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Electricidad. Fundamentos

Autor: J. Isabel Magallanes Sandoval
Curso:
8,80/10 (5 opiniones) |17734 alumnos|Fecha publicación: 20/01/2010
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Capítulo 12:

 Leyes de la electricidad (2/2)

LEY DE JOULE:- Trabajo y Calor:- Siempre que una comente de electrones fluye por una resistencia se produce calor; este calor es originado por las colisiones (choques) de los electrones libres que se mueven por el conductor contra los átomos relativamente fijos que constituyen la estructura cristalina del citado conductor. Dichas colisiones aumentan la energía cinética ó térmica de los átomos del conductor y por consiguiente su temperatura se eleva; mientras más corriente fluya  mayor será el aumento de laenergía térmica del conductor y por consiguiente mayor será el calor liberado.

El calor producido por la corriente eléctrica que fluye través de un conductor es una medida del trabajo hecho por la corriente venciendo la Resistencia del conductor; la energía requerida para estetrabajo es suministrada por una fuente, mientras más calor produzca mayor será el trabajo hecho por la corriente y por consiguiente mayor será la energía suministrada por la fuente; entonces, determinando cuanto calor se produce se puede determinar cuanta energía suministra la fuente y viceversa (esto es totalmente cierto si se produce calor solarmente y no otro tipo de trabajo mecánico ó químico).

El físico ingles James Presccott Joule (1818- 1889), se interesó en éste problema y en 1840 publicó su famoso escrito sobré;" La producción de calor por la Electricidad Voltaica" que detallaba el resultado de sus experimentos con basé en los "mismos enunció una ley (Ley de Joule) de la siguiente forma: " El calor total desarrollado en un conductor es directamente proporcional a la Resistencia, al cuadrado de la corriente y al tiempo que dure el flujo de la corriente". Expresado como fórmula Tenemos:

H = I2xR xt                     Donde:       H = Cantidad de calor,  en Joules

                                                               I=Intensidad de la corriente, en Amperes

                                                               R = Resistencia eléctrica, en Ohms

                                                         T=Tiempo de duración que fluye la corriente, en segundos 

La cantidad total de calor H debe ser igual a la cantidad total de energía eléctrica consumida, por el principioconservación de la energía: energía eléctrica Wconsumidaigual  a  la energía térmicaproducida, ó: H = W=I2xR

El trabajo total realizado para mover una carga eléctrica se determina por el producto de la carga por la tensión necesaria para mover esa carga , es decir: W = QxE, dondeW = es el trabajo realizado por la corriente, Q = carga en movimiento y  E= tensión aplicada al circuito; como Q=I xt, lo sustituimos en lafórmula, y por Ley de Ohm sustituimos el equivalente de la tensión que es = I x R, entonces tenemos: W =I x IxR xt = I2 x Rxt, que expresa la cantidad total de trabajo efectuada, por la corriente eléctrica.

La Ley de Joule expresa la energía en Joules; puesto que el calor se mide usualmente en calorías, es conveniente conocer cuantosjoules se producen por cada caloría de energía, para ello el Sr. Joule definió en 1841 el equivalente eléctrico del calor medido en calorías, de la siguiente forma:

H= 0.239.xI2 xR xt= calorías, es decir, que unjoule = 0.239 calorías y una caloría = 4.18 joules.

Base dimensional:       En la fórmula de calor H = joules

                                     En la fórmula de energía ó trabajo W = Watts-segundo

Aplicación de la Ley de Joule:

Un calentador eléctrico alimentado por una línea de fuerza de 120 voltios consta de dos enrollamientos de alambre de resistencia, cada uno de ellos con una resistencia de 30 Ohms, conectados en serie y paralelo ¿cuánto calor producen durante 10 minutos en cada caso? :

Solución: Cuando las resistencias están conectadas en serie la Rt = 60 Ohmios y por consiguiente la Intensidad de la corriente E/R = 120/ 60 = 2 Amperes. Usando dicho valor en la ecuación de la Ley de Joule tenemos:H = 0. 239 xI2 xR xt = 0.239 x (2) (2) x(60) x (10 x60) = 34,416 calorías. En forma análoga H =0.239 E x I x t = 0.239 x!20 x 2 x(10 x60) = 34,416 calorías. Cuando los enrollados se conectan en paralelo su Rt = 15 Ohmios, la Intensidad de la comente E/R= 120/ 15 = 8 amperios, el calor producido en calorías es H = 0.239 x I2 x R x t = 0.239 x (8x8) X15X (10 X 60) = 137,664 calorías. En forma análoga, tenemos: H= 0.239 xE xI xt = 0.239 x 120 x 8 x 600 = 137,664 calorías.

Conclusión del ejemplo: Como puede observarse, cuando los enrollamientos se conectan en paralelo se produce mayor calor, hasta cuatro veces la cantidad obtenida de calor en el caso de conexión en serie, porque circula una intensidad de corriente eléctrica cuatro veces mayor en el circuito en paralelo que en el circuito serie de nuestro ejemplo

LEY DE WATT: Potencia eléctrica Y Rendimiento del trabajo: La Potencia, ya sea eléctrica ó mecánica, essiempre la proporción del Rendimiento del trabajo; en otras palabras: la Potencia es el trabajo realizado por unidad de tiempo. Ya hemos calculado el trabajo realizado (W) por una corriente que fluye a través de un circuito eléctrico; la potencia es la razón del trabajo realizado por unidad de tiempo, o sea:

P = W / t = I2 R t / t  I2 R = Joules / seg. = Watts

Donde P = Joules/segundo, unidad conocida como Watt

Grandes cantidades de potencia son expresados usualmente en Kilowattsó (abreviadoKw),así, unKw= 1000Watts. También se usa el término Caballo de fuerza = 746 Wattspara indicar la potencia en motores grandes y otros equipos de potencias mayores.

Apoyándonos en la Ley de Ohm, podemos sustituir en la ecuación de la Ley de Watt de la Potencia, el equivalente de la Intensidad de la corriente, entonces tenemos: P = W/t = l2 x R x t / t =I2 x R ó sea:   P= I2R

Primera variante de la Ley de Watt por sustitución por Ley de Ohm: P = I2 R; sustituyendo la en la fórmula, tenemos: P = (E/R)2 R = (E2/R2) resolviendo la ecuación: Nos queda: P = E2/R

Segunda variante de la Ley de Watt por sustitución por la Ley de Ohm: P = I2 R; reemplazando el equivalente de la R según la Ley de Ohm, tenemos: P = I2 (E/ I) ò

sea: P=I2 ( E / I ), entonces, nos queda:P= E x I;   porque: (E / I) x (E/ I) / ( E / I )

Aplicación de la Ley de Watt: ¿Cual es la potencia requerida para mover un motor que toma 15 amperios de la línea, conectado a 120 voltios en sus terminales?Solución: P = E x l = 120xl5=l,800 Watts.

Otro ejemplo: Un generador con un voltaje terminal de 220 voltios envía una corriente de 0.5 amperios a través de una lámpara que tiene una resistencia de 440 ohmios, ¿Cuál será la potencia requerida por dicha lámpara?: 

Solución:por medio de todas las variantes:

1.-    P = E x I = 220 x 0.5 = 110 Watts

2.-   P = I2 R = (0.5)2 x 440 = .25 x 440 = 110 Watts

3.-   P = E2 / R = 2202 /440 = 48400/ 440 = 110 Watts

Otro ejemplo de cálculo de Potencia: Cinco bombillas (focos) de 100 Watts, un radio de 300 Watts y un acondicionador de aire de 1200 Watts, funcionan desde las 8 de la mañana hasta las 6 de tarde, ¿Qué cantidad de energía es consumida en Kilowatts-hora?

Solución:    Pt = (5x100) +300+1200 = 500 + 300+1200 = 2000 Watts

La energía es: W = P t = 2 Kw x 10 Hrs. = 20 Kilowatts- hora       porque: P = W / t   entonces despejando la energía, tenemos que: W = P t.

Un ejemplo más: Un equipo de aire acondicionado de 3/4 HP está alimentado por una línea de 115 voltios y funciona durante 24 horas, ¿cuánta energía consume y qué comente toma de la línea?

Solución:    3/4 HP = %(746) = 560 Watts = 0.56 Kw, aquí se aplica la Regla de tres:

1 HP= 746 Watts; entonces: X = (0.75 x 746) / 1 = 559.5 / 1 =560 Watts, aproximadamente;

3/4HP= X               para convertir a Kilowatts: se dividen los Watts entre mil y obtenemos:

560/1000=0.56 Kw.

Continuando:

La energía es: W = P t = 0.56 Kw x 24 hrs = 13.44 Kw-hora.

I = P / E = 560 Watts / 115 voltios = 4.87 amperes.                                                                    

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