Definición de Efecto Joule

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

El Efecto Joule es un fenómeno que ocurre cuando, a través de un material conductor con cierta resistencia, pasa una corriente eléctrica, y parte de la energía de dicha corriente es convertida en calor. Esta disipación de calor es debido a la colisión de los electrones de la corriente con los átomos del material conductor.

Todo material conductor que posea resistencia disipa calor cuando una corriente eléctrica pasa a través de él. Aunque a priori esto pueda sonar como un inconveniente que obstaculiza el transporte eficiente de energía eléctrica, la verdad es que también tiene aplicaciones prácticas. Las lámparas incandescentes, las planchas eléctricas, los calentadores eléctricos, entre otros, sin dispositivos que aprovechan el efecto Joule para su funcionamiento.

Explicación de los principios y elementos que configuran las ecuaciones

Consideremos un circuito eléctrico sencillo que consiste en un dispositivo que posee cierta resistencia R y que se encuentra conectado a una diferencia de potencial V. La diferencia de potencial genera una corriente eléctrica I que viaja por el circuito y pasa por la resistencia R. La Ley de Ohm nos dice que la relación entre estas tres cantidades es la siguiente:
\(V=IR\)

Consideremos una cantidad diferencial de carga eléctrica dq que viaja a través del circuito. Debido a que existe una diferencia de potencial V, esta carga eléctrica tendrá una energía potencial dU. Como la diferencia de potencial V es constante, podemos decir entonces que:

\(dU=V\ dq\)

La corriente eléctrica I se define como la cantidad diferencial de carga eléctrica dq que pasa por un punto en un lapso de tiempo diferencial dt. Esto lo podemos expresar como:

\(I=\frac{dq}{dt}\)

Esta última ecuación nos permite entonces decir que:

\(dq=I\ dt\)

Reemplazando esto en la ecuación para la energía potencial dU obtenemos:

\(dU=IV\ dt\)

O bien, podemos despejar para obtener:

\(\frac{dU}{dt}=IV\)

Notemos que lo que tenemos en la parte izquierda de la ecuación anterior es la derivada de la energía potencial U con respecto al tiempo t. Esta magnitud se conoce como “Potencia” y podemos expresarla como P. Por lo tanto, ahora se tiene que:

\(P=IV\)

Cabe destacar que esta última ecuación nos expresa la energía que es transferida por unidad de tiempo a las cargas eléctricas de la corriente I debido a la diferencia de potencial V. Cuando la corriente eléctrica I pasa a través de la resistencia R parte de la energía U es transferida en forma de calor desde la resistencia hacia el exterior. Podemos calcular la potencia de esta transferencia de calor al reemplazar la ley de Ohm en la ecuación anterior, por lo que obtenemos finalmente que:

\(P_Q=I^2R\)

Donde \(P_Q\) ahora es la cantidad de calor transferida por unidad de tiempo. Lo que nos dice esta última ecuación es que el calor disipado por unidad de tiempo es directamente proporcional a la magnitud de la resistencia \(R\). Por lo tanto, entre menor sea la resistencia menor será la cantidad de calor disipado. El límite inferior ocurre cuando R=0, es decir, cuando se tiene un superconductor. En este caso \(P_Q=0\) y por consiguiente no existe disipación de calor, toda la energía potencial es transferida a las cargas eléctricas en movimiento.

Interpretación microscópica

Los metales conductores cuentan con esta característica debido a la configuración electrónica de sus átomos. Particularmente, poseen electrones libres que pueden ser desplazados sin requerir una cantidad enorme de energía. Cuando se aplica una diferencia de potencial sobre un material conductor, estos electrones se ponen en movimiento y se genera una corriente eléctrica.

Según las leyes de la mecánica cuántica, los electrones libres de los átomos realizan un movimiento aleatorio en su orbital, no obstante, cuando se aplica un potencial eléctrico, este movimiento se ve ligeramente afectado y se comienzan a mover de un átomo a otro. Sin embargo, debido a su movimiento aleatorio pueden colisionar entre los átomos del conductor y parte de su energía cinética se pierde. Esto es la interpretación microscópica de la resistencia eléctrica.

Es importante mencionar que ese movimiento aleatorio de los electrones disminuye conforme baja la temperatura del material. Es por ello que en algunos materiales a temperaturas muy bajas ese movimiento aleatorio de los electrones disminuye considerablemente y no oponen resistencia a los potenciales eléctricos externos. Este fenómeno se conoce como “superconductividad”.

Cuando los electrones de un conductor se ponen en movimiento por la acción de un potencial eléctrico externo y colisionan con los átomos circundantes, parte de la energía cinética que pierden es convertida en calor. Esta transferencia de calor se manifiesta como un aumento en la temperatura del material. Esto es lo que macroscópicamente llamamos “Efecto Joule”.

Aplicaciones del efecto Joule

La disipación de calor por parte de los conductores eléctricos cuando una corriente pasa a través de ellos es uno de los obstáculos que se deben de superar para transferir energía eléctrica de la manera más eficiente posible. Es por ello que se han inventado nuevos materiales conductores que tienen menor resistencia y que, por lo tanto, disipan menos calor cuando se les aplica una diferencia de potencial y se genera una corriente eléctrica.

Por otro lado, la generación de calor a partir de corrientes eléctricas nos brinda una nueva forma de generar energía a partir de la energía eléctrica. Varios son los ejemplos en que este calor generado por el efecto Joule es aprovechado con distintos objetivos. Los calentadores eléctricos, las estufas eléctricas, los radiadores, las lámparas incandescentes y las planchas eléctricas hacen uso de este fenómeno para tener fuentes de calor y de luz útiles para la vida cotidiana.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Trabajo publicado en: Abr., 2024.

Datos para citar en modelo APA: Zamora Ramírez, A. (abril, 2024). Definición de Efecto Joule. Significado.com. Desde https://significado.com/efecto-joule/