जूल तापन

इलेक्ट्रिक टोस्टर से कुंडलित ताप तत्व, जो लाल से पीले रंग की गरमागरमता दिखाता है

जूल तापन (जिसे प्रतिरोधक, प्रतिरोध या ओमिक तापन के रूप में भी जाना जाता है) वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक संवाहक के माध्यम से विद्युत प्रवाह का प्रवाह ऊष्मा उत्पन्न करता है।

जूल का पहला नियम (केवल जूल का नियम भी), जिसे पूर्व यूएसएसआर के देशों में जूल-लेन्ज़ कानून के रूप में भी जाना जाता है, बताता है कि किसी विद्युत चालक द्वारा उत्पन्न ताप की शक्ति उसके प्रतिरोध के गुणनफल और धारा के वर्ग के बराबर होती है। जूल तापन पूरे विद्युत चालक को प्रभावित करता है, पेल्टियर प्रभाव के विपरीत जो ताप को एक विद्युत जंक्शन से दूसरे विद्युत जंक्शन तक स्थानांतरित करता है।

$$P=I^{2}R$$

जूल-तापन या प्रतिरोधक-तापन का उपयोग कई उपकरणों और औद्योगिक प्रक्रिया में किया जाता है। वह भाग जो विद्युत को ऊष्मा में परिवर्तित करता है उसे तापन तत्व कहा जाता है।

इतिहास

जेम्स प्रेस्कॉट जूल ने पहली बार दिसंबर 1840 में रॉयल सोसाइटी की कार्यवाही में एक सार प्रकाशित किया था, जिसमें सुझाव दिया गया था कि विद्युत प्रवाह द्वारा ऊष्मा उत्पन्न की जा सकती है। जूल ने पानी के एक निश्चित द्रव्यमान में एक लंबाई के तार को डुबोया और 30 मिनट की अवधि के लिए तार के माध्यम से प्रवाहित होने वाली ज्ञात धारा के कारण तापमान में वृद्धि को मापा। धारा और तार की लंबाई को अलग-अलग करके उन्होंने यह निष्कर्ष निकाला कि उत्पन्न ऊष्मा डूबे हुए तार के विद्युत प्रतिरोध से गुणा किए गए धारा के वर्ग के समानुपाती होती है।

1841 और 1842 में, बाद के प्रयोगों से पता चला कि उत्पन्न ऊष्मा की मात्रा टेम्पलेट उत्पन्न करने वाले वोल्टाइक पाइल में उपयोग की जाने वाली रासायनिक ऊर्जा के समानुपाती थी। इसने जूल को ऊष्मा के यांत्रिक सिद्धांत (जिसके अनुसार ऊष्मा ऊर्जा का दूसरा रूप है) के पक्ष में कैलोरी सिद्धांत (उस समय का प्रमुख सिद्धांत) को अस्वीकार करने के लिए प्रेरित किया।

प्रतिरोधक तापन का स्वतंत्र रूप से 1842 में हेनरिक लेनज़ द्वारा अध्ययन किया गया था।

ऊर्जा की एसआई इकाई को बाद में जूल नाम दिया गया और प्रतीक J दिया गया। शक्ति की सामान्य रूप से ज्ञात इकाई, वाट, एक जूल प्रति सेकंड के बराबर है।

सूक्ष्म विवरण

See also: विद्युत प्रतिरोधकता एवं चालकता, बहाव का वेग, and ड्रूड मॉडल

जूल तापन आवेश वाहकों (सामान्यतः इलेक्ट्रॉनों) और संवाहक के शरीर के बीच परस्पर क्रिया के कारण होता है।

किसी चालक के दो बिंदुओं के बीच संभावित अंतर (वोल्टेज) एक विद्युत क्षेत्र बनाता है जो विद्युत क्षेत्र की दिशा में आवेश वाहकों को गति देता है, जिससे उन्हें गतिज ऊर्जा मिलती है। जब आवेशित कण चालक में अर्ध-कणों से टकराते हैं (अर्थात क्रिस्टल के हार्मोनिक सन्निकटन में विहित रूप से परिमाणित, आयनिक जाली दोलन), तो ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों से जाली में स्थानांतरित हो रही है (आगे जाली दोलनों के निर्माण द्वारा)। आयनों का दोलन विकिरण ("थर्मल ऊर्जा") का मूल है जिसे एक विशिष्ट प्रयोग में मापा जाता है।

विद्युत की हानि और रव

जूल तापन को ओम के नियम से संबंध के कारण ओमिक तापन या प्रतिरोधक तापन कहा जाता है। यह इलेक्ट्रिक तापन से जुड़े बड़ी संख्या में व्यावहारिक अनुप्रयोगों का आधार बनता है। हालाँकि, ऐसे अनुप्रयोगों में जहां तापन वर्तमान उपयोग का एक अवांछित उप-उत्पाद है (उदाहरण के लिए, विद्युत ट्रांसफार्मर में लोड हानि) ऊर्जा के विचलन को प्रायः प्रतिरोधक हानि के रूप में जाना जाता है। इलेक्ट्रिक पावर ट्रांसमिशन सिस्टम में उच्च वोल्टेज का उपयोग विशेष रूप से कम धाराओं के साथ संचालन करके केबलिंग में ऐसे नुकसान को कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यूके के घरों में उपयोग किए जाने वाले रिंग परिपथ, या रिंग मेन, एक और उदाहरण हैं, जहां विद्युत को कम धाराओं (प्रति तार, समानांतर में दो पथों का उपयोग करके) पर आउटलेट तक पहुंचाया जाता है, जिससे तारों में जूल तापन कम हो जाती है। अतिचालक पदार्थों में जूल तापन नहीं होता है, क्योंकि अतिचालक अवस्था में इन सामग्रियों का विद्युत प्रतिरोध शून्य होता है।

प्रतिरोधक विद्युतीय शोर उत्पन्न करते हैं, जिसे जॉनसन-नाइक्विस्ट शोर कहा जाता है। जॉनसन-नाइक्विस्ट शोर और जूल तापन के बीच एक अंतरंग संबंध है, जो उतार-चढ़ाव-अपव्यय प्रमेय द्वारा समझाया गया है।

सूत्र

प्रत्यक्ष धारा

जूल तापन के लिए सबसे बुनियादी सूत्र सामान्यीकृत शक्ति समीकरण है:

$$P=I(V_{A}-V_{B})$$

जहाँ

• $P$ विद्युत ऊर्जा (प्रति इकाई समय ऊर्जा) को विद्युत ऊर्जा से तापीय ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है,
• $I$ अवरोधक या अन्य तत्व के माध्यम से प्रवाहित होने वाली धारा है,
• $V_{A}-V_{B}$ तत्व में वोल्टेज घटाव है।

इस सूत्र की व्याख्या ($P=IV$) है:

(प्रति इकाई समय में नष्ट हुई ऊर्जा) = (प्रति इकाई समय में प्रतिरोधक से गुजरने वाला आवेश) × (प्रति इकाई समय में गुजरने वाले आवेश के अनुसार ऊर्जा खत्म हो गई)

यह मानते हुए कि तत्व एक आदर्श अवरोधक के रूप में व्यवहार करता है और शक्ति पूरी तरह से ऊष्मा में परिवर्तित हो जाती है, सूत्र को सामान्यीकृत शक्ति समीकरण में ओम के नियम $V=IR$ को प्रतिस्थापित करके फिर से लिखा जा सकता है:

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

जहाँ R विद्युत प्रतिरोध और चालकता है।

प्रत्यावर्ती धारा

Main article: प्रत्यावर्ती धारा

जब धारा बदलती रहती है, जैसा कि एसी परिपथ में होता है,

$$P(t)=U(t)I(t)$$

जहाँ t समय है और P विद्युत ऊर्जा से ताप में परिवर्तित होने वाली तात्कालिक शक्ति है। बहुत अधिक बार, औसत शक्ति तात्कालिक शक्ति से अधिक रुचिकर होती है:

$$P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}=I_{\text{rms}}^{2}R=U_{\text{rms}}^{2}/R$$

जहां औसत एक या अधिक चक्रों पर अंकगणित माध्य | औसत (माध्य) को दर्शाता है, और आरएमएस मूल माध्य वर्ग को दर्शाता है।

ये सूत्र शून्य विद्युत प्रतिक्रिया वाले एक आदर्श अवरोधक के लिए मान्य हैं। यदि प्रतिक्रिया शून्य नहीं है, तो सूत्र संशोधित होते हैं:

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

जहाँ $\phi$ धारा और वोल्टेज के बीच चरण अंतर है, $\operatorname {Re}$ मतलब वास्तविक भाग, Z विद्युत प्रतिबाधा है, और Y* प्रवेश का जटिल संयुग्म है (1/Z* के बराबर)।

प्रतिक्रियाशील स्थिति में अधिक विवरण के लिए, AC पॉवर∆0} देखें

विभेदक रूप

जूल तापन की गणना स्पेस में किसी विशेष स्थान पर भी की जा सकती है। जूल तापन समीकरण का विभेदक रूप प्रति इकाई आयतन शक्ति देता है।

$${\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E}$$

यहाँ, $\mathbf {J}$ वर्तमान घनत्व है, और $\mathbf {E}$ विद्युत क्षेत्र है। चालकता वाले पदार्थ के लिए $\sigma$, $\mathbf {J} =\sigma \mathbf {E}$ और इसलिए

$${\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} =\mathbf {J} \cdot \mathbf {J} \rho ={\frac {1}{\sigma }}J^{2}$$

जहाँ $\rho =1/\sigma$ प्रतिरोधकता है. यह सीधे तौर पर मिलता जुलता $I^{2}R$ स्थूल रूप की अवधि है।

हार्मोनिक स्थिति में, जहां सभी फ़ील्ड मात्राएं कोणीय आवृत्ति $\omega$ के साथ बदलती रहती हैं जैसा $e^{-\mathrm {i} \omega t}$, जटिल मूल्यवान चरण ${\hat {\mathbf {J} }}$ और ${\hat {\mathbf {E} }}$ सामान्यतः क्रमशः वर्तमान घनत्व और विद्युत क्षेत्र की तीव्रता के लिए प्रस्तुत किया जाता है। जूल तापन तब पढ़ता है

$${\frac {\mathrm {d} P}{\mathrm {d} V}}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {E} }}^{*}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {J} }}^{*}\rho ={\frac {1}{2}}J^{2}/\sigma ,$$

जहाँ $\bullet ^{*}$ जटिल संयुग्म को दर्शाता है।

विद्युत का उच्च-वोल्टेज प्रत्यावर्ती धारा संचरण

Main article: इलेक्ट्रिक पॉवर ट्रांसमिशन हाई-वोल्टेज पॉवर ट्रांसमिशन का लाभ

See also: ट्रांसफार्मर and धाराओं का वृद्धि

ओवरहेड विद्युत लाइनें विद्युत ऊर्जा को विद्युत उत्पादकों से उपभोक्ताओं तक स्थानांतरित करती हैं। उन विद्युत लाइनों में गैर-शून्य प्रतिरोध होता है और इसलिए वे जूल तापन के अधीन होते हैं, जो ट्रांसमिशन हानि का कारण बनता है।

ट्रांसमिशन घाटे (ट्रांसमिशन लाइनों में जूल तापन) और लोड (उपभोक्ता को दी गई उपयोगी ऊर्जा) के बीच विद्युत का विभाजन एक वोल्टेज विभक्त द्वारा अनुमानित किया जा सकता है। ट्रांसमिशन घाटे को कम करने के लिए, लाइनों का प्रतिरोध लोड (उपभोक्ता उपकरणों के प्रतिरोध) की तुलना में जितना संभव हो उतना छोटा होना चाहिए। तांबे के कंडक्टरों के उपयोग से लाइन प्रतिरोध को कम किया जाता है, लेकिन उपभोक्ता उपकरणों के प्रतिरोध और विद्युत आपूर्ति विनिर्देश तय किए जाते हैं।

सामान्यतः, एक ट्रांसफार्मर लाइनों और उपभोग के बीच रखा जाता है। जब प्राथमिक सर्किट (ट्रांसफार्मर से पहले) में एक उच्च-वोल्टेज, कम तीव्रता वाली धारा को द्वितीयक सर्किट (ट्रांसफार्मर के बाद) में कम-वोल्टेज, उच्च-तीव्रता वाली धारा में परिवर्तित किया जाता है, तो द्वितीयक सर्किट का समतुल्य प्रतिरोध अधिक हो जाता है। और ट्रांसमिशन हानियां अनुपात में कम हो गईं।

धाराओं के युद्ध के दौरान, डीसी इंस्टॉलेशन की तुलना में, एसी इंस्टॉलेशन, ट्रांसमिशन लाइनों में उच्च वोल्टेज की कीमत पर, जूल तापन द्वारा लाइन हानि को कम करने के लिए ट्रांसफार्मर का उपयोग कर सकते हैं।

अनुप्रयोग

जूल-तापन या प्रतिरोधक-तापन का उपयोग कई उपकरणों और औद्योगिक प्रक्रिया में किया जाता है। वह भाग जो विद्युत को ऊष्मा में परिवर्तित करता है, तापन तत्व कहलाता है।

कई व्यावहारिक उपयोगों में से हैं:

• तापदीप्त प्रकाश बल्ब तब चमकता है जब तापीय विकिरण (जिसे ब्लैकबॉडी विकिरण भी कहा जाता है) के कारण फिलामेंट को जूल तापन द्वारा गर्म किया जाता है।
• फ़्यूज़ (विद्युत) का उपयोग सुरक्षा के रूप में किया जाता है, यदि इन्हें पिघलाने के लिए पर्याप्त विद्युत धारा प्रवाहित हो तो यह पिघलकर परिपथ को तोड़ देते हैं।
• इलेक्ट्रॉनिक सिगरेट जूल तापन द्वारा प्रोपलीन ग्लाइकोल और वनस्पति ग्लिसरीन को वाष्पीकृत करती है।
• एकाधिक तापन उपकरण जूल तापन का उपयोग करते हैं, जैसे विद्युत का स्टोव , इलेक्ट्रिक तापन, सोल्डरिंग आयरन, कारतूस हीटर ।
• कुछ खाद्य प्रसंस्करण उपकरण जूल तापन का उपयोग कर सकते हैं: खाद्य सामग्री (जो एक विद्युत अवरोधक के रूप में व्यवहार करता है) के माध्यम से विद्युत धारा प्रवाहित करने से भोजन के अंदर ऊष्मा निकलती है। खाद्य के प्रतिरोध के साथ संयुक्त विद्युत धारा के कारण ऊष्मा उत्पन्न होती है। उच्च प्रतिरोध से उत्पन्न ऊष्मा बढ़ जाती है। ओमिक तापन से खाद्य उत्पादों को तेजी से और समान रूप से गर्म किया जा सकता है, जिससे गुणवत्ता बनी रहती है। उच्च प्रतिरोध के कारण कणीय उत्पाद तेजी से गर्म होते हैं (पारंपरिक ताप प्रसंस्करण की तुलना में)।

खाद्य प्रसंस्करण

जूल तापन एक फ्लैश पाश्चराइजेशन (जिसे उच्च तापमान शॉर्ट-टाइम (एचटीएसटी) के रूप में भी जाना जाता है) सड़न रोकने वाली प्रक्रिया है जो भोजन के माध्यम से 50-60 हर्ट्ज प्रत्यावर्ती धारा चलाती है। भोजन के विद्युत प्रतिरोध से ऊष्मा उत्पन्न होती है। जैसे-जैसे उत्पाद को गर्म किया जाता है, विद्युत चालकता रैखिक रूप से बढ़ती है। उच्च धारा आवृत्ति सबसे अच्छी है क्योंकि यह ऑक्सीकरण और धातु संदूषण को कम करती है। यह गर्म करने की विधि उन खाद्य पदार्थों के लिए सर्वोत्तम है जिनमें उच्च प्रतिरोधक गुणों के कारण कमजोर नमक वाले माध्यम में निलंबित कण होते हैं।

पदार्थ संश्लेषण, पुनर्प्राप्ति और प्रसंस्करण

फ्लैश जूल तापन (क्षणिक उच्च तापमान इलेक्ट्रोथर्मल तापन) का उपयोग ग्राफीन और हीरे सहित कार्बन के अलॉट्रोप को संश्लेषित करने के लिए किया गया है। विभिन्न ठोस कार्बन फीडस्टॉक (कार्बन ब्लैक, कोयला, कॉफी के मैदान, आदि) को 10-150 मिलीसेकंड के लिए ~3000 K के तापमान पर गर्म करने से टर्बोस्ट्रेटिक ग्राफीन फ्लेक्स का उत्पादन होता है। एफजेएच का उपयोग औद्योगिक कचरे से आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रयुक्त दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों को पुनर्प्राप्त करने के लिए भी किया गया है। फ़्लोरिनेटेड कार्बन स्रोत से प्रारम्भ करके, फ़्लोरिनेटेड सक्रिय कार्बन, फ़्लोरिनेटेड नैनोडायमंड, संकेंद्रित कार्बन (नैनोडायमंड कोर के चारों ओर कार्बन शेल), और फ़्लोरिनेटेड फ़्लैश ग्राफीन को संश्लेषित किया जा सकता है।

जूल तापन अनुप्रयोग

• 

  एक तापदीप्त प्रकाश बल्ब का फिलामेंट प्रकाश उत्सर्जित कर रहा है

• 

  इंफ्रारेड-थर्मल इमेज एक प्रकाश बल्ब की

• 

  स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप द्वारा बढ़ाया गया बल्ब फिलामेंट

• 

  30 किलोवाट प्रतिरोध हीटिंग कॉइल्स

• 

  इलेक्ट्रिक रेडियेटिव स्पेस हीटर

• 

  छोटा घरेलू विसर्जन हीटर, 500 डब्ल्यू

• 

  एस्प्रेसो मशीन से मुड़ा हुआ ट्यूबलर ताप तत्व

• 

  प्रयोगशाला जल स्नान का उपयोग गर्म तापमान पर प्रतिक्रियाओं के लिए किया जाता है

• 

  विद्युत टेबलटॉप हॉटप्लेट

• 

  प्रयोगशाला हॉट प्लेट उच्च तापमान पर प्रतिक्रियाओं के लिए उपयोग की जाती है

• 

  कपड़ों की इस्त्री का उपयोग कपड़ों से सिलवटें हटाने के लिए किया जाता है

• 

  सोल्डरिंग आयरन, जिसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक कार्य में सोल्डर को पिघलाने के लिए किया जाता है

• 

  पोर्टेबल पंखा हीटर, जिसका उपयोग कमरे को गर्म करने के लिए किया जाता है

• 

  हेयर ड्रायर, गर्म वायु प्रवाह उत्पन्न करता है

• 

  कार्ट्रिज हीटर चमकता हुआ लाल-गर्म

• 

  लचीला पीटीसी प्रवाहकीय रबर से बना हीटर

ताप दक्षता

Main article: विद्युत तापन

ऊष्मा को आंतरिक ऊर्जा या समानार्थक तापीय ऊर्जा के साथ भ्रमित नहीं किया जाना चाहिए। यद्यपि वे ऊष्मा से घनिष्ठ रूप से जुड़े हुए हैं, फिर भी वे विशिष्ट भौतिक मात्राएँ हैं।

एक तापन तकनीक के रूप में, जूल तापन का प्रदर्शन गुणांक 1.0 है, जिसका अर्थ है कि आपूर्ति की गई प्रत्येक जूल विद्युत ऊर्जा एक जूल ऊष्मा उत्पन्न करती है। इसके विपरीत, एक ऊष्मा पम्प का गुणांक 1.0 से अधिक हो सकता है क्योंकि यह अतिरिक्त तापीय ऊर्जा को पर्यावरण से गर्म वस्तु तक ले जाता है।

तापन प्रक्रिया की दक्षता की परिभाषा के लिए सिस्टम की सीमाओं को परिभाषित करने पर विचार करना आवश्यक है। किसी भवन को गर्म करते समय, मीटर के ग्राहक की ओर से वितरित विद्युत ऊर्जा की प्रति इकाई ताप प्रभाव पर विचार करते समय समग्र दक्षता अलग होती है, जबकि बिजली संयंत्र और बिजली के संचरण में होने वाले नुकसान पर भी विचार करते समय समग्र दक्षता भिन्न होती है।

हाइड्रोलिक समतुल्य

Main article: डार्सी का नियम

भूजल प्रवाह के ऊर्जा संतुलन में जूल के नियम के हाइड्रोलिक समतुल्य का उपयोग किया जाता है:

$${\frac {dE}{dx}}={\frac {v_{x}^{2}}{K}}$$

जहाँ:

• $dE/dx$ = प्रति इकाई समय (एम/दिन) $x$-दिशा में प्रवाह के घर्षण के कारण हाइड्रोलिक ऊर्जा ($E$) की हानि, $P$ के बराबर।
• $v_{x}$ = $x$-दिशा में प्रवाह वेग (एम/दिन), $I$ के तुलनीय।
• $K$ = मिट्टी की हाइड्रोलिक चालकता (एम/दिन), हाइड्रोलिक चालकता हाइड्रोलिक प्रतिरोध के विपरीत आनुपातिक है जो $R$ की तुलना में है।

यह भी देखें

• प्रतिरोध तार
• ताप तत्व
• निक्रोम
• टंगस्टन
• मोलिब्डेनम डिसिलिसाइड
• अति ताप (विद्युत)
• थर्मल प्रबंधन (इलेक्ट्रॉनिक्स)
• प्रेरण ऊष्मन
• परावैद्युत तापन