Calor Producido Por la Corriente Electrica Aplicaciones
Calor Producido Por la Corriente Electrica Aplicaciones
Una corriente eléctrica se asemeja a una caravana de electrones; en movimiento; el conductor sería como un bosque contra cuyos árboles chocarían los electrones al recorrerlo produciendo una agitación general.
Los "árboles" son en este caso átomos o moléculas del conductor y el movimiento que nace del choque con los electrones se traduce en un aumento de las vibraciones habituales de los átomos y moléculas.
Dichas oscilaciones se perciben como temperatura.
De ahí que el calor sea uno de los efectos invariables de la corriente eléctrica al pasar por un conductor.
Podemos decir también que ese calor se produce al tratar la corriente de superar la resistencia del conductor.
► RESISTENCIA
La resistencia de una sustancia es la dificultad que ofrece al paso de una corriente eléctrica.
Puesto que una corriente es un flujo de electrones que saltan de un átomo a otro, la resistencia depende fundamentalmente de la firmeza con que los electrones están sujetos a los átomos.
En un buen conductor como el cobre, algunos de los electrones están muy débilmente unidos a los átomos y la resistencia es muy pequeña, mientras que en un mal conductor de la electricidad (aislador) como el caucho, todos los electrones están firmemente unidos a sus respectivos núcleos y la resistencia es muy grande.
En los buenos conductores la resistencia depende del calibre y de la longitud.
Cuanto más grueso y corto sea un conductor, tanto menor será su resistencia; cuanto más fino y largo, más resistirá al paso de la corriente, pues al reducirse su sección los electrones tienen menos espacio para pasar.
► CONDUCTIBILIDAD Y NATURALEZA QUÍMICA
Hay dos tipos de sustancias: las que conducen la corriente, llamadas "conductoras", y las que.no la conducen o "aisladoras".
Pero entre las primeras se distinguen dos clases: conductores de primera clase y conductores de segunda clase.
Entre los de primera clase se encuentran los metales, cuya estructura química no varía por el paso de la corriente eléctrica; en ellas los electrones "viajan" solos.
Los de segunda clase son los electrólitos, sustancias cuyas moléculas disueltas en agua se separan en iones o partículas electrizadas que al conducir la corriente (en solución o fundidos) sufren reacciones "electrolíticas" que alteran su constitución.
En estas sustancias los electrones son transportados por los iones hasta los bornes o "electrodos". De allí la disociación de los electrólitos al apartarse los iones de cargas eléctricas opuestas.
► EL CALOR, FORMA DE ENERGÍA
Veamos qué relación hay entre calor y trabajo.
El calor es una forma de energía o capacidad de realizar un trabajo que consiste en vencer una cierta resistencia.
Las distintas formas de energía pueden transformarse unas en otras. Por ejemplo, un cuerpo colocado a cierta altura posee energía "potencial" que, al caer el cuerpo, se transforma gradualmente en "cinética".
Al caer contra el suelo produce una pequeña cantidad de calor, como el martillo al dar contra el clavo.
La energía se conserva (éste es un principio fundamental de la Física): en el ejemplo de la caída a medida que la energía potencial disminuye, la energía cinética o de movimiento aumenta y la suma de ambas permanece constante.
► EL TRABAJO MECÁNICO
Cuando una fuerza mueve un cuerpo efectúa un trabajo mecánico (en nuestro ejemplo, la fuerza que actúa es el peso del cuerpo) y ese trabajo es igual al producto de la fuerza por el camino recorrido en su dirección, es decir, por una longitud.
De modo que si queremos expresar el trabajo en unidades, la unidad de trabajo será igual a la unidad de fuerza multiplicada por la unidad de longitud.
La unidad de fuerza se llama dina (en el sistema de medidas cuyas unidades fundamentales son el centímetro, el gramo-masa y el segundo, llamado por eso "sistema c.g.s.").
La dina es la fuerza que aplicada al gramo-masa le comunica una aceleración de 1 centímetro por segundo a cada segundo.
La unidad de longitud es el centímetro. Pero como la dina es una unidad muy pequeña, el trabajo de una dina a lo largo de 1 centímetro es una unidad diminuta, llamada ergio. Por eso se usa como unidad otra de diez millones de ergios, denominada julio (o joule).
► EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
En numerosas experiencias se comprueba que a la realización de un trabajo corresponde la aparición de una cantidad de calor.
Por ejemplo, cuando usamos un inflador de bicicleta comprimimos un gas (el aire) y notamos que el tubo metálico se calienta.
Si se ha convertido un trabajo T en una cantidad de calor Q que verifica que T= J x Q, esa "J" es una cantidad constante que permite calcular la reciprocidad entre joules y calorías y se llama equivalente mecánico del calor.
Su valor es 4,18 (1 caloría equivale a 4,18 joules) y lo descubrió el gran sabio inglés James Joule (1818-1889) quien también enunció una sencilla fórmula que permite conocer la cantidad de calor producida poruña corriente eléctrica.
► CORRIENTE ELÉCTRICA Y CALOR
Para abreviar sus fórmulas, los físicos representan las magnitudes por letras, que son generalmente las iniciales de la palabra o la unidad que expresan.
"T" significa "trabajo", medido en joules. "I" significa "intensidad de la corriente", medida en amperios. "R" significa "resistencia" del circuito, medida en ohmios. "t" significa "tiempo", medido en segundos.
"V" significa "voltaje", medido en voltios.
El trabajo realizado por una corriente eléctrica depende del voltaje, de la intensidad de la corriente y, naturalmente, del tiempo transcurrido, o sea T = V x I x t que ue se expresa T = V .I. t (1) pues los signos de multiplicación (.) se sobreentienden.
Pero según la ley de Ohm: volt = ohmio x amperio,... ósea V = R x I
Al reemplazar "V" por su valor I x R en la fórmula anterior tenemos: T=R x I x l x t ósea, T = R. I². t (2)
En otros términos, el trabajo que efectúa una corriente eléctrica es, medido en joules, el resultado de multiplicar la resistencia del circuito en ohmios por el cuadrado de la intensidad en amperios y por los segundos de tiempo transcurrido.
El trabajo se obtiene en joules.
Para transformarlo en calorías (una pequeña caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua) basta dividir por 4,18 ya que 4,18 julios equivalen a una pequeña caloría.
De modo que conociendo esta relación podemos saber con exactitud cuánto calor produce una corriente.
Pero ignoraremos aún cuánta energía útil se produce porque ésta depende de nuestro designio y siempre se gasta una parte de esa energía en fenómenos colaterales indeseables.
► CÓMO SE APROVECHA EL EFECTO CALÓRICO DE LA ELECTRICIDAD
En casi todos los artefactos eléctricos que producen calor o luz se emplean hilos metálicos de muy pequeño calibre y gran longitud, o que por su naturaleza oponen mucha dificultad al paso de la corriente.
Estos hilos, arrollados en espiral, se llaman resistencias y logran un rendimiento próximo al 100 % al transformar la energía eléctrica en calor (no en luz).
Otro sistema basado en el mismo principio es el arco eléctrico, donde el hilo metálico es reemplazado por dos electrodos de carbón que también constituyen una resistencia.
El arco se forma merced a los vapores de carbón incandescente y se logran temperaturas muy elevadas (unos 3.600°C).
Hay otros métodos de producir calor y que sólo mencionaremos.
Mediante corrientes alternas de alta frecuencia es posible calentar en todo su espesor sustancias no conductoras (aisladoras llamadas también "dieléctricos") por el sacudimiento que el campo eléctrico produce en su masa.
Se logra un calentamiento muy uniforme, aprovechable en ciertas industrias (plásticos). Otro método es el calentamiento por inducción en el que se utiliza un campo electromagnético variable (ya hemos visto la relación entre electricidad y magnetismo).
También se logra un calentamiento muy uniforme. Pero en estos dos métodos el rendimiento es muy inferior al ciento por ciento.
► RESISTIVIDAD Y RESISTENCIA
La resistencia total de un circuito depende, además de su longitud y calibre, de la resistencia especifica o resistividad de la sustancia que lo constituye, y que indicaremos por la letra "r".
La fórmula se obtiene así: la resistencia R del circuito es tanto más grande cuanto mayor es su longitud "l" y la resistividad "r" del material que lo compone. Por otra parte R es tanto más pequeño cuanto mayor es la sección "s" del conductor.
En resumen, R es igual a la resistividad multiplicada por la longitud y dividida por la sección del conductor, o sea: R = r.l/s
Esta fórmula guía a los ingenieros en la elección de la sustancia conductora apropiada a cada caso, pues la resistividad "r" es característica de cada material, y hay tablas para conocerlas.
Generalmente aumenta con la temperatura (excepto en los semiconductores, el carbón y otras sustancias o mezclas).
Ejemplo: Un calentador electrico para 220 Volt, tiene una resistencia de 80 Ohmios. Calcular la cantidad de calor T que produce este calentador en 2 minutos.
Antiguo Calentador Eléctrico
Sabemos que: T = R. I². t
La corriente I la obtenemos de la ley de Ohm: I=V/R=220/80=2,75 Amperios
Entonces: T=80. (2.75)². 120 seg.=72.600 Joules y multiplicado por 0,24 lo pasamos a calorias: 17.224 cal.
► LÁMPARAS ELÉCTRICAS DE FILAMENTO
Las aplicaciones prácticas del efecto térmico de la corriente son muy numerosas.
Una de las más importantes es la lámpara eléctrica.
Ésta se compone de un largo y fino filamento de tungsteno que ofrece una considerable resistencia al paso de la corriente (el filamento puede tener hasta 60 centímetros de largo aunque está arrollado en una espiral de menos de 2,5 centímetros de longitud).
La fórmula de Joule nos dice que cuanto mayor sea la resistencia del hilo conductor, mayor es el calor producido.
En este caso, debido al escaso calibre y gran longitud, se produce suficiente calor como para que que el tungsteno se vuelva incandescente y emita una luz casi blanca.
Aunque ahora parezca simple, los primeros intentos para hallar un filamento adecuado fueron penosos.
Thomas Alva Edison, el inventor americano de la primera lámpara eléctrica útil (1879) empleó hilos de bambú carbonizado y evitó que ardieran haciendo el vacío dentro de la lámpara, es decir, retirando el oxígeno necesario para la combustión.
Luego se recurrió al filamento de tungsteno pero el metal se vaporizaba gradualmente y depositábase en una capa negruzca en la pared de vidrio.
Para impedirlo, la mayoría de las lámparas actuales están llenas de un gas inerte como el argón, que no reacciona con el metal y evita su vaporización.
► ESTUFAS ELÉCTRICAS
Las estufas eléctricas se componen también de un alambre arrollado en espiral que se calienta al rojo cuando pasa la corriente; entonces el hilo conductor no sólo caldea el aire sino que emite rayos caloríficos.
El filamento se arrolla sobre un soporte de material no conductor y refractario para que soporte temperaturas bastante altas.
Generalmente se usa mica o materiales cerámicos.
El metal de la resistencia es una aleación, por lo general de níquel y cromo. La mayoría de los otros metales se oxidarían (combinación con el oxígeno del aire) y se quemarían muy rápidamente.
Existen calentadores llamados de inmersión porque se colocan dentro del agua que se desea calentar, construidos en forma similar a las estufas; su filamento queda aislado del agua por una cápsula metálica hermética.
► FUSIBLES
Los fusibles usados para proteger circuitos eléctricos, representan otra útil aplicación del efecto calórico de la electricidad.
Si, por alguna razón, pasa por ellos una corriente más intensa que la prevista se calientan excesivamente y se derriten.
Evitan así que el contacto fortuito entre dos cables desnudos, que permite a la corriente utilizar un camino más corto y fácil (de allí viene el nombre de "cortocircuito") sobrepase la capacidad prevista para el circuito y pueda provocar un desastre.
El alambre de un fusible se compone de un metal o aleación de bajo punto dé fusión. Si una corriente demasiado intensa recorre el circuito engendra suficiente calor como para fundir el alambre del fusible. Esto corta el circuito y se evitan serios daños.
El fusible es un simple trozo de alambre fino cuya temperatura de fusión es muy inferior a la del resto del circuito.
Se lo intercala de modo que toda la corriente deba pasar por él, y si la intensidad de ésta sobrepasa cierto límite el alambre del fusible se calienta hasta fundir, interrumpiendo el circuito.
► HORNOS ELÉCTRICOS
Otra aplicación importante son los hornos eléctricos.
Existen dos tipos: el horno de resistencia que funciona como las estufas domésticas aunque en mayor escala y el horno de arco que se base en el arco eléctrico ya mencionado.
Se utiliza la formación de chispas entre los dos electrodos mantenidos a corta distancia y la gran cantidad de calor producida se debe a la resistencia que ofrece el aire al paso de corriente por ser mal conductor.
Estos hornos de arco se usan para fundir metales y en algunos el metal se funde por el calor de dos electrodos de carbón puestos por encima del metal.
En otros el mismo metal sirve de electrodo mientras que el otro es de carbono y se funde por el calor del arco.
► PLANCHA ELECTRICA:
Idem al caso anterior, utiliza calor generado por una resistencia a partir de la corriente eléctrica. las amas de casa todavía no no la podían utilizar ya que no existía la conexion a la red eléctrica y no se había inventado aun el termostato.
El calor se producía en una resistencia colocada en el interior de la plancha que con el paso de la corriente eléctrica se calentaba por el efecto Joule.
Esto consiste en que la circulación de corriente eléctrica por la resistencia, desprende mas o menos cantidad de calor dependiendo de tres factores: el valor del cuadrado de la intensidad, la resistencia y el tiempo de funcionamiento del aparato eléctrico.
► Tabla de resistencia electricas
Fuente Consultada:
Revista TECNIRAMA N°14 Enciclopedia de la Ciencia y La Tecnología - Ciencia: La Electricidad-
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