Efectos calóricos de la corriente y sus aplicaciones

Efectos calóricos de la corriente:

Para poder comprender estos efectos debemos tener presente que 1 joule = 0,24 cal, a lo que se conoce como “equivalente calórico” del joule, esto significa que es el número de calorías que corresponde al trabajo de 1 joule.

Para poder calcular la cantidad de calorías que puede producir una corriente eléctrica al pasar por un conductor solo tenemos que multiplicar cualquiera de las fórmulas que nos permiten calcular la cantidad de joules (en un trabajo determinado) por 0,24 cal cualquiera de estas formulas puede expresar la “ley de joule” para el efecto calórico de la corriente eléctrica, pero generalmente se toma la expresión:

“La cantidad de calor producida por una corriente eléctrica es proporcional al a cuadrado de la intensidad, a la resistencia del conductor y al tiempo que circula por él”.

En esta fórmula K es la constante de proporcionalidad la que tendrá un valor de 0,24 cal/joule; si se toma K = 1 la cantidad de calor Q queda expresada en joule.

En los artefactos eléctricos es más práctica, como la ley de joule, la siguiente expresión:

“la cantidad de calorías producidas en un artefacto electrico es proporcional a su potencia ya al tiempo que la corriente pasa por él”.

La ampolleta eléctrica:

Definición:

Ampolleta eléctrica: (alumbrado por incandescencia de filamentos) ampolla de vidrio en la que se ha hecho el vacío y que lleva en su interior un filamento fabricado con un material de punto de fusión muy elevado, el cual se pone incandescente al paso de la corriente eléctrica, produciendo luz.

Historia:

La ampolleta eléctrica fue ideada por el norteamericano Thomas Alva Edison, en 1879. Anteriormente, en 1801, se empleó el alumbrado eléctrico producido por arco voltaico o arco eléctrico, debido a Humphry Davi (inglés, 1778 - 1829); de preferencia se usó en el alumbrado público y fue abandonado por diversos inconvenientes prácticos (desgaste y separación de carbones; la unión en serie de varios focos, y muchos otros).

Alumbrado producido por arco eléctrico

Se ponían en contacto dos carbones comunicados a unos 40 o 60 volteos y producida la chispa se les separaba a un poco “saltando” un “arco voltaico” (eléctrico) entre ellos se producía una luz muy intensa y rica en radiaciones ultravioletas (dañina a los ojos). El carbón positivo es “bombardeado” por los electrones que emite el carbón negativo; esto produce un desgaste del carbón positivo formando un “cráter” en el cual la temperatura puede ser superior a los 3500 ºC.

Las primeras ampolletas eléctricas de Edison se componían de un filamento de carbón (obtenido del bambú) el cual se encerraba al vacío en un globo de vidrio para evitar su combustión.

En la actualidad el material con el que se fabrica el filamento debe tener un punto de fusión muy elevado porque se necesita aumentar mucho la temperatura para que la proporción entre la energía luminosa y la energía térmica generadas por el filamento sea rentable. Las primeras bombillas utilizaban filamentos de carbono, pero en la actualidad se fabrican con hilos extremadamente finos de volframio o tungsteno, cuya temperatura de fusión es de 3.410 ºC. El hilo es tan fino que el desplazamiento de las cargas eléctricas por él lo hace alcanzar temperaturas por encima de los 2.500 ºC. A estas temperaturas, el volframio se oxida y se evapora en el aire. Para aminorar este problema el filamento está dentro de la ampolla de vidrio en una atmósfera al vacío o inerte. El uso de un gas inerte en lugar del vacío tiene como ventaja una evaporación más lenta del filamento. La mayoría de las bombillas modernas se rellenan con una mezcla de argón y gases halógenos, o bien con una pequeña cantidad de nitrógeno o de criptón. Aún así, se produce la evaporación lentamente y el filamento se hace cada vez más fino y se rompe, lo que hace inservible a la bombilla. El filamento de volframio está convenientemente doblado y montado sobre dos columnas de vidrio que contienen los hilos para la conexión.

El tope “A” está aislado se la “rosca” B: al atornillar la ampolleta en el “soquete” B siguen aislados y sólo se ponen en contacto A con A' y B con B' para cerrar el circuito a través del filamento.

En toda ampolleta el fabricante anota sus características que son la potencia y el voltaje.

Observación:

Las bombillas de filamento de volframio consumen mucha energía; en realidad sólo el 10% de la energía eléctrica suministrada se transforma en energía luminosa.

Tubo de luz fluorescente:

Una lámpara fluorescente consta de un tubo revestido con fósforo, un cebador y una bobina de inductancia. El tubo está relleno con un gas inerte (argón) y una pequeña cantidad de vapor de mercurio. El cebador aplica corriente a los dos filamentos al encender la lámpara. Los filamentos generan electrones para ionizar el argón, formando un plasma que conduce la electricidad. La bobina de inductancia limita la cantidad de corriente que puede fluir a través del tubo. El plasma excita los átomos de mercurio que, como consecuencia, emiten luz visible y luz ultravioleta. La luz golpea contra el revestimiento de fósforo del interior de la lámpara, que convierte la luz ultravioleta en luz más visible. Los diferentes fósforos generan colores más cálidos o más fríos (wolframiato cálcico = luz azul; silicato de zinc = luz verdosa; borato de cadmio = luz rosada; la mezcla de estas sales da luz blanca, etc.)

al tipo de luz que da este tubo fluorescente se le conoce como “luz fría” pues el tubo nunca llega más allá de los 80 ºC en oposición a la luz emitida por la lámpara de incandescencia que se calienta por el efecto joule.

Tubo de neón:

ampolla o tubo de vidrio, con dos electrodos, que contiene gas neón a baja presión. Esta lámpara produce una luz anaranjada-rojiza cuando la tensión eléctrica aplicada entre ambos electrodos es lo bastante grande para ionizar el gas contenido en el tubo. La tensión a la que la lámpara empieza a brillar depende del diseño del tubo. Cuando el gas se ioniza, la caída de tensión en el tubo es casi constante, con independencia de la intensidad de la corriente que circule por él. Por eso, a veces se emplean en dispositivos electrónicos lámparas de neón diminutas que funcionan como reguladores de tensión y proporcionan una tensión continua constante. Estas lámparas también se usan a veces como pilotos para indicar si un equipo eléctrico está conectado o no.

Otro tipo de lámpara de neón es un tubo de vidrio lleno de neón ionizado a muy baja presión. El tubo brilla con un color rojo intenso cuando se aplica una corriente alterna de alta tensión a los electrodos situados en los extremos. Este tipo de lámpara de neón, así como lámparas similares que emplean otros gases como argón o criptón, se usa mucho en anuncios luminosos.

Fusibles o tapones:

Los fusibles o tapones son protectores de instalaciones o artefactos eléctricos, su papel es “quemarse” cuando por algún motivo se produce un “corto-circuito” o un “golpe de corriente.

Si por alguna razón los cables que se comunican con una resistencia R (ampolleta, estufa, etc.) se juntan indebidamente en C formando un “puente” se produce una disminución brusca de la resistencia y aumento de la intensidad y con ello la cantidad de calor, según la ley de joule.

Q = 0,24 I² • R • t calorías

Este aumento de calor muchas veces es el causante de incendios si no se tienen la precaución de usar fusibles F que se quemen cuando la I alcance valores excesivos. (cuando no se juantan los cables en indebidamente en C el “largo” del circuito es ARB; al ponerse en contacto en C el circuito se “acorta” a ACBy de ahí el nombre de “corto- circuito”).

Un fusible cilíndrico está formado por una banda de metal fusible encerrada en un cilindro de cerámica o de fibra. Unos bornes de metal ajustados a los extremos del fusible hacen contacto con la banda de metal. Este tipo de fusible se coloca en un circuito eléctrico de modo que la corriente fluya a través de la banda metálica para que el circuito se complete. Si se da un exceso de corriente en el circuito, la conexión de metal se calienta hasta su punto de fusión y se rompe. Esto abre el circuito, detiene el paso de la corriente y, de ese modo, protege al circuito.

Los últimos desarrollos en el campo de los fusibles incluyen modelos que permiten una sobrecarga momentánea sin que se rompa el circuito. Éstos son necesarios en los circuitos que se utilizan para alimentar los aparatos de aire acondicionado ya que en estos dispositivos es posible que la alimentación inicial sea mayor. Otro tipo de fusibles de fabricación reciente contiene diversas conexiones que pueden seleccionarse mediante un conmutador. Si una de las conexiones se funde, se puede seleccionar otra sin remplazar el fusible.

En los circuitos de alto voltaje que experimentan interrupciones frecuentes, y cada vez con mayor frecuencia en instalaciones residenciales, la protección se hace por medio de interruptores diferenciales y no de fusibles.

Artefactos eléctricos de calefacción como planchas, estufas, termo radiadores, tostadoras, etc.:

Todos estos artefactos mencionados funcionan básicamente igual, una resistencia en la cual hay una gran intensidad de corriente lo que produce que haya un aumento en la temperatura del material de la resistencia, el diámetro de esté es insuficiente para albergar esta gran cantidad de electrones lo que ocasiona una fricción de electrones con las paredes de la resistencia generando así un incremento de la temperatura de la resistencia.

En una plancha la resistencia “R” (o “nicrón”) va colocada entre placas aisladas de mica, estas placas se calientan y nos dan el calor que sentimos en la plancha; ahora las planchas se construyen con termostatos “C”, cuya función es la de interrumpir automáticamente el circuito cuando la plancha se calienta más de lo deseado.

El siguiente esquema representa una estufa de 3 barras o resistencias en paralelo teniendo cada una su interruptor.

Minas terrestres:

El más simple de estos artefactos se compone de un depósito lleno de sustancias explosivas y atravesado por dos gruesos electrodos A y B que se unen en el interior por un filamento o resistencia R, al cerrar el circuito con el interruptor colocado a gran distancia de la batería de acumuladores que proporciona la energía eléctrica para poner incandescente el filamento y así la inmediata detonación y explosión de la carga de explosivos.

Cauterizador:

Aparato que sirve para cauterizar vanillas, pequeñas heridas, extirpar pólipos, lunares, etc. Se compone de dos barras gruesas A y B unidas por un extremo por un filamento de platino Pt. Al comunicarlo con la fuente eléctrica, el “reóstato” R permite graduar la incandescencia del filamento de platino según el uso que se le va a dar.

Reóstato: instrumento para hacer variar la resistencia en un circuito eléctrico.

Instalación eléctrica de una casa

Toda la conexión desde el empalme hacia el interior de la vivienda

Para poder entender de que se trata la caja de empalme debemos saber que es a esta donde llegan los arranques aislados entre sí que se sacan de los cables matrices que pasan por la calle; de allí continúan al medidor (es este aparato el que mide cuántos kilowatts hora gasta una vivienda y su consumo diario, mensual, y desde la fecha que se instalo); enseguida, viene el “tablero de distribución” de donde los arranques (o líneas por donde se conduce la electricidad) para las distintas partes de la vivienda; este tablero lleva un interruptor general para toda la casa o para cada circuito. La caja de empalme tiene un “tapón o un fusible” que debe quemarse con “golpes de corriente” provenientes del exterior; el tablero de distribución tiene un par de “tapones o unos fusibles o un automático” por circuito que deben quemarse por corto-circuitos al interior de la casa (excepto en el caso del automático, cuando hay un corto-circuito detiene el paso de corriente o “salta” como es más comúnmente llamado).

Las ampolletas se conectan en la casa en paralelo y cada una debe resistirle voltaje de la red publica (220 V en Chile y la mayoría de los países son pocos los países que difieren de los 220 V). Si son de menor voltaje, se las puede unir en serie hasta completar el voltaje de la red.

observación: si se tienen ampolletas unidas en serie (como las luces de navidad) y se quema una provocara que se apague todo este circuito.

Interruptor de tres contactos:

Este tipo de interruptor puede servir para una lámpara de dos luces . bastara con ver el siguiente esquema, donde en I se cierra el circuito por la ampolleta A; en II se cierra por ambas ampolletas; en III sólo por la B y en IV el circuito está interrumpido en ambas ampolletas. Todo lo anterior se logra con sólo girar el interruptor de tres contactos 1-2-3.

Interruptor de cuatro contactos:

Este tipo de interruptor es comúnmente usado en las escaleras de las casas para poder encender o apagar la ampolleta tanto “arriba” como “abajo”.

Según el esquema anterior la ampolleta L está apagada por estar interrumpido el circuito en AA y en DD. Al comenzar a subir una escalera hará girar ¼ de vuelta el interruptor del primer piso con lo que se sierra el circuito en AA y en CC encendiéndose la ampolleta L. En el segundo piso, una vez que la persona haya subido, girara el interruptor correspondiente en ¼ de vuelta apagándose la ampolleta al quedar interrumpido el circuito en CC; etc.

En este esquema se representa el mismo circuito anterior pero mas simplificado, basta girar el interruptor a A o B para que el circuito se cierre o abra.

Bibliografía:

• Enciclopedia multimedia de la ciencia V2.0

• Enciclopedia multimedia Microsoft encarta

• Curso de Física, Electricidad y Magnetismo para 4° medio de Carlos Mercado S.

Conclusión:

• La mayoría de los artefactos que funcionan con electricidad y cuya función es generar calor dependen de una resistencia o filamento que se caliente.

• El calor peoducido en una resistencia es producido por el roce de electrones en el interior de ésta y es directamente proporcional a la intensidad y el material y diámetro con el que se ha construido la resistencia.

• La ley de joule es la cantidad de calorías producidas en un artefacto electrico es proporcional a su potencia ya al tiempo que la corriente pasa por él”.

Q = 0,24 • W • t (calorías)

• Aprendimos como funcionan los circuitos al interior de una vivienda y conocimos 2 tipos de ellos, uno de tres contactos y el de 4 (que generalmente se usa en escaleras o en distancias muy largas)

Introducción

Desde la antigüedad el hombre a tratado de mejorar su calidad de vida, sentirse cómodo y no trabajar de más, antiguamente para poder iluminarse el hombre antorchas, luego lo hicieron con lamparas, y después gracias a la electricidad y el científico Thomas Alva Edison se creo la primera ampolleta eléctrica, así mismo paso con la necesidad de generar calor para muchos propósitos era difícil y lento hasta que descubrieron que una gran intensidad de corriente pasar por una resistencia producía calor lo que revoluciono a la humanidad.

En este trabajo hablare y profundare más sobre temas como la instalación eléctrica de una casa, los diferentes tipos de interruptores que podríamos necesitar al interior de esta vivienda; también conoceremos más acerca de los múltiples usos que se le dan a una resistencia o filamento tanto para generar luz o también para aprovecharla como fuente de calor, veremos estos usos en las ampolletas, planchas, estufas, minas terrestres y el cauterizador. Por otra parte también veremos otras fuentes lumínicas creadas por el hombre aparte de las ampolletas como los tubos de neon.

Sabremos sobre una aparato que brinda protección a nuestros circuitos y nos protegen de repentinos incendios a causa de un corto-circuito o el excesivo recalentamiento de una plancha.

Liceo A-21

Talcahuano

Índice:

• Introducción.

Efectos calóricos de la corriente eléctrica y sus aplicaciones:

Ampolleta eléctrica.

Tubo de luz fluorescente.

Tubo de neon.

Fusibles o tapones.

Artefactos eléctricos.

Minas terrestres.

Cauterizador.

Instalación eléctrica de una casa:

Toda la conexión del empalme hacia dentro.

Interruptor de 3 contactos.

Interruptor de 4 contactos.

• Bibliografía y Conclusión.

Q = K • I² • R • t

Q = 0,24 • W • t (calorías)

Donde:

W = watt

T = seg.