Seguro que en más de una ocasión ha escuchado la palabra Julio –y no refiriéndose al mes del calendario– o, por el contrario, la palabra Joule (la palabra Julio en inglés). Esta proviene, en el ámbito de las ciencias, del físico inglés James Prescott Joule (1818-1889), quien realizó diversos estudios relacionados con los movimientos de las partículas subatómicas, las corrientes eléctricas y la generación de energía.
Este físico fue el padre del “efecto Joule” o “ley de Joule”, uno de los pilares que permiten el desarrollo y el funcionamiento de muchos de los productos que nos rodean en la actualidad. Pero, ¿en qué consiste el efecto Joule? ¿Cuál es la trascendencia de los estudios realizados por este físico inglés?
Entendiendo la energía y el calor
Para poder comprender el efecto Joule, debemos aclarar brevemente el concepto de calor. Al calor se le conoce como el desprendimiento de energía por parte de un sistema como causa del movimiento, a escala microscópica, de las partículas que lo componen.
Por ejemplo: si calentamos una olla de agua, lo que en realidad se produce es un aumento de la energía del sistema, algo que, a nivel molecular, se traduce como un mayor movimiento de las partículas que componen dicho sistema. Esta energía “absorbida”, más tarde, se desprende nuevamente al exterior en forma de calor, siempre que el entorno que rodee a dicho sistema cuente con unos niveles energéticos inferiores (en este caso, así es, pues el aire que rodea a la olla suele estar a una temperatura inferior).
¿Por qué se desprende esa energía en lugar de conservarla? Todos los sistemas tienden, por naturaleza, a buscar una situación de reposo o calma –entendemos reposo o calma como la situación en la que el movimiento de sus partículas sea el menor posible–. Por ello, cuando este estado de relativa calma se altera, los sistemas intercambian energía con los que les rodean para tratar de aproximarse lo máximo posible a dicho estado. En el caso de la olla, se emite calor al exterior para tratar de “enfriarse” y reducir sus niveles energéticos. Ese intercambio de energía es a lo que llamamos calor.
Qué es el efecto Joule y por qué ocurre
El efecto Joule, a vista de pájaro, es el desprendimiento de calor provocado por el movimiento de electrones –también conocido como corriente eléctrica– por un material. Este efecto se recoge en la fórmula Q = P x t, donde “Q” es energía o calor desprendido (también representada por la letra E y medida en Julios o Calorías), “P” la potencia consumida (medida en vatios) y “t” el tiempo transcurrido (medido en segundos).
Para entender el efecto Joule, debemos entender el origen de las corrientes eléctricas. Para ello, imaginemos un circuito simple con una pila de 6 Voltios (con un polo positivo y otro negativo) y una resistencia de unos 3 ohmios.
1. Al conectar la pila al circuito, los electrones almacenados en la pila comenzarán a recorrer el circuito desde el polo positivo hasta el negativo, atravesando los cables y la resistencia conectada al mismo.
2. Estos electrones se mueven a causa de una diferencia de potencial –que, en este caso, es de 6 voltios–. Para entender dicho concepto, imaginemos una escalera. El polo positivo es la zona superior de la escalera. El polo negativo, la zona inferior. Desde la zona superior, hacemos rodar unas bolas. Estas, inevitablemente, comenzarán a descender hacia abajo por la fuerza gravitatoria. Con los electrones ocurre algo similar. Este movimiento de electrones del polo positivo (mayor potencial) al polo negativo (menor potencial) es lo que conocemos como corriente eléctrica.
3. Al moverse esos electrones, estos impactan con otros átomos y partículas subatómicas (las que componen los cables, las resistencias, etc.) y, por lo tanto, provocan que estas se muevan en mayor o menor medida. Al aumentar su movimiento, aumenta su energía y, por lo tanto, el desprendimiento de calor al exterior. Este desprendimiento inevitable –solo sería evitable si los materiales conductores fueran 100% perfectos, algo que es imposible de lograr– de energía en forma de calor se conoce como el efecto Joule.
El efecto Joule y la cantidad de calor que se desprende depende de varias variables:
- La intensidad de corriente. O el número de electrones que pasan por unidad de tiempo. Para entender este concepto, imaginemos una tubería de agua. Cuanto mayor diámetro tenga la tubería de agua, más caudal podrá atravesarla en una unidad de tiempo. La intensidad de corriente es similar. Cuanto menor sea la resistencia y mayor sea la diferencia de potencial, mayor será será la cantidad de electrones en movimiento en una unidad de tiempo.
- La resistencia. Es la oposición que presenta un elemento al paso de los electrones por el mismo. Normalmente entendemos como resistencia a un elemento concreto (que puede ser una bombilla o cualquier otro), pero la resistencia también está presente en los cables, por ejemplo. Y es que todo material por el que pasa la corriente eléctrica, presenta oposición al paso de electrones. Si no la presentaran, se obtendría el mayor rendimiento posible de todos los sistemas y el calor generado sería ínfimo. Para que podamos comprender mejor este concepto: la resistencia podríamos entenderla como el número de obstáculos que tendría que sortear un atleta en una carrera de 200 metros obstáculos. Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será el número de obstáculos que se presenten en el camino del electrón.
- La diferencia de potencial o voltaje. Volviendo a la analogía, la diferencia de potencial la podríamos entender como la diferencia de altura existente entre la parte superior de una escalera y la parte inferior. En dicho ejemplo, la gravedad atrae a los cuerpos de la zona superior. En el caso de la corriente eléctrica, los átomos son los que atraen los electrones del polo positivo al negativo, generando ese movimiento.
- Tiempo. Cuanto mayor es el tiempo, la cantidad de calor generada aumenta. Por lo tanto también influye.
- Potencia. Normalmente, la influencia de la resistencia, la intensidad y la diferencia de potencial de un circuito se reúne en una magnitud conocida como potencia (que es la que aparece en la fórmula anterior).
El efecto Joule, algo deseado y despreciado
A priori, el efecto Joule puede parecer algo totalmente despreciable, pues impide la obtención de la máxima cantidad de energía de una corriente eléctrica que alimenta a un sistema. Por ejemplo, en los procesadores es algo que siempre se trata de evitar, pues se trata aprovechar la mayor cantidad de energía eléctrica para aumentar el rendimiento del ordenador, tablet o smartphone al que está conectado.
El efecto Joule es un efecto alabado y, al mismo tiempo, despreciado
Pero el efecto Joule también es algo muy deseado y esencial para muchos productos actuales. Productos como las estufas, los calefactores, los termos, los secadores o incluso las vitrocerámicas. Y es que este efecto permite convertir la energía eléctrica en calor, algo que ha sido muy explotado por ingenieros durante el último siglo para la creación de un sinfín de productos.
En el caso de los secadores, por ejemplo, encontramos una serie de resistencias que se calientan con el paso de la corriente eléctrica, calentando así el aire que expulsa al exterior. El juego está en tratar de obtener la mayor eficiencia energética (con la menor cantidad de electricidad posible, calentar el aire a una misma temperatura).
Así pues, el efecto Joule es, como todo en esta vida, algo muy relativo. Dependiendo del ámbito y la situación en la que nos encontremos, nos interesará su aparición o no. Pero eso es algo con lo que tendremos que lidiar mientras la energía eléctrica sea una de las bases de nuestra sociedad.
