Efecto Joule

UNIVERSIDAD SAN PEDRO

FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL

TEMA: “EFECTO JOULE”

ASIGNATURA: ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

ALUMNO: ARISTA TAFUR WILMAN FREDDY

1110200081

DOCENTE: ING. ERICK HUAMAYALLI FLORES

[INGENIERIA INDUSTRIAL – ELECTRICIDAD INDUSTRIAL]

Septiembre 2012

INDICE CONTENIDO

PÁG.

Introducción

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Reseña Bibliografía

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 James Prescott Joule Efecto Joule

05

 Definición:  Ley de joule  De energía eléctrica a energía calorífica

06

 Potencia disipada  Resistencia de un conductor

06

 Explicación de la constante ( )

07

 Influencia de la temperatura en la resistencia  Aplicaciones  Glosario:  Conclusiones:

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 Bibliografía:

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INTRODUCCION -

La electricidad es un fenómeno físico cuyo origen se encuentra en las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos, químicos, entre otros.

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La interacción entre un fenómeno eléctrico y térmico se conoce desde le siglo XIX, cuando joule observo que la materia ofrece cierta resistencia al movimiento de los electrones, los cuales ceden energía cinética al entorno en los sucesivos choques; esta energía proporcionada por los electrones se disipa en forma de calor.

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Es decir, si en un conductor circula electricidad, parte de la energía cinética de los electrones que 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; este efecto es conocido como Efecto Joule. En honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule, que lo estudio en la década de 1860.

-

Sin embrago, no es te el único fenómeno de interacción termoeléctrica; otros efectos son: el efecto Seebeck (del físico Estonio-Alemán: Thomas Johann Seebeck), el efecto Peltier (físico Francés: Jean Charles Athanase Peltier descubierto en 1834), y el efecto Thomson (William Thomson (Lord Kelvin) descubierto en 1851.)

-

En este sentido el Efecto Joule se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y 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.

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RESEÑA BIBILIOGRAFIA: JAMES PRESCOTT JOULE. -

Nació el 24 de diciembre de 1818 en Salford, Gran Bretaña.

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Proveniente de una acomodada familia fabricante de cerveza, fue el segundo de cinco hermanos.

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En la adolescencia se refugió en los libros y descubrió su interés por la ciencia.

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Recibió clases particulares en su hogar por el propio John Dalton.

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El joven Joule compaginaba las clases y el trabajo en la destilería.

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Acabó sus estudios en la Universidad de Manchester.

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El interés de Joule giraba en torno al problema de la conexión entre la energía y el calor.

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Él pensaba que el calor era una forma de la energía en movimiento.

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En 1840, comenzó a hacer mediciones para comprobar que el calor era una forma más de energía.

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En 1843, obtuvo el valor numérico del equivalente mecánico del calor lo que le permitía la conversión de las unidades mecánicas y térmicas.

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En 1847, descubre que cualquier cantidad de energía siempre producirá la mínima cantidad de calor. Así descubrió el equivalente mecánico del calor, y el valor de una caloría.

-

A Joule no le fue fácil anunciar su descubrimiento, porque era un simple cervecero. Finalmente consiguió dar una conferencia en Manchester para hacerlo público.

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Así quedó establecida que cualquier forma de energía podía convertirse en una cantidad fija limitada de calor.

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Esta idea se le ocurrió a Mayer en 1842 y a Helmholtz, en 1847.

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Aunque los tres lanzaron las mismas ideas, el mérito suele atribuírsele a Joule porque fue quien le proporcionó una mayor solidez.

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De este modo se descubrió el primer principio de termodinámica.

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Joule también estudio aspectos relativos al magnetismo, descubrió el fenómeno de magnetostricción.

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En 1848, realizo otro experimento referente a la teoría cinética de los gases.

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Se convirtió en ayudante de William Thomson y como fruto de esa colaboración se descubrió el Efecto Joule – Thomson

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Muere en su tierra natal un 11 de octubre de 1889. 4

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EFECTO JOULE I.

DEFINICIÓN: -

Efecto Joule es la producción de calor en un conductor cuando circula una corriente eléctrica a través del mismo. La energía eléctrica se transforma en energía térmica debido a los continuos choques de los electrones móviles contra los iones metálicos del conductor, produciéndose un intercambio de energía cinética, que provoca un aumento de temperatura del conductor.

-

El efecto Joule se interpreta considerando todos los procesos energéticos que tienen lugar. En el generador se crea un campo eléctrico a expensas de energía química o mecánica. Esta energía se emplea en acelerar los electrones del metal, comunicándoles energía cinética. Los electrones pierden parte de esta energía en los inevitables choques con los átomos que constituyen el metal; estos átomos pueden oscilar alrededor de sus posiciones de equilibrio en la red metálica, y al incrementar su energía cinética de oscilación o de vibración se eleva la temperatura del conductor.

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De entre la innumerable cantidad de experimentos realizados por Joule en su afán de encontrar el equivalente mecánico del calor, descubrió que cada vez que circula una corriente por una resistencia, ésta convierte la energía eléctrica en energía térmica. (Figura Nº 01 – Celda Unitaria). Figura Nº 01 – Celda Unitaria

-

Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras.

-

Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.

II.

LEY DE JOULE: -

Este efecto fue definido de la siguiente manera: "El calor generado por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como:

𝑸 = 𝑰𝟐 ∗ 𝑹 ∗ 𝒕 -

Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del campo eléctrico

por la densidad de corriente

: 5

-

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

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-

Mediante la ley de Joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de entregar una resistencia, esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de corriente que por ella circule, el valor de la resistencia eléctrica y de la cantidad de tiempo que esté conectada.

-

Pero el calor no es el único efecto de la corriente eléctrica, también lo es la luz (lámpara incandescente).El paso de la corriente eléctrica por conductores producen en ellos una elevación de temperaturas: este fenómeno se denomina efecto joule.

III.

DE ENERGÍA ELÉCTRICA A ENERGÍA CALORÍFICA: -

Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como:

𝑸 = 𝑰𝟐 ∗ 𝑹 ∗ 𝒕 -

Si la corriente no es constante con relación al tiempo, aplicamos: 𝒕𝟐

𝒊𝟐 𝒅𝒕

𝑸=𝑹 𝒕𝟏

 Donde: -

IV.

Q = energía calorífica producida por la corriente I = intensidad de la corriente que circula y se mide en amperios R = Resistencia eléctrica del conductor y se mide en ohm t = Tiempo el cual se mide en segundos.

POTENCIA DISIPADA: -

La potencia disipada por efecto Joule será:

𝑷 = 𝑹 ∗ 𝑰𝟐 =

𝑽𝟐 𝑹

-

Donde: V es la diferencia de potencial entre los extremos del conductor.

-

En definitiva, el efecto Joule provoca una pérdida de energía eléctrica, la cual se transforma en calor, estas pérdidas se valoran mediante la siguiente expresión:

𝑬𝒑 = 𝑷𝒑 ∗ 𝒕  Donde: -

V.

Ep = Energía perdida Pp = Potencia perdida t = Tiempo en segundos.

Este efecto es aprovechado en aparatos caloríficos, donde estas pérdidas se transforman en energía calorífica, que se expresa por la letra Q, y se mide en calorías.

RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR: -

-

La resistencia de un cable conductor depende de tres factores fundamentales: 

Material



Longitud



Sección

La expresión matemática es la siguiente:

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𝑹= 𝜹  Donde:    

𝑳 𝑺

R = Resistencia = Resistividad del conductor S= Sección del conductor

Si reemplazamos esta última ecuación en las tres ecuaciones anteriores obtendremos el calor en función a las características que presenta el conductor (área, longitud, resistividad).

𝑸 = 𝑰𝟐 ∗ 𝜹

VI.

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𝑳 ∗𝒕 𝑺

𝑳 𝑺𝑽𝟐 𝑷 = 𝜹 ∗ 𝑰𝟐 = 𝑺 𝜹𝑳

𝑳 𝑺𝑽𝟐 𝑬𝒑 = 𝜹 ∗ 𝑰𝟐 ∗ 𝒕 = ∗𝒕 𝑺 𝜹𝑳

EXPLICACIÓN DE LA CONSTANTE ( ): -

VII.

Viene dada por el material, se mide en "ohmios por milímetro cuadrado partido de metros", y cuanto menor es su valor mejor conductor es el material. Otro parámetro importante es la conductividad, que no es más que la inversa de la resistividad. Valores de estas constantes para los dos materiales más usados: Cobre:

Aluminio:

Conductividad: 56

Conductividad: 35

Resistividad: 0,0178

Resistividad: 0,028

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA: -

-

La resistencia eléctrica de los materiales metálicos utilizados como conductores (cobre, aluminio, acero), varía con la temperatura, de forma que al aumentar esta, aumenta la resistencia. La expresión matemática de este fenómeno es la siguiente:

𝑹 = 𝑹𝟎 (𝟏+∝ ∆𝑻)  Donde: -

VIII.

R = Resistencia R0 = Resistencia a la temperatura inicial Constante que depende de cada material. α = Coeficiente de dilatación lineal. ΔT = Incremento de la temperatura.

APLICACIONES: -

En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y 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.

-

Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disminuya el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos como podían ser los circuitos integrados. E inclusive las lámparas incandescentes que producen más energía calorífica que 7 lumínica.

IX.

GLOSARIO: -

Magnetostricción: Propiedad de los materiales magnéticos que hace que estos cambien de forma al encontrarse en presencia de un campo magnético.

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-

Energía Cinética: Energía que un objeto posee debido a su movimiento. La energía cinética 2 depende de la masa y la velocidad del objeto según la ecuación E = (1/2)mv

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Energía Calorífica: Energía que se transfiere en forma de calor. El calor se transmite entre cuerpos que se encuentran a distinta temperatura y que se ponen en contacto.

X.

CONCLUSIONES: -

Como se puede observar el efecto Joule tiene muchas aplicaciones beneficiosas, en los que se requiere el calor que desprende un conductor por el paso de la corriente a través de él.

-

En muchas otras aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos requieran de un ventilador que disipe el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.

-

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.

-

El calentamiento por efecto Joule es mayor cuantos 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.

XI.

BIBLIOGRAFIA:

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http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joule

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http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Termoel%C3%A9ctrico

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http://es.vbook.pub.com/doc/38513543/Efecto-Joule

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