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Efecto Joule

Efecto Joule

El efecto Joule, también llamado ley de Joule, es la manifestación térmica de la resistencia eléctrica. Si en un conductor eléctrico circula electricidad, una parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que experimentan los electrones con las moléculas del conductor por donde circulan, lo que hace aumentar la temperatura del conductor. Se llama así en honor del físico inglés James Prescott Joule.

Definición del efecto Joule:

La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente cuando circula por el conductor ya la resistencia que opone este conductor al paso de la corriente.

Esta definición se puede expresar matemáticamente de la siguiente manera:

Q = I2 x R x t

donde:

Q = Energía calorífica producida por la corriente
I = Intensidad de la corriente que circula
R = Resistencia eléctrica del conductor
t = Tiempo

El funcionamiento de las bombillas se basa en el efecto Joule: el filamento es una resistencia que con el paso de la corriente se calienta hasta ponerse incandescente.

En la formula expresada de la definición del efecto Joule, las magnitudes deben estar expresadas en un mismo sistema de unidades. Así, si expresamos la intensidad en amperios (A), la resistencia en ohmios y el tiempo en segundos, obtenemos el calor producido en julios (J).

Muchos electrodomésticos se basan en el efecto Joule para funcionar: hornos eléctricos, tostadoras, calefacciones eléctricas… En todos estos casos, se pretende generar energía térmica con paso de la electricidad por sus conductores. Este calor que desprenden se debe al efecto Joule.

En la gran mayoría de las aplicaciones, sin embargo, es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan disipadores, aparte de uno o más ventiladores que ahuyentan el calor generado y evitan así el calentamiento excesivo de los diferentes componentes y / o dispositivos. En estos casos, el calor es energía perdida y por lo tanto una disminución de la eficiencia.

Relación entre el efecto Joule y la termodinámica

El efecto Joule tiene una especial vinculación con la segunda ley de la termodinámica. El segundo principio de la termodinámica expresa que: “La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo.”

El segundo principio de la termodinámica establece entonces, la irreversibilidad de los fenómenos físicos, especialmente durante el intercambio de calor.

La ley de Joule en la formulación más general implica la transformación de la energía eléctrica en otras formas de energía en las que la energía calorífica desarrollada es solo un efecto no deseado y, en la medida en que puede descuidarse, algunos ejemplos de transformaciones de energía reguladas por la ley de Joule: energía mecánica (motores eléctricos), luz (lámpara de descarga, LED), ondas electromagnéticas (antenas, láseres), química (electroquímica) ...

En esta formulación más general de la ley de Joule, desde un punto de vista de principio, el producto del voltaje para la corriente transforma la energía eléctrica en otras formas de energía en principio de manera reversible, sin las limitaciones impuestas por la termodinámica.

Por ejemplo, en motores eléctricos donde la energía eléctrica se transforma en energía mecánica, una eficiencia se puede definir como la relación entre la energía eléctrica (ley de Joule I·V) y la potencia mecánica, incluso si actualmente los motores eléctricos más eficientes no superan el 50% de eficiencia debido a la resistencia eléctrica del cobre, el mejor conductor existente, se ha demostrado la posibilidad de una mayor eficiencia con los motores con devanados superconductores. Por lo tanto, es posible concebir una transformación reversible en la que toda la energía eléctrica se transforme en energía mecánica.

En el caso de las antenas, la eficiencia de la antena se define como la relación entre la potencia radiada y la potencia de alimentación media alterna y, en este caso, se alcanzan eficiencias superiores al 90%.

En lo que se refiere a la luz, la eficiencia luminosa está vinculada a la relación entre la potencia disipada por el efecto Joule y la energía luminosa útil para la percepción del ojo humano. En este caso, mientras que las lámparas incandescentes comunes tienen una eficiencia típica del 2%, una lámpara de descarga puede tener una eficiencia luminosa del 29%. Si pudiéramos encontrar un mecanismo eficiente para transformar la electricidad en luz verde (para la cual la percepción humana es máxima), la eficiencia luminosa sería del 100%.

Por lo tanto, las limitaciones de la segunda ley de la termodinámica no se aplican a la ley de Joule si se interpreta de manera no reductiva.

Transmisión de corriente alterna de alta tensión de la electricidad

Las líneas eléctricas aéreas transfieren energía eléctrica de los productores de electricidad a los consumidores. Esas líneas eléctricas tienen una resistencia distinta de cero y, por lo tanto, están sujetas al efecto Joule o calentamiento Joule, lo que provoca pérdidas en la transmisión.

La división de la potencia entre las pérdidas de transmisión (calentamiento de Joule en las líneas de transmisión) y la carga (energía útil entregada al consumidor) se puede aproximar mediante un divisor de voltaje. Para minimizar las pérdidas de transmisión, la resistencia de las líneas debe ser lo más pequeña posible en comparación con la carga (resistencia de los aparatos de consumo). La resistencia de la línea se minimiza mediante el uso de conductores de cobre, pero las especificaciones de la resistencia y la fuente de alimentación de los aparatos de consumo son fijas.

Por lo general, un transformador se coloca entre las líneas y el consumo. Cuando una corriente eléctrica de alto voltaje y baja intensidad en el circuito primario (antes del transformador) se convierte en una corriente de bajo voltaje y alta intensidad en el circuito secundario (después del transformador), la resistencia equivalente del circuito secundario aumenta y las pérdidas de transmisión se reducen proporcionalmente.

Durante la Guerra de Corrientes, las instalaciones de corriente alterna podrían usar transformadores para reducir las pérdidas de línea por el calentamiento de Joule, a costa de un mayor voltaje en las líneas de transmisión, en comparación con las instalaciones de corriente continua.

Eficiencia de calefacción y el efecto Joule

Como tecnología de calefacción, la calefacción Joule tiene un coeficiente de rendimiento de 1.0, lo que significa que cada joule de energía eléctrica suministrada produce un joule de calor. En contraste, una bomba de calor puede tener un coeficiente de más de 1.0, ya que mueve energía térmica adicional del ambiente al elemento calentado.

La definición de la eficiencia de un proceso de calentamiento requiere definir los límites del sistema a considerar. Al calentar un edificio, la eficiencia general es diferente cuando se considera el efecto de calefacción por unidad de energía eléctrica suministrada en el lado del medidor del cliente, en comparación con la eficiencia general al considerar también las pérdidas en la planta de energía y la transmisión de energía.

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Última revisión: 28 de noviembre de 2018

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