¿Qué es el efecto calorífico de la corriente?
Una pila empuja cargas a través de una resistencia. La fuente realiza trabajo sobre ellas; en una resistencia ese trabajo no pone nada en movimiento, así que todo se convierte en calor. Los electrones chocan una y otra vez con los átomos del metal, les pasan energía y los hacen vibrar más rápido, y eso lo notamos como un aumento de temperatura. Este es el efecto calorífico de la corriente eléctrica (efecto Joule).
Deducción de la ley de Joule
Supongamos una corriente I que pasa por una resistencia R durante un tiempo t, con diferencia de potencial V entre sus extremos. Carga que se mueve: Q = It. Trabajo de la fuente: W = VQ = VIt. Ese trabajo aparece como calor: H = VIt. Usando la ley de Ohm V = IR:
H = I²Rt (también H = VIt = V²t/R)
Ley de Joule: el calor producido en una resistencia es (i) directamente proporcional al cuadrado de la corriente, (ii) directamente proporcional a la resistencia para una corriente dada y (iii) directamente proporcional al tiempo que pasa la corriente. H se mide en julios cuando I está en A, R en Ω y t en s.
Aplicaciones del efecto calorífico
- Aparatos de calor: plancha, tostadora, horno, hervidor, estufa y calentador de agua usan resistencias de nicromo (alta resistividad, alto punto de fusión y casi no se oxida).
- Bombilla eléctrica: el filamento es de wolframio (tungsteno), que se funde solo a unos 3380 °C, así que puede ponerse al rojo blanco. La bombilla se llena de gases inertes, nitrógeno y argón, para que el filamento no se queme. Aun así, la mayor parte de la energía se vuelve calor; solo una parte pequeña se vuelve luz.
- Fusible eléctrico: un hilo corto de un metal o aleación con bajo punto de fusión (como una aleación de estaño y plomo), conectado en serie con el aparato. Si la corriente supera el valor nominal del fusible (1 A, 2 A, 5 A, 10 A, 15 A…), el hilo se calienta, se funde y corta el circuito, y así protege los cables y los aparatos. El valor del fusible se elige un poco por encima de la corriente normal; por ejemplo, una plancha de 1 kW a 220 V consume unos 4.5 A, así que se usa un fusible de 5 A.
¿Cuándo es un problema el calor?
En cables, motores, ordenadores y cargadores el calor es energía perdida y puede dañar piezas. Por eso los cables de conexión son de cobre grueso, los aparatos electrónicos llevan ventiladores o rejillas, y la electricidad se transporta a larga distancia con voltaje muy alto (así la corriente, y la pérdida I²R, se mantienen pequeñas).
Fórmulas y definiciones clave
- H = I² R t (ley de Joule)
- H = V I t = V² t / R
- Q = I t, W = V Q
- Unidades: H en julios (J), I en A, R en Ω, t en s
Ejemplos resueltos
1. Una corriente de 2 A pasa por una resistencia de 10 Ω durante 30 s. Calcula el calor producido.
H = I²Rt = 2² × 10 × 30 = 1200 J.
2. Una plancha de resistencia 50 Ω consume 4 A. ¿Cuánto calor produce en 1 minuto?
H = 4² × 50 × 60 = 48 000 J = 48 kJ.
3. Un calefactor de 20 Ω se conecta a 220 V durante 10 s. Calcula el calor producido.
H = V²t/R = 220² × 10 / 20 = 24 200 J.
4. Si la corriente por un calefactor se triplica, ¿cuántas veces mayor es el calor producido en el mismo tiempo?
H ∝ I², así que el calor se hace 3² = 9 veces mayor.
5. Un hervidor produce 60 000 J en 2 minutos con una corriente de 5 A. Calcula su resistencia.
t = 120 s. R = H / (I²t) = 60 000 / (25 × 120) = 20 Ω.
6. Un calefactor de 1100 W funciona a 220 V. ¿Qué fusible usarías: 2 A, 5 A o 10 A?
Corriente normal I = P/V = 1100/220 = 5 A. El fusible debe ser un poco mayor, así que elegimos el de 10 A; uno de 5 A se fundiría con el uso normal.
Errores comunes
- Pensar que el calor es proporcional a la corriente. Es proporcional a I², así que al duplicar I el calor se multiplica por 4.
- Usar minutos para t en H = I²Rt. Convierte siempre a segundos.
- Conectar un fusible en paralelo. Debe ir en serie para que toda la corriente pase por él.
- Decir que el cobre sirve para las resistencias de calefactor. El cobre tiene baja resistividad y se oxida; se usa nicromo.