Secundaria ¿Por qué se utilizan metales con resistencia elevada para fabricar bombillas?

[Ingun]

Hola de nuevo, ya estoy aquí con otra duda existencial . Gracias por dedicarle un tiempo.

Estoy trabajando con la ley de Ohm, en la que la relación intensidad y tensión eléctrica (voltaje) viene definida con la constante de conductividad:

I = G*V (V es \DeltaV, la diferencia de potencial).

En los ejercicios que estoy realizando, es lógico concluir que cuanto mayor es la intensidad, mayor es la potencia por P = R*I^2, pero P = V*I donde sustituyendo V tenemos que P = V^2 / R observamos que esto no es así. A mayor resistencia, menor intensidad.

Mi pregunta es: (1) ¿Por qué tanta insistencia en utilizar resistencias para fabricar bombillas? En todos los ejemplos se esquematiza una resistencia en la zona de la bombilla de un circuito, como si fuera característico del dispositivo, cuando en realidad, minimizando la resistencia aumentamos la potencia de ésta. (2) ¿Por qué se utilizan resistencias para esquematizar las bombillas?

Un saludo, y gracias de antemano como siempre.

[Sheldoniano]

Re: ¿Por qué se utilizan metales con resistencia elevada para fabricar bombillas?

Pues no te lo podría decir con seguridad pero:
1. Porque si reducimos la resistencia puede quemarse con la intensidad y no emitirá luz
2. Porque al tener resistencia interna es necesario saber su potencia y su tensión

[Julián]

Re: ¿Por qué se utilizan metales con resistencia elevada para fabricar bombillas?

Estoy trabajando con la ley de Ohm, en la que la relación intensidad y tensión eléctrica (voltaje) viene definida con la constante de conductividad:

No, no es así la ley de Ohm. La ley de Ohm puede ser definida por el voltaje, la intensidad de corriente y la resistencia, o analogamente por el campo eléctrico, la densidad de corriente y la conductividad.

$V [Volts] = I [A] * R [\Omega]$ y $\vec{J} [A/{m}^{2}] = \vec{E} [N/C] * \sigma [{\Omega}^{-1} {m}^{-1}]$

en donde $\vec{J}$, es la densidad de corriente (cargas que atraviesan una unidad de area en un intervalo de tiempo)y a diferencia de $I$ (carga que se desplaza en un intervalo de tiempo) es un vector. $\vec{E}$ es el campo eléctrico y $\sigma$ es la conductividad del material, su inversa es la resistividad y estas unidades no son lo mismo que resistencia y conductancia. Fijate del tema en una bibliografía.

Si estamos viendo la relación entre el voltaje y la intensidad de corriente la constante de proporcionalidad entre estas es la resistencia eléctrica (o conductancia)y no la conductividad.

En los ejercicios que estoy realizando, es lógico concluir que cuanto mayor es la intensidad, mayor es la potencia por P = R*I^2, pero P = V*I donde sustituyendo V tenemos que P = V^2 / R observamos que esto no es así. A mayor resistencia, menor intensidad.

Una cosa es la potencia que se suministra, como una fuente, que es una potencia que se entrega y otra cosa es la potencia que se disipa, por ejemplo en una resistencia. Para obtener una energía útil de la energía electrica es necesario que la carga disipe potencia y esa energía disipada es la que se transforma en la que queremos (como la luz).
No se por donde explicarte porque sería todo, si hasta no conoces la ley de ohm. Yo diría que estudies el tema de algun libro y más que nada física eléctrica.

Mi pregunta es: (1) ¿Por qué tanta insistencia en utilizar resistencias para fabricar bombillas? En todos los ejemplos se esquematiza una resistencia en la zona de la bombilla de un circuito, como si fuera característico del dispositivo, cuando en realidad, minimizando la resistencia aumentamos la potencia de ésta

Por ejemplo si no conoces la ley de ohm se hace dificil explicar este porque lo dice la ley de ohm. Pero para que una carga trasnforme la energía eléctrica en otra, como en calor o en este caso luz, tiene que disipar potencia. Y para esto es necesario la resistencia. Viste la ley de ohm $V = I * R$, esa ecuación se utiliza para calcular la caida de tensión en una resistencia. Una caida de tensión significa que el potencial eléctrico disminuyó y si disminuyó (energía se trasforma) fue a parar en otro tipo de energía. Una resistencia es eso, como existe una oposición, para que las cargas la atraviesen es necesario suministrarle energía.

Un corto se produce cuando la resistencia es baja (casi cero) entonces los electrones no sienten oposición y se "trasladan" todos y no es útil esa energía porque se transformó en el movimiento de electrones en vez de calor utilisable, o luz, etc.

[Al2000]

Re: ¿Por qué se utilizan metales con resistencia elevada para fabricar bombillas?

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Estoy trabajando con la ley de Ohm, en la que la relación intensidad y tensión eléctrica (voltaje) viene definida con la constante de conductividad:

I = G*V (V es \DeltaV, la diferencia de potencial).
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En la ley de Ohm, escrita de la forma $I = G\, V$, la letra $G$ representa la conductancia del elemento. La palabra conductividad se usa para nombrar una propiedad de la sustancia que forma el conductor y usualmente se representa por la letra $\sigma$.

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En los ejercicios que estoy realizando, es lógico concluir que cuanto mayor es la intensidad, mayor es la potencia por P = R*I^2, pero P = V*I donde sustituyendo V tenemos que P = V^2 / R observamos que esto no es así. A mayor resistencia, menor intensidad.
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Ten cuidado cuando analices situaciones en las que estén involucradas tanto la tensión como la corriente. Por una parte ambas cantidades están ligadas por la ley de Ohm y por otra parte ambas se utilizan en la definición de la potencia. Eso puede llevar a consideraciones erradas al no considerar el efecto de una cantidad en la otra.

Una pregunta frecuente con la cual se puede confundir a un alumno es pedirle que aclare la aparente contradicción entre las formulas $P = I^2 R$ y $P = V^2/R$. Ambas expresiones son válidas pero la primera dice que a mayor resistencia se disipa mayor potencia mientras que la segunda dice exactamente lo contrario.

La aparente contradicción sale de que ambas expresiones se aplican en condiciones diferentes. Cuando dices que la primera indica que la potencia aumenta, implicitamente estás asumiendo que la corriente es constante. En la segunda es lo contrario, implicitamente asumes que el voltaje es constante.

Un ejemplo práctico: ¿Qué bombillo tiene una mayor resistencia eléctrica, uno de 60 W o uno de 100 W? La respuesta es que el bombillo de 60 W tiene una mayor resistencia. En este caso la fórmula usada para determinar la respuesta es la segunda. ¿Por qué? Porque en un hogar todos los bombillos se conectan al mismo voltaje.

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Mi pregunta es: (1) ¿Por qué tanta insistencia en utilizar resistencias para fabricar bombillas? En todos los ejemplos se esquematiza una resistencia en la zona de la bombilla de un circuito, como si fuera característico del dispositivo, cuando en realidad, minimizando la resistencia aumentamos la potencia de ésta. (2) ¿Por qué se utilizan resistencias para esquematizar las bombillas?
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Un bombillo (al menos uno incandescente) es esencialmente una resistencia eléctrica cuya función es producir un calor tan intenso que el metal brille al alcanzar temperaturas muy elevadas. Si bien es cierto que, como cualquier elemento conductor, todo bombillo tiene capacidad e inductancia, lo corriente será que estos valores sean muy pequeños y el bombillo se pueda considerar una resistencia pura.

Saludos,

Al

[Ingun]

Re: ¿Por qué se utilizan metales con resistencia elevada para fabricar bombillas?

Muchas gracias a todos por vuestras respuestas.

Creo que ya he comprendido la ley de Ohm, gracias Julián. De cualquier forma, entiendo que la definición que nos plantea la ley de Ohm es el hecho de que existe una relación entre I y V definida por una constante determinada por el material, tipicamente un mental, la conductancia, tal que I = G*V, (G siemens), tal que G^-1 = R es la expresión que se utiliza frecuentemente para el cálculo, siendo I = V / R. Así lo pondría yo en un examen, sin más, como ley de Ohm. Todo lo demás es fácil de inferir. No sé si me puntuarían el máximo, pero te aseguro que me enteraré =).

Al2000, siempre que veo un chimpancé en mis hilos de dudas, se me ilumina la cara cuan bombilla de 120 W. Me quedo con tu fragmento:

Un bombillo (al menos uno incandescente) es esencialmente una resistencia eléctrica cuya función es producir un calor tan intenso que el metal brille al alcanzar temperaturas muy elevadas

Me cuesta comprenderlo, puesto que entiendo que cuanto mayor sea la resistencia, mayor calor y mayor temperatura del metal (véanse los radiadores). Viendo bombillas incandescentes, me fijo que además, los filamentos son muy estrechos, aumentado así la resistencia. ¿Por qué se busca tanta resistencia cuando, por la ley de Ohm, ya hemos demostrado que a V constante, la potencia se reduce cuando aumenta la resistencia? ¿No sería más práctico utilizar filamentos más gruesos de metales muy conductores (o con mayor conductancia)?

Saludos y gracias.

[arivasm]

Re: ¿Por qué se utilizan metales con resistencia elevada para fabricar bombillas?

En mi opinión, el paso de la corriente genera calor, parte del cual se invierte inicialmente en elevar la temperatura, hasta que se alcanza el estado estacionario y la energía proporcionada por la corriente se disipa íntegramente. Por otra parte, conviene tener presente la ley de Stefan-Boltzmann: la potencia emisora superficial es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. Como lo que queremos es que se emita mucha luz nos interesa una temperatura de trabajo elevada y también una superficie elevada. Lo primero implica poca masa, para que el transitorio sea corto, y lo segundo poca sección transversal del conductor. En particular, esto último se traduce en mayor resistencia y entonces menor potencia. Apuesto que para cada intensidad luminosa (y material del filamento) existe un óptimo.

Ya puestos, ¿qué tal si nos animamos a desarrollar entre todos un modelo para el filamento de una bombilla, que proporcione la intensidad luminosa en función del voltaje y las características del filamento?

[Chusg]

Re: ¿Por qué se utilizan metales con resistencia elevada para fabricar bombillas?

Entiendo y comparto la duda que plantea Ingun en su último comentario y supongo que los tiros van por donde dice Arivasm, sin embargo creo que no estoy de acuerdo con él en lo referente a cómo interviene el área del conductor en todo esto.

A nosotros lo que nos interesa es que la potencia emitida como luz visible sea alta. A igual resistencia, la potencia total emitida no dependerá del área (sólo de la resistencia y el voltaje). No porque tengamos más área se va a emitir más energía. La ley de Stefan-Boltzmann dice que la potencia emitida por unidad de área es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Para una misma potencia disipada, cuanto mayor sea el área menor será la temperatura en el estado estacionario. Por tanto, a igual resistencia, para alcanzar alta temperatura necesitaríamos que el área fuera pequeña. Y necesitamos alta temperatura para que buena parte de la radiación se emita en el visible, de lo contrario se emitiría en el infrarrojo. La verdad es que no lo acabo de ver claro, pensaré más sobre el tema.

Una duda parecida se podría plantear con los braseros o estufas eléctricos. Y ahí no nos interesa la luz emitida.