Un elemento calefactor consistente en un alambre enrollado de una tostadora eléctrica, donde se observa la incandescencia de tono rojo a amarillo.

Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor[1]​[2]​ debido a los constantes choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El movimiento de los electrones en un alambre es desordenado; esto provoca continuas colisiones con los núcleos atómicos y como consecuencia, una pérdida de energía cinética y un aumento de la temperatura en el propio alambre.

El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule.

Historia

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El calentamiento resistivo fue estudiado primero por James Prescott Joule en 1841 e, independientemente, por Heinrich Lenz en 1842.[3]​

Joule sumergió un trozo de alambre en una masa fija de agua y midió el aumento de temperatura causada por el paso de una corriente conocida que fluyó a través del alambre durante un período de 30 minutos. Mediante la variación de la corriente y la longitud del alambre dedujo que el calor producido era proporcional al cuadrado de la corriente multiplicado por la resistencia eléctrica del alambre.[4]​

Fundamentos microscópicos

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Modelo de Drude

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Para explicar el fenómeno desde la física clásica, se puede utilizar el modelo de Drude.

Este modelo supone que un material conductor está formado microscópicamente por una red de iones positivos inmóviles rodeados por electrones libres moviéndose por la red que vienen a conformar una nube de electrones. Los iones están formados por el núcleo del átomo de material conductor y sus electrones no libres. Esta nube de electrones libres evita que los iones se repelan, permitiendo así que estos conformen la red o estructura atómica del material. La nube de electrones se encuentra en movimiento caótico debido a la energía proporcionada por la temperatura, pero no produce una corriente eléctrica neta porque no es direccional.[5]​

Al aplicar un campo eléctrico constante, este ejerce una fuerza sobre los electrones que tiende a darle una dirección y un sentido a su movimiento. Esta fuerza constante produce una aceleración constante sobre el electrón, como lo predice la segunda ley de Newton. Si la fuerza del campo eléctrico fuera la única que existe sobre los electrones, entonces se originarían corrientes arbitrariamente grandes, ya que la velocidad aumentaría linealmente con el tiempo.

Sin embargo, debe existir un factor que limite la velocidad de los electrones y, por lo tanto, la corriente. Este factor surge naturalmente cuando consideramos el efecto de la interacción de los electrones libres y la red de iones fijos. Los electrones chocan con un ion y, en este choque, transfieren su energía a la red de iones, reduciendo su velocidad.

Las colisiones entre los electrones y la red son favorecidas por:

• Vibraciones térmicas: a mayor temperatura, mayor resistividad.
• Defectos puntuales: a mayor número de ellos, mayor resistividad. Estos defectos pueden ser: vacantes (ausencia de átomos producidos a altas temperaturas), defectos intersticiales (átomos que están en posiciones incorrectas en la red) o impurezas aisladas (cargadas o neutras).
• Defectos lineales: dislocaciones, grupos de átomos desplazados de su posición de equilibrio.
• Defectos superficiales, como las superficies externas de los sólidos o las superficies internas (límites del grano, etcétera).

Cuando pasa corriente por un alambre aumenta su temperatura. La energía térmica que así se obtiene es producida indirectamente por la fuente del campo eléctrico, a través de los electrones libres y la red. De la hipótesis de Drude, que supone que en cada colisión con la red el electrón disminuye su velocidad, se espera que la red se caliente. Este aumento de temperatura es el efecto Joule. La energía que transfiere un electrón a la red por una colisión es igual a la energía cinética perdida en dicha colisión.[6]​

Cálculo de la energía y potencia disipada

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Este efecto es utilizado para calcular la energía disipada en un conductor atravesado por una corriente eléctrica de la siguiente manera:

P = V ⋅ I E = P ⋅ t } ⟶ E = V ⋅ I ⋅ t {displaystyle left.{begin{array}{l}P=Vcdot I\E=Pcdot tend{array}}right};longrightarrow quad E=Vcdot Icdot t}

La potencia P disipada en un conductor es igual a la diferencia de potencial V a la que está sometido multiplicada por la intensidad de corriente I que lo atraviesa. La energía desarrollada E es el producto de la potencia P 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:

E = V ⋅ I ⋅ t I = V R } ⟶ E = V 2 R ⋅ t {displaystyle left.{begin{array}{l}E=Vcdot Icdot t\I={cfrac {V}{R}}end{array}}right};longrightarrow quad E={cfrac {V^{2}}{R}}cdot t}

y también:

E = V ⋅ I ⋅ t I = V R ⟶ V = I ⋅ R } ⟶ E = I 2 ⋅ R ⋅ t {displaystyle left.{begin{array}{l}E=Vcdot Icdot t\I={cfrac {V}{R}};longrightarrow quad V=Icdot Rend{array}}right};longrightarrow quad E=I^{2}cdot Rcdot t}

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 por el tiempo dividido entre la resistencia.

Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del campo eléctrico E → {displaystyle {vec {E}}} por la densidad de corriente J → {displaystyle {vec {J}}} :

P = ∫ ∫ ∫ V J → ⋅ E → d V {displaystyle P=int !!!int !!!int _{V}{vec {J}}cdot {vec {E}}dV,}

La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en calor, (por ejemplo un hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha, etc.).

Aplicaciones

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El efecto Joule se utiliza en incontable número de aparatos y procesos industriales. La parte del aparato que convierte la energía eléctrica en calor mediante el efecto Joule se llama elemento de calefacción.

Hay muchos usos prácticos del efecto Joule:

• Una lámpara incandescente se ilumina cuando el filamento se calienta por efecto Joule.
• Las estufas eléctricas usualmente trabajan por efecto Joule.
• Los fusibles eléctricos se basan en el hecho de que si se excede el flujo de corriente, se generará suficiente calor para fundir el fusible.
• Los cigarrillos electrónicos trabajan generalmente por calentamiento Joule, vaporizando propilenglicol y glicerina vegetal.
• Los termistores son resistencias cuya resistencia cambia cuando cambia la temperatura. Se utilizan a veces en combinación con el calentamiento Joule: si una gran corriente se envía a través del termistor, se eleva la temperatura del dispositivo y por lo tanto sus cambios de resistencia. Si el dispositivo tiene un coeficiente de temperatura positivo de la resistencia (PTC), el aumento de temperatura causa una caída en la corriente, y atribuye al dispositivo una utilidad de protección del circuito similar a los fusibles, o para la reacción en los circuitos, o para otros muchos propósitos. En general, el auto-calentamiento puede convertir en una resistencia de un elemento de circuito no lineal y de histéresis.

Véase también

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Referencias

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Enlaces externos

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El efecto Joule lo puedes encontrar en sistemas eléctricos complejos o en objetos tan cotidianos como planchas de ropa, hornos, secadores, rizadores, tostadores de pan, entre otros.

Por Ing. Hernán Hernández Jiménez

Para poder comprender el efecto Joule debemos primero explicar brevemente el concepto de calor, el cual es el desprendimiento de energía por parte de un sistema como causa del movimiento, a escala microscópica, de las partículas que lo componen.

Un ejemplo muy claro se da al calentar agua: lo que 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 lo componen. La 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, es decir, que la temperatura fuera del recipiente sea más baja.

La energía se desprende debido a que los sistemas tienden, por naturaleza, a buscar una situación de reposo o calma (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 del recipiente de agua, el calor emitido al exterior permite enfriar al sistema y reducir sus niveles energéticos. Ese intercambio de energía es a lo que llamamos calor.

Para el caso de los sistemas eléctricos, 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.

“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”.

¿Por qué se llama efecto Joule?
El nombre de efecto Joule lo recibe del físico británico James Prescott Joule, quien es reconocido como uno de los más notables físicos de su época, sobre todo por su investigación en electricidad y termodinámica. En el transcurso de sus investigaciones sobre el calor desprendido en un circuito eléctrico, pudo establecer que la cantidad de calor producida en un conductor por el paso de una corriente eléctrica, dada en una unidad de tiempo, es proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de corriente.

El calor producido por la corriente eléctrica que fluye a través de un conductor, entonces, 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 cuánto calor se produce, se puede conocer cuánta energía suministra la fuente y viceversa.

La fórmula de Joule
El calor generado por este efecto se puede calcular mediante la Ley de Joule, que dice:

“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:
Q=I2×R×t

Donde:
Q = 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

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

Ejemplo del cálculo
Calculemos el calor producido por una corriente de 2.5 A sobre una resistencia de 130 Ω, durante 10 segundos.

Q = ?
I = 2.5 A
R = 130 Ω
t = 10 s
Q = (2.5)2 ×130×10 = 6.25×130×10 = 8125 J, es decir se producen 8125 Joules 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 calorías (equivalente calorífico del trabajo).

Por lo que la Ley de Joule queda expresada como:
Q=0.24×I2×R×t

Veamos el mismo ejemplo en calorías.
Q = 0.24×(2.5)2 ×130×10 = 0.24×6.25×130×10 = 1950 cal.

Cuando una corriente fluye a través de un conductor, la energía térmica se genera en él. Los efectos de calentamiento dependen de la corriente que circula, la resistencia del conductor y el tiempo que fluye la corriente.

¿Dónde se aplica el efecto Joule?
Este fenómeno se presenta entonces en cualquier conductor donde circula la corriente, por lo que es de esperarse que en artefactos como motores o sistemas eléctricos esto presente un problema. En los hogares se encuentra una gran cantidad de ejemplos: planchas de ropa y cabello, hervidores, hornos, calentadores de ambiente y de agua, secadores, rizadores, tostadores de pan, entre otros.

En la industria, el efecto Joule permite el funcionamiento de aparatos y equipos, como 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 al sistema de remachado.

Como ves, el fenómeno del calor desprendido fue estudiado de forma minuciosa para lograr explicarlo y poder manejarlo de forma correcta en diversas aplicaciones.