Efecto Joule
Se conoce como efecto
Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte
de la energía cinética de
los electrones se transforma en calor debido
a los choques que sufren
con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su
descubridor, el físico británico James Prescott Joule.
El movimiento de los
electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuos choques entre
ellos y como consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable.
Ley de Joule
Efecto Joule
Se conoce como efecto
Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte
de la energía cinética de
los electrones se transforma en calor debido
a los choques que sufren
con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su
descubridor, el físico británico James Prescott Joule.
El movimiento de los
electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuos choques entre
ellos y como consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable.
Ley de Joule
Este efecto es utilizado
para calcular la energía disipada en un conductor atravesado por una corriente
eléctrica de la siguiente manera:
La potencia W generada
en un conductor es igual a la diferencia de potencial V a la que está
sometido por la intensidad de corriente I que lo atraviesa. La
energía desarrollada E es el producto de la ponencia W por
el tiempo t transcurrido, luego la energía E es el producto
de la tensión V por la intensidad I y por el tiempo t.
Si a esta expresión
añadimos la Ley de Ohm tendremos:
La energía desarrollada es
igual al cuadrado de la intensidad por la resistencia y por el tiempo, o lo que
es lo mismo, el cuadrado de la tensión dividido por la resistencia y por el
tiempo.
Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la
integral de volumen del campo eléctrico E por J
la densidad de corriente:
La resistencia es el
componente que transforma la energía eléctrica en calor, (por ejemplo un
hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha etc.).
1. EQUIVALENCIA ENTRE
TRABAJO Y CALOR. LA LEY DE JOULE
Hemos llegado a una de las
partes básicas de nuestro estudio. Debemos relacionar dos conceptos
fundamentales: el calor y el trabajo. Donde hay trabajo se produce calor; donde
existe un foco de calor hay una fuente de trabajo.
Lo anterior se demuestra
fácilmente. Por ejemplo, basta con frotarse las manos para que nuestros músculos
experimenten cansancio y nuestras manos un calentamiento.
Todo motor o transformador
eléctrico se calienta después de un tiempo de funcionar. Parte de la corriente
que absorben se pierde en forma de calor (perjudicial) y solo el resto se
transforma en energía mecánica.
Las locomotoras de los
trenes de vapor utilizan calor, que se transforma enseguida en energía
mecánica. Esta le permite arrastrar los vagones. El CALOR es pues, una forma de
energía y produce por lo tanto un trabajo.
La cantidad de calor
necesaria para elevar en un grado centígrado de temperatura un gramo de agua se
llama caloría y la representamos por C.
Después de múltiples
experiencias se logró obtener una constante matemática (0.427) que es el valor
numérico de la relación que existe entre el calor (en calorías) y el trabajo
(Kgm).
Lo anterior quiere decir
que una caloría equivale a 0.427 kilográmetros de trabajo mecánico. Dicho de
otra manera, con una caloría podemos transportar 0.427 kilogramos a la
distancia de un metro.
La constante 0.427 recibe
el nombre de Equivalente mecánica del calor.
A. CANTIDAD DE CALOR
PRODUCIDO POR UNA CORRIENTE ELÉCTRICA
Es evidente, que si la
corriente eléctrica lleva implícita una producción de calor, entre ambas
manifestaciones de energía DEBE EXISTIR una relación matemática, que unida al
valor de la resistencia por la intensidad, nos diga cuál es el calor producido
por dicha corriente eléctrica.
Fue el físico inglés James
Joule quien se dedicó al estudio de los efectos caloríficos producidos por la
corriente eléctrica. Después de varias experiencias, observó que:
1. La corriente eléctrica
produce calentamiento en un conductor.
2. Este calentamiento del
conductor recorrido por una corriente es proporcional al tiempo que dure el
paso de dicha corriente.
3. El calentamiento varía
con la intensidad de la corriente.
4. El calentamiento es
proporcional a la resistencia del conductor.
Hechas estas observaciones
formuló la siguiente Ley:
La cantidad de calor
producido por un conductor eléctrico es directamente proporcional al cuadrado
de la intensidad (I2), al valor de la resistencia del conductor y al tiempo, en
segundos, durante el cual circule la corriente.
En la práctica se calcula
la cantidad de calor producido (en calorías) y se representa por Q. Para esto
se necesita multiplicar todo lo anterior por una constante cuyo valor es
0.2392. Por lo tanto:
Q = 0.2392 x I2 x R x t
LEY DE JOULE
Siendo:
Q = Calor en calorías
I = Intensidad en amperios
R = Resistencia en Ohmios
0.239 = Constante (K)
t = Tiempo
La constante 0.239 se
aproxima por exceso a 0.24 y se tiene entonces:
Q = 0.24 x I2 x R x t
calorías
B. ENERGÍA ELÉCTRICA Y
CALOR
Se dijo antes que si al
concepto de trabajo le unimos el factor tiempo (t), tendremos la noción de
POTENCIA, que es “el trabajo realizado en la unidad de tiempo”. Siendo la
potencia una consecuencia del trabajo, y éste una causa del calor, es inmediata
la conclusión que nos lleva a relacionar calor y trabajo.
Si relacionamos la
potencia con el factor tiempo, obtendremos el concepto de ENERGÍA ELÉCTRICA.
y se define matemáticamente como 
, es decir, es la fuerza eléctrica que actúa sobre la unidad de carga situada en un punto concreto del campo. Su unidad en el Sistema Internacional es el N/C.
