Ley de Joule – Efecto Joule o efecto de calentamiento de la corriente y sus aplicaciones
El físico inglés James Prescott Joule descubrió en 1840-43 la ley de Joules (también conocida como efecto de Joel, ley de Joule-Lenz o primera ley de Joule) que muestra la relación entre corriente, calor y resistencia en un tiempo determinado, es decir, cuando una corriente fluye a través de un material, produce calor en él.
Ley de Joule
La Ley de Joule establece que «Si una corriente de «I» amperios fluye a través de una resistencia «R» durante «t» segundos, entonces la cantidad de trabajo realizado (conversión de energía eléctrica en energía térmica) es igual a
Trabajo realizado = Calor = I2Rt … Julios
o
Trabajo realizado = Calor = VIt … Julios … (∴ R = V/I)
o
WD = Calor = Wt … Julios … (∴ W = VI)
o
WD = Calor = V2t/R … Julios … (∴ I = V/R)
El trabajo realizado es la cantidad de energía térmica convertida a partir de electricidad que se disipa en el aire. En este caso, la cantidad de calor producido se puede calcular utilizando las siguientes fórmulas y ecuaciones.
Cantidad de calor producida = H = Trabajo realizado / Equivalente mecánico del calor = WD/J
Dónde:
- J = 4187 julios/kcal = 4200 julios/kcal (aprox.)
- ∴ H = I2Rt / 4200 kcal = VIt / 4200 kcal = Wt / 4200 kcal = V2t / 4200 kcal
Una kilocaloría (kcal) es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de un kilogramo (kg) de agua en un grado centígrado (1°C).
Efecto de calentamiento de la corriente
Casi todos hemos experimentado que cuando una corriente fluye a través de un conductor o cable y alambre, luego se calienta. La razón detrás de esta escena es que cuando la corriente fluye a través de un conductor, la energía eléctrica aplicada se convierte en energía térmica que aumenta la temperatura del conductor.
Sabemos que el flujo de electrones en una sustancia se conoce como corriente eléctrica . Los electrones a la deriva en la sustancia chocan entre sí y los electrones de los átomos de la molécula en el material. La colisión de electrones produce calor. Esa es la razón por la que el flujo de corriente eléctrica en una sustancia genera calor. Este efecto se conoce como el efecto de calentamiento de la corriente.
El calor generado por la corriente eléctrica depende de la cantidad de corriente y del material de esa sustancia. Por ejemplo,
La corriente eléctrica produce más calor en los aisladores (aquellos materiales que se oponen en gran medida al flujo de corriente, por ejemplo, tungsteno, nicromo) mientras que la cantidad de calor generada por el flujo de corriente en los conductores (aquellos materiales en los que la corriente fluye muy fácilmente debido a una menor o casi insignificante resistencia, por ejemplo, oro, cobre, aluminio) es menor que la de los aisladores).
¿Por qué el elemento del calefactor brilla por el calor pero no el cable del calefactor?
Por lo general, el elemento calefactor de los calentadores está compuesto por nicromo, que tiene una resistencia muy alta. Cuando se aplica un voltaje de alimentación a través del elemento calefactor a través del cable, el material se opone fuertemente al flujo de electrones en él. Debido a la deriva de los electrones en el interior del material calefactor, los electrones chocan con los electrones de los átomos del material. Esta colisión continua de los electrones calienta y hace brillar el elemento calefactor que, además, proporciona la energía calorífica. En palabras sencillas, el elemento calefactor de nicromo convierte la energía eléctrica en energía calorífica. Todo este proceso se conoce como el efecto de calentamiento de la corriente.
Por otro lado, el cable conectado al calentador está hecho de un conductor por el que la corriente fluye fácilmente sin una resistencia perceptible. Por eso, sólo brilla el elemento calefactor, pero no el cable del calentador.
Ejemplo resuelto sobre la ley de Joule del efecto de calentamiento de la corriente
Ejemplo:
Un calentador eléctrico contiene 1,6 kg de agua a 20°C. Tarda 12 minutos en aumentar la temperatura hasta los 100°C. Supongamos que las pérdidas debidas a la radiación y al calentamiento del calentador son de 10 kg-calorías. Halla la potencia nominal del calentador.
Solución
Calor necesario para elevar la temperatura de 1,6 kg de agua hasta el punto de ebullición = 1,6 x 100 x 1 x (100 – 20) cal.
= 128000 cal.
Calor perdido = 10 x 1000 = 10000 cal.
Calor total = 128000) + 10000 = 138000 cal.
Ahora, calor producido = Wt = (W x 12 x 60) / 4,2 cal.
Calor producido = calor tomado por el calentador, es decir
= (W x 12 x 60)/4,2 = 138000
W = (138000 x 4,2) / )12 x 60)
W = 805W = 0,8kW
Aplicaciones del efecto Joule o efecto de calentamiento de la corriente
La ley de Joule o efecto de calentamiento de la corriente eléctrica se utiliza en muchas aplicaciones domésticas e industriales. A continuación se indican los aparatos y dispositivos que utilizan el efecto de la corriente eléctrica.
- Calentadores eléctricos, estufas, calentadores de agua y resistencias
- Plancha de ropa eléctrica
- Plancha eléctrica
- Soldadura eléctrica
- Procesamiento de alimentos
- Filamento de lámparas incandescentes y bombillas
- Termografía infrarroja (IRT) de una bombilla
- Bobinas de calentamiento por resistencia, calentadores de espacios (radiadores eléctricos), calentadores de inmersión Calentadores PTC, calentadores de cartucho y calentadores de ventilador
- Secadores de pelo
- Soldador
- Fusibles y elementos fusibles
Además de estas útiles aplicaciones del efecto de calentamiento de la corriente, también existen algunos inconvenientes como la pérdida de energía eléctrica (I2R) en las líneas de alimentación y transmisión de HVAC (corriente alterna de alto voltaje) debido a que existe cierta resistencia del material de las líneas de alimentación. también, provoca graves problemas de calentamiento en máquinas y dispositivos eléctricos como transformadores, generadores y motores, etc.
Además, la eficiencia térmica o de calentamiento de la corriente no se puede utilizar en absoluto porque hay algunas pérdidas de calentamiento debido a la radiación (transferencia del calor en forma de ondas de calentamiento) y la convección (el movimiento molecular en el material utilizado para transferir el calor).
Artículos Relacionados:
- Ley de ohmios con explicación sencilla
- ¿Qué es el voltio?
- ¿Qué es el Amperio?
- ¿Qué es la resistencia eléctrica?
- Resistencias variables-ajustables y resistencias especiales
- ¿Qué es la corriente eléctrica?
- ¿Qué es más peligroso de una electrocución: Amperaje o Voltaje?
- Diferencia entre corriente y voltaje