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Calefacción Joule y energía eléctrica

1841
  • James Prescott Joule
Demostración del calentamiento Joule en un laboratorio antiguo con aparatos eléctricos.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Joule heating, or ohmic heating, is the phenomenon where heat is produced by an electric current passing through a conductor. The rate of heat generation, or power dissipated ([latex]P[/latex]), is given by Joule’s primera ley, [latex]P = VI[/latex]. By combining this with Ley de Ohm, the power can be expressed as [latex]P = I^2 R[/latex] or [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

La base física del calentamiento Joule es la interacción entre los portadores de carga en movimiento (electrones) y los iones del conductor. Al ser acelerados por el campo eléctrico, los electrones colisionan con los iones de la estructura reticular del material. Cada colisión transfiere energía cinética del electrón al ion, aumentando la energía de vibración del ion. Este aumento de la vibración atómica se manifiesta como un aumento de la temperatura del conductor.

Aunque este efecto se aprovecha para aplicaciones de calefacción, suele ser una fuente indeseable de pérdida de energía. En la transmisión de energía, por ejemplo, la relación [latex]P = I^2 R[/latex] muestra que la pérdida de energía es proporcional al cuadrado de la corriente. Esta es la razón por la que la electricidad se transmite a largas distancias a tensiones muy altas y corrientes bajas, para minimizar estas pérdidas ‘I-cuadrado-R’. Comprender el calentamiento Joule es crucial para la gestión térmica en electrónica, ya que evita que componentes como los microprocesadores se sobrecalienten y fallen.

UNESCO Nomenclature: 2205
- Electromagnetismo

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Sustancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • La ley de Ohm, que define la relación entre tensión, corriente y resistencia.
  • La ley de conservación de la energíaestableciendo que la energía no se puede crear ni destruir.
  • Los primeros experimentos sobre electricidad y calor realizados por científicos como Benjamin Franklin y Humphry Davy

Aplicaciones

  • calentadores y estufas eléctricas
  • bombillas incandescentes (calentar un filamento hasta que brille)
  • fusibles, que se funden y rompen un circuito cuando la corriente es demasiado alta
  • Hervidores eléctricos, tostadoras y secadores de pelo
  • sistemas de deshielo en alas y parabrisas de aeronaves

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Elementos calefactores autorreguladores fabricados con materiales PTC que reducen la potencia de salida a medida que se calientan.
  • Películas conductoras transparentes para ventanas inteligentes que se pueden calentar para evitar el empañamiento.
  • Alimentos impresos en 3D que se cocinan de adentro hacia afuera mediante calentamiento óhmico controlado
  • Sistemas de esterilización rápida de agua para socorro en casos de desastre que utilizan el calentamiento Joule para hervir el agua de manera eficiente.
  • Textiles conductores para ropa calefactada con cortes de seguridad térmica integrados
  • Herramientas de ablación térmica de precisión para cirugía mínimamente invasiva
  • Técnicas de remediación del suelo que utilizan el calentamiento Joule para vaporizar los contaminantes.
  • Diseños de fusibles avanzados que utilizan materiales con puntos de fusión diseñados con precisión
  • Sistemas de gestión térmica en baterías de alta potencia que utilizan calefacción por resistencia interna controlada para un rendimiento en climas fríos.
  • on-chip heaters for microfluidos devices to control reaction temperatures
Relacionado con: Calentamiento Joule, calentamiento óhmico, energía eléctrica, disipación de potencia, resistencia, pérdida I^2R, conversión de energía, termodinámica, calentador eléctrico, james prescott joule.

Contexto histórico

Calefacción Joule y energía eléctrica

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1835
1838
1841
1845
1850
1850
1833
1834
1836
1839-01-01
1842
1847
1850
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(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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