POTENCIA
ELÉCTRICA Y EL EFECTO JOULE
La potencia eléctrica se define como la rapidez con la que un aparato que emplea energía eléctrica realiza
un trabajo; de igual manera se interpreta como la energía que una maquina o
cualquier aparato eléctrico en un segundo.
La diferencia de
potencial entre dos puntos es igual a
Sabemos que se
estableció que la potencia es la relación existente entre el trabajo efectuado
por una unidad de tiempo, es decir,
Debido a que la
corriente eléctrica es la cantidad que atraviesa un conductor por unidad de
tiempo, podemos expresar la potencia eléctrica en relación a la diferencia de
potencial y la corriente, por lo tanto:
Ahora, al aplicar
la Ley de Ohm a la ecuación anterior, nos queda de la siguiente forma:
La potencia eléctrica se mide en watts,
considerando que la energía eléctrica es el producto de la potencia por el
tiempo, Comisión Federal de Electricidad (CFE) calcula el costo de esa energía
a partir de la potencia en kilowatts y el tiempo en horas, es decir, en
kilowatthoras (kWh), el cual equivale a 3.6 x 10 a la 6 J de energía.
EJEMPLOS:
Ejemplo n° 1
Una plancha tiene resistencia interna de 24 Ohms y
se encuentra conectada a una toma de corriente de 120 V. Determina la potencia
que consume la plancha.
Aplicando la ecuación tenemos:
Ejemplo n° 2
Determina la corriente que utiliza un aparato
eléctrico que funciona con 4.5 V. y consume un potencia de 0.11 Watts.
Para determinar la corriente, podemos despejarla de
la ecuación, por lo tanto:
EFECTO JOULE Y LEY DE JOULE
Entendiendo la
energía y el calor
Para poder
comprender el efecto Joule, debemos aclarar brevemente el concepto de calor. Al
calor se le conoce como el desprendimiento de energía por parte de un sistema
como causa del movimiento, a escala microscópica, de las partículas que lo
componen.
Efecto Joule
Los electrones se
mueven de forma totalmente aleatoria, impactando en interaccionando con otras
partículas y, por lo tanto, generando movimiento y desprendimiento de calor.
Por ejemplo: si
calentamos una olla de agua, lo que en realidad se produce es un aumento de la
energía del sistema, algo que, a nivel molecular, se traduce como un mayor
movimiento de las partículas que componen dicho sistema. Esta energía
“absorbida”, más tarde, se desprende nuevamente al exterior en forma de calor,
siempre que el entorno que rodee a dicho sistema cuente con unos niveles
energéticos inferiores (en este caso, así es, pues el aire que rodea a la olla
suele estar a una temperatura inferior).
¿Por qué se
desprende esa energía en lugar de conservarla? Todos los sistemas tienden, por
naturaleza, a buscar una situación de reposo o calma –entendemos reposo o calma
como la situación en la que el movimiento de sus partículas sea el menor
posible–. Por ello, cuando este estado de relativa calma se altera, los sistemas
intercambian energía con los que les rodean para tratar de aproximarse lo
máximo posible a dicho estado. En el caso de la olla, se emite calor al
exterior para tratar de “enfriarse” y reducir sus niveles energéticos. Ese
intercambio de energía es a lo que llamamos calor.
Qué es el efecto
Joule y por qué ocurre
Efecto Joule
El efecto Joule, a
vista de pájaro, es el desprendimiento de calor provocado por el movimiento de
electrones –también conocido como corriente eléctrica– por un material. Este
efecto se recoge en la fórmula Q = P x t, donde “Q” es energía o calor
desprendido (también representada por la letra E y medida en Julios o
Calorías), “P” la potencia consumida (medida en vatios) y “t” el tiempo
transcurrido (medido en segundos).
Para entender el
efecto Joule, debemos entender el origen de las corrientes eléctricas. Para
ello, imaginemos un circuito simple con una pila de 6 Voltios (con un polo
positivo y otro negativo) y una resistencia de unos 3 ohmios.
1.Al conectar la
pila al circuito, los electrones almacenados en la pila comenzarán a recorrer
el circuito desde el polo positivo hasta el negativo, atravesando los cables y
la resistencia conectada al mismo.
2.Estos electrones
se mueven a causa de una diferencia de potencial –que, en este caso, es de 6
voltios–. Para entender dicho concepto, imaginemos una escalera. El polo
positivo es la zona superior de la escalera. El polo negativo, la zona
inferior. Desde la zona superior, hacemos rodar unas bolas. Estas,
inevitablemente, comenzarán a descender hacia abajo por la fuerza gravitatoria.
Con los electrones ocurre algo similar. Este movimiento de electrones del polo
positivo (mayor potencial) al polo negativo (menor potencial) es lo que
conocemos como corriente eléctrica.
3.Al moverse esos
electrones, estos impactan con otros átomos y partículas subatómicas (las que
componen los cables, las resistencias, etc.) y, por lo tanto, provocan que
estas se muevan en mayor o menor medida. Al aumentar su movimiento, aumenta su
energía y, por lo tanto, el desprendimiento de calor al exterior. Este
desprendimiento inevitable –solo sería evitable si los materiales conductores
fueran 100% perfectos, algo que es imposible de lograr– de energía en forma de
calor se conoce como el efecto Joule.
efecto Joule
Los calefactores
son un claro ejemplo de aplicación del efecto Joule.
El efecto Joule y
la cantidad de calor que se desprende depende de varias variables:
◾La intensidad de corriente. O el número de electrones que pasan por
unidad de tiempo. Para entender este concepto, imaginemos una tubería de agua.
Cuanto mayor diámetro tenga la tubería de agua, más caudal podrá atravesarla en
una unidad de tiempo. La intensidad de corriente es similar. Cuanto menor sea
la resistencia y mayor sea la diferencia de potencial, mayor será será la
cantidad de electrones en movimiento en una unidad de tiempo.
◾La resistencia. Es la oposición que presenta un elemento al paso de los
electrones por el mismo. Normalmente entendemos como resistencia a un elemento
concreto (que puede ser una bombilla o cualquier otro), pero la resistencia
también está presente en los cables, por ejemplo. Y es que todo material por el
que pasa la corriente eléctrica, presenta oposición al paso de electrones. Si
no la presentaran, se obtendría el mayor rendimiento posible de todos los
sistemas y el calor generado sería ínfimo. Para que podamos comprender mejor
este concepto: la resistencia podríamos entenderla como el número de obstáculos
que tendría que sortear un atleta en una carrera de 200 metros obstáculos.
Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será el número de obstáculos que se
presenten en el camino del electrón.
◾La diferencia de potencial o voltaje. Volviendo a la analogía, la
diferencia de potencial la podríamos entender como la diferencia de altura
existente entre la parte superior de una escalera y la parte inferior. En dicho
ejemplo, la gravedad atrae a los cuerpos de la zona superior. En el caso de la
corriente eléctrica, los átomos son los que atraen los electrones del polo
positivo al negativo, generando ese movimiento.
◾Tiempo. Cuanto mayor es el tiempo, la cantidad de calor generada aumenta.
Por lo tanto también influye.
◾Potencia. Normalmente, la influencia de la resistencia, la intensidad y
la diferencia de potencial de un circuito se reúne en una magnitud conocida
como potencia (que es la que aparece en la fórmula anterior).
El efecto Joule,
algo deseado y despreciado
A priori, el efecto
Joule puede parecer algo totalmente despreciable, pues impide la obtención de
la máxima cantidad de energía de una corriente eléctrica que alimenta a un
sistema. Por ejemplo, en los procesadores es algo que siempre se trata de evitar,
pues se trata aprovechar la mayor cantidad de energía eléctrica para aumentar
el rendimiento del ordenador, tablet o smartphone al que está conectado.
El efecto Joule es
un efecto alabado y, al mismo tiempo, despreciado Pero el efecto Joule también
es algo muy deseado y esencial para muchos productos actuales. Productos como
las estufas, los calefactores, los termos, los secadores o incluso las
vitrocerámicas. Y es que este efecto permite convertir la energía eléctrica en
calor, algo que ha sido muy explotado por ingenieros durante el último siglo
para la creación de un sinfín de productos.
En el caso de los
secadores, por ejemplo, encontramos una serie de resistencias que se calientan
con el paso de la corriente eléctrica, calentando así el aire que expulsa al
exterior. El juego está en tratar de obtener la mayor eficiencia energética
(con la menor cantidad de electricidad posible, calentar el aire a una misma
temperatura).
Así pues, el efecto
Joule es, como todo en esta vida, algo muy relativo. Dependiendo del ámbito y
la situación en la que nos encontremos, nos interesará su aparición o no. Pero
eso es algo con lo que tendremos que lidiar mientras la energía eléctrica sea
una de las bases de nuestra sociedad.
La ley de joule afirma que: el calor que
produce una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente
proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia y
al tiempo que dura circulando la corriente matemáticamente se expresa:
Q= Cantidad de
calor (cal)
0.24 cal = 1 joule
de trabajo
I= Intensidad de
corriente (A)
R= Resistencia de
aparato (Ω)
t= Tiempo que dura
funcionando (s)
No hay comentarios:
Publicar un comentario