El objetivo de la práctica de laboratorio busca estudiar la disipación de calor en un conductor debido al paso de la corriente eléctrica y determinar la capacidad calorífica de un calorímetro.

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ANÁLISIS DEL EFECTO JOULE

M. Jimenez1, L. Montero Zapata2, F. Contreras 3, M. Pineda Pinto4

1 Ingeniería Ambiental, Facultad De Ingeniería, Universidad Autónoma de Occidente, Cali  Colombia

2Ingenieria Ambiental, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Occidente, Cali  Colombia

3 Ingeniería Eléctrica, Facultad De Ingeniería, Universidad Autónoma de Occidente, Cali  Colombia

4 Ingeniería Eléctrica, Facultad De Ingeniería, Universidad Autónoma de Occidente, Cali  Colombia

Recibido: 24 de Septiembre del 2015

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Resumen

El objetivo de la práctica de laboratorio busca estudiar la disipación de calor en un conductor debido al paso de la corriente eléctrica y determinar la capacidad calorífica de un calorímetro.  Para alcanzar el objetivo, se realizaron 2 ensayos, en los cuales se sumergieron 200 y 400 [g] de agua, correspondientemente, en un vaso de aluminio que estaba conectado un calorímetro. Para la recolección de datos se usaron los sensores de temperatura, voltaje y corriente alta.  

Mediante la recolección de los datos arrojados por la interfaz de PASCO Capstone en las tablas, fue posible construir los respectivos gráficos Temperatura y Potencia en función del tiempo, en donde aplicando un ajuste lineal a la primera gráfica se logró hallar, mediante el valor de la pendiente, la capacidad calorífica del calorímetro encontrando estos valores: ____________.

Palabras clave: Efecto Joule, capacidad calorífica, sensor de voltaje, resistencia, temperatura.

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Abstract

The purpose of the lab seeks to study the heat dissipation in a conductor due to the passage of electrical current and determining the heat capacity of a calorimeter. To achieve the goal, 2 trials were conducted, in which 200 and 400 [g] of water, correspondingly, immersed in a glass of aluminum was connected a calorimeter. To collect data from temperature sensors, voltage and high current is used.

By collecting the data produced by the interface PASCO Capstone in the tables, it was possible to build the respective graphs temperature and power versus time, where applying a linear fit to the first graph it was possible to find, by the value of the slope, the heat capacity of the calorimeter finding these values: ____________.

Keywords: Joule effect, heat capacity, sensor voltage, resistance, temperature

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Introducción

En la vida cotidiana utilizamos muchos artefactos u electrodomésticos que sin pensarlo, basan su funcionamiento en el efecto joule, es el caso de los calefactores eléctricos, la plancha, los hornos, las tostadoras entre otros del ámbito hogar, en el caso industrial están los soldadores, las pistolas a calor, entre otros; todos estos aparatos lo que hacen es utilizar el efecto joule para adquirir y utilizar el calor que se desprende por el paso de la electricidad; pero también en la vida cotidiana solemos ver aquellos aparatos que suelen tener sistemas de ventilación o refrigeración para reducir el calor generado por el efecto joule en los diferentes sistemas y que pueden dañar dispositivos tan delicados como los circuitos integrados, microchips, etc.

En 1840, pasado ya algún tiempo largo desde el momento en que muchos científicos empezaron a estudiar el efecto del calentamiento de los conductores por el paso de la corriente eléctrica, el científico James Joule, que desde muy joven se interesó por la medida de la temperatura de los motores, encontró la ley que rige la producción de calor por el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor, esta ley es conocida como efecto joule o efecto calorífico, el cual dicta que la cantidad de calor producido es directamente proporcional a la resistencia R del conductor, al tiempo t y al cuadrado de la intensidad de corriente I, es decir Q=Iᶺ2Rt

 Este efecto también puede ser explicado a través delas formas de conducción de electrones en un metal.

Métodos y Materiales

Para realizar satisfactoriamente la práctica de laboratorio “Análisis del Efecto Joule”   fue necesario emplear una lista de materiales indispensables, los cuales fueron suministrados por la Universidad Autónoma de Occidente en el laboratorio de física 3 y cuyos nombres aparecen a continuación.

1. Interfaz Universal 850
2. Calorímetro
3. Sensor de corriente alta
4. Sensor de voltaje
5. Sensor de temperatura (acero inoxidable)
6. Fuente de voltaje variable
7. Beaker de plástico de 500 [mL]
8. Balanza
9. Cables de conexión eléctrica

A su vez, y además de los materiales, se crearon unos métodos que permitieron la realización del experimento, los cuales están descritos en tres pasos fundamentales que se mostrarán a continuación:

1. Montaje del equipo. Al llegar al  laboratorio, se solicitaron los materiales necesarios para el montaje de la práctica. Por lo cual, primero se conectó la interfaz Universal 850 al computador y se encendió. Por su parte, se conectaron los sensores de voltaje, corriente alta y temperatura a los canales analógicos correspondientes. Una vez lo anterior estaba listo, se procedió a establecer una condición de grabación de 10 minutos. Por último, se creó un gráfico de temperatura en función del tiempo.
2. Medición. Una vez montado el equipo, se procedió a la realización de los 2 ensayos. Se agregaron 200 [g] de agua al vaso de aluminio del calorímetro. Luego se puso el vaso en el cuerpo del calorímetro y se tapó, para introducir el sensor de temperatura cuidadosamente. Por otro lado, se conectaron los bornes de la resistencia del calorímetro a la salida de voltaje DC de la fuente y se dispuso el sensor de corriente en tal circuito. Posteriormente, se instaló el sensor de voltaje en los extremos de la resistencia. Por último, al presionar el botón grabar se iba moviendo el agua suavemente en el calorímetro homogeneizando su temperatura hasta que terminara el tiempo de prueba. El mismo procedimiento se realizó con 400 [g] de agua.
3. Ejecución de prueba y registro de datos. Por su parte, se llevó a cabo la toma de datos experimentales con el fin de reportar la  temperatura y la potencia en función del tiempo. Se realizaron en total 2ensayos para cada una de las masas de agua correspondientemente, dejando intactas las condiciones iniciales del montaje físico.

Resultados

En la  práctica de laboratorio “Análisis del Efecto Joule”, se registraron 4 gráficas en total, 2 de temperatura en función del tiempo y 2 de potencia vs tiempo, para cada uno de los ensayos con masas de agua distintas ( 200 y 400 [g]), las cuales son mostradas a continuación:

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Discusión

Al realizar esta práctica de laboratorio (Análisis del Efecto Joule) se aplican algunos conceptos teóricos como temperatura, transferencia de calor, disipación de calor, campo eléctrico y corriente eléctrica. Esto se demuestra en las gráficas de los resultados experimentales obtenidos a través de pruebas y elementos suministrados por el laboratorio.

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