El Tamiz

Ignora lo accesorio, atesora lo esencial

[Electricidad I] Efecto Joule

Ya llevamos bastantes entradas del primer “bloque de conocimiento” que estamos publicando, dedicado a conceptos básicos de electricidad. [Electricidad I] tiene ya ocho artículos con éste, y mi idea inicial era limitar el bloque a unos diez artículos para no intimidar a los novatos. Aún no estoy seguro de poder barrer todas las bases en estos diez artículos, porque tampoco quiero condensar demasiado las cosas y que la gente se pierda, de modo que ya veremos. Al menos, ya hemos hablado de la carga y corriente, cómo generarla, cómo se transmite y cómo mantenerla mediante procesos químicos.

Sin embargo, de lo que no hemos hablado hasta ahora –algo que solventaremos hoy– es de cómo emplear la corriente eléctrica para algo útil. Porque claro, todo lo anterior es interesante, o al menos eso espero, pero generamos y mantenemos corrientes eléctricas para algo. Aunque hoy empezaremos a hablar de un fenómeno que puede parecer poco deseable en electricidad, terminaremos construyendo, en uno de nuestros experimentos mentales con materiales conductores, pilas y demás, nuestro primer circuito útil.

Pero empecemos hablando de la base teórica, un fenómeno empírico que se descubrió en cuanto empezaron a generarse corrientes eléctricas y que tú, avezado lector, eres ya capaz de explicar teóricamente utilizando los conocimientos que has adquirido a lo largo del bloque. De ahí que este artículo no sea muy denso teóricamente, pero sí un buen repaso de todo lo que hemos visto hasta ahora, y un refuerzo que debería hacerte consciente de lo que has aprendido. Hablemos sobre el efecto Joule.

Si realizaste el Experimento 5 del artículo anterior, observarías que, al conectar un cable a una pila, de modo que ambos electrodos de la pila están conectados, tanto la pila como el cabe se calientan bastante. Al igual que te sucedió a ti, este fenómeno fue probablemente observado por cualquiera que conectase circuitos relativamente cortos. Sin embargo, el primero en estudiarlo con detalle fue el genial físico inglés James Prescott Joule. De ahí que este calentamiento de los cuerpos cuando se ven recorridos por una corriente eléctrica suela denominarse efecto Joule, y la descripción más detallada de él, primera ley de Joule.

Desde luego, decir simplemente que “las cosas se calientan cuando las recorre una corriente eléctrica” es más bien pobre. En primer lugar, ¿por qué se calientan? Y en segundo lugar, ¿de qué depende cuánto se calientan? Ésas son las preguntas del físico. Además, como simios inventores que somos, surgen dos preguntas más de forma inevitable: ¿podemos evitar que suceda cuando no nos conviene que se produzca ese efecto?, y también ¿cómo podemos utilizar ese calentamiento para nuestro beneficio? A responder todas estas preguntas dedicaremos el artículo de hoy.


Causas del efecto Joule

Como he dicho antes, sólo hace falta aplicar el razonamiento lógico a los conocimientos que ya has adquirido anteriormente para responder, al menos de forma cualitativa, a las primeras preguntas. Antes de que tratemos de explicar por qué las cosas se calientan cuando las recorre una corriente eléctrica, y aunque no hayamos hablado de energía en este bloque, ni partamos de la base de que conozcas conceptos teóricos relacionados con ella, creo que es evidente –sobre todo si has realizado el Experimento 5 y lo has notado con tus propios sentidos– que el calentamiento está relacionado con la corriente eléctrica.

En primer lugar, cuando no hay corriente circulando, las cosas no se calientan, pero sí lo hacen cuando el circuito conduce corriente: de modo que ese calentamiento se debe probablemente al paso de la corriente, aunque no sepamos aún por qué. Otra manera de ver la relación es ésta: para calentar un cable como el que has utilizado en el experimento hace falta energía. ¿De dónde demonios salió la energía necesaria para aumentar su temperatura? La respuesta es, desde luego, que salió de la corriente eléctrica –y la energía de ésta, anteriormente, de la pila y las reacciones químicas que se produjeron en ella–. Sé que esto puede parecer de perogrullo, pero ambos argumentos muestran que el origen de ese calentamiento es el paso de corriente por los objetos. Pero ¿por qué iba la corriente eléctrica a calentar las cosas?

Cuando hablamos acerca de conductores y aislantes y de su cuantificación mediante resistencia y conductancia vimos que los materiales se comportan de maneras diferentes ante un desequilibrio de carga, debido a la cantidad de cargas móviles que tienen y a los obstáculos que esas cargas tienen para moverse. También vimos, al hablar de la intensidad de corriente, que la velocidad neta de los electrones en un conductor es minúscula. ¿Qué significa todo esto? Que, como dijimos en aquellos artículos, los electrones de cualquier material se mueven más o menos aleatoriamente, siendo desviados por los átomos y repelidos unos por otros, pero que –si hay un voltaje entre dos puntos del objeto– de manera neta sufren un “arrastre” en una dirección y sentido determinados: los que equilibrarán, en último término, el desequilibrio de carga que originó este movimiento de arrastre.

Toda esta parrafada sirve para recordarte un hecho importante: que los electrones de cualquier material real no se mueven con total libertad, sino que sufren desviaciones e impactos, interacciones con el resto del material, tanto más intensas cuanto peor conductor sea. En resumen, que los electrones no se parecen tanto a coches que circulan ordenadamente por una autopista, sino a coches en una carrera de “autos locos” en la que se producen choques y cambios de dirección continuos. Al cabo del tiempo, los coches de la carrera van avanzando por ella, pero de manera caótica y accidentada… salvo que se trate de un conductor absolutamente perfecto, por supuesto, en cuyo caso los electrones sí se moverían con absoluta libertad y orden. Pero estos continuos impactos no sólo afectan a los electrones, haciendo que su movimiento neto sea mucho más lento, también afectan a los átomos contra los que chocan los electrones, haciéndolos vibrar de manera más o menos violenta.

Choques electrónicos
Movimientos electrónicos caóticos.

¿Ves la relación entre este caos y el efecto descrito por Joule? Los electrones van avanzando a trompicones por el conductor, dando trastazos a los átomos (y a los otros electrones) a diestro y siniestro, y el conductor se calienta. Dado que este bloque introductorio no supone conocimientos previos, no vamos a profundizar demasiado en esto –si quieres hacerlo, te invito a leer el cuadro amarillo de abajo–, de modo que tienes simplemente que creerme cuando te digo que la temperatura de un cuerpo es la medida de la agitación de los átomos o moléculas que lo forman. Los electrones, según avanzan, golpean todo a su paso, haciendo que los átomos del cuerpo vibren alrededor de sus posiciones de equilibrio con más intensidad. Es decir, calientan el material. Entendiendo la verdadera naturaleza caótica de la corriente eléctrica, el efecto Joule es una inevitabilidad.

De modo que ¿qué estaba sucendiendo en el Experimento 5 en el que conectaste el cable a la pila, sin nada más? Que los electrones empezaban a moverse pero, según avanzaban por el circuito, iban “dando codazos” a los átomos del cable y a los otros electrones, produciendo un calentamiento de todo el material. De hecho, una vez que la pila se gasta –o que desconectas el cable, claro– y los electrones dejan de sufrir ese arrastre debido a las reacciones de la pila, lo único que queda es esa elevación de temperatura del cable y la pila como rastro de que ahí hubo una corriente eléctrica. La energía química de la pila se convirtió en energía eléctrica y luego, finalmente, en energía calorífica (aunque de energía hablaremos más adelante en el bloque).

El efecto Joule, al ser inevitable dada la naturaleza de los materiales como conductores imperfectos, es algo que siempre está ahí, incluso aunque a veces no lo notes. Por ejemplo, si toco el cable que va del transformador de mi ordenador portátil al ordenador, no noto que esté caliente; sin embargo, sí está más caliente de lo que estaría si no hubiera una corriente eléctrica circulando por él, aunque en este caso se trata de un calentamiento tan leve que mis sentidos no pueden notarlo. Sin embargo, si has realizado el Experimento 5 habrás notado muy claramente ese calentamiento, luego debe haber factores que influyen en lo intenso que es el efecto Joule. Una vez más, no hace falta más que pensar con algo de cuidado sobre lo que ya sabes para comprender cuáles son esos factores de forma cualitativa, aunque el buen James Prescott Joule realizó cuidadosos experimentos para cuantificar exactamente cuáles eran y en qué medida influían.

En primer lugar, ya que el caos del movimiento de las cargas por el conductor depende de lo bueno o malo que sea, ése es el primer factor: un cuerpo con una conductancia muy alta (o una resistencia muy baja) sufrirá un calentamiento más leve que un mal conductor, de baja conductancia y alta resistencia. De hecho, el calentamiento es proporcional a la resistencia del cuerpo. Recuerda, por cierto, que la resistencia de un cuerpo no sólo depende del material del que está hecho, como vimos al hablar de esta magnitud: además de eso, cuanto más fino sea el conductor, mayor será la resistencia, y cuanto más largo, mayor será la resistencia. De modo que, al poder controlar hasta cierto punto la resistencia de un conductor mediante su forma física, es posible controlar a su vez el efecto Joule que depende de esa resistencia. Pero de eso hablaremos en un momento.

En segundo lugar, ya que el calentamiento se debe a los impactos de los electrones con lo que los rodea, es lógico llegar a la conclusión de que el calentamiento depende de la intensidad de corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la intensidad de corriente, más impactos se producirán en un intervalo de tiempo determinado, y por lo tanto más se calentará el conductor. De hecho, Joule comprobó que el efecto era proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente, pero de ese detalle y del porqué hablaremos en un bloque más elevado. Por ahora es suficiente con que veas que es lógico que haya más calentamiento cuanta más intensidad recorra el objeto.

Este segundo factor, desde luego, depende a su vez del voltaje que originó el movimiento de cargas: como hemos repetido varias veces a lo largo del bloque, una tensión mayor entre dos puntos origina un movimiento más violento de cargas y, por tanto, un mayor calentamiento. Como suele suceder en Física, a veces es más conveniente calcular cosas con una magnitud, a veces con otra, pero conceptualmente ambas son equivalentes, ya que no hay una sin la otra.

La clave de la cuestión es comprender el tándem de factores que determinan este calentamiento: cuanto mayor sea la resistencia y mayor sea la intensidad de corriente, mayor será el calentamiento del conductor. Como ves, responder las preguntas del físico no ha sido demasiado difícil recordando simplemente lo aprendido hasta ahora en el bloque. Tampoco debería ser difícil seguir respondiendo preguntas, en este caso de índole práctica, con lo que ya sabes.


Disminución del efecto Joule

Antes de nada, supongo que te darás cuenta de que el efecto Joule normalmente es nuestro “enemigo” a la hora de emplear la electricidad. No estoy hablando ya de casos extremos, en los que un calentamiento muy grande puede provocar heridas o incendios, sino en el simple calentamiento leve de un cable por el que fluye la corriente desde una central eléctrica hasta tu casa. Ese cable, que puede tener cientos de kilómetros de longitud, se calienta: eso es un hecho incontestable. Pero la energía que se está convirtiendo en calor a lo largo de todo el cable es energía que no puedes utilizar en tu casa… es energía esencialmente desaprovechada, ya que no te sirve para nada que ese cable que recorre el campo hasta llegar a tu casa se mantenga caliente.

De modo que, normalmente, intentamos que el efecto Joule sea tan leve como sea posible, para que la menor cantidad de energía se convierta en calor en los cables que utilizamos y podamos emplear casi toda en los lugares que nos interesan. Y, para conseguir esto, sólo hace falta recordar los dos factores: resistencia e intensidad de corriente.

El primero es sencillo: queremos utilizar conductores que tengan la menor resistencia posible, es decir, buenos conductores. Cuando la intensidad de corriente que va a circular por el cable es muy pequeña, entonces el efecto Joule es casi inapreciable y esto importa menos, pero cuando se trata de grandes intensidades de corriente es esencial que la resistencia sea minúscula, o el conductor se calienta muchísimo. De modo que, para empezar, tratamos de utilizar materiales que conduzcan muy bien la corriente eléctrica –es decir, que pongan el menor número de obstáculos posible–, como el oro, la plata o el cobre. Generalmente, claro, suele ser cobre, porque aunque no conduzca tan bien como los otros dos, es muchísimo más barato.

¡Pero recuerda que el tipo de material no es el único factor que determina la resistencia! Lo ideal es emplear conductores lo más cortos y gruesos posibles. Evidentemente, la longitud es algo en lo que no podemos elegir demasiado: si mi casa está a 100 km de una central eléctrica, la longitud mínima del cable es de 100 km hasta ella (y otros 100 km de vuelta, claro). Si mi ordenador puede funcionar hasta 2 m de un enchufe, el cable tiene que tener dos metros de ida y dos de vuelta.

Cable alto voltaje
Cable preparado para minimizar el efecto Joule a través del grosor.

Lo que sí podemos elegir es el grosor: cuanto más grueso el cable, menor será su resistencia, menor el número de impactos de unos electrones con otros y, por tanto, menor el calentamiento. El problema con esto, claro, es que un cable muy gordo es más caro, pesa mucho y es menos manejable. Por eso, cuando la corriente que va a circular por él es pequeña, no se fabrican demasiado gruesos, pero si miras los cables de los aparatos eléctricos de tu casa, verás que algunos son bastante gruesos, sobre todo los de los electrodomésticos que más intensidad de corriente consumen (como, por ejemplo, el frigorífico). Y, si alguna vez has visto el cable de un horno eléctrico en una industria o algún otro aparato de gran consumo, observarás que son realmente gruesos, para minimizar el efecto Joule en todo lo posible.

El segundo factor –la intensidad– no es tan sencillo como el primero. Lo ideal sería que la intensidad de corriente fuese lo más pequeña posible, y de ese modo el calentamiento sería mínimo. Pero claro, una intensidad nula significa que las cargas no se mueven, con lo que no hay calentamiento ¡porque no hay corriente eléctrica de ningún tipo! Lo que sí suele hacerse para transportar corrientes eléctricas distancias grandes es utilizar intensidades de corriente lo más pequeñas posibles, y luego elevar la intensidad de corriente cuando ésta se acerca a las casas que van a emplearla. Pero la verdad es que esto se escapa bastante del alcance de este bloque introductorio, y ya hablaremos de ello en otro momento.

Transformación de corriente

Para controlar la intensidad de corriente (y la tensión) se utilizan aparatos eléctricos denominados transformadores, como el que existe entre el enchufe y mi ordenador portátil. Aparte de los empleados en la red eléctrica, seguro que los ves a diario en los cargadores de móviles, portátiles, etc. En un transformador se utiliza el electromagnetismo para modificar las características de la corriente: el voltaje y la intensidad. Los transformadores nos permiten alterar las corrientes eléctricas a voluntad, de modo que se adapten a cada aparato o circunstancia de su uso.

Dado que no hablaremos de magnetismo en este bloque, los transformadores se escapan con mucho de él, pero puedes leer sobre ellos aquí.

Lo que me interesa que tengas muy claro no es sólo de qué factores depende el efecto Joule, sino que podemos controlarlo hasta cierto punto, como hemos visto. ¿Qué sucedió en el caso del circuito que construimos en el artículo anterior, simplemente con un cable y una pila? Que ahí no estábamos tratando de controlar nada, con lo que el efecto Joule se producía de manera global. Recuerda la Ley de Ohm, y comprenderás exactamente por qué el circuito se calienta tanto: al utilizar un simple cable para conectar los electrodos de la pila, es decir, un objeto que es un excelente conductor, la resistencia de nuestro circuito era muy pequeña y la conductancia, enorme. Como consecuencia de eso, cuando conectamos nuestro circuito (mental o incluso físicamente, si realizaste el experimento), una intensidad de corriente muy grande apareció en el circuito… y el efecto Joule aumenta tremendamente con la intensidad de corriente.

De hecho, esto recibe un nombre que ya has oído muchas veces, aunque no se explique a menudo lo que significa; lo que produjimos entonces fue un cortocircuito: un circuito sin los elementos necesarios para controlar el efecto Joule, en el que la resistencia es muy pequeña y la intensidad de corriente se hace muy grande. Claro, en el caso de nuestra patética pila, lo único que pasó fue que el cable y la pila se calentaron bastante, y la pila se agotaría relativamente rápido, pero ¿imaginas qué hubiera sucedido si hubiéramos conectado los extremos de nuestro cable a los polos de un enchufe de una casa? El efecto Joule hubiera sido muchísimo mayor, porque la tensión en el enchufe sería decenas de veces mayor que la de nuestra pila. De ahí que los cortocircuitos a menudo provoquen incendios. Afortunadamente, nuestras casas disponen de sistemas que detectan el flujo excesivo de electrones e interrumpen el paso de la corriente, pero antes de que puedan hacerlo puede haber un gran calentamiento, chispas, etc.

Interruptores magnetotérmicos

La manera en la que se controlan los cortocircuitos en las instalaciones eléctricas de nuestras casas es relativamente sencilla, y funciona utilizando precisamente el efecto Joule; aunque involucra al magnetismo, puedo darte una explicación breve en este cuadro que te permita entender su funcionamiento sin tener que liar demasiado la cosa. En el cuadro de control (“los plomos”) existe un interruptor por el que fluye la corriente que llega a la casa. Este interruptor es un imán, y se mantiene pegado al otro lado del circuito debido al magnetismo, ya que un muelle tiende a separarlo del otro trozo de metal: si no fuera un imán se despegaría, la corriente dejaría de fluir y no habría electrones moviéndose por el circuito en la casa.

Pero este imán no es un imán cualquiera: es un material que, cuanto más caliente está, peor imán es (de ahí el nombre “magnetotérmico”). Pero claro, ¡cuanta más intensidad de corriente lo recorre, más se calienta! Esto significa que llega un momento en el que, si la corriente sobrepasa un valor determinado –que depende del material y la forma que tiene, además del muelle–, la fuerza del muelle es superior a la atracción del imán que ya no lo es tanto, y el interruptor deja de tocar el otro extremo, con lo que “se va la luz”. Es el efecto Joule quien nos protege, entre otras cosas, del efecto Joule…


Aplicaciones del efecto Joule

La clave para “arreglar” nuestro circuito del artículo anterior es, por tanto, controlar el efecto Joule, es decir, hacer que se produzca justo cómo y dónde nosotros queremos. Necesitamos básicamente dos cosas: en primer lugar, hacer que nuestro cable no conduzca la corriente tan excelentemente bien, para que haya una menor intensidad y la pila no se gaste tan rápido. En segundo lugar, localizar el efecto Joule en una parte concreta, en vez de calentar el cable entero. Existen muchas maneras de lograr esto, pero aquí vamos a emplear una bastante inmediata y fácil de entender: una bombilla.

Imagina que nuestro cable, en vez de ser homogéneo como lo era antes, ahora no es igual en todas partes, sino que es un buen conductor en general, pero hay una pequeña sección del cable que es muy fino, con lo que es un conductor mucho peor que el resto (recuerda que cuanto más grueso es el conductor, mejor fluyen por él los electrones y menor es por tanto la resistencia). Además, hagamos la parte fina bastante larga, para que haya un gran número de impactos en esa sección y el efecto Joule sea aún más intenso:

Circuito con bombilla 1

Como puedes ver, hemos conseguido nuestros dos propósitos; por una parte, ese estrechamiento del cable hace que la resistencia haya aumentado, y la intensidad que circulará por nuestro circuito será menor que antes. Por otro, ahora el efecto Joule no se produce por todas partes igual: es mucho más intenso en el estrechamiento del cable. De hecho, en el resto del cable, debido a que ahora hay una intensidad de corriente bastante menor, apenas será apreciable el efecto –aunque el calentamiento, como hemos dicho antes, es inevitable y existe siempre–, y sólo lo notaremos en el estrechamiento.

De hecho, si el cable es lo suficientemente delgado –y su resistencia, por tanto, lo suficientemente alta–, se calentará muchísimo por el efecto Joule: tanto que se volverá incandescente y empezará a brillar con luz propia. Ese estrechamiento es nuestra bombilla. Existen, por cierto, otros tipos de bombillas que no son incandescentes, pero en este artículo vamos a fijarnos sólo en las incandescentes.

Sólo nos faltan dos detalles más para que nuestro circuito sea un primor; por un lado, cualquier cable tan fino que se calienta, al estar en contacto con el oxígeno del aire, se oxidará muy rápido, es decir, arderá, y nuestra “bombilla” no duraría ni dos segundos, con lo que tenemos que aislar ese trocito de cable del aire. Para ello, lo natural es encerrarlo en un recipiente hermético transparente, por ejemplo de vidrio, lleno de un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno, de modo que nada pueda arder dentro.

En segundo lugar, tal y como está nuestro circuito, siempre hay corriente circulando por él, de modo que necesitamos una manera de controlar el paso de los electrones. Debes haber entendido bien el artículo anterior con la pila y el cable para comprender esto: no hace falta más que romper el cable en un lugar determinado para que podamos hacer que los extremos se toquen o no, a nuestra voluntad. Si se tocan los extremos, se producirá el paso de los electrones por el circuito y la bombilla brillará; el circuito estará cerrado. Si, por el contrario, separamos los dos cables, el circuito estará abierto y no habrá paso de electrones. Ya sé que las palabras “abierto” y “cerrado” significan aquí exactamente lo contrario que en el caso de un grifo, pero tiene sentido expresarnos así, pues hace falta que todo el circuito esté cerrado, formando un camino continuo para los electrones, antes de que éstos puedan desplazarse por él.

¡Ojo! Da igual dónde esté el interruptor

Algo relativamente común al empezar a aprender sobre electricidad es pensar que la posición del interruptor influye. Por ejemplo, que si el interruptor está “antes de la bombilla”, entonces funcionará bien, pero que si está “después de la bombilla”, los electrones seguirán pudiendo llegar a ella –pues el interruptor está después–, con lo que la bombilla seguirá brillando aunque abramos el interruptor. Esto es absurdo.

Recuerda que los electrones en el cable son como las cuentas de un collar, o como el agua en las tuberías de tu casa: si detienes una sola cuenta, o paras el flujo del agua en cualquier punto de la tubería, el movimiento se detiene. Dicho de otra manera, al abrir el circuito en el lugar que sea, los electrones que aún no han llegado al interruptor se detienen, porque no tienen a dónde ir. Y los que están pasado el interruptor se detienen, porque al no moverse los que tienen delante, tampoco tienen a dónde ir. Al igual que una ciudad con un gran atasco, o se mueven todos o no se mueve ninguno. De modo que la posición del interruptor es irrelevante.

Con estas dos mejoras, nuestro circuito completo –al que daremos un “repaso teórico” en un momento– tendrá esta forma:

Circuito con bombilla

Una vez que conectamos el cable, lo que sucede involucra todo lo que hemos visto en la serie hasta ahora, de modo que utilicémoslo para repasar conceptos:

El circuito, con la bombilla y la pila, no tiene carga eléctrica neta de ningún tipo: hay la misma cantidad de carga positiva que negativa. Estas cargas están esencialmente en reposo. Sin embargo, en cuanto los electrones pueden moverse por el circuito, el desequilibrio de cargas en la pila hará que empiecen a recorrer el cable, mientras se producen dos reacciones químicas en la pila que mantienen ese desequilibrio de carga. El movimiento de los electrones en todo el circuito es casi simultáneo, como las cuentas de un collar que empiezan a moverse sobre la cuerda, o una rueda de bicicleta que empieza a girar toda al mismo tiempo; sin embargo, el movimiento neto de cada electrón es lentísimo a lo largo del cable, y un electrón concreto tardará horas en dar una vuelta entera.

Según los electrones van avanzando por el cable, pierden energía al chocar con los átomos del material y unos con otros, pero no la pierden de manera continua: apenas pierden nada en los tramos en los que la resistencia es muy baja, como casi todo el cable, y pierden mucha, debido al gran número de impactos, en la bombilla en la que el cable es finísimo. Ahí, los átomos empiezan a vibrar con tal violencia debido al constante impacto de electrones, que la temperatura alcanza la de incandescencia y el cable brilla. La energía contenida en la pila se ha convertido en energía del movimiento de los electrones y, finalmente, en energía calorífica y luminosa en el filamento de la bombilla. Si abrimos el interruptor, el flujo de los electrones se detendrá casi al instante en todo el circuito, el filamento de la bombilla se enfriará y dejará de brillar.

Como ves, hemos conseguido por fin construir un circuito que emplea todos los conceptos que hemos visto hasta ahora de modo que no sólo hemos logrado un flujo constante de carga eléctrica por un objeto, sino que además hemos utilizado ese movimiento de carga para un fin útil: iluminar una habitación. Pero hay dos detalles que no quiero que se te pasen por alto, de modo que me detengo en ellos un momento:

En primer lugar, como puedes imaginar, podríamos haber hecho otras muchas cosas con los mismos conceptos aparte de iluminar algo. Seguro que alguna vez has visto una estufa eléctrica en la que un cable bastante fino y, sobre todo, muy largo, se enrolla alrededor de algún elemento cerámico. Cuando se enciende la estufa, el cable se pone al rojo vivo y calienta una habitación… o el agua de una tetera, o una caldera eléctrica para darte una ducha, o el fogón eléctrico de una cocina, o un horno… el efecto Joule, por sencillo que sea conceptualmente, tiene infinidad de usos, y todos se basan en lo mismo: en convertir el movimiento caótico de los electrones, a través de los impactos sobre los átomos, en energía calorífica.

En segundo lugar, imagina que nuestro cable, en vez de tener unos cuantos centímetros de largo, hubiera tenido tres kilómetros. Tú podrías tener tu pila en casa, con cables de tres kilómetros de longitud que llegasen hasta la mía, ¡y yo podría darle al interruptor y tener luz en mi casa, a 3 km de la fuente de energía, sin que ni tú ni yo tengamos que dar un paso! Ya sé que esto, acostumbrados como estamos a ello, no parece maravilloso… pero lo es. La corriente eléctrica nos permite utilizar de forma sencilla energía que se produce a distancias enormes de nosotros, y yo estoy escribiendo este artículo –y tú leyéndolo– gracias a este hecho. Desde luego, si nuestro cable hubiera tenido 3 km de largo, el efecto Joule a lo largo de todo el cable hubiera hecho que mi bombilla brillase menos, pero hubiera merecido la pena.

Como puedes ver, gran parte del interés de nuestro circuito involucra la energía que proviene de la pila y acaba convertida en calor en nuestra bombilla. Y precisamente de eso hablaremos en el próximo artículo del bloque, y ya nos quedan muy pocos para terminarlo: de energía y potencia eléctricas.


Ideas clave

Para afrontar el resto de entradas del bloque con garantías, debes tener claro lo siguiente:

  • El movimiento de los electrones por un conductor imperfecto no es limpio, sino caótico y violento, con impactos continuos con átomos y otros electrones.

  • Como consecuencia inevitable de estos impactos, cualquier objeto se calienta cuando lo recorre una corriente eléctrica. Este fenómeno se conoce como efecto Joule.

  • El calentamiento por efecto Joule es mayor cuanto mayores son dos factores: la resistencia del conductor y la intensidad que lo recorre.

  • Aunque el efecto Joule no es deseable en muchos casos, es la base de muchos de los aparatos eléctricos que empleamos de forma cotidiana, como las estufas o las bombillas.


Hasta la próxima

Nada mejor para comprender todo este embrollo que experimentarlo tú mismo, de modo que el experimento de hoy es precisamente eso – construir algunos circuitos sencillos que te permitan ver en acción los conceptos que hemos estudiado hasta ahora.

Experimento 6 - Un circuito completo

Material necesario: Una pila de petaca de 4,5 V, algo de cable, varias bombillas de bajo voltaje (3-5 V). Todo el material puede conseguirse por muy poco en cualquier ferretería.

Instrucciones: En primer lugar, construye el circuito del diagrama de arriba: pila, cable y bombilla. Tendrás que partir el cable en dos, de modo que un trozo vaya de un polo de la pila a la bombilla, y el otro de la bombilla al otro polo de la pila. Normalmente, esas bombillitas vienen con un portabombillas al que se pueden conectar fácilmente los cables. Observa el fino filamento de la bombilla, que le da su alta resistencia y potente efecto Joule.

A continuación, mejora el circuito añadiendo un “interruptor”: corta el cable en cualquier parte, de modo que puedas poner los extremos en contacto, encendiendo la bombilla, o mantenerlos separados de modo que esté apagada. Comprueba cómo ahora el cable no se calienta como en el Experimento 5, sino que prácticamente todo el calor se produce en la bombilla.

Una vez tengas el circuito simple “dominado”, ve más allá y experimenta por ti mismo: añade una segunda bombilla al circuito en algún otro punto del cable, partiendo el cable e insertando la bombilla en medio. ¿Cambia el brillo de las bombillas? Añade una tercera bombilla y sigue observando lo que sucede. Si has entendido la serie hasta ahora, probablemente puedas explicar teóricamente por qué. Hablaremos brevemente de ello en la explicación de este experimento en el siguiente artículo del bloque.

Puedes encontrar este artículo y otros como él en el número de enero de 2010 de nuestra revista electrónica, disponible a través de Lulu:

Electricidad

54 comentarios

De: Efecto Joule
2010-01-13 18:24:41

[...] Efecto Joule eltamiz.com/2010/01/13/electricidad-i-efecto-joule/  por CIB3R hace 8 segundos [...]


De: cruzki
2010-01-13 20:10:11

Pedro, te estas sobrando. Menuda pasada de artículos. Supongo que harás un libro al final... pues plantéate "venderlo" en los colegios porque comparado con lo que me acuerdo yo de mis libros de ciencias...


De: chispas
2010-01-14 01:06:37

No es por nada, pero el cable del frigo no es de los más gruesos de la cocina, suelen ponerse de 2,5 mm² de sección, vamos como cualquier enchufe normal y corriente (corriente en ambos sentidos jajaja). Sin embargo, los de las placas vitrocerámicas y de inducción o los hornos eléctricos son mucho más gruesos, de 6 mm²... Aunque quizás lo digas porque en iluminación se usen de 1,5 mm². De todas formas me encantan tus entradas, sigue así. Un saludo.


De: Niko54
2010-01-14 05:34:59

Genial artículo Pedro, aunque tengo una pregunta: ¿Por qué si se mide con un polímetro la resistencia de una bombilla es relativamente de "bajo valor"? (del orden del ohmio) ¿O es que es de "alto valor" comparado con la resistencia del cable que se utiliza para conectar los componentes?


De: ALEXANDER
2010-01-14 07:57:31

Muy buena va esta entrada de electricidad... para felicitarte, pero una anotación chiquita, sí creo que quedas debiendo así sea como una anotación en recuadro amarillo una mención a la diferenciación entre corriente alterna y continua, como uno de los grandes logros para reducir los problemas de llevar la electricidad a grandes distancias...

Saludos y sigue adelante.


De: J
2010-01-14 12:11:58

@Niko54: el problema es que estás suponiendo que una bombilla es una resistencia constante, y no lo es.

Por lo que he leído (nunca he hecho el experimento yo mismo), el filamento de la bombilla tiene una resistencia distinta según la temperatura (más grande a más temperatura).

Es decir, le metes voltaje y como tiene una resistencia pequeña, pasa un montón de corriente. Por efecto Joule se calienta, sube su resistencia y la corriente disminuye. Como sigue pasando corriente se calienta más, su resistencia sigue subiendo, y por lo tanto la corriente sigue bajando.

En algún momento llegará al punto de equilibrio, cuando esa corriente signifique que ya no se calienta más, la resistencia se queda constante y la corriente también. En el equilibrio, creo que para nuestras bombillas incandescentes de casa ronda los cientos de ohmios.

Esto lo hace rapidísmo, en lo que tarda en encenderse la bombilla.

Con el polímetro, como la tensión de prueba que mete es muy pequeña, no logras provocar el efecto.

Para hacer el experimento, lo que debes hacer es poner una resistencia conocida (pequeña) y una bombilla en serie. Metes tensión y mides la caída de tensión en la resistencia conocida. Con las ecuaciones del simple divisor resistivo eres capaz de deducir la resistencia de la bombilla en_ese_momento.

Pero si la alimentas con otra tensión distinta, el punto de equilibrio será otro, y sus resistencia tmbién. De hecho, si le metes mucha tensión, el punto de equilibrio estará más allá de la temperatura que soporta el filamento y se quemará. Y si le metes demasiado poca, el punto de equilibro estará por debajo de la incandescencia y no brillará (que es lo que te pasa cuando mides con el polímetro).

Por cierto: todas las resistencias (entendidas como el componente, marrón, con sus líneas de colores) varían su valor de R con la temperatura (recuerdo haber hecho una práctica en la carrera sobre ello). Simplemente, en las resistencias que montas en los circuitos se usan materiales que varíen muy poco con la temperatura, y en cambio en la bombilla se aprovecha el efecto para que brille sin quemarse (además de que al estar en una burbuja al vacío, no tiene oxígeno para hacer la combustión).

De hecho, dado que decimos que R varía con la temperatura, ¿no podríamos medir R para ver cuántos grados hay? Pues sí, eso es básicamente lo que hacen los termómetros electrónicos.


De: Juan Carlos Giler
2010-01-14 15:53:40

De nuevo felicitaciones por esta entrada, espectacular.


De: Brigo
2010-01-14 23:29:25

@j Vaya, hombre, ¡lo que he aprendido contu comentario!, ¿Por qué no escribes tu una serie sobre electrónica básica?, seguro que sería muy interesante.


De: Niko54
2010-01-15 06:51:37

Gracias por la respuesta! muy bien explicado.. Y coincido con Brigo, deberías abrir una serie en El Cedazo. Saludos!


De: Sergio
2010-01-15 12:15:26

Me está encantando esta serie!

Una preguntilla... si en lugar de la bombilla, nos ponemos nosotros, o sea agarramos los cables ¿lo que notamos es el efecto de Joule en nuestros dedos? ¿en definitiva calor provocado por el choque de los electrones con los átomos de nuestro cuerpo?

Lo de la corriente alterna y continua, como comentaba ALEXANDER, también es una inquietud que yo tengo. Supongo que llegará más adelante.


De: CuriOso
2010-01-15 16:29:56

@Sergio

No creo. Lo que debe ser es una sobreexcitación de los terminales nerviosos de nuestros dedos.

Para la corriente alterna, conociendo lo detallista que es Pedro, le calculo, veamos: magnetismo, electromagnetismo, inducción, ley de Lenz... seguro que me dejo algo hasta llegar a un alternador... échale 4 ó 5 artículos por lo menos :P


De: Jerbbil
2010-01-16 00:02:44

Muy buenas noches.

Jolines profe, te estás saliendo. Me sumo a lo que indica algún amigo tamicero por ahi arriba, lo de que te plantees escribir libros de texto, porque se te da bien.

Una de las mejores cosas que tiene esta serie es que se trata todo, absolutamente todo, de explicaciones cuyos pueden verse y/o notarse en la vida cotidiana. La Relatividad sin fórmulas, o la Cuántica, o Aquellas Maravillosas Partículas estaban explicadas de manera magistral, según es costumbre (¿nos estarás malacostumbrando, profe, a que queramos exigir este nivel de claridad y corrección a todo aquel que quiera escribir algo para que lo lean otros?), pero digamos que los contenidos quedaban un pelín lejos del día a día. Esta serie, además de hacerla entendible hasta para la persona más dura de mollera (uséase yo), es comprobable con estas manitas. Flipante.

Por favor sigue así. Gracias y felicitaciones.


De: asdf
2010-01-16 23:15:08

Cuando más grosor tiene un cable, menos se aprovecha la corriente que pasa por el centro. El centro del cable casi no circula corriente. La corriente suele pasar más por los bordes del cable. Es esa una de las razones del porqué las torres de alta tensión usan varios cables en vez de usar solo uno de más gordo.


De: Pedro
2010-01-16 23:25:21

asdf, sí... aunque para corrientes alternas, claro, las que por cierto, aún no hemos estudiado (y aún no sé si hablaremos en este bloque, la verdad) :)


De: kemero
2010-01-18 20:11:49

Pedro, yo haría hincapié en que lo importante no es el grueso del conductor, sino que tenga una mayor superficie exterior. Dos conductores pueden ser del mismo grosor, pero uno estar compuesto de muchisimos cables mas pequeños y el otro ser una sola pieza.

La recomendación es para no tener que aclaralo mas adelante, y además creo que se está planteando mal el problema, de todas formas el físico sos vos :)

PD: recien vuelvo de las vacaciones, me acabo de leer lo de Júpiter... brillante! igual me persiste la duda del centro de rotación Sol-Júpiter, pero lo dejamos para otro momento.


De: Pedro
2010-01-18 20:35:36

kemero,

Pedro, yo haría hincapié en que lo importante no es el grueso del conductor, sino que tenga una mayor superficie exterior. Dos conductores pueden ser del mismo grosor, pero uno estar compuesto de muchisimos cables mas pequeños y el otro ser una sola pieza.

Pero es que el grosor sí es importante :) Lo de la corriente por la superficie y demás es cierto para corrientes variables (por ejemplo, para la alterna), pero no para una corriente constante, que es lo que describe la serie. Cuando hablemos de corriente alterna (sospecho que no en este bloque sino en el siguiente, no lo sé, porque para explicarlo bien hace falta hablar de magnetismo antes) hablaremos sobre ese asunto, y entonces sí que explicaré por qué lo del grosor de este bloque ya no es cierto, etc.

Ahora me leo tu duda de Júpiter, que no la recuerdo, y si puedo te la contesto allí :)


De: kemero
2010-01-19 16:04:04

"Pero es que el grosor sí es importante Lo de la corriente por la superficie y demás es cierto para corrientes variables (por ejemplo, para la alterna), pero no para una corriente constante, que es lo que describe la serie. "

Por eso digo que el físico sos vos. :P


De: Dayl
2010-01-21 12:46:13

Pedro, hay una cosa que no veo clara. Dices "De hecho, si el cable es lo suficientemente delgado –y su resistencia, por tanto, lo suficientemente alta–, se calentará muchísimo por el efecto Joule: tanto que se volverá incandescente y empezará a brillar con luz propia. Ese estrechamiento es nuestra bombilla." Lo cual es cierto conceptualmente. Pero en la realidad sucede al revés. Si comparamos una bombilla incandescente de 10 w (ilumina y se calienta poco, como las que hay dentro de los frigorificos) con una de 100 w vemos que el filamento de esta última es más gordo y por tanto menos resistencia. De hecho conforme disminuimos la resistencia de las bombillas, pasa más corriente y se iluminan y calientan más.
Además, das a entender la bombilla como una continuación, más delgada, del conductor y en realidad esta compuesta (el filamento interior) por otro material (generalmente una aleacción de wolframio), con propiedades (resistencia, punto de fusión) diferentes a las del cobre habitual de los cables.
Por último una nota didáctica: la resistencias se suelen presentar en dientes de sierra (en puridad debería ser un rectangulo o si es una luz un circulo con aspa interior, pero eso se lo reservo a los instaladores) y la selenoide (como la del dibujo) es para las bobinas. Aunque el dibujo de selenoide es lo más parecido al filamento de la bombilla, dentro de poco nadie, salvo los ancianos del lugar como yo, verá o conocerá las bombillas incandescentes y el intercambio de simbolos puede generar confusiones en el futuro, por ejemplo a la hora de dibujar los transformadores en circuitos.


De: Pedro
2010-01-21 18:09:08

Dayl,

Me parece que tus pegas van todas por el mismo camino, de modo que si no quieres leer todo el rollo: el artículo no está escrito para ti, sino para un público bien diferente, y las cosas que planteas aparecerán más adelante, pero no aún, y me parecería un error hacerlo ahora --de ahí que no lo haya hecho--. Tal vez el "antes simplista que incomprensible" se te haya quedado demasiado simplista, pero eso es que deberías estar leyendo otras cosas sobre este asunto, demontres.

Respecto a la bombilla y la disminución de brillo con la resistencia: algo no puede ser cierto conceptualmente y al revés en la realidad... entonces ese concepto sería un concepto muy raro :) Lo que pasa aquí es que puede suceder una u otra cosa dependiendo de qué sea constante y qué no, y de cómo de grande sea la R de la bombilla comparada con el resto del circuito. El ejemplo que das se cumple en ciertas condiciones, pero hay otras en los que sucede exactamente lo que dice el artículo (aumento del brillo con la resistencia). El aumento del brillo con la disminución de resistencia en una bombilla de casa es bastante contrario a la intuición, y hablaremos de él en bloques superiores. Pero este bloque es introductorio, para gente que no tiene ni idea, o poca idea, de electricidad; lo más razonable, en mi opinión, es dar un ejemplo suficientemente sencillo e intuitivo para comprender cómo utilizar el efecto Joule para producir luz. De ahí que utilice éste. Si quisiera ser realista, tendríamos que hablar necesariamente, por ejemplo, del valor variable de la resistencia con la temperatura, pero ni se me pasa por la cabeza hacerlo en el texto básico... sí es posible que, en cuanto encuentre tiempo, añada una caja amarilla de ampliación muy breve sobre la "paradoja de la bombilla", pero no en la explicación de base.

Lo del filamento, lo mismo te digo: trato de mostrar al lector, de la manera más sencilla posible, cómo alterar la geometría de un cable para producir luz. Ni hablo de wolframio, ni de tungsteno... ¡ni tampoco de cobre! El objetivo del artículo no es construir una bombilla comercial, sino una que dé luz utilizando a Joule y, si hicieras lo que se indica en el texto, tendrías una bombilla (no práctica, no duradera, pero sí bombilla). Si crees que induce a pensar que las bombillas incandescentes comerciales tienen filamentos de cobre, lo menciono explícitamente pero, si no, ni siquiera entraría en ello en el texto porque, a este nivel, cuanto menos conceptos y más claros --con pocos matices--, mejor.

Respecto a los símbolos, no hay ninguno, porque esto no es un diagrama ni por asomo. La pila, por ejemplo, es el dibujo del artículo anterior... la "bombilla" es un dibujo que ha hecho Geli --que no sabe nada de electricidad ni de los símbolos, ni se los he explicado a propósito para que idealice la bombilla como la imagina alguien que no sabe de circuitos--, para que alguien que no sabe nada pueda visualizar el cablecillo fino y largo, etc. Una vez más, en bloques superiores hablaremos de los símbolos estándar de los elementos que usemos, cuando haya circuitos en serie y paralelo, y hablemos de condensadores, resistencias y lo que surja... pero no ahora. Dibujo naïf de filamento y bombilla, y punto final.

Tal vez dentro de unos años haya gente que no sepa lo que es una bombilla incandescente y, si nadie se lo ha explicado, no sepa cómo es. ¿Pero esa misma gente, sin que nadie se lo explique, reconocería el símbolo de una resistencia? No. Sin embargo, mi esperanza es que esa misma persona, tras leer el texto del artículo y encontrarse con el dibujo, sí pueda imaginar físicamente cómo sería ese filamento y la bombilla que construimos en general.


De: RyAnG
2010-01-21 21:38:31

Lo primero, excelente artículo. Lo que veo es que has puesto todo el énfasis en como aprovechar este efecto en nuestro beneficio, como conseguimos luz y calor de una manera relativamente fácil. Me gustaría hacer hincapié en los problemas de este calentamiento con un ejemplo del mundo que conozco que es la informática:

Casi todos los que léeis esto os habréis dado cuenta del calorcito que sueltan vuestros ordenadores que la verdad es que en invierno pueder ser de agradecer. El problema es que ese calor no sale de la nada, es energía que has tenido que aportar (y pagar en vuestras facturas eléctricas) para tirarla en forma de calor. ¡No estás pagando para que tu ordenador funcione! Estás pagando para calentar la habitación y no es un porcentaje despreciable del consumo total. Este efecto se ha multiplicado con la progresiva miniaturización de los componentes electrónicos, como hemos aprendido, cuanto más estrecho es el conductor más calor se desprende.

Esto en tu casa es una lástima pero ese calor puede ser asumible o incluso aprovechable porque te lo puede ahorrar en calefacción, pero en los CPD (centros de proceso de datos o 'salas de servidores' para los no iniciados) no lo es. No podemos permitir que la temperatura suba, así que además de la energía desperdiciada en forma de calor, necesitamos la energía necesaria para enfriar la sala, y os aseguro que es mucha. Estamos hablando de enfriar salas de decenas o cientos de metros cuadrados que hay que mantener a 20ºC cuando sin sistemas de refrigeración se pondrían a 60º o 70º en un par o tres de horas.

Vamos, que realmente del total de la energía que utilizamos en estas salas sólo estamos gastando una parte en realizar trabajo productivo. La mayor parte de lo que se consume se convierte en calor o se utiliza para ¡deshacerse de ese calor!.
Y si no os preocupan las facturas que pagan las empresas en esto, por lo menos pensad en la parte de daño ecológico que supone gastar energía 'a lo tonto'. Toneladas de CO2 lanzadas a la atmósfera para nada.

En fin, todo Dr. Jeckyll tiene su Mr. Hyde.

Esperando la siguiente entrega de la serie...


De: Jose M. Piñeiro
2010-03-22 16:34:42

A mi me gustaria que hicierais una pequeña reflexion sobre este articulo.

Creo que todo el mundo podra deducir que las estufas electricas funciona por efecto Joule. Simplemente se hace pasar la corriente electrica por una resistencia y esta se calienta, calentando la estufa.

Esto convierte una sencilla estufa en un objeto maravilloso. Su rendimiento es del 100% (casi nada tiene un rendimiento 100%)
Es decir, toda la energia que consume la estufa se transforma en calor.

Y ahora fijemonos en la publicidad que nos anucia estufas con fuido termotransportadores, elementos termoemisores y tecnologia espacial. Debido a esta depurada tecnologia las estufas "ahorran" energia.

Pero preguntaros, ¿Hay alguna manera mas eficaz de transformar electricidad en calor?

Pues evidentementente NO. Si una simple estufa ya transforma toda la energia electrica en calor, no hay forma de producir el mismo calor usando menos electridad. Por tanto todos estos inventos son en realidad UN TIMO.

NOTA: Hay un truco que consiste en coger calor del exterior (aunque haga un pelete de mil demonios) y meterlo dentro de casa. El sistema se llama bomba de calor (lo suelen tener los aires acondicionados) y consigue una eficiencia tres veces superior al de una estufa. La unica pega es que si la temperatura exterior es de menos de 4ºC no funciona muy bien, pues se empieza a escarchar el intercambiador.


De: Rlopezcano
2010-06-16 12:56:18

@José M. Piñeiro

No estoy de acuerdo con lo que dices "Esto convierte una sencilla estufa en un objeto maravilloso. Su rendimiento es del 100% (casi nada tiene un rendimiento 100%) Es decir, toda la energia que consume la estufa se transforma en calor."

El rendimiento es energía que entra menos la que sale ("energia que se usa") dividido entre la energía que entra. Es obvio que de una estufa sale energía, puesto que puedes poner una bombilla en serie detrás de una estufa, y esta se iluminará, mas o menos, pero se iluminará. Asi, el rendimiento no puede ser del 100%.

Además dices "El sistema se llama bomba de calor (lo suelen tener los aires acondicionados) y consigue una eficiencia tres veces superior al de una estufa". Si la eficiciencia (o rendimiento) de la bomba de calor es 3 veces superior a la de la estufa, y la de la estufa es del 100%, tendríamos que el rendimiento de la bomba de calor es del 300%!!! :O

Un saludo


De: guannais
2010-06-24 15:50:07

¡Ay!, que risa al leer el segundo nombre del amigo Joule; ahora entiendo por qué aquellos procesadores que se calentaban tanto los llamaron Prescott. Seguramente los directivos Intel aceptaron el nombre porque no sabían que era probablemente una broma de los ingenieros.


De: torcuato
2010-08-05 12:21:36

Primero felicitarte por el artículo. Solo hace un par de días que conozco este blog y he leído algo de la teoría de la relatividad y este de electricidad. Solo quería puntualizar que el interruptor magnetotérmico no funciona como describes en el cuadro amarillo. El magnetotérmico se compone de dos partes o mecanismos:
- Magnético, que protege al circuito de cortocircuitos.
- Térmico, que protege al circuito de sobrecargas.

Puntualizar que como cortocircuito se entiende una intensidad que es mucho mayor que la intensidad para la que está diseñado el circuito. Ejemplo, si en casa tengo una línea de enchufes diseñada para 15 A y pasan 150 A, se considera un cortocirtuito. En este caso actuaría el mecanismo magnético, que es mucho más rápido que el térmico, puesto que si no fuera así se “quemaría” el circuito. Si por esta linea de enchufes pasaran 17 A, sería una sobrecarga, el circuito térmico actuaría en este caso pero lentamente. Si esta sobrecarga existiera durante un corto periodo de tiempo no llegaría a actuar el mecanismo térmico. Tampoco haría falta porque una pequeña sobrecarga por un corto periodo de tiempo no deterioraría el circuito.

Por tanto son dos mecanismos independientes. El térmico se compone de un bimetal, dos láminas unidas de diferentes metales que al tener diferente coeficiente de dilatación se deforman al calentarse por el efecto Joule. Al deformarse o curvarse accionan un mecanismo de desconexión. Por este motivo este sistema no es rápido, depende del tiempo que tarde en calentarse y este a su vez de la intensidad, a mayor intensidad menor tiempo. El sistema magnético es mucho más rápido, básicamente es una bobina que al pasar corriente por ella crea un campo magnético. La bobina está calculada para que a partir de una determinada intensidad de corriente ( según el magnetotérmico de 3 a 10 veces la intensidad del magnetotérmico) el campo magnético que crea tenga suficiente fuerza para actuar sobre un mecanismo de desconexión.

Se puede consultar en http://es.wikipedia.org/wiki/Interruptor_magnetot%C3%A9rmico.

Gracias por estos artículos tan buenos.


De: Pedro
2010-08-05 20:25:27

torcuato, sí, alguien más me apuntó el error, pero aún no he tenido la energía de arreglarlo, lo siento :P Antes de publicarlo como libro, seguro que lo corrijo. ¡Gracias! :)


De: chamaeleo
2010-08-06 14:00:05

Rlopezcano: "tendríamos que el rendimiento de la bomba de calor es del 300%!!! :O"

Bueno, hay una trampa. El rendimiento no es del 300%, pero sí se puede decir que la energía térmica producida es el 300% de la energía eléctrica consumida. Lo que pasa es que la energía térmica no utiliza sólo la energía eléctrica, sino también la energía térmica del exterior mediante intercambiadores de calor (como bien explica Jose M. Piñeiro).

De forma que aunque el calor producido sea el 200%, 300% o el 400% de la energía eléctrica que pagas, el rendimiento en realidad sería de un 67%, 75% o 80% de la energía total que gastas (la energía térmica del exterior no se suele tener en cuenta, porque es gratis).


De: chamaeleo
2010-08-06 14:03:31

Rlopezcano:

Yo creo que una estufa eléctrica sí que tiene un 100% de rendimiento, o tal vez no llegue al 100% y sólo sea del 80%, en cuyo caso, el 20% restante se pierde en forma de calor... pero resulta que es precisamente calor lo que queremos!!! Por lo que ese 20% de pérdidas resulta útil para el cometido de la estufa.

En el otro caso, cuando se dice que una estufa tiene un rendimiento de un 300%, efectivamente, hay una trampa. El rendimiento no es del 300%, pero sí se puede decir que la energía térmica producida es el 300% de la energía eléctrica consumida. Lo que pasa es que la energía térmica no utiliza sólo la energía eléctrica, sino también la energía térmica del exterior mediante intercambiadores de calor (como bien explica Jose M. Piñeiro).

De forma que aunque el calor producido sea el 200%, 300% o el 400% de la energía eléctrica que pagas, el rendimiento en realidad sería de un 67%, 75% o 80% de la energía total que gastas (la energía térmica del exterior no se suele tener en cuenta, porque es gratis).


De: Yuri
2010-08-10 19:21:31

Sorry.
Si me hubieran explicado así, ahora sería ingeniero.


De: Toms
2011-02-01 11:13:05

Hola Pedro

Si tengo 2 linternas que iluminan con distinta intensidad ¿cómo consiguen los electrones que el filamento se ilumne más en una que en otra si la velocidad media de los e- es de 10cm/h?

He entendido que el efecto Joule se produce por el movimiento caótico de los e- no por el paso de estos por el filamento;

Si tengo encendida una linterna 10 minutos, prácticamente los e- no se han movido y sin embargo puedo conseguir diferentes intensidades con diferentes linternas ?????

Muchas gracias.


De: Pedro
2011-02-01 18:21:16

Toms, no entiendo muy bien la pregunta, así que tal vez la respuesta no sea muy clara. Veamos.

Los electrones no tienen que ir a ninguna parte para que la bombilla brille. Imagina que la bombilla es una campana, y que los electrones son pelotitas que hay alrededor. Si hago que las bolitas vayan y vengan con un compás, unas cuantas veces cada segundo, de modo que hagan repicar la campana constantemente, al cabo de 10 minutos puedo haber hecho sonar la campana todo el tiempo y que los "electrones" sigan prácticamente donde estaban.

Respecto a las diferentes linternas, como se dice en el artículo, el efecto Joule depende de la naturaleza y características del conductor. Si el filamento de una bombilla es muy fino, y el de otra no tanto, por poner un ejemplo, no van a brillar igual, porque en un caso y en otro los electrones no están igual de "apelotonados".


De: Toms
2011-02-01 19:02:36

Osea, el brillo del filamento depende del grosor del mismo, a más grosor menor resistencia y, por tanto, menos e- apelotonados y menor brillo.

Es que tengo un pequeño lío.

(en el caso de que corresponda a un bloque superior me lo dices y espero tranquilamente).

Sabemos que la intensidad de corriente a través de una superficie indica qué cantidad de carga la atrviese por unidad de tiempo;

Si queremos aumentar la intensidad, por ejemplo disminuyendo la resistencia o aumentando la tensión ¿de donde salen los e-? y si son los mismos e- ¿por qué aumenta la carga que lo atraviesa?

Un saludo y gracias.


De: Pedro
2011-02-01 20:36:07

Toms, no, la cosa es un poco más complicada que eso. De hecho, yo no me preocuparía mucho por ahora, ya que en este bloque la idea central es por qué se disipa energía en un conductor, y cómo utilizamos ese hecho para las bombillas. La potencia disipada depende de varios factores, como la tensión a la que está conectada la bombilla, y a mayor resistencia no hay necesariamente mayor brillo sino incluso al revés, ya que a menor resistencia, con el mismo voltaje, la intensidad aumenta, y la potencia disipada depende del cuadrado de la intensidad... pero yo no me metería en eso ahora, porque creo que sólo va a liar las cosas sin usar fórmulas, y por ahora no las usamos en el bloque :)Respecto a de dónde salen los electrones, del propio conductor. A menor resistencia, más electrones atraviesan una sección de conductor determinada, porque menos obstáculos encuentran para desplazarse.


De: Toms
2011-02-01 21:22:00

Muchas gracias Pedro.

Esperaré al siguiente bloque para profundizar más y entenderlo mejor.


De: Juan Carlos Giler
2011-03-19 21:44:07

Hola, por cierto, hay una errata que tambiéjn está en el libro:
"tanto la pila como el cabe se calientan bastante" falta una "l" en cabLe.


De: Juan Carlos Giler
2011-03-19 21:47:00

Ups, he olvidado tambieén esta: "sucendiendo" jijiji


De: josecb
2011-03-20 15:32:17

"Este efecto se ha multiplicado con la progresiva miniaturización de los componentes electrónicos, como hemos aprendido, cuanto más estrecho es el conductor más calor se desprende."

Eso no es cierto, de hecho una de las ventajas de disminuir los nanómetros es que se libera menos calor. Imagino que debido a lo que ha dicho Pedro de que aparte del grosor también importa la longitud.

Saludos


De: Jose
2011-05-01 00:38:21

Una pequeña corrección a este excelente artículo: El término "simio" es sinónimo de "mono" y excluye a los seres humanos. Hubiera sido más correcto decir "primate" u "homínido".


De: Pedro
2011-05-01 09:23:28

Jose, es que va con retranca :) Cuando veas lo de "monos cascarrabias", que digo de vez en cuando, te van a hacer los ojos chiribitas ;)


De: Guille
2011-08-01 11:18:04

Nesesitamos a mas gente como tu, que se preocupe de llevar la ciencia a todos,
Sigue asi!!!!!!


De: JLI
2012-04-21 00:30:32

Hola, estoy rememorando viejos tiempos estudiantiles gracias a esta fantastica web, y me estaba interesando bastante el tema eléctrico el cual conozco bastante bien por ser Arquitecto Tecnico y estar experimentado en cálculo y creación de instalaciones y circuitos en edificación, por lo que este tema es muy refrescante para volver a los conceptos básicos, además pronto tendré que ir dando explicaciones básicas a los retoños, con lo cual viene bien este ejercicio de memoria.

Me ha llamado especialmente este parrafo, pues tenia entendido que la resistencia de un material es una constante, como bien definias con la ley de Ohm, donde según la configuración molecular y atómica del mismo permite una mejor o peor circulación por su interior de los electrones.

"En primer lugar, ya que el caos del movimiento de las cargas por el conductor depende de lo bueno o malo que sea, ése es el primer factor: un cuerpo con una conductancia muy alta (o una resistencia muy baja) sufrirá un calentamiento más leve que un mal conductor, de baja conductancia y alta resistencia. De hecho, el calentamiento es proporcional a la resistencia del cuerpo. Recuerda, por cierto, que la resistencia de un cuerpo no sólo depende del material del que está hecho, como vimos al hablar de esta magnitud: además de eso, cuanto más fino sea el conductor, mayor será la resistencia, y cuanto más largo, mayor será la resistencia. De modo que, al poder controlar hasta cierto punto la resistencia de un conductor mediante su forma física, es posible controlar a su vez el efecto Joule que depende de esa resistencia. Pero de eso hablaremos en un momento."

Es por ello que la sección no afecta a la resistencia que seguirá siendo la misma, salvo que haya un cambio de material en el hilo conductor, y el calor se produce por que de lógica en un conductor con menos sección el paso de electrones es el mismo número que por un conductor de mayor sección y por eso se producen más tropezones y choques, efecto embudo. Una parte del cálculo de instalaciones elcétricas se basá en el cálculo de los hilos (su sección evidentemente es lo que se calcula) en función de su consumo en amperios, la tension es fija como es lógico.

En cuanto a lo longitud del conductor tampoco altera la resistencia del conductor, más bien es la propia ley de Coulomb lo que nos explica que a mayor distancia entre polos menor es la fuerza de atracción, y por ello se produce una caida en la diferencia de potencial o tensión, eso explica en gran parte por que se utilizan las grandes tensiones en trasporte de electricidad de grandes distancias, para evitar la conocida caida de tensión, que si bien no la evita esta es mucho menor en perdida que con tensiones más bajas que podrían incluso no llegar a alcanzar el otro polo por la distancia e impedirse la trasmisión de la corriente.

Gracias y sigo con las lecciones, al menos yo no tengo que esperar dos semanas para disfrutarlas.

Saludos a todos.


De: Pedro
2012-04-21 09:24:49

JLI,

Es por ello que la sección no afecta a la resistencia que seguirá siendo la misma

No; creo que en todo tu comentario (porque también lo dices de la longitud) te estás refiriendo a la resistividad, no a la resistencia. La resistividad sí es constante para un material y no depende de sección, tamaño y demás. La resistencia de un conductor sí depende, y mucho, de su sección y longitud. La fórmula, de hecho, viene a ser algo así: R = resistividad·longitud/sección. http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica#Resistencia_de_un_conductor


De: JLI
2012-04-21 12:49:00

Lo siento, 20 años sin repasar conceptos oxidan más de lo que tenía previsto. Conductividad versus conductancia, o resistividad versus resistencia, se me había olvidado lo lioso que está esto de la nomenclatura. Sigo adelante una vez pasado el bache, que está muy interesante. Como los otros dos bloques sean iguales de didacticos aquí tiene un ferviente seguidor a su servicio.


De: jose antonio
2013-04-20 10:07:18

excelente como todos tus articulos, cuando ya me has impresionado con una entrada, viene otra y la supera.
por favor pedro no dejes de escribir, de lo que te parezca.
por ejemplo una serie sobre magnetismo, newton, momentos claves en la historia de la ciencia, etc
muchas gracias


De: Roger
2014-01-12 13:47

"Como puedes ver, hemos conseguido nuestros dos propósitos; por una parte, ese estrechamiento del cable hace que la resistencia haya aumentado, y la intensidad que circulará por nuestro circuito será menor que antes."

Alguien puede ayudarme? No entendí esta frase, no se supone que para aumentar el efecto Joule tenemos que tener la maxima intensidad posible? En que nos beneficia disminuir la intensidad? O realmente el aumento de resistencia es suficientemente potente como para compensar esa disminución?

Gracias Roger

De: Sergio B
2014-01-13 12:34

@Roger, estamos disminuyendo el efecto joule global pero aumentandolo localmente. Para aumentar el efecto joule en efecto hay que aumentar lo mas posible la intensidad, el aumento de resistencia no llega a compensarlo, pero si lo compensa en cierta forma.

Precisamente por que el efecto joule baja al aumentar la resistencia, necesitas suficiente voltaje para que la energia por efecto joule que queda al aumentar la resistencia produzca incandescencia. Piensa que si aumentamos mucho la resistencia llegariamos a un punto que seria un circuito abierto, ya que por sierta parte no podria circular la electricidad.

De: Joseba
2014-01-29 17:15

Hola, cuando mencionas que:

"De modo que, para empezar, tratamos de utilizar materiales que conduzcan muy bien la corriente eléctrica –es decir, que pongan el menor número de obstáculos posible–, como el oro, la plata o el cobre. Generalmente, claro, suele ser cobre, porque aunque no conduzca tan bien como los otros dos, es muchísimo más barato."

Comentes un error común: Los mejores conductores, en este orden, son: plata, cobre y oro; el cobre conduce mejor que el oro y sólo es superado por la plata.

Enlace a Wikipedia

El problema de la plata es su bajo punto de fusión (podríamos fundirlo con el efecto Joule si la corriente es la adecuada) y, lógicamente, el precio.

Por otro lado, a pesar de ser peor conductor que el cobre (y encima muy caro), el oro tiene algunas ventajas que hacen que se use a veces: 1. El oro es más blando, con lo cual es adecuado para conectores ya que su poca dureza minimiza los "ruidos" en la señal provocados por mover ese conector (muy útil en la industria del audio). 2. El oro resiste la corrosión mucho mejor que el cobre, algo de nuevo útil en conectores, ya que a diferencia del cable recubierto, los conectores están al aire.

Dicho sea de paso, cuando el conector es para un cable que transporte una señal digital, que esté bañado en oro es una absoluta estupidez, y una técnica de marketing muy común.

Si el conector es para un cable que transporte una señal analógica, por ejemplo audio analógico, entonces puede ser útil, pero el 90% de las veces por desgracia es una táctica de "hacer bonito y atraer a los poco duchos en el tema".

De: Sergio B
2014-01-31 09:40

Joseba, la plata y el cobre tienen un punto de fusion bastante parecido, asi que yo diria que solo depende del precio. Ademas el cobre es menos denso que la plata, por lo que para cables como por ejemplo las lineas de alta tension, en las que el peso es importante, el cobre es mejor por su mejor conduccion especifica, por lo que los cables de cobre pueden ser mas gruesos pesando menos que los de plata y tener menos resistencia.

Yo recuerdo que una de las ventajas del oro como conductor es que es un metal autolubricante y que el oro contra el oro no sufre practicamente rozamiento, ni por tanto desgaste, lo que es bueno para esas partes moviles a las que no vas a tener acceso para anadir aceite.

De: Joseba
2014-01-31 13:51

Hola Sergio.

Tienes toda la razón, lo del punto de fusión es irrelevante porque sólo es ligeramente inferior (unos 100 ºC).

Lo de la densidad lo desconocía, pero desde luego es importante, es un buen motivo extra.

En cuanto a lo de la autolubricación, en parte los tiros van por donde yo decía: es más blando y para conectores puede ser interesante, aunque la verdad es que dicho así, "autolubricación" no lo había oído nunca. De nuevo un dato extra interesante. Investigaré sobre el tema :)

Un saludo y gracias.

De: jairo
2015-11-09 02:24

Yo he querido saber porque un conductor que esta flojo en un contacto se calienta? como podria aumentar la resistencia al estar algo flojo. Me gustaria saberlo

De: jairo
2015-11-09 02:34

Ah sobre la pregunta que hize hace un rato, ya termine de leer tu excelente articulo y la comprendi , sucede que es que habia preguntado antes de acabar de leer

De: Marco Trelles
2015-12-13 02:21

Hola amigo, interesante artículo. La siguiente consulta: tengo una cocina eléctrica de unos dos años, he debido cambiar los termostatos y fusible porque se quemaron. Sin emabargo, porqué se calienta tanto el cuerpo de la estufa (metal) y el toma corriente? No la estoy usado porque temo que produzca daños. Es un problema de la resistencia y de los cosductores? Gracias de antemano por la ayuda!!

De: aritz
2016-01-18 17:05

Buenos días, tengo una pregunta.

Situación actual: tengo un termostato WIFI que necesita estar enchufado a la red, cosa con la que no contaba y tengo "tirados" desde que he terminado la reforma 3 cables básicos de electricidad (mítico de colores) desde la ubicación de la caldera (en la cocina) hasta el salón.

El problema y malas soluciones hasta ahora: Opción 1: Si conecto al que vamos a llamar 'comunicador' (el módulo que necesita estar enchufado y que se conecta con el router inalámbricamente y con la caldera mediante los 2 de los 3 cables "tirados" hasta la cocina), quedaría un cable colgando en medio de la pared del salón hasta que encuentre un enchufe (es una opción muy muy fea). Opción 2 (actual): He conectado el comunicador en el armario de la caldera y enchufado allí mismo, pero se genera un microclima que no da la temperatura real de la casa y no es cómodo andar pensando si está más caliente/frio y que temperatura le debería indicar.

Posible solución? Opción3: Enchufar el trasformador del comunicador en el armario de la caldera, cortar el cable y empalmarlo con 2 cables que tiraría hasta el salón. Ahora llegan 3, le sumaría uno y el otro que no uso. Y con los dos que llegan al salón le conectaría el comunicador. Y aquí viene mi pregunta: este transformador que trae el módulo, tiene una salida de 5v y una longitud de cable de aprox 1m. Ahora bien, si hago el empalme, los cables que usarán serán aprox 10m y no se si perderá la potencia suficiente como para no alimentar en el salón al comunicador. Antes de ponerme a cortar los cables, he preferido preguntar.

Cual es vuestra opinión? 1000 perdones por la chapa y gracias de antemano si alguno contesta!!

De: mmendez
2016-03-19 21:50

Hola,

tengo una duda existencial que escribo en esta sección porque creo que quizá tenga algo que ver.

Cuando uno mira las indicaciones de ciertos electrodomésticos, muchos expertos dicen que es necesario prestar especial atención al voltaje antes que a la intensidad porque "es el responsable" de que se quemen los aparatos. Que lo importante es no poner un cargador con una salida de 20V a un aparato que soporta 9, y que la intensidad es menos importante porque influye sólo en el tiempo de carga. ¿Es esto cierto?.

La idea que alguna vez alguien plantó en mi mente sobre por qué los electrodomésticos se queman es por una fundición del conductor por efecto Joule. Es verdad que uno puede escribir el calor disipado por efecto Joule en términos solamente del voltaje y esa es la justificación de muchos expertos a por qué se le debe prestar más atención al voltaje (sin embargo, como bien apuntas aquí, el efecto Joule no depende sólo del voltaje, sino también de la intensidad!)

¿Qué es lo que estoy planteando mal? ¿Por qué los expertos "temen" más a no pasarte en el voltaje y no le prestan tanta atención a la intensidad?

Muchas gracias de antemano y perdonad la parrafada. Llevo mucho tiempo con esta duda que debería saber contestar, y no encuentro una respuesta clara.

De: Pablo J. Vázquez
2016-07-21 20:09

Hola a todos!!!

Soy nuevo por aquí, y lo primero, claro está, es felicitar a ese pedazo de crack llamado D. Pedro Gómez-Esteban.. :))

He visto Pedro que llevas un tiempo sin publicar.. Lógico, escribir de manera tan, tan clara y pensando tanto en el lector, agota. Mi campo, hasta ahora, es el bursátil, y ahí es donde me he dedicado, mediante numerosos artículos, a compartir mi visión de las cosas. Y sí, agota..

Pero si hay algo te pone las pilas son los ánimos de todas aquellas personas que te leen de forma apasionada. Pero, permíteme un consejo: tienes que ir más allá..

VÁMONOS TODOS A CENAR A MADRID PARA INVITAR A PEDRO Y DARLES LAS GRACIAS EN PERSONA!!!

Y ya veréis cómo se pone a escribir de nuevo.. ;-)

Y ahora mi duda, claro.. jeje

Tiene que ver con el grosor y la resistencia. Evidentemente, puedo estar muy equivocado, pero, a mi juicio, el término resistencia no es apropiado. Sí resistividad, pero no resistencia. Por resistir entiendo, más bien, impedir el paso; y si bien es cierto que un material puede impedir más que otro, diferentes grosores de un mismo material impiden lo mismo. Lo que ocurre es que, como definimos intensidad en términos de cantidad de carga por unidad de tiempo, y dado un voltaje determinado, menos grosor implica que pasan menos electrones. Pero no veo lo de impedir..

Por otro lado, en ese homenaje a la Física y a la brillante exposición de las cosas que es tu libro de Electricidad I (ay II, cómo te echamos de menos), comentas que, cuanto menor es el grosor, mayor es el número de impactos. Y eso, precisamente, lo que no entiendo. Al reducir el grosor, se reduce el volumen; pero también se reduce la masa, por lo que también hay "menos" con lo que chocar. No?

Bueno, lo dicho: GRACIAS!! Pablo

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