Corriente Electrica: LEY DE JOULE Y SUS APLICACIONES

FUNDAMENTOS TEÓRICOS SOBRE LA LEY DE JOULE Y SUS APLICACIONES

INTRODUCCIÓN

Joule, James Prescott (1818 - 1889)

Físico británico. Uno de los más notables físicos de su época, es conocido sobre todo por su investigación en electricidad y termodinámica. En el transcurso de sus investigaciones sobre el calor desprendido en un circuito eléctrico, formuló la ley actualmente conocida como ley de Joule que establece que la cantidad de calor producida en un conductor por el paso de una corriente eléctrica cada segundo, es proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de corriente. Joule verificó experimentalmente la ley de la conservación de energía en su estudio de la conversión de energía mecánica en energía térmica.

Utilizando muchos métodos independientes, Joule determinó la relación numérica entre la energía térmica y la mecánica, o el equivalente mecánico del calor. La unidad de energía denominada julio se llama así en su honor; equivale a 1 vatio - segundo. Junto con su compatriota, el físico William Thomson, Joule descubrió que la temperatura de un gas desciende cuando se expande sin realizar ningún trabajo. Este fenómeno, que se conoce como efecto Joule - Thomson, sirve de base a la refrigeración normal y a los sistemas de aire acondicionado.

LEY DE JOULE

La ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra.

Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor el movimiento de los electrones dentro del mismo produce choques con los átomos del conductor cuando adquieren velocidad constante, lo que hace que parte de la energía cinética de los electrones se convierta en calor, con un consiguiente aumento en la temperatura del conductor. Mientras más corriente fluya mayor será el aumento de la energía térmica del conductor y por consiguiente mayor será el calor liberado. A este fenómeno se le conoce como efecto joule.

El calor producido por la corriente eléctrica que fluye través de un conductor es una medida del trabajo hecho por la corriente venciendo la resistencia del conductor; la energía requerida para este trabajo es suministrada por una fuente, mientras más calor produzca mayor será el trabajo hecho por la corriente y por consiguiente mayor será la energía suministrada por la fuente; entonces, determinando cuanto calor se produce se puede determinar cuanta energía suministra la fuente y viceversa.

El calor generado por este efecto se puede calcular mediante la ley de joule que dice que:

“La cantidad de calor que desarrolla una corriente eléctrica al pasar por un conductor es directamente proporcional a la resistencia, al cuadrado de la intensidad de la corriente y el tiempo que dura la corriente”.

Expresado como fórmula tenemos:

Donde:

W = Cantidad de calor, en Joules

I = Intensidad de la corriente, en Amperes

R = Resistencia eléctrica, en Ohms

T = Tiempo de duración que fluye la corriente, en segundos

Lo que equivale a la ecuación para la energía eléctrica, ya que la causa del efecto joule es precisamente una pérdida de energía manifestada en forma de calor.

Normalmente cuando el trabajo eléctrico se manifiesta en forma de calor se suele usar la caloría como unidad. El número de calorías es fácil de calcular sabiendo que:

1 joule = 0,24 calorias (equivalente calorífico del trabajo)

1 caloria = 4,18 joules (equivalente mecánico del calor)

Por lo que la ley de joule queda expresada como:

APLICACIONES

El calentamiento de los conductores es un fenómeno muy importante por sus multiples aplicaciones como:

· ALUMBRADO ELECTRICO

Se utilizan para el alumbrado lámparas, bombillas o ampollas llamadas de incandescencia.

· APLICACIONES DOMÉSTICAS

Muchas aplicaciones prácticas del efecto Joule intervienen en la construcción de los aparatos electrodomésticos, tales como planchas, hervidores, hornos, calentadores de ambiente y de agua, secadores, rizadores.

· APLICACIONES INDUSTRIALES

El efecto Joule permite el funcionamiento de aparatos industriales, como aparatos de soldadura, hornos eléctricos para la fundición y metalurgia y soldadores de punto. Este último, muy utilizado en la industria automotriz y en la chapistería, reemplaza con ventaja el sistema de remachado.

VÍDEO SOBRE LA LEY DE JOULE

SIMULACIONES SOBRE LA LEY DE JOULE

Aqui se encuentran simulaciones que ayudan a comprender de una mejor manera lo anteriormente expuesto en la sección de fundamentos teóricos.

EFECTO JOULE

EXPERIMENTO DE JOULE EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR

EXPERIMENTOS PARA VERIFICAR LA LEY DE JOULE

Existen diversos experimentos para poder verificar la ley de joule, como son:

· LAMPARA CASERA - EFECTO JOULE

Materiales:

* Tubo de plástico

* 8 Baterías de 1,5V

* Cinta adhesiva

* 60 cm de conductor eléctrico

* 2 Pinzas cocodrilo

* 2 Clips o sujetadores

* 1 Mina de lápiz

* 1 Frasco de vidrio

* 1 Plato

Si tienes una batería de automóvil o motocicleta, obviamente puedes utilizarla en vez de las baterías de 1,5V. Como verás en el vídeo, utilizan un tubo de cartón. Nosotros necesitamos que el tubo no se dañe con el agua, pero si no tienes uno de plástico no te preocupes, puedes tomar uno de cartón y pintarlo con cola de pegar. Cuando ésta seque, quedará impermeabilizado.

Procedimiento:

Se utiliza las baterías o pilas de 1,5 voltios, lo primero que se debe hacer es colocarlas en serie. Para lograr ésto, se coloca una seguida de la otra y se sujetan con cinta adhesiva. Al final te quedarán 2 extremos, un polo positivo y uno negativo.

Para seguir con este experimento, se corta dos trozos de conductor de 30 cm de longitud y se pela sus extremos. Se coloca una pinza cocodrilo en un extremo de cada conductor. Ahora se toma eso y se pega en el tubo de cartón. Los clips o sujetadores se aprietan con las pinzas.

Sobre los sujetadores se colocan con mucho cuidado, una mina de lápiz. Todo ésto se ubica sobre el plato y se tapa con el frasco. Ahora se agrega un poco de agua en el plato, la suficiente como para que selle la entrada de aire hacia el frasco.

Para terminar con la lámpara casera, se debe conectar los extremos de los conductores a las baterías. Como se ve, la mina se pondrá incandescente y emitirá luz debido a su altísima temperatura.

EFECTO MAGNETICO

Hans Christian Ørsted (pronunciado en español Oersted. Rudkobing, Dinamarca, 14 de agosto de 1777 – Copenhague, Dinamarca 9 de marzo de 1851) fue un físico y químico danés, influido por el pensamiento alemán de Immanuel Kant y también de la filosofía de la Naturaleza.

Fue un gran estudioso del electromagnetismo. En 1813 ya predijo la existencia de los fenómenos electromagnéticos, que no demostró hasta 1820, inspirando los desarrollos posteriores de André-Marie Ampère y Faraday, cuando descubrió la desviación de una aguja imantada al ser colocada en dirección perpendicular a un conductor eléctrico, por el que circula una corriente eléctrica, demostrando así la existencia de un campo magnético en torno a todo conductor atravesado por una corriente eléctrica, e iniciándose de ese modo el estudio del electromagnetismo. Este descubrimiento fue crucial en el desarrollo de la electricidad, ya que puso en evidencia la relación existente entre la electricidad y el magnetismo. Oersted es la unidad de medida de la reluctancia magnética. Se cree que también fue el primero en aislar el aluminio, por electrólisis, en 1825, y en 1844 publicó su Manual de física mecánica.

En 1800 el científico Hans Oersted observa que, la corriente que fluye en un circuito de efectos la dirección de las agujas de la brújula. Imagen, a continuación, muestra su experimento. Cuando se cierra el interruptor de corriente pasa por el circuito y la dirección de los cambios imán bajo el efecto del campo magnético producido por la corriente.

VÍDEO EXPLICATIVO

Por otra parte, Faraday y Henry Joseph otros científicos que muestran la relación del campo magnético y la corriente. Si se mueve el imán cerca del circuito que producen la corriente o, si cambia la corriente del circuito que puede ponerse al día en otro circuito situado cerca de él. Vamos a aprender todos los tipos de corriente producida por el campo magnético.

Campo magnético alrededor de un alambre

La corriente que fluye en un cable lineal produce el campo magnético B = 2k.i / d, a una distancia d. Aquí la corriente medida en amperios, la distancia se mide en metros y k = 7.10 N / Amp ². Dirección del campo magnético producido por el alambre siempre es tangencial al círculo alrededor del alambre.

Podemos encontrar la dirección del campo magnético mediante la regla de la mano derecha. Como se muestra en la imagen de arriba, agarra el cable con sus cuatro dedos, el pulgar indica la dirección de los dedos de corriente y cuatro muestran la dirección del campo magnético.

Se muestra la corriente de dos maneras, si la corriente hacia la que nos lo muestran con un punto, si la corriente es hacia el exterior que muestran con cruz.

EFECTO INDUCTIVO

En química, el efecto inductivo es un efecto experimentalmente observable en la transmisión de la carga a través de una cadena de átomos en una molécula por inducción electrostática (principalmente, definición de la IUPAC) o por la presencia de un medio polar (e. i. dinámico). El efecto polar neto ejercido por un sustituyente es una combinación de este efecto inductivo y el efecto mesomérico.

Efecto inductivo estático

La nube electrónica en un enlace sigma heteroatómico (entre dos átomos diferentes) no es uniforme sino que está ligeramente desplazada hacia el más electronegativo de los dos. Esto provoca un estado permanente de polaridad donde el átomo más electronegativo tiene una mayor densidad electrónica mientras que el otro adquiere un diferencial de carga positivo.

Si el átomo electronegativo es luego unido a una cadena de átomos, carbono generalmente, la carga positiva es transmitida a los otros átomos en la cadena. Este es un efecto inductivo receptor, también conocida como -I. Algunos grupos, como el de los alquilos, son menos receptores que el hidrógeno y son más bien considerados como donadores de electrones. Este carácter de donador de electrones es indicado por el efecto +I.

Características

Como el cambio inducido en la polaridad es menor que la polaridad original, el efecto inductivo dinámico se desvanece rápidamente y sólo es significativo a cortas distancias. El efecto inductivo estático es permanente más débil pues implica el traslado sigma fuertemente sostenidos; otros factores más fuertes podrían apocar al inductivo.

El efecto inductivo prevalece en el estado normal de la molécula. Es un fenómeno asociado esencialmente a los enlaces covalentes simples. El par electrónico, que es el enlace normal covalente, se desplaza ligeramente cuando en la molécula existe un átomo que ejerza sobre el par electrónico una atracción mayor o menor que el resto de los átomos.

El efecto inductivo es entonces, el efecto de un sustituyente debido a la polarización permanente de un enlace; es decir, si en una molécula establece un dipolo, su acción se transmite a través de la cadena carbonada. Se representa con una flecha cuya punta señala hacia el átomo más electronegativo.

Reactancia inductiva

Los efectos de la corriente eléctrica que circula sobre un conductor son dos principales, el calórico y el magnético.

· El calórico es llamado efecto Joule y es el que calienta una resistencia de una plancha de ropa, un filamento de lamparilla, un fogón eléctrico, o una parrilla de interiores.

· El efecto magnético pone en marcha los motores eléctricos, se usa en el reactor de tubo fluorescente para limitar la corriente circulante, produce una chispa eléctrica en un encendedor de cocinas del tipo "magic click" o está presente en los chisperos de encendido en cocinas que ya lo integran, etc.

EFECTO MOTOR

Si una corriente eléctrica pasa por un alambre puesto a través de un campo magnético se produce una fuerza en el alambre, que, si no está bien sujeto,se mueve. Ése es el principio del motor eléctrico, llamado también efecto motor. La fuerza motriz producida depende de la fuerza del campo y de la corriente, y de la longitud del alambre y de su orientación dentro del campo. Se produce el máximo de fuerza cuando el alambre es perpendicular al campo. La dirección de la misma (respecto de la corriente y el campo) se expresa en la regla de la mano izquierda, enunciada por Fleming.

En un motor eléctrico, la corriente pasa por unas bobinas de alambre, que pueden girar libremente sobre un eje situado dentro de un campo magnético. El efecto motor origina en el alambre unas fuerzas que producen un par motor, o de torsión, en tomo al eje que hace girar al conjunto formado por éste y las bobinas. En los motores pequeños suministran el campo magnético imanes permanentes; en los grandes, se utilizan electroimanes.

Emplean el mismo principio los galvanómetros, que constituyen la base de la mayoría de los instrumentos que miden la intensidad de la corriente y el voltaje, pero contienen un resorte o un alambre de torsión que se opone a la rotación de las bobinas y el eje. Esa rotación se detiene cuando el par de torsión debido al efecto motor se equilibra exactamente con el efecto contrario, que ofrecen el resorte o el alambre de torsión. Cuanto más fuerte es la corriente, más tiempotarda el eje en cesar su rotación. El ángulo recorrido en esa rotación es una medida de la corriente que pasa por las bobinas. En un altavoz de bobina móvil, una corriente variable pasa por una bobina de alambre situada dentro de un campo magnético. El efecto motor produce un movimiento en la bobina, que está sujeta a un cono de cartón o plástico. Los movimientos resultantes en ese cono hacen vibrar el aire inmediato, creando ondas sonoras.

Este gigantesco motor eléctrico de una planta petroquímica nos presenta un estator de casi 5 metros de diámetro. El motor entero pesa más de 80 toneladas y produce 5,8 megavatios de potencia mecánica (equivalentes a 7800 CV al freno), que mueven a una enorme compresora