¿Qué es el efecto Joule y por qué es tan importante? La razón por la cual la energía eléctrica es tan útil para los humanos es que se puede convertir fácilmente en otras formas de energía, particularmente en energía térmica (calor). Esto se puede observar fácilmente en una resistencia, que al pasar una corriente eléctrica por ella se calienta, es decir, libera o disipa una parte de la energía eléctrica en forma de calor. También en la bombilla el efecto principal del paso de la corriente es el calor, lo que hace que el filamento se vuelva incandescente, desarrollando consecuentemente energía luminosa. Una plancha o un calentador eléctrico aprovechan esta propiedad que se denomina efecto Joule, del nombre del físico inglés James Prescott Joule (1818-1889) quien lo descubrió, al fenómeno por el cual el paso de corriente eléctrica a través de un conductor va acompañado del desarrollo de calor.
Qué es el efecto Joule
Al hablar de corrientes y electricidad seguramente más de uno habrá escuchado la palabra «julio», que proviene en realidad de «jules» en alusión a James Prescott Joule (1818-1889), artífice de varios estudios relativos a la generación de energía y a las corrientes eléctricas.
Fue precisamente James Prescott Joule quien descubrió el efecto Joule (también conocido como calentamiento resistivo u óhmico) el cuál describe el proceso en el que la energía de una corriente eléctrica se convierte en calor a medida que fluye a través de una resistencia.
En particular, cuando la corriente eléctrica fluye a través de un sólido o líquido con conductividad finita, la energía eléctrica se convierte en calor a través de pérdidas resistivas en el material. El calor se genera en la micro escala cuando los electrones de conducción transfieren energía a los átomos del conductor por medio de colisiones.
En la ley de Joule o efecto Joule, la energía térmica E (en Joules o Julios ) disipada por un conductor eléctrico de resistencia R (ohm) atravesado por una corriente de intensidad I (amperios) durante un tiempo t ( en segundo lugar) viene dada por la siguiente relación:
E = R x I² xtLa energía térmica (o calor) E por lo tanto depende de 3 factores:
- Intensidad I de la corriente (el factor más importante ya que está al cuadrado).
- El tiempo t durante el cual fluye la corriente.
- Resistencia R del conductor.
Entendiendo el efecto Joule
Para entender el porqué la energía depende de estos factores tenemos que pensar en las partículas (que pueden ser átomos o moléculas ) del material en el que los flujos de corriente son bolas situadas en las intersecciones malla de una red estirada; si arrojamos sobre esta red un cubo de bolas pequeñas (representan los electrones), muchas de ellas pasarán entre las grietas; sin embargo, algunos caerán sobre las bolas y harán vibrar toda la red, es decir, todas las bolas.
¿En qué caso la red vibrará más?
Cuanto mayor sea el número de bolas, más vibrarán la red y las bolas. Este ejemplo sirve para decir que en el caso de la corriente la situación que se produce es idéntica: cuanto mayor es el número de electrones durante un tiempo dado (es decir, la intensidad de la corriente) a través del material, mayores son sus partículas constituyentes que se hacen vibrar y, por lo tanto, la temperatura aumentará. Como se trata de esta relación del cuadrado de la intensidad, la energía térmica aumentará muy rápidamente con la intensidad de la corriente. Cuanto mayor sea la intensidad de la corriente, mayor será la energía térmica E liberada.
Por otro lado, cuanto más caigan las bolas, más tiempo vibrará la red. Para la corriente, es lo mismo: cuanto más tiempo pasa la corriente por el circuito, más tiempo vibrarán los átomos y la temperatura aumentará. Cuanto mayor sea el tiempo t durante el cual la corriente fluye a través del circuito, mayor será la energía térmica E liberada.
Cuanto más pequeña sea la malla de la red, más pequeñas serán las bolas más frecuentes, lo que ofrecerá una mayor resistencia al paso de las bolas; cuando los materiales de carbono tienen una alta resistencia al flujo de corriente, éste vibra más que los materiales de baja resistencia de manera que la energía térmica será mayor y mayor es la resistencia R del material así como mayor será la energía E del calor que no está obstruido.
Porqué es tan importante el efecto Joule
Esta ley tiene consecuencias muy prácticas que hace que sea algo importante en nuestro día a día ya que cuando se produce un cortocircuito en un circuito, la intensidad aumenta fuertemente. Dado que la energía térmica depende de la intensidad al cuadrado, es fácil entender que esta energía liberada puede causar incendios.
Por otro lado, cuando el cuerpo humano es atravesado por una corriente eléctrica, los efectos serán más peligrosos si la intensidad es grande pero también si el tiempo durante el cual el cuerpo es atravesado por la corriente es grande.
Sabiendo que el efecto Joule ocurre cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor, sabremos también que los conductores eléctricos no son perfectos. En realidad, se oponen a una cierta resistencia al flujo de corriente y la energía que se pierde de esta manera se disipa en forma de calor.
En la vida práctica, los calentadores eléctricos (radiadores, planchas, soldadores, tostadoras, secadoras, etc.) aprovechan este efecto calorífico. También es según este principio que la lámpara incandescente funciona en la que el filamento elevado a muy alta temperatura emite luz.
También se puede aplicar a los secadores de pelo por ejemplo, ya que estos disponen en su interior de una serie de resistencias que se van calentando al paso de la corriente eléctrica, de modo que el aire que acaba saliendo de ellos sale caliente.
Por otro lado, comprendemos con el efecto Joule que el efecto térmico a menudo es indeseable ya que causa pérdidas innecesarias de energía. Estas pérdidas reducen la eficiencia de las máquinas eléctricas cuyo propósito no es el calor (motores, transformadores, etc.)
Un aumento excesivo de la temperatura puede dañar el equipo. Este es el propósito del sistema de ventilación de PC.
Los cables también se someten a la teoría del efecto Joule ya que corren el riesgo de deterioro en caso de sobrecarga y luego se disparan. Por lo tanto, es necesario limitar la intensidad de la corriente en los conductores de acuerdo con sus secciones.
Cómo demostrar el efecto Joule
El efecto Joule demuestra lo siguiente: que toda energía eléctrica puede llegar a transformarse en calor. Lo que provoca este calor es precisamente la resistencia eléctrica. La pregunta que mucha gente se estará formulando en estos momentos tras haber leído esto es cómo demostramos que existe una manera de que la energía eléctrica libere calor. Lo primero que necesitamos y que se emplea en muchas prácticas de laboratorio son diferentes masas de agua y un instrumento muy especial: el calorímetro.
-Primero debemos verter el agua en el calorímetro. Dicho instrumento nos ayuda a medir con exactitud las cantidades de calor que hemos suministrado o que reciben los cuerpos que forman parte de nuestro experimento de laboratorio. En este caso, este calor lo reciben las distintas masas de agua que hemos mencionado con anterioridad.
-A continuación procederemos a aumentar la temperatura mediante resistencia eléctrica.
-Una vez haya aumentado dicha resistencia, se puede llegar a establecer una relación entre el aumento de la temperatura y el aumento de la energía eléctrica. Todo gracias a este sencillo experimento.
El efecto joule y la conservación de la energía
Un detalle importante a tener en cuenta es que el efecto Joule consiste en transformar energía hasta que deje de ser de una forma para convertirse en otra. En este caso hablamos de formas como el calor o la electricidad. Cabe destacar que, durante el proceso que se desarrolla debido al efecto Joule, no se pierde energía, sino que dicha energía se transforma.
En cierto modo la energía con la que partimos en forma A (electricidad) se transforma en otra forma nueva (calor). No obstante, dicha energía, aunque se transforme en forma no pierde en esencia la energía que transporta. Podría decirse por tanto que el efecto Joule respeta la Ley de la conservación de la Energía, ya que transforma la energía sin que parte de esta se pierda en ningún momento.
Cómo disminuir el efecto Joule
Acabamos de explicar como el efecto Joule respeta la Ley de la conservación de la Energía, lo cual quiere decir que no se pierde energía durante este proceso. Si bien esto es verdad, cabe señalar que sí hay un riesgo de pérdida durante este proceso, aunque no se trate de pérdida de energía como tal. Esta pérdida tiene que ver y se produce por un calentamiento excesivo de los conductores, que puede traducirse en el calentamiento de un motor, por ejemplo, lo cual traería muchísimos problemas a la industria del automóvil. Esta industria es una de las más importantes y de mayor envergadura y pone en práctica con muchísima frecuencia el efecto Joule.
¿Cómo abordar este problema para que no se produzcan estas pérdidas? Muy sencillo. La manera de evitar este tipo de incidencias es transportar la energía en alta tensión. De esta manera no podrá producirse ningún tipo de calentamiento provocado por la intensidad con la que la energía circula por los cables, puesto que habremos aumentado la tensión y la intensidad con la que la energía se transporta disminuirá en consecuencia.
Aplicaciones del efecto Joule
Un detalle importante a tener en cuenta es que el efecto Joule consiste en transformar energía hasta que deje de ser de una forma para convertirse en otra. En este caso hablamos de formas como el calor o la electricidad. Cabe destacar que, durante el proceso que se desarrolla debido al efecto Joule, no se pierde energía, sino que dicha energía se transforma. Podría decirse por tanto que el efecto Joule respeta la Ley de la conservación de la energía.
Como ya hemos comentado con anterioridad, el efecto Joule o la ley de Joule consiste en transformar la energía eléctrica en calor. No es de extrañar, por lo tanto, que este proceso tenga aplicaciones prácticas. Seguro que nunca te has parado a pensarlo, pero la energía resultante del efecto Joule tiene muchísima importancia y repercute de manera positiva y de forma muy directa en tu día a día.
¿Cómo es eso posible?, te preguntarás. Pues, muy fácil, a continuación te dejamos algunos ejemplos para que te hagas a la idea de las muchas comodidades que el efecto Joule nos proporciona en nuestra vida diaria. Por ejemplo, gracias a la Ley de Joule podemos beneficiarnos de calefacción eléctrica. Además, las grandes empresas e industrias también hacen uso del efecto Joule para hacer funcionar aparatos industriales como, por ejemplo, los hornos eléctricos de fundición y metalurgia.
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