Informe de Laboratorio de Electrotecnia # 1 Efecto Joule Apellidos y Nombres: López Quispe Mauricio Christian CUI: 20140964 DNI: 73023939 “Facultad de Ingeniería de Producción y Servicio” Horario: Lunes de 3-5 pm, Martes de 3-5 pm Docente: Orlando Pérez Pérez
Objetivos generales:
Observar cómo actúa el efecto joule Aprender a utilizar instrumentos de medición de la temperatura
Objetivos específicos:
Graficar la relación entre las medidas realizadas con el efecto joule. Relacionar los valores de la temperatura con la resistencia y la potencia del calefactor.
Fundamento teórico: Efecto Joule Efecto joule El efecto Joule, a vista de pájaro, es el desprendimiento de calor provocado por el movimiento de electrones – electrones – también también conocido como corriente eléctrica – por por un material. Este efecto se recoge en la fórmula Q = P x t , donde “Q” es energía o calor desprendido (también representada por la letra E y medida en Julios o Calorías), “P” la potencia consumida (medida en vatios) y “t” el tiempo transcurrido (medido en segundos). Para entender el efecto Joule, debemos entender el origen de las corrientes eléctricas. Para ello, imaginemos un circuito simple con una pila de 6 Voltios (con un polo positivo y otro negativo) y una resistencia de unos 3 ohmios. 1. Al conectar la pila al circuito, los electrones almacenados en la pila comenzarán a recorrer el circuito desde el polo positivo hasta el negativo, atravesando los cables y la resistencia conectada al mismo. 2. Estos electrones se mueven a causa de una diferencia de potencial – potencial – que, que, en este caso, es de 6 voltios – . Para entender dicho concepto, imaginemos una escalera. El polo positivo es la zona superior de la escalera. El polo negativo, la zona inferior. Desde la zona superior, hacemos
rodar unas bolas. Estas, inevitablemente, comenzarán a descender hacia abajo por la fuerza gravitatoria. Con los electrones ocurre algo similar . Este movimiento de electrones del polo positivo (mayor potencial) al polo negativo (menor potencial) es lo que conocemos como corriente eléctrica. 3. Al moverse esos electrones, estos impactan con otros átomos y partículas subatómicas (las que componen los cables, las resistencias, etc.) y, por lo tanto, provocan que estas se muevan en mayor o menor medida. Al aumentar su movimiento, aumenta su energía y, por lo tanto, el desprendimiento de calor al exterior. Este desprendimiento inevitable – solo sería evitable si los materiales conductores fueran 100% perfectos, algo que es imposible de lograr – de energía en forma de calor se conoce como el efecto Joule.
La Ley de Joule Cuando por un conductor circula corriente eléctrica, este se calienta y produce calor. Esto es debido a que parte del trabajo que se realiza para mover las cargas eléctricas entre dos puntos de un conductor se pierde en forma de calor. El año 1845, James Prescott Joule fue capaz de encontrar la ley que permite calcular este efecto, viendo que este trabajo disipado en forma de calor es:
Proporcional al tiempo durante el que pasa la corriente eléctrica.
Proporcional al cuadrado de la intensidad que circula.
Proporcional a la resistencia del conductor.
Se expresa de la siguiente manera: W=R•I2•t El efecto Joule limita la corriente eléctrica que pueden transportar los cables de las conducciones eléctricas. Este límite asegura que la temperatura que pueden conseguir los cables no pueda producir un incendio. Una manera de asegurar que no supere el límite es utilizando un fusible: un dispositivo formado por un hilo de metal que va conectado en serie al circuito general de la instalación eléctrica.
Disminución del efecto joule Normalmente, intentamos que el efecto Joule sea tan leve como sea posible, para que la menor cantidad de energía se convierta en calor en los cables que utilizamos y podamos emplear casi toda en los lugares que nos interesan. Y, para conseguir esto, sólo hace falta recordar los dos factores: resistencia e intensidad de corriente. El primero es sencillo: queremos utilizar conductores que tengan la menor resistencia posible, es decir, buenos conductores. Cuando la intensidad de corriente que va a circular por el cable es muy pequeña, entonces el efecto Joule es casi inapreciable y esto importa menos, pero cuando se trata de grandes intensidades de corriente es esencial que la resistencia sea minúscula, o el conductor se calienta muchísimo. De modo que, para empezar, tratamos de utilizar materiales que conduzcan muy bien la corriente eléctrica – es decir, que pongan el menor número de obstáculos posible – , como el oro, la plata o el cobre. Generalmente, claro, suele ser cobre, porque aunque no conduzca tan bien como los otros dos, es muchísimo más barato. ¡Pero recuerda que el tipo de material no es el único factor que determina la resistencia! Lo ideal es emplear conductores lo más cortos y gruesos posibles. Evidentemente, la longitud es algo en lo que no podemos elegir demasiado: si mi casa está a 100 km de una central eléctrica, la longitud mínima del cable es de 100 km hasta ella (y otros 100 km de vuelta, claro). Si mi ordenador puede funcionar hasta 2 m de un enchufe, el cable tiene que tener dos metros de ida y dos de vuelta.
Cable preparado para minimizar el efecto Joule a través del grosor. Lo que sí podemos elegir es el grosor: cuanto más grueso el cable, menor será su resistencia, menor el número de impactos de unos electrones con otros y, por tanto, menor el calentamiento. El problema con esto, claro, es que un cable muy gordo es más caro, pesa mucho y es menos manejable. Por eso, cuando la corriente que va a circular por él es pequeña, no se fabrican demasiado gruesos, pero si miras los cables de los aparatos eléctricos de tu casa, verás que algunos son bastante gruesos, sobre todo los de los electrodomésticos que más intensidad de corriente consumen (como, por ejemplo, el frigorífico). Y, si alguna vez has visto el cable de un horno eléctrico en una industria o algún otro aparato de gran consumo, observarás que son realmente gruesos, para minimizar el efecto Joule en todo lo posible.
El segundo factor – la intensidad – no es tan sencillo como el primero. Lo ideal sería que la intensidad de corriente fuese lo más pequeña posible, y de ese modo el calentamiento sería mínimo. Pero claro, una intensidad nula significa que las cargas no se mueven, con lo que no hay calentamiento ¡porque no hay corriente eléctrica de ningún tipo! Lo que sí suele hacerse para transportar corrientes eléctricas distancias grandes es utilizar intensidades de corriente lo más pequeñas posibles, y luego elevar la intensidad de corriente cuando ésta se acerca a las casas que van a emplearla.
Aplicaciones del efecto joule APLICACIONES DOMÉSTICAS Muchas aplicaciones prácticas del efecto Joule intervienen en la construcción de los aparatos electrodomésticos, tales como planchas, hervidores, hornos, calentadores de ambiente y de agua, secadores, rizadores. APLICACIONES INDUSTRIALES El efecto Joule permite el funcionamiento de aparatos industriales, como aparatos de soldadura, hornos eléctricos para la fundición y metalurgia y soldadores de punto. Este último, muy utilizado en la industria automotriz y en la chapistería, reemplaza con ventaja el sistema de remachado.
Materiales:
Multímetro digital
Resistencia de 22
Termómetro
Calorímetro
tecnopor
Amperímetro analógico
4 cables con uniones de cocodrilo
2 cables con uniones punta-cocodrilo
Una fuente de corriente continua variable de 0-12 V
Procedimiento:
Aislamos el calorímetro rodeando sus superficies exteriores con tecnopor de forma que el calor no se disipe fácilmente al ambiente.
Llenamos el recipiente con 250 ml de agua siendo la temperatura ambiente 21 ºC, colocamos el termómetro y la resistencia en el envase con agua.
Conectamos el circuito a una fuente con una tensión de 24 V, circulando la corriente para calentar la resistencia y comenzar las mediciones.
Tabla de valores tiempo
Tº (ºC) digital
Tº (ºC) analogica
0
21
21
9.1
28.6
24.9
10.2
29
26
13.6
32.2
30
14.3
34.3
36
15.3
34.8
38
16.3
35.4
38.5
17
39.9
39
17.3
40
40
18
40.5
40.5
19
41.2
41
20
41.5
41.6
21
42
42
22
42.5
41.7
23
42.1
42.3
24
42.5
43.5
25
42.9
44
Grafica de datos digitales 50 45 40 35 C º 30 a r u t a r 25 e p m20 e T 15
curva
10 5 0 0
5
10
15
Tiempo (min)
20
25
30
Grafica de datos analógicos 50 45 40 35 C º a r 30 u t a r 25 e p m20 e T 15
curva analogica
10 5 0 0
5
10
15
20
25
30
Tiempo (min)
Cálculos del calor disipado: Datos: To=21ºC ; i=1.0909A ; Tf=25ºC ; V=250 ; Ce=1 Efecto joule: Q = 0.24 ∗ ∗ ∗
→
∗º
; ρ=1
; t=25 min
Q = 0.24 ∗ 22 ∗ 1.0909 ∗ 25 ∗ 60 = 9425.3
Calorimetría Q = ∗ ∗ ∗ → Q = 1 ∗ 250 ∗ 1 ∗ 44 = 11000
Experiencia: Durante el laboratorio se pudo observar que al momento de elegir una resistencia hay que tomar en cuenta elegir la más adecuada para el laboratorio, hay resistencias de distintos tipos y distintas magnitudes por lo elegir cualquier resistencia haría que la experiencia no sea la necesaria, otro aspecto que se observó al hacer los cálculos es que el calor disipado por efecto joule no es el mismo al calor entregado al agua ya que el calor también entro en contacto con el calorímetro el cual absorbió parte de ese calor, y otro factor fue el cambio de voltaje y de intensidad durante el calentamiento de la resistencia.
Cuestionario: 1.- ¿Qué es el efecto joule? Se conoce como efecto joule al calentamiento de un conductor debido a la circulación de corriente.
2.- ¿En qué tipo de aplicaciones es útil el efecto joule? El efecto joule es útil en distintos electrodomésticos que se encargan del dar calor al exterior, también se utiliza en la industria como en la soldadura u hornos eléctricos.
3.- ¿Cómo se produce el calor en el efecto joule? Los electrones libres al circular por el conductor chocan con los átomos o iones de la red, y en el choque su velocidad disminuye provocando una pérdida de energía cinética en forma de calor que se transfiere por el conductor
4.- ¿Qué formula relaciona el calor disipado por efecto joule? Explique W = R • I 2 • t; el calor liberado es directamente proporcional a; la resistencia, la intensidad y el tiempo.
5.- ¿De qué manera puede disminuirse el efecto joule? El efecto joule en un conductor puede disminuirse reduciendo el grosor del conductor para reducir su resistencia o reduciendo la intensidad de corriente.
6.- ¿De que manera se relaciona el efecto joule con los fusibles? Al pasar una determinada intensidad de corriente, esta hace que el fusible llegue a su punto de fusión, se rompe e interrumpe el paso de la corriente por el circuito.
Conclusiones:
El efecto joule se da en todos los circuitos El aumento de temperatura y el contacto con el agua puede provocar que la intensidad de corriente y la tensión de la fuente se reduzca No existe un sistema totalmente aislado ya que el calor fluye hacia el ambiente
Recomendaciones:
Se debe tener precaución al entrar en contacto con los componentes del circuito ya que podría producirse un corto circuito o algún daño físico Tomar la mayor cantidad de datos posibles para que los cálculos sean lo más exactos posibles Tener una coordinada precisión al momento de tomar los tiempos y las temperaturas
Bibliografía:
http://corrienteelectricaunet.blogspot.pe/2013/12/ley-de-joule-y-sus-aplicaciones.html http://leydejoule.blogspot.pe/2013/05/aplicaciones-e-inconvenientes-del.html https://www.clubensayos.com/Temas-Variados/Aplicaciones-Del-EfectoJoule/276587.html http://eltamiz.com/2010/01/13/electricidad-i-efecto-joule/
