Se denomina como efecto Joule a un fenómeno mediante el cual se eleva la temperatura de un conductor, por el cual circula energía eléctrica, cuyos átomos chocan entre ellos, produciendo que la energía cinética de los electrones se transforme en calor. Este fenómeno es irreversible.
El nombre viene de James Prescott Joule, un físico británico que descubrió que, en un alambre, los electrones se mueven de manera desordenada, lo que hace que los núcleos atómicos colisionen y, por ende, exista una pérdida de energía cinética y aumente la temperatura del alambre.
Historia del efecto Joule
Si bien fue James Prescott Joule quien estudió este fenómeno, también conocido como calentamiento resistivo, en 1841; también fue estudiado de manera independiente en 1842 por Heinrich Lenz.
El experimento de Joule consistió en sumergir un alambre en agua y luego pasarle corriente eléctrica al alambre durante media hora. Dada la variación de la corriente y la longitud del alambre utilizado, llegó a la conclusión de que la fórmula del calor que se producía era proporcional al cuadrado de la corriente multiplicado por la resistencia eléctrica del alambre.
Modelo de Drude
El modelo de Drude se utiliza para explicar el efecto Joule desde la óptica de la física clásica, ya que este modelo explica que los materiales conductores de electricidad se componen, a nivel microscópico, de una red inmóvil de iones formados por los núcleos atómicos del material conductor y sus electrones fijos; esta red está rodeada por una nube de electrones que se mueven libremente y evitan que los iones se repelan; esto permite, a su vez, la formación de la red de iones fijos.
La temperatura del material crea una energía que permite a la nube de electrones poder moverse caóticamente pero, al no ser direccional, esta energía no produce corriente eléctrica neta. Sin embargo, cuando aplicamos un campo eléctrico constante, el mismo hace que los electrones tengan un movimiento direccionado y una aceleración constante, aunque es necesario que exista un factor que frene la velocidad de los electrones y evite un exceso. Este factor surge de manera natural cuando los electrones chocan con un ion inmóvil y le transfieren parte de su energía a la red de iones lo cual los ralentiza.
Estos choques pueden ser favorecidos por algunos factores:
- Las vibraciones térmicas, ya que a mayor temperatura, mayor es la resistividad.
- Defectos puntuales como pueden ser vacantes, es decir la ausencia de átomos producidos a alta temperatura; defectos intersticiales, cuando los átomos tienen posiciones incorrectas; o impurezas aisladas, ya sea cargadas o neutras. Cuantos más defectos existan, más resistividad habrá.
- Defectos lineales, por ejemplo: dislocaciones o grupos de átomos fuera de su posición de equilibrio.
- Defectos superficiales, que pueden ser las superficies externas de los sólidos o sus superficies internas.
¿Qué es el efecto Joule?
Cuando un alambre recibe corriente, su temperatura aumenta. La energía térmica que se produce viene, indirectamente, de la fuente del campo eléctrico mediante los electrones libres y la red de iones. Según el método de Drude, al impactar contra la red, los electrones pierden velocidad y la red se calienta. A este aumento de calor se lo conoce como efecto Joule y establece que la energía transferida del electrón a la red es igual a la energía cinética perdida.
Aplicaciones del efecto Joule
Muchos aparatos eléctricos y procesos industriales emplean el efecto Joule. En estos artefactos, el segmento que es capaz de transformar la energía eléctrica en calor se llama “elemento de calefacción”.
Pese a que todos usan el efecto Joule para funcionar, existen diferentes maneras de difundir el calor, lo que divide a los sistemas de calefacción en sistemas de convección y de radiación.
Sistemas de Convección
El principio de convección es aumentar la temperatura del aire de un lugar para que este aire caliente ascienda y el aire frío descienda y, al hacerlo, también se caliente. Este ciclo produce que se climatice la estancia donde se lleva a cabo.
La convección también puede dividirse según cómo la produzca cada sistema:
- Convección natural: es un sistema lento que, a través de resistencias en forma de panel o cable retorcido, produce corrientes de aire ascendentes. El problema de estos sistemas es que queman el polvo del lugar en la resistencia, produciendo manchas negras en la pared donde esté el aparato.
- Convección con inercia: es la que usan los radiadores eléctricos, en los cuales la resistencia se encuentra inmersa en un fluido. Dicho fluido suele ser aceite. Cuando éste se calienta, también lo hace el radiador y en consecuencia el lugar en donde se está se torna más cálido. Su inconveniente es que puede tardar en arrancar.
- Convección forzada: es usada por los calefactores o termoventiladores que funcionan haciendo circular el aire a través de sus resistencias, teniendo como resultado la expulsión de un aire caliente. Si bien este proceso se da velozmente, se debe tener presente que el nivel de energía consumida es alto.
Sistemas de radiación
Estos sistemas utilizan la radiación electromagnética de objetos cercanos a la fuente de emisión para generar calor. Si bien un punto a favor de estos artefactos es que el consumo energético es relativamente bajo, también cabe mencionar que si la persona no se encuentra frente al flujo directo de calor, es probable que sienta frío. Por lo tanto, no templan muy bien los ambientes como otros sistemas.
Las estufas que usan esta radiación suelen contar con una luz rojiza, por lo que reciben el nombre de calefacción infrarroja de onda corta. Otros aparatos de calefacción infrarroja son de onda larga, pero difunden el calor de forma más indirecta.
Es importante mencionar que esta radiación no es perjudicial para la salud de la personas, aunque se pueden producir quemaduras y resequedad en la piel por acercarse mucho a la fuente de calor o permanecer más tiempo del recomendado.
Otros usos prácticos del efecto Joule
Además de la calefacción con estufas eléctricas, existen otros aparatos que usan el efecto Joule:
- Las lámparas incandescentes que se iluminan al calentarse el filamento.
- Los fusibles eléctricos que pueden fundirse si el flujo eléctrico se excede del límite.
- Los cigarrillos electrónicos que vaporizan propilenglicol y glicerina vegetal también usan el principio del efecto Joule.
- Los termistores que cambian de resistencia cuando cambia la temperatura.
