Causas del efecto Joule

Luego de la invención de nuevos instrumentos todo se trataba de dar explicaciones a los fenómenos que se pueden medir. Josep black descubre con el termómetro que se puede medir la temperatura de un cuerpo mas no el calor efectivamente aportado al mismo. Por ejemplo cuando se derrite el hielo a pesar de ver el proceso mientras se derrite el termómetro sigue midiendo 0 grados más no se refleja el calor que lo lleva a derretirse.

Este efecto es utilizado para calcular la energía disipada en un conductor atravesado por una corriente eléctrica de la siguiente manera:

La potencia P disipada en un conductor es igual a la diferencia de potencial V a la que está sometido multiplicada por la intensidad de corriente I que lo atraviesa. La energía desarrollada E es el producto de la potencia P por el tiempo t transcurrido, luego la energía E es el producto de la tensión V por la intensidad I y por el tiempo t.

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?

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.

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

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