மூலம் மின்சாரம் பாயும்போது வெப்பம் உண்டாகும் முறையாகும். இது ஓமிக் வெப்பமாக்குதல் மற்றும் மின் தடை வெப்பமாக்குதல் என்றும் அழைக்கப்படுகிறது. முதலில் இதனை ஜேம்ஸ் பிரிஸ்காட் ஜூல் 1841ம் ஆண்டு ஆய்வு செய்தார். ஜூல் ஒரு நீண்ட கம்பியை குறிப்பிட்ட நிறையுள்ள தண்ணீரில் மூழ்கவைத்து, அதன் வழியே குறிப்பிட்ட மின்னோட்டத்தை 30 நிமிடங்கள் செலுத்தி, அதன் வெப்பநிலை உயர்வை கணக்கிட்டார். மின்சாரம் மற்றும் கம்பியின் நீளத்தை மாற்றியபொழுது உருவாக்கப்பட்ட வெப்பத்தின் அளவானது மின்னோட்டத்தின் இரு மடியையும் கம்பியின் மின் தடையையும் பெருக்கி வரும் அளவிற்கு நேர் விகிதத்தில் இருப்பதாக ஊகித்தார்.

$Q\propto I^{2}\cdot R$

இந்த உறவு ஜூலின் முதல் விதி என அழைக்கப்படுகிறது. ஆற்றலின் SI அலகு ஜூல் என பெயரிடப்பட்டு. J என்ற குறியீடு கொடுக்கப்பட்டது. பொதுவாக அறியப்பட்ட ஆற்றலின் அலகு வாட் ஒரு ஜூல்/வினாடிக்கு சமமாகும்.

ஜூல் வெப்பமாக்குதல் என்பது மின்சாரத்தை உருவாக்கும் நகரும் துகள்களுக்கும் (பொதுவாக எலெக்ட்ரான்கள்), கடத்திகளில் உள்ள அனு அயனிகளுக்கு இடையே ஏற்படும் இடைவினை என தற்போது அறியப்படுகிறது. ஒரு மின்சுற்றில் உள்ள மின்னுட்டம் செய்யப்பட்ட துகள்கள் மின்புலத்தினால் விரைவு படுத்தப்பட்டு, அதன் இயக்கசக்தியின்ஒரு பகுதியை அயநிகளுடன் மோதும் பொழுது அயநிகளுக்கு கொடுக்கிறது. அயனிகளின் இயக்க அல்லது அதிர்வு சக்தி அதிகம் ஆகும் பொழுது அது வெப்பமாக வெளிப்பட்டு கடத்தியின் வெப்பநிலை உயர்கிறது. ஆகவே ஆற்றலானது மின்சார விநியோகத்திலிருந்து கடத்திக்கும் வெப்ப தொடர்பில் உள்ள மற்ற பொருட்களுக்கும் மாற்றப்படுகிறது.

ஜூல் வெப்பமாக்குதல் ஓம் விதியுடன் தொடர்பின் காரணமாக ஓம் வெப்பமாக்குதல் அல்லது தடை வெப்பமாக்குதல் என அழைக்கப்படுகிறது. இதுவே மின்சார வெப்பமாக்குதல் பற்றிய அனேக நடைமுறை பயன்பாடுகளுக்கு அடிப்படை ஆகிறது. எனினும், வெப்பமூட்டம் என்பது வேண்டப்படாத உப பொருளாக இருக்கும் பயன்பாடுகளில் (உ-ம் மின்மாற்றிகளில் சுமை இழப்பு), ஆற்றல் மாற்று தடை நஷ்டம் என அழைக்கப்படுகிறது. மின்சாரம் அனுப்பும் அமைப்புகளில் அதிக மின் அழுதத்தில் குறைந்த மீன்னோட்டம் செலுத்தி இழப்பீடு குறைக்கப்படுகிறது. உதாரணத்திற்கு வீட்டில் உபயோகப்படுத்தப்படும் ரிங் சர்கியுட்களில்(ring circuit) மின் திறன்னானது குறைந்த மின் ஓட்டத்தில் வெளி இடங்களுக்கு செலுத்தப்பட்டு கடத்திகளில் ஜூல் வெப்பமக்குதல் குறைக்கப்படுகிறது. மீக்கடத்துத்திறன் உடைய பொருட்களை உபயோகித்து ஜூல் வெப்பமக்குதளை தவிர்க்க முடியும்.

ஜான்சன்-நைகுயிஸ்ட் சத்தத்திற்கும்(Johnson–Nyquist noise) ஜுல் வேப்பமக்குதலுக்கும் இடையே நெருங்கிய தொடர்பு உள்ளது. இதனை ஃப்ளக்குடுவேஷன்-டிசிப்பேஷன் தேற்றம்(fluctuation-dissipation theorem) விவரிக்கிறது.

நேர் மின்னோட்டம்

ஜூல் வெப்பமக்குதளுக்கு மிகவும் பொதுவான மற்றும் அடிப்படையான சூத்திரம்:

$P=VI$

இதில் P மின்திறன்(ஆற்றல் ஓர் அலகு நேரத்தில்) மின்னாற்றலில் இருந்து வெப்ப ஆற்றலாக மாற்றப்பட்டது, I மின்தடையாக்கி யில் பாயும் மின்னோட்டம், V மின்தடையாக்கிக் குறுக்கே உள்ள மின்னழுத்த குறைவு. இந்த சூத்திரத்தின் விளக்கம் (P = VI):

(ஓரலகு நேரத்தில் வீணாக்கப்பட்ட மின்சக்தி) = (மின்தடையாக்கி வழியாக செல்லும் ஓர் அலகு மின்னூட்டத்திர்க்கு வீனாக்கப்பட்ட ஆற்றல் ) × (மின்கடத்தி வழியாக ஓர் அலகு நேரத்தில் பாயும் மின்னூட்டம் ) ஓமின் விதியை பயன்படுத்தும் பொழுது, சூத்திரத்தை சமமான வடிவத்தில் எழுதலாம்:

$P=IV=I^{2}R=V^{2}/R$

R என்பது மின்தடை.

மாறுதிசை மின்னோட்டம்

மாறுதிசை மின்னோட்ட சுற்றுகளில் மின்னோட்டம் மாறும் பொழுது,

$P(t)=I(t)V(t)$

t நேரம் மற்றும் P உடனடியாக மின்னாற்றலில் இருந்து வெப்ப ஆற்றலாக மாற்றப்படும் மின்திறன். மிகவும் பொதுவாக, சராசரி உடனடி மின்திறனை காட்டிலும் சராசரி மின்திறன் உபயோகப்படும்:

அங்கு "avg" என்பது ஒன்று அல்லது மேற்பட்ட சுற்றுருகளின் சராசரி என்றாகும் "RMS" ரூட் மீன் ச்குயரை(root mean square) குறிக்கும். இந்த சூத்திரங்கள் பூஜ்யம் ரியாக்டன்ஸ் உள்ள மிந்தடைக்குரியது. ரியாக்டன்ஸ் பூஜியமாக இல்லாவிட்டால் மாற்றபட்ட சூத்திரம்:

$P_{avg}=I_{rms}V_{rms}\cos \phi =I_{rms}^{2}\operatorname {Re} (Z)=V_{rms}^{2}\operatorname {Re} (Y^{*})$

அங்கு \phi மின்னோட்டத்திற்கும் மின்னழுதத்திற்கும், இடையே உள்ள பேஸ் வித்தியாசம் ,\operatorname{Re} உண்மையான பகுதி, Z சிக்கலான மின்மறுப்பு ஆகும், மற்றும் Y * அட்மிட்டன்சின் காம்ப்ளெக்ஸ் கான்ஜூகேட் (1 / Z *). ஆகும்.

மின்சாரம் உயர் மின்னழுத்ததில் பரப்புவதற்கான காரணம்

மேல்நிலை மின்கம்பிகளில் ஜூல் வெப்பமாக்குதல் குறைப்பதற்காக உயர் மின்னழுத்தம் மின் பரப்புதலில் உபயோகப்படுகிறது. அறிய மின்னாற்றல்லானது வாடிக்கையாளர்களுக்கு மட்டுமே அன்றி மின் கம்பிகள் தேவையற்ற வகையில் வெப்பப்படுவதற்கு அல்ல. இவ்வகையான ஜூல் சூtaக்கம் ஒரு வகை மின் பரப்புதல் நஷ்டம் என அழைக்கப்படுகின்றது. மின் உற்பத்தி நிலையம் ஒரு குறிப்பிட்ட மின்னாற்றலை P_load மின் கம்பிகள் மூலம் செலுத்த விரும்புகிறது. (P_load என்பது மின் உற்பத்தி நிலையம் உட்பட்ட பகுதிகளில் உபயோகப்படுத்தப் படும் மின் ஆற்றல் ஆகும். ஒரே அளவுள்ள மின்னாற்றலை உயர் மின்னழுத்தம், குறைந்த மின்னோட்டத்திலும் அல்லது குறைந்த மின் அழுத்தம் அதிக மின்னோடத்திலும் செலுத்த முடியும். மின்மாற்றிகள் ஒரு முறையிலிருந்து அடுத்த முறைக்கு நிலை மாற்றிகள் மூலம் மாற்றமுடியும்.

என்பதால் குறைந்த மின்னோட்டத்தில் அதிக மின் அழுத்தத்தை உபயோகித்து மின் பரப்புதலில் ஜூல் வெப்பமக்குதலை குறைப்பது சிறந்த வழியாகும். மின் தொகுப்பில் உயர் மின் அழுத்தம் உபயோகிப்பதை இது விவரிக்கிறது.

P=VI என்பது உயர் மின்னழுத்தம் மின் பரப்புதல் நஷ்டத்தை அதிகமாக்குவதாக தவறாக உணர்த்துகிறது. எனினும் சரியான V உபயோகிக்கனும். V என்பது மின் கம்பியின் இரு முனைகளுக்கு இடையே உள்ள மின்னழுத்த குறைபாடு ஆகும்.

பயன்பாடுகள்

• வெள்ளொளிர்வு விளக்குகளின் இழைகள் ஜூல் வெப்பமாக்குதல் காரணமாக ஒளிர்கிறது.
• மின் அடுப்பு மற்றும் மின் சூடாக்கி ஜூல் வெப்பமக்குதல் முறையில் வேலை செய்கின்றன.
• சாலிடரிங் அயர்ன் மற்றும் கார்ற்றிட்ஜ் ஹீட்டர்கள் பெரும்பாலுமாக ஜூல் வெப்பமூட்டும் வழியே சூடாக்கப்படுகிறது.

சுய வெப்பமூட்டும் தெர்மிஸ்டர்கள்

தெர்மிஸ்டர்கள்(thermistor) மற்றும் மின்தடையாக்கி வெப்பமானிகள் வெப்பநிலைக்கு ஏற்றவாறு மின் தடை மாறும். இவைகள் சில சமையங்களில் ஜூல் வெப்பமாக்குதளுடன் சேர்ந்து உபயோகப்பட்துதப்படுகின்றன. மின்தடையாக்கி வழியாக அதிக மின்னோட்டம் பாயும் பொழுது அதன் வெப்பநிலை அதிகரித்து அதன் மின் தடை மாறுகிறது.ஆகவே இப்பகுதிகளை ,மின்சுட்ட்ருகளை காப்பதற்காக உருகிகள் போன்றும் மின்சுட்ட்ருகளில் பின்நூட்டாகவும் உபயோகிக்களாம். பொதுவாக, சுய வெப்பமூட்டும் ஒரு மின்தடையாக்கி யை நேரியலற்ற மற்றும் ஹைச்டேறேடிக் (hysteretic) சுற்று உறுப்பாக மாற்றலாம்.

வெப்ப திறன்

வெப்பத் தொழில்நுட்பப்படி, ஜூல் வெப்பமாக்குதல் செயல் திறன் குணகம் 1. அதாவது ஒரு வாட் மின் திறன் ஒரு வாட் வெப்பமாக மாற்றப்படுகிறது. வெப்ப எக்கியின் குணகம் ஒன்றுக்கு மேற்பட்டு இருக்கலாம். ஏனென்றால் இது வெப்ப ஆற்றலை சுற்றுப்புறத்தில் இருந்தும் எடுத்துக்கொள்கிறது.

குறிப்புதவி

• Google Books Link Electric power systems: a conceptual introduction by Alexandra von Meier, p67, Google books link