जूल तापन



जूल हीटिंग, जिसे प्रतिरोधक, प्रतिरोध या ओमिक हीटिंग के रूप में भी जाना जाता है, वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक कंडक्टर (सामग्री) के माध्यम से विद्युत प्रवाह के पारित होने से गर्मी पैदा होती है।

जूल का पहला कानून (केवल जूल का कानून भी), जिसे पूर्व सोवियत संघ के देशों में जूल-लेन्ज़ कानून के रूप में भी जाना जाता है, बताता है कि एक विद्युत चालक द्वारा उत्पन्न ताप की शक्ति (भौतिकी) उसके विद्युत प्रतिरोध और संचालन के उत्पाद और धारा के वर्ग के बराबर होती है: $$P = I^2 R $$ जूल हीटिंग पूरे विद्युत कंडक्टर को प्रभावित करता है, पेल्टियर प्रभाव के विपरीत जो गर्मी को एक विद्युत जंक्शन से दूसरे में स्थानांतरित करता है।

इतिहास
जेम्स प्रेस्कॉट जूल ने पहली बार दिसंबर 1840 में रॉयल सोसाइटी की कार्यवाही में एक सार प्रकाशित किया, जिसमें सुझाव दिया गया कि गर्मी विद्युत प्रवाह द्वारा उत्पन्न की जा सकती है। जूल ने तार की एक लंबाई को पानी के एक निश्चित द्रव्यमान में डुबोया और 30 मिनट की अवधि के लिए तार के माध्यम से प्रवाहित होने वाली ज्ञात धारा के कारण तापमान में वृद्धि को मापा। करंट और तार की लंबाई को अलग-अलग करके उन्होंने यह निष्कर्ष निकाला कि उत्पन्न गर्मी डूबे हुए तार के विद्युत प्रतिरोध से गुणा किए गए करंट के वर्ग (बीजगणित) के आनुपातिक (गणित) थी। 1841 और 1842 में, बाद के प्रयोगों से पता चला कि उत्पन्न गर्मी की मात्रा टेम्पलेट उत्पन्न करने वाले वोल्टाइक ढेर में प्रयुक्त रासायनिक ऊर्जा के समानुपाती थी। इसके कारण जूल ने ऊष्मा के यांत्रिक सिद्धांत (जिसके अनुसार ऊष्मा ऊर्जा का दूसरा रूप है) के पक्ष में कैलोरी सिद्धांत (उस समय का प्रमुख सिद्धांत) को अस्वीकार कर दिया।

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

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

सूक्ष्म विवरण
जूल तापन आवेश वाहकों (आमतौर पर इलेक्ट्रॉनों) और कंडक्टर के शरीर के बीच परस्पर क्रिया के कारण होता है।

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

बिजली की हानि और शोर
ओम के नियम|ओम के नियम से संबंध के कारण जूल हीटिंग को ओमिक हीटिंग या प्रतिरोधी हीटिंग के रूप में जाना जाता है। यह विद्युत तापन से जुड़े बड़ी संख्या में व्यावहारिक अनुप्रयोगों का आधार बनता है। हालाँकि, ऐसे अनुप्रयोगों में जहां हीटिंग वर्तमान उपयोग का एक अवांछित उप-उत्पाद है (उदाहरण के लिए, विद्युत ट्रांसफार्मर में लोड हानि) ऊर्जा के मोड़ को अक्सर प्रतिरोधक हानि के रूप में जाना जाता है। विद्युत पारेषण प्रणालियों में उच्च वोल्टेज का उपयोग विशेष रूप से कम धाराओं के साथ संचालन करके केबलिंग में इस तरह के नुकसान को कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यूके के घरों में उपयोग किए जाने वाले रिंग सर्किट, या रिंग मेन, एक और उदाहरण हैं, जहां बिजली को कम धाराओं पर आउटलेट तक पहुंचाया जाता है (प्रति तार, समानांतर में दो पथों का उपयोग करके), इस प्रकार तारों में जूल हीटिंग को कम किया जाता है। अतिचालकता वाली सामग्रियों में जूल तापन नहीं होता है, क्योंकि अतिचालकता अवस्था में इन सामग्रियों का विद्युत प्रतिरोध शून्य होता है।

प्रतिरोधक विद्युत शोर पैदा करते हैं, जिसे जॉनसन-नाइक्विस्ट शोर कहा जाता है। जॉनसन-नाइक्विस्ट शोर और जूल हीटिंग के बीच एक घनिष्ठ संबंध है, जिसे उतार-चढ़ाव-अपव्यय प्रमेय द्वारा समझाया गया है।

प्रत्यक्ष धारा
जूल हीटिंग के लिए सबसे बुनियादी सूत्र सामान्यीकृत शक्ति समीकरण है: $$P = I (V_{A} - V_{B})$$ कहाँ
 * $$P$$ 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:

यह मानते हुए कि तत्व एक आदर्श अवरोधक के रूप में व्यवहार करता है और शक्ति पूरी तरह से गर्मी में परिवर्तित हो जाती है, ओम के नियम को प्रतिस्थापित करके सूत्र को फिर से लिखा जा सकता है, $$V = I R $$, सामान्यीकृत शक्ति समीकरण में: $$P = IV = I^2R = V^2/R$$ जहाँ R विद्युत प्रतिरोध और चालकता है।

प्रत्यावर्ती धारा
जब करंट बदलता है, जैसा कि एसी सर्किट में होता है, $$P(t) = U(t) I(t)$$ जहां t समय है और P विद्युत ऊर्जा से ऊष्मा में परिवर्तित होने वाली तात्कालिक शक्ति है। बहुत अधिक बार, औसत शक्ति तात्कालिक शक्ति की तुलना में 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:

$$P_{\rm avg} = U_\text{rms}I_\text{rms}\cos\phi = I_\text{rms}^2 \operatorname{Re}(Z) = U_\text{rms}^2 \operatorname{Re}(Y^*)$$ कहाँ $$\phi$$ 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 मामले में अधिक विवरण के लिए, AC पॉवर∆0} देखें

विभेदक रूप
जूल हीटिंग की गणना अंतरिक्ष में किसी विशेष स्थान पर भी की जा सकती है। जूल हीटिंग 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 वाली सामग्री के लिए $$\sigma$$, $$\mathbf{J}=\sigma \mathbf{E}$$ और इसलिए $$\frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}V} = \mathbf{J} \cdot \mathbf{E} = \mathbf{J} \cdot \mathbf{J}\rho = \frac{1}{\sigma} J^2$$ कहाँ $$\rho = 1/\sigma$$ प्रतिरोधकता है. यह सीधे तौर पर मिलता जुलता है$$I^2R$$स्थूल रूप की अवधि.

हार्मोनिक मामले में, जहां सभी फ़ील्ड मात्राएं कोणीय आवृत्ति के साथ बदलती रहती हैं $$\omega$$ जैसा $$e^{-\mathrm{i} \omega t}$$, जटिल मूल्यवान चरण $$\hat\mathbf{J}$$ और $$\hat\mathbf{E}$$ आमतौर पर क्रमशः वर्तमान घनत्व और विद्युत क्षेत्र की तीव्रता के लिए पेश किया जाता है। जूल हीटिंग तब पढ़ता है $$\frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}V} = \frac{1}{2}\hat\mathbf{J} \cdot \hat\mathbf{E}^* = \frac{1}{2}\hat\mathbf{J} \cdot \hat\mathbf{J}^*\rho = \frac{1}{2}J^2/\sigma,$$ कहाँ $$\bullet^*$$ जटिल संयुग्म को दर्शाता है।

बिजली का उच्च-वोल्टेज प्रत्यावर्ती धारा संचरण
ओवरहेड विद्युत लाइनें विद्युत उत्पादकों से उपभोक्ताओं तक विद्युत ऊर्जा स्थानांतरित करती हैं। उन बिजली लाइनों में गैर-शून्य प्रतिरोध होता है और इसलिए वे जूल हीटिंग के अधीन होते हैं, जिससे ट्रांसमिशन हानि होती है।

ट्रांसमिशन हानियों (ट्रांसमिशन लाइनों में जूल हीटिंग) और लोड (उपभोक्ता को वितरित उपयोगी ऊर्जा) के बीच बिजली का विभाजन एक वोल्टेज विभक्त द्वारा अनुमानित किया जा सकता है। ट्रांसमिशन हानियों को कम करने के लिए, लाइनों का प्रतिरोध लोड (उपभोक्ता उपकरणों का प्रतिरोध) की तुलना में जितना संभव हो उतना छोटा होना चाहिए। तांबे तांबे का कंडक्टर के उपयोग से लाइन प्रतिरोध को कम किया जाता है, लेकिन उपभोक्ता उपकरणों के प्रतिरोध और बिजली आपूर्ति विनिर्देश निश्चित होते हैं।

आमतौर पर, एक ट्रांसफार्मर लाइनों और खपत के बीच रखा जाता है। जब प्राथमिक सर्किट (ट्रांसफार्मर से पहले) में 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 हानियाँ अनुपात में कम हो जाती हैं।

धाराओं के युद्ध के दौरान, प्रत्यावर्ती धारा संस्थापन, प्रत्यक्ष धारा संस्थापन की तुलना में, ट्रांसमिशन लाइनों में उच्च वोल्टेज की कीमत पर, जूल हीटिंग द्वारा लाइन हानि को कम करने के लिए ट्रांसफार्मर का उपयोग कर सकते हैं।

अनुप्रयोग
जूल-हीटिंग या प्रतिरोधक-हीटिंग 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 हीटिंग 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 सर्किट को तोड़ देते हैं।
 * इलेक्ट्रॉनिक सिगरेट जूल हीटिंग द्वारा प्रोपलीन ग्लाइकोल और वनस्पति ग्लिसरीन को वाष्पीकृत करती है।
 * एकाधिक हीटिंग उपकरण जूल हीटिंग का उपयोग करते हैं, जैसे बिजली का स्टोव, इलेक्ट्रिक हीटिंग, सोल्डरिंग आयरन,  कारतूस हीटर ।
 * कुछ खाद्य प्रसंस्करण उपकरण जूल हीटिंग का उपयोग कर सकते हैं: खाद्य सामग्री (जो एक विद्युत अवरोधक के रूप में व्यवहार करती है) के माध्यम से करंट प्रवाहित करने से भोजन के अंदर गर्मी निकलती है। भोजन के प्रतिरोध के साथ मिलकर प्रत्यावर्ती विद्युत धारा गर्मी उत्पन्न करने का कारण बनती है। उच्च प्रतिरोध से उत्पन्न ऊष्मा बढ़ जाती है। ओमिक हीटिंग खाद्य उत्पादों को तेजी से और समान रूप से गर्म करने की अनुमति देता है, जिससे गुणवत्ता बनी रहती है। उच्च प्रतिरोध के कारण पार्टिकुलेट वाले उत्पाद तेजी से गर्म होते हैं (पारंपरिक ताप प्रसंस्करण की तुलना में)।

खाद्य प्रसंस्करण
जूल हीटिंग एक फ़्लैश पाश्चुरीकरण  (जिसे उच्च तापमान शॉर्ट-टाइम (एचटीएसटी) भी कहा जाता है) सड़न रोकने वाली प्रक्रिया है जो भोजन के माध्यम से 50-60 हर्ट्ज की प्रत्यावर्ती धारा चलाती है। भोजन के विद्युत प्रतिरोध के माध्यम से गर्मी उत्पन्न होती है। जैसे-जैसे उत्पाद गर्म होता है, विद्युत चालकता रैखिक रूप से बढ़ती है। उच्च विद्युत धारा आवृत्ति सर्वोत्तम है क्योंकि यह ऑक्सीकरण और धातु संदूषण को कम करती है। यह हीटिंग विधि उन खाद्य पदार्थों के लिए सर्वोत्तम है जिनमें उनके उच्च प्रतिरोधी गुणों के कारण कमजोर नमक युक्त माध्यम में निलंबित कण होते हैं।

सामग्री संश्लेषण, पुनर्प्राप्ति और प्रसंस्करण
फ्लैश जूल हीटिंग (क्षणिक उच्च तापमान इलेक्ट्रोथर्मल हीटिंग) का उपयोग ग्राफीन और हीरे सहित कार्बन के एलोट्रोप्स को संश्लेषित करने के लिए किया गया है। विभिन्न ठोस कार्बन फीडस्टॉक्स (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 दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों के लिए भी किया गया है#रीसाइक्लिंग और आरईई का पुन: उपयोग|आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों को पुनर्प्राप्त करें परिपत्र अर्थव्यवस्था. फ़्लोरिनेटेड कार्बन स्रोत से शुरुआत करके, फ़्लोरिनेटेड सक्रिय कार्बन, फ़्लोरिनेटेड nanodiamond, गाढ़ा कार्बन (नैनोडायमंड कोर के चारों ओर कार्बन शेल), और फ़्लोरिनेटेड फ़्लैश ग्राफीन को संश्लेषित किया जा सकता है।

ताप दक्षता
ऊष्मा को आंतरिक ऊर्जा या पर्यायवाची तापीय ऊर्जा के साथ भ्रमित नहीं किया जाना चाहिए। गर्मी से घनिष्ठ रूप से जुड़े होने के बावजूद, वे अलग-अलग भौतिक मात्राएँ हैं।

एक हीटिंग तकनीक के रूप में, जूल हीटिंग का प्रदर्शन गुणांक 1.0 है, जिसका अर्थ है कि आपूर्ति की गई विद्युत ऊर्जा का प्रत्येक जूल एक जूल गर्मी पैदा करता है। इसके विपरीत, एक ताप पंप का गुणांक 1.0 से अधिक हो सकता है क्योंकि यह पर्यावरण से अतिरिक्त तापीय ऊर्जा को गर्म वस्तु तक ले जाता है।

हीटिंग प्रक्रिया की दक्षता की परिभाषा पर विचार करने के लिए सिस्टम की सीमाओं को परिभाषित करने की आवश्यकता होती है। किसी भवन को गर्म करते समय, मीटर के ग्राहक की ओर से वितरित विद्युत ऊर्जा की प्रति इकाई हीटिंग 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 अलग होती है।

हाइड्रोलिक समतुल्य
भूजल ऊर्जा संतुलन में जूल के नियम के हाइड्रोलिक समकक्ष का उपयोग किया जाता है: $$ \frac{dE}{dx} = \frac{v_x^2}{K} $$ कहाँ:
 * $$dE/dx$$ = हाइड्रोलिक ऊर्जा की हानि ($$E$$) प्रवाह के घर्षण के कारण $$x$$-समय की प्रति इकाई दिशा (एम/दिन) - तुलनीय $$P$$
 * $$v_x$$ = प्रवाह वेग में $$x$$-दिशा (एम/दिन) - तुलनीय $$I$$
 * $$K$$ = मिट्टी की हाइड्रोलिक चालकता (एम/दिन) - हाइड्रोलिक चालकता हाइड्रोलिक प्रतिरोध के व्युत्क्रमानुपाती होती है जिसकी तुलना की जाती है $$R$$

यह भी देखें

 * प्रतिरोध तार
 * गर्म करने वाला तत्व
 * निक्रोम
 * टंगस्टन
 * मोलिब्डेनम डिसिलिसाइड
 * अति ताप (बिजली)
 * थर्मल प्रबंधन (इलेक्ट्रॉनिक्स)
 * प्रेरण ऊष्मन
 * ढांकता हुआ हीटिंग