¿Os ha pasado alguna vez que, después de cargar o tener encendido un aparato eléctrico, lo habéis notado caliente? ¿Qué está pasando por el cable y el aparato? Electricidad, pero… ¿Por qué está caliente?
En este artículo proponemos un experimento sobre este fenómeno, tan importante en el transporte de la electricidad: el Efecto Joule, que se podría definir como “la energía calorífica producida por una corriente eléctrica al pasar por un material conductor” o “la cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica que circula por el conductor y la resistencia de éste”.
¿Cómo se experimenta con el efecto Joule?
Atención: La preparación de este experimento no es complicada, pero sí hay que tener cuidado, ya que los materiales que utilizaremos como conductores pueden quemarse al hacer pasar la corriente eléctrica.
Antes de empezar, tenemos que preparar un pequeño montaje para simular una torre eléctrica. Así nos será más fácil realizar las diferentes partes del experimento.
Uniremos los dos palillos a un trozo de poliexpan, clavándolos en éste, dejando una separación de unos 10 centímetros. A continuación, uniremos con cinta aislante los cables, por la parte central, de manera que los extremos queden libres.
Experimento 1: los materiales y el efecto Joule
Para este primer experimento, necesitaremos:
- Una pila de 1,5V.
- Dos hilos de diferentes materiales: uno de cobre y otro de plástico o nylon.
- El montaje realizado (nuestra torre eléctrica).
A las pinzas de cocodrilo conectaremos uno de los hilos y los otros extremos del cable a cada borne de la pila. Tenemos que observar qué sucede cuando pasa la corriente por el hilo de plástico o nylon, tocándolo ligeramente con el dedo. Notaremos que está frío.
Ahora sustituiremos el hilo de plástico o nylon por el de cobre, comprobando que éste último está más caliente, utilizando un trozo de poliexpan.
¿Qué sucede y cómo lo explicamos?
Hace más de 100 años, un físico llamado James Prescott Joule descubrió que cuando una corriente eléctrica circulaba por un conductor, se generaba calor en éste, debido al efecto de la resistencia del material al paso de la corriente eléctrica.
Dicha resistencia del material se produce porque la intensidad eléctrica, o corriente, es el movimiento de los electrones por un conductor. Estas cargas eléctricas, al tener masa y velocidad, poseen unaenergía cinética, que se libera en forma de calor cuando las cargas chocan contra los átomos del conductor.
Con el hilo de cobre (material conductor), el circuito está cerrado y fluye corriente eléctrica, apareciendo así el efecto Joule.
Sin embargo, éste no aparece cuando en el circuito insertamos el hilo de plástico, ya que es un material aislante que no permite la circulación de corriente.
Experimento 2: Factores que intervienen en el efecto Joule
Ahora necesitaremos:
- Una pila de 1,5 V y otra de 4,5 V (o tres de 1,5 V conectadas en serie),
- Hilos de diferentes tipos y materiales conductores.
Primero, conectaremos a nuestra peculiar torre eléctrica la pila de 1,5V e iremos intercambiando los diferentes hilos de material conductor para identificar cuál de ellos desprende más calor, tocándolos con un trozo de poliexpan.
Posteriormente, reemplazaremos la pila de 1,5V por la de 4,5V, y repetiremos el proceso para comprobar la energía disipada en forma de calor. También podemos fijarnos si el cable cambia de color, si desprende humo… o si no sucede nada.
¿Qué le sucede a un mismo hilo al someterlo a más voltaje? Para una misma pila… ¿Todos los hilos se comportan de igual manera?
¿Por qué sucede y cómo lo explicamos?
El efecto Joule depende de la resistencia que ofrece el conductor al paso de la corriente (resistividad), así como de la cantidad de intensidad que circula por el circuito.
Así, si nuestro generador eléctrico aumenta el voltaje (añadiendo pilas en serie), el calor desprendido en nuestro circuito será mayor.
Y, lógicamente, a mayor resistencia opuesta por el material, apreciaremos mayor efecto Joule. Es decir, el hilo de hierro se calienta antes que el de cobre, que es mejor conductor.
Experimento 3: experimentemos con la sección del material
Por último, os proponemos que experimentéis sólo con 2 hilos de un mismo material, pero de diferente sección o grosor.
En el montaje (torre eléctrica), y con la pila de 4,5V, conectaremos primero un hilo de mayor sección y le acercaremos un trozo de poliexpan. Luego lo cambiaremos por el hilo más fino y le acercaremos un trozo de poliexpan.
¿Qué le sucede al poliexpan en ambas situaciones? ¿Qué circuito se calienta más?
¿Por qué sucede y cómo lo explicamos?
Observamos que el cable grueso apenas desprende calor. Sin embargo, el fino se calienta mucho más, llegando a cortar el poliexpan. Este fenómeno es debido a que, al tener menos espacio, las cargas eléctricas impactan más con los átomos del material conductor, desprendiendo más energía calorífica.
El efecto Joule y el transporte de electricidad
De la misma manera que ocurre en nuestro experimento, el efecto Joule está presente siempre que existe carga eléctrica en movimiento. Aunque no siempre es un fenómeno perjudicial (las bombillas incandescentes funcionan bajo este fenómeno, por ejemplo), normalmente es una energía disipada que siempre se busca minimizar, siendo clave dicha reducción en el transporte eléctrico a grandes distancias.
Para ello, en los cables conductores se modifican los factores que hemos analizado en este experimento:
- Se utilizan buenos conductores eléctricos, como el cobre o el aluminio, en lugar de otros que pueden ofrecer más resistencia eléctrica.
- Gracias a los transformadores eléctricos, se reduce la intensidad eléctrica que circula por los cables.
- Se transporte en redes trifásicas (más cables).
En futuros experimentos descubriremos formas de aprovechar este fenómeno eléctrico, así como otros igualmente importantes.
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