Potencia y energía de una corriente eléctrica. Efecto Joule
1. Potencia y energía de una corriente eléctrica
Cuando la corriente eléctrica pasa por un circuito se gasta cierta cantidad de energía.
Una corriente continua pasando por un circuito de diferencia de potencial V con una intensidad I gasta una potencia igual a:
P = V·I
Se medirá en vatios (w), donde V es la tensión e I la intensidad.
Según la ya estudiada Ley de Ohm: V=R·I, sustituyendo queda:
P=R·I·I, o sea P=R·I2
La potencia es la energía consumida cada segundo. Si el circuito trabaja t segundos, la energía gastada será: W= R·I2·t, y se mide en julios (J) o en kilovatios-hora (kwh).
Llamamos kilovatio-hora (kwh) a la energía que gasta la potencia de un kilovatio (1000 vatios) actuando durante 1 hora.
1 kwh = 3.600.000 J (Julios)
Ejemplo:
Si una lavadora gasta una potencia de dos kilovatios a lo largo de 3 horas, su consumo total es de W = 2 kw·3horas = 6 kwh.
2. Efecto Joule
Si por un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las moléculas del conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo.
Se expresa en la siguiente fórmula:
Q = R·I2·t·0,24 calorías
Donde Q es el calor emitido por el circuito medido en calorías.
En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras, las calefacciones eléctricas y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, etc. en los que el efecto útil buscado es precisamente el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente.
Efecto Joule
En el caso particular de un cable (o, en general, de un resistor caracterizado por una resistencia R), si el extremo A está a mayor voltaje que B, la corriente va de A a B. El flujo de trabajo eléctrico (o potencia eléctrica) que entra en la resistencia es
Por la ley de Ohm para una resistencia, podemos escribir esta potencia de varias formas alternativas
esta es la llamada ley de Joule (o efecto Joule). En una resistencia eléctrica se consume trabajo eléctrico. De acuerdo con el primer principio de la termodinámica tendremos que
es decir, la potencia eléctrica que metemos, en parte se emplea en aumentar la energía almacenada (que puede ser en forma de energía interna, lo que vemos como un aumento de temperatura del sistema, pero también en otros tipos de energía) y parte se escapa al exterior en forma de calor. Es decir, un cable por el cual circula una corriente aumenta su temperatura y radia calor al exterior. Esta disipación a veces es deseada, como en el caso de una estufa, pero normalmente es indeseable y hay que procurar reducirla (puede demostrarse que debido a la corriente existe una producción de entropía que hay que reducir para mejorar la eficiencia de un sistema).
La cantidad total de energía eléctrica consumida es la integral de la potencia
En el caso de una corriente continua (I = cte) el resultado de la integral es una simple multiplicación. Para una corriente variable (como la corriente alterna, por ejemplo), habrá que hacer el cálculo correspondiente.
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Potencia_el%C3%A9ctrica_(GIE)
La Ley de Joule
Cuando por un conductor circula corriente eléctrica, este se calienta y produce calor. Esto es debido a que parte deltrabajo que se realiza para mover las cargas eléctricas entre dos puntos de un conductor se pierde en forma de calor.
El año 1845, James Prescott Joule fue capaz de encontrar la ley que permite calcular este efecto, viendo que este trabajo disipado en forma de calor es:
- Proporcional al tiempo durante el que pasa la corriente eléctrica.
- Proporcional al cuadrado de la intensidad que circula.
- Proporcional a la resistencia del conductor.
Se expresa de la siguiente manera:
W = R • I 2 • t
El efecto Joule limita la corriente eléctrica que pueden transportar los cables de las conducciones eléctricas. Este límite asegura que la temperatura que pueden conseguir los cables no pueda producir un incendio. Una manera de asegurar que no supere el límite es utilizando un fusible: un dispositivo formado por un hilo de metal que va conectado en serie al circuito general de la instalación eléctrica.
Efecto Joule
Una de las principales aplicaciones de la energía eléctrica proviene de su posibilidad transformación en calor. Esta conversión, conocida por efecto Joule, se explica como el resultado de los choques que experimentan las cargas eléctricas del cuerpo por que circula la corriente, que elevan así su temperatura.
A partir de la equivalencia entre trabajo y calor (1 J = 0,24 cal) se obtiene la siguiente expresión matemática para el efecto Joule:
donde DQ se expresa en calorías y las restantes magnitudes en las unidades del Sistema Internacional.
El efecto Joule se aprecia en numerosos fenómenos cotidianos. Por ejemplo, se emplea para generar calor a partir de la electricidad mediante calefactores eléctricos. Pero también tiene efectos indeseables en los circuitos, ya que provoca el calentamiento de los motores eléctricos, de las bombillas de iluminación y de los cables, con el consiguiente riesgo de incendio y las perdidas de energía.
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