Secundaria El efecto Joule. ¿I o V*I ?

[Migox]

Saludos.

Tengo esta duda, si conecto en cortocircuito una fuente de corriente ideal con un conductor ideal y hago circular una corriente descomunal, ¿Va a haber calentamiento? Suponiendo que necesito un voltaje de 0V para hacer circular dicha corriente.

Poniéndolo un poco mas real, si coloco esta fuente de corriente con una resistencia muy bajita (0.0002\Omega por ejemplo) para hacer circular 1000A necesito 0.2V En tal caso, o con una resistencia mas baja, ¿El conductor se calentaría hasta fundirse porque el efecto joule solo depende de la corriente o se calentaria de acuerdo al producto VI?

Muchas gracias .

[visitante20160513]

Re: El efecto Joule. ¿I o V*I ?

Los conductores en general presentan una resistencia, $R$, el efecto joule depende del valor de la expresión $I^2R$. Ahora bien, sabemos que también en los conductores se cumple que $V=RI$.

Pero de forma general se debe considerar siempre que el efecto Joule en un conductor depende solo de la corriente que lo atraviesa y no de la tensión que genera dicha corriente. Analizar el fenómeno usando sistemas en corriente alterna (o no continua en general) te hace entender mejor el fenómeno.

Salu2, Jabato.

[Migox]

Re: El efecto Joule. ¿I o V*I ?

La duda me ha saltado de mis estudios de electrónica. La potencia disipada en un circuito integrado es V*I, y potencia directamente involucra calentamiento.

[Al2000]

Re: El efecto Joule. ¿I o V*I ?

En general, la potencia es $P = V I$, es decir, cuanta carga atraviesa una determinada diferencia de potencial (trabajo) en la unidad de tiempo (potencia). En un resistor, $V = I R$, de donde se sigue que $P = I^2 R$. En el ejemplo que pones en tu primer mensaje, el alambre generará un calor por unidad de tiempo de (1000 A)(0.2 V) = 200 W; si se calienta o no hasta fundirse dependerá del entorno y con qué rapidez pueda disipar el calor generado en el medio.

Nota que el caso de un resistor es determinante su resistencia eléctrica. Podrías hacer pasar una corriente enorme a través de un conductor de resistencia nula y no generar ni una pizca de calor, como ocurre cuando haces circular una corriente en un superconductor.

Saludos,

$\mathcal A \ell$

[Migox]

Re: El efecto Joule. ¿I o V*I ?

la potencia es $P = V I$, es decir, cuanta carga atraviesa una determinada diferencia de potencial (trabajo) en la unidad de tiempo (potencia).

$\mathcal A \ell$

No lo había pensado así. Gracias por el mensaje. Aunque ahora he leído mensajes contradictorios:

Pero de forma general se debe considerar siempre que el efecto Joule en un conductor depende solo de la corriente que lo atraviesa

Podrías hacer pasar una corriente enorme a través de un conductor de resistencia nula y no generar ni una pizca de calor

[Julián]

Re: El efecto Joule. ¿I o V*I ?

Se están olvidando de la resistencia interna de la fuente además de la resistencia de los conductores.

Poniéndolo un poco mas real, si coloco esta fuente de corriente con una resistencia muy bajita (0.0002\Omega por ejemplo) para hacer circular 1000A necesito 0.2V En tal caso, o con una resistencia mas baja, ¿El conductor se calentaría hasta fundirse porque el efecto joule solo depende de la corriente o se calentaria de acuerdo al producto VI?

Las fuentes de corriente son construcciones circuitales y no así las fuentes de tensiones que funcionan por acumulación de carga (efecto quimico-eléctrico) y por variación de flujo magnético (efecto mecánico). Por ende una fuente de corriente, por ejemplo una simple construida con un transistor en configuración emisor común, a la carga de la fuente de corriente la conectas en la juntura colectora y en ese caso la tensión colector-emisor se adecuará para que siempre circule esa corriente (salvo que lo llevés al corte al transistor) por lo que si metés una resistencia chica y está considerada en el desarrollo del circuito, si la resistencia se aguanta la potencia no pasa nada. $P= {I}^{2} R$. Pero si colas una resistencia más chica a la fuente de corriente la potencia en esta resistencia será menor, ya que la corriente es constante y la resistencia más baja.

Podrías hacer pasar una corriente enorme a través de un conductor de resistencia nula y no generar ni una pizca de calor

Una resistencia nula implica un superconductor o el vacio. Al no tener resistencia puede circular una corriente si necesidad de una tensión o campo eléctrico. Por ejemplo a un superconductor cerrado le pasás un imán cerca y circulará una corriente por siempre. Es por eso que quedan levitando estos en los experimentos que podrás ver en youtube. Claro, el efecto superconductor no es por siempre. Eso sí, si le sacás energía a la corriente se frenará.

https://www.youtube.com/watch?v=zzYGQlHklsI

[pod]

Re: El efecto Joule. ¿I o V*I ?

No lo había pensado así. Gracias por el mensaje. Aunque ahora he leído mensajes contradictorios:

La ecuación más fundamental de todas es $P = V I$. Su significado es el que ha explicado $\mathcal A \ell$.

Luego, si estamos en un conductor donde se cumple la ley de Ohm (que esto no es siempre así), entonces V e I están relacionados a través de la resistencia. Normalmente, la resistencia es fija y depende del material. Esto es una aproximación; por ejemplo la resistencia puede depender de la temperatura, y si el conductor se calienta por el efecto Joule la resistencia cambiará, por ejemplo; y hay elementos de circuito especializados en variar su resistencia, como los potenciómetros vistos de esta manera. Pero, normalmente, es más fácil cambiar la diferencia potencial y/o la intensidad que la resistencia.

Volviendo al caso; si se cumple la ley de Ohm, entonces tenemos esa relación entre potencial e intensidad a través de la resistencia. Decir que la potencia depende sólo de la intensidad (o sólo del potencial) es complicado, ya que tenemos una ecuación extra que los relaciona: cualquier dependencia respecto de una de estas magnitudes se puede expresar como una dependencia de la otra. Podemos mirar $P = I^2 R$ y decir que la potencia sólo depende de la intensidad; con resistencia fija, cambiar la intensidad implica cambiar el potencial.

Una cosa es cierta: en ciertos ambientes se suele comentar que el efecto Joule depende de la intensidad. Esto, supongo, tiene que ver con que hay muchas situaciones donde hay diferencia de potencial y no hay corriente. Por ejemplo, un condensador cargado tiene una gran diferencia de potencial y no disipa energía porque no hay corriente. Si conectamos las dos placas (por ejemplo, hay una ruptura del dieléctrico) entonces se producirá una corriente, y como ya teníamos una diferencia de potencial, el producto V I dejará de ser cero: disiparemos potencia.

Sobre el caso ideal en que tomamos el límite $R\to 0$, depende de cómo hagamos el límite. Fíjate que dos de las expresiones para la potencia son: $P = I^2 R = V^2 / R$. Según la primera la potencia debería ser cero, pero según la segunda debería ser infinita (¿?). Esto es algo típico cuando tenemos restricciones externas, no podemos hacer el límite tal cual. Tenemos que definir qué pasa con la relación externa. Si $V = I R$, podemos hacer el límite manteniendo I constante o manteniendo V constante. En el primer caso, $R\to 0$ con $I=\text{cte}$ implica directamente $V \to 0$ y por tanto $P \to 0$. Este es un resultado lógico, si no cuesta nada mover cargas, no se disipa energía.

En el segundo caso, $R\to 0$ con $V=\text{cte}$ implica $I\to\infty$ y $P\to\infty$. Aunque parezca anti-intuitivo, este también es un resultado lógico: como no cuesta nada mover cargas, éstas siempre se moverán de forma instantánea para anular cualquier diferencia de potencial (como pasa en todos los conductores). Si queremos mantener esa diferencia de potencial constante, tenemos que realizar un trabajo para volver a separar las cargas. Si el conductor es perfecto, este trabajo será infinito.

[Migox]

Re: El efecto Joule. ¿I o V*I ?

Excelente explicación Pod. Muchas gracias.

Me ha asaltado una curiosidad al entrar a la cama, es el caso de los fusibles, que vienen indicados para la corriente que soporta en vez de la potencia.

Supongo que esto es posible porque el filamento conductor cumple la ley de Ohm y siempre que circule una corriente en el aparecerá una diferencia de potencial (que los "eléctricos" despreciamos) pero que lo hace disipar potencia hasta que el efecto Joule funde el filamento. ¿Estoy en lo correcto?

[pod]

Re: El efecto Joule. ¿I o V*I ?

Excelente explicación Pod. Muchas gracias.

Me ha asaltado una curiosidad al entrar a la cama, es el caso de los fusibles, que vienen indicados para la corriente que soporta en vez de la potencia.

Supongo que esto es posible porque el filamento conductor cumple la ley de Ohm y siempre que circule una corriente en el aparecerá una diferencia de potencial (que los "eléctricos" despreciamos) pero que lo hace disipar potencia hasta que el efecto Joule funde el filamento. ¿Estoy en lo correcto?

Hasta donde yo sé, entiendo que sí. En comparación con una nevera, la resistencia del fusible será totalmente negligible a efectos prácticos.