Joule
30 jun, 2013
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PDFFusible en acción
PRESENTACIÓN: El paso de portadores de carga desde una zona de alto potencial a una zona de bajo potencial libera energía produciendo un calentamiento de los elementos de un circuito. Este efecto puede llegar a ser peligroso.
- The Fuse-Wires-in-Parallel Problem, William Layton, Phys. Teach. 51, 38 (2013)
- Cascading failure in holiday lights, Aaron Schuetz, Phys. Teach. 51, 186 (2013)
INTRODUCCIÓN: Un fusible es considerado como una de las mejores protecciones para los circuitos por la rapidez de operación, alta capacidad de interrupción y comportamiento limitador al paso de corriente. En el pasado, era muy común que cuando se producía un cortocircuito provocara incendios, daños en instalaciones o equipos eléctricos. Para solventar esta falta de un dispositivo protector de la instalación, Thomas Alva Edison inventó hacia 1880 el primer fusible eléctrico.
OBJETIVO: Demostrar el comportamiento de un fusible ante una carga mayor a la soportada.
MATERIALES: fusible de 0,5 A 125V, cable flexible (fase y neutro), portalámparas, bombillas de 60 W, enchufe macho, fichas de unión.
MONTAJE: Conectamos, mediante cables flexibles y utilizando las fichas de unión, los cuatro portalámparas en paralelo al fusible y lo conectamos a la red eléctrica. A continuación pondremos las bombillas en su portalámparas una a una hasta que la intensidad sea lo suficiente grande para que el fusible se funda.
EXPLICACIÓN: Un fusible es un dispositivo constituido en este caso, por un hilo de plomo (material de bajo punto de fusión y resistividad). Cuando se produce un cortocircuito ( existe diferencia de potencial o tensión en los bornes y sin impedancia eléctrica) la intensidad tiende a infinito, con lo que peligran los dispositivos conectados debido al calor generado por dicha intensidad a causa del Efecto Joule.
I = V / Z ( si Z=0, I = ∞)
Para evitarlo se coloca un fusible al principio de la instalación (soportando una I≤0,92 A) Al colocar las bombillas en paralelo incrementamos la intensidad de corriente hasta que llega a una intensidad mayor que la soportada por el fusible. En ese momento, por efecto Joule el fusible se funde/ rompe interrumpiendo el paso de la corriente para que el resto del circuito no sufra daño alguno.
CONCEPTOS: carga, intensidad de corriente, punto de fusión (ruptura), resistividad, efecto Joule, ley de Ohm.
MÁS INFORMACIÓN:
- WIKIPEDIA
- WAKE FOREST UNIVERSITY
- BERKELEY UNIVERSITY
- WASHINGTON STATE UNIVERSITY
- PROFESORMOLINA
- UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA
- PhET
TEXTOS:
- Fowler R.J., Electricidad: principios y aplicaciones, Reverté, 1992.
- Onsalo F., Electrotecnia: ciclos formativos, Donostiarra, 1999.
- Fink D.G., Wayne Beaty H., Carroll J.M., Manual práctico de electricidad para ingenieros, Reverté, 1984.
ALUMNADO 2012 2013: Iván Díaz, Alejandro Espiño, Víctor Lago, Alba Souto.
ENLACE pdf ALUMNADO:
39 responses to "Joule"
Este video es muy interesante sobre todo en invierno. Cuando en las casas se enchufan muchos aparatos eléctricos a un solo enchufe. Mientras no están todos encendidos a la vez, no pasa nada. Pero en el momento que esto ocurre se produce la sobrecarga, y el circuito tiende a quemarse por la parte más débil. Si no hay fusibles y las instalaciones eléctricas son deficitarias esto puede provocar incendios. Por todo ello es conveniente emplear con cuidado el uso de regletas, ya que en ciertos momentos se puede sobrecargar la instalación.
Me parece un experimento sencillo, que creo que podría ser muy interesante empleado en materias como Tecnología en 3º o 4º de la E.S.O. en el bloque de Circuitos, ya que se trabajan conceptos presentes en esta materia como resistencia, diferencia de potencial y resistividad (Ley de Ohm), intensidad de corriente, circuitos en paralelo, fusible…
También podrían realizarse experimentos semejantes empleando fusibles con distinto amperaje o bombillas con diferente potencia y observar como varía el número de bombillas soportadas hasta que el fusible se funda.
La función de los fusibles es proteger la fuente o los elementos conectados (fluorescentes, neones, etapas de potencia, etc…).
El fusible es un cable de cobre que cuando pasa una cierta corriente por él se funde y no deja que se estropee nada, cuando hay una subida muy fuerte de corriente, un cortocircuito, o cualquier anomalía, lo único que se estropea es el fusible. Si no disponemos de él, se estropearán los electrodomésticos; por tanto es mejor hacer un gasto de 2€ (que es lo que más o menos cuesta un fusible) a pagar todos los electrodomésticos.
Me parece muy ilustrativa la forma en que trata el funcionamiento de un fusible. Estos aparatos están destinados a proteger la instalación eléctrica de forma que el fusible se rompa cuando se supera una cierta intensidad.
El fusible es un trozo de cobre que se funde a cierta temperatura, cuando la corriente que pasa a través es muy elevada, este de calienta en escaso y de funde. De esta forma evitamos que otras partes de la instalación eléctrica sufran daños.
Los fusibles no son los únicos aparatos que basan su funcionamiento en la ley de Joule, las propias bombillas incandescentes funcionan empleando la corriente para calentar al rojo un hilo de tungsteno. Otros ejemplos los podemos encontrar en hornos eléctricos, tostadoras, etc.
En mi opinión, la invención del fusible eléctrico fue muy importante para evitar posibles incendios cuando se producen cortocircuitos. Estes dispositivos están constituido por un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto Joule. Es un buen experimento para que los alumnos visualicen en clase.
Me parece un experimento sencillo y que no necesita grandes recursos en el cual los alumnos/as pueden comprender de forma visual el efecto Joule (el desprendimiento de calor provocado por el movimiento de electrones por un material). Además no sólo representa un fundamento o ley física si no que también algo útil para la vida cotidiana como es la importancia de los fusibles ante una carga mayor de la soportada. 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, sin embargo, 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. En este enlace, se puede ver un experimento casero en el que se utiliza el efecto Joule para encender fuego sin la ayuda del chispero.
El fusible es un dispositivo utilizado para proteger dispositivos eléctricos. Este dispositivo permite el paso de la corriente mientras ésta no supere un cierto valor establecido. Si el valor de la corriente que pasa, es superior a éste, el fusible se derrite, se abre el circuito y no pasa corriente. Los fusibles son muy útiles, ya que evitan que las instalaciones, dispositivos eléctricos sufran deterioros. Los fusibles no son los únicos que emplean la ley de Joule, podemos destacar otros como por ejemplo las calefacciones eléctricas, soldadores…
La lámpara de incandescencia o lámpara incandescente es un dispositivo que produce luz mediante el calentamiento por efecto Joule de un filamento metálico, en concreto de wolframio, hasta ponerlo al rojo blanco, mediante el paso de corriente eléctrica. Con la tecnología existente, actualmente se considera poco eficiente, ya que el 85 % de la electricidad que consume la transforma en calor y solo el 15 % restante en luz.
Un experimento sinxelo e moi instructivo tanto da aplicación da Lei de Ohm coma do efecto Joule. Pódese aproveitar tamén para falar dun aspecto transversal como son as medidas de protección frente a riscos;en particular, no tocante a seguridade eléctrica en edificios e naves industriais.
Pode aproveitarse a sinxela experiencia, non só para ilustrar as leis de Ohm e de Joule, tamén para falar das diversas medidas de prevención de riscos; en particular, no tocante á seguridade eléctrica en vivendas e naves industriais.
Revelador, otra experiencia fácil para ilustrar los elementos de protección de un circuito, su función sus características, dónde deben situarse en el circuito…
Moi bos videos e moi útiles para explicar como funcionan os fusibles e tamén para poñer de manifesto a súa importancia como elementos de seguridade nos circuitos eléctricos
…o del porqué, en un circuito en paralelo, la resistencia equivalente disminuye y la intensidad aumenta.
Muy claro. Es un ejemplo contundente de la importancia de los elementos de seguridad.
Siempre me pareció un efecto interesante, había visto una aplicación similar que se enmarcaba dentro de la temática de la supervivencia sobre como hacer fuego con chicles y un par de pilas. Enlace.
Muy buen vídeo sobre la importancia de los fusibles. Es increíble que algo que parece tan simple sea tan útil. (Por simple me refiero a que es únicamente un hilo conductor). Este vídeo me ha recordado que al enseñar Tecnología debe hacerse hincapié que el fusible es muy importante. Digo esto porque un año mientras estudiaba en Santiago, en una de sus “casas de alquiler para estudiantes”, al encender las luces del pasillo un par de veces estalló una bombilla debido a que el fusible no estaba ya que el electricista al que llamaba el casero lo había puenteado (en aquella vivienda había fusibles para cada habitación y luego el general, por eso el electricista decía que no hacía falta…)
En este caso, como únicamente eran las bombillas las que estallaron y estaban cubiertas no pasó nada, pero si llega a ser otra cosa o simplemente si las bombillas estuviera al aire ya sería otro tema pues al estallar va en todas direcciones y si pilla a alguien en medio le puede lesionar, pues es cristal.
Por todo esto, considero que hay que hacer hincapié no solo en los fusibles sino en las medidas de protección de los circuitos eléctricos, ya que en el mundo actual prácticamente todo funciona con electricidad y un fallo o cortocircuito puede ocasionar un daño importante tanto a nivel personal como material
Desde los primeros tiempos el ser humano se ha interesado en proteger aquello que le resulta muy valioso. Thomas Alva Edison consideró muy valiosas sus lámparas eléctricas (realmente en su época eran muy caras), y decidió protegerlas de las posibles sobrecargas de un circuito eléctrico. Aunque no fue el primer inventor del fusible si fue el que se encargó de patentarlo.
Observando el vídeo y calculando un hilo de cobre de sección 1,5 mm2, un voltaje de 230 voltios y una impedancia de 0,1omhs; según la fórmula de la explicación del vídeo se puede calcular que el hilo de cobre antes de fundirse (no es así exactamente) podría soportar una intensidad de 2.300 amperios. El fusible soporta menos de 1 amperio. Queda claro que aunque el hilo de cobre es relativamente caro, el fusible no nació para proteger las instalaciones eléctricas sino los delicados componentes que se encuentran en ellas.
La electricidad y sobre todo la electrónica ha conseguido avances gigantescos en los últimos años, sin embargo un objeto tan antiguo como el fusible sigue protegiendo los costosísimos circuitos electrónicos de los coches de alta gama. ¿Por qué? En la instalación eléctrica de una casa, resulta suficiente utilizar un «moderno» interruptor magnetotérmico para proteger la instalación y todos los aparatos conectados (horno, lavadora, luces, enchufes, etc.). Pero en otras instalaciones existen circuitos, que trabajan sobre todo con bajo voltaje, en los que la rapidez resulta esencial para «salvar la vida» de algún componente valioso y muy sensible a sobrecargas. La rapidez con la que el fusible de toda la vida corta la continuidad del circuito, junto a su bajo coste, deberían ser parte de la respuesta.
¿Qué fusible se necesitaría utilizar en una instalación eléctrica ubicada en el interior de una mina?
En este vídeo se presenta la importancia de los fusibles para evitar el indeseado efecto Joule, que produce un sobrecalentamiento y daño en las instalaciones eléctricas. Pero, por otra parte, menos comentada en este foro ha sido la utilidad que tiene este efecto Joule en muchos componentes eléctricos de nuestra vida diaria. Electrodomésticos como el secador de pelo, la tostadora o la plancha, basan su funcionamiento en el efecto Joule. Según este fenómeno, el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor genera calor debido a la resistencia que ofrece el material al paso de la corriente. Dicha resistencia se produce porque los electrones en movimiento por un conductor poseen una energía cinética, y una parte de ésta se libera en forma de calor cuando las cargas chocan contra los átomos del conductor, con el consiguiente aumento de la temperatura en el conductor. Así, parte de la energía eléctrica se transforma en energía térmica, que es aprovechada por algunos electrodomésticos, que tienen resistencias que soportan bien la alta temperatura. La expresión del efecto Joule que relaciona la energía eléctrica que consume el circuito eléctrico y el calor disipado por el mismo se relaciona con la ley de Ohm y se enuncia en el siguiente enlace.
Otra manera de llevar al aula el efecto Joule consiste en utilizar un paquete de chicles y una pila para hacer fuego. En la siguiente pagina se muestra como. Esta actividad es muy interesante y está enmarcada dentro de la temática de la supervivencia. Simple, barato e impresionante.
Los fusibles son una pieza de gran importancia en los circuitos eléctricos. Se encargan de proteger la instalación y los componentes conectados, y a su vez son un elemento de seguridad y prevención, ya que evitan que se puedan producir incendios.
A la hora de realizar el experimento con los alumnos, sería interesante añadir una explicación sobre la importancia de escoger los fusibles acorde a la instalación, ya que si el fusible admite mucha más intensidad que la deseada, éste no cumpliría su función porque no abriría el circuito antes de que aparezca el riesgo real de sobrecarga.
Con el experimento se pueden abordar varios conceptos relacionados, y parece sencillo de realizar. Como ya se mencionó en los múltiples comentarios que tiene este experimento las utilidades de este efecto son varias e importantes. A pesar de que se han puesto enlaces muy interesantes, me parece pertinente compartir este otro enlace en este blog se tratan diferentes aspectos relacionados con el Efecto Joule, además de dar las explicaciones teóricas pertinentes, aporta algunos vídeos donde muestra posibles experimentos para evidenciar este efecto. También introduce algún comentario histórico sobre James Prescott Joule, el físico inglés que da nombre a este efecto.
De lo valiosos que son los fusibles puedo dar fe en primera persona, le han salvado la vida a mi coche. Este experimento es muy interesante, es sumamente sencillo de realizar, barato, y se ve perfectamente cuando el fusible corta el paso de la electricidad. Además, para hacer el montaje previo, podemos enseñar a los alumnos a montar un circuito eléctrico, y se le pueden añadir elementos como un enchufe, interruptor, etc, y así complementamos aún más la formación contenida en el experimento.
Este vídeo me ha parecido de tremenda utilidad para explicar en el aula con un ejemplo práctico el papel que desempeñan los fusibles que tenemos en casa, y al mismo tiempo relacionarlo con conceptos como resistencia, diferencia de potencial y resistividad (Ley de Ohm), intensidad de corriente y circuitos en paralelo, que se estudian en numerosas ocasiones a lo largo del currículum, como por ejemplo en el bloque de circuitos perteneciente a la asignatura de tecnología en 3º y 4º de la E.S.O, en Física y Química de 3º de la E.S.O dentro del bloque 5 La energía o en el en el bloque 3 de interacción electromagnética que se incluye en física de 1º de bachiller
He quedado asombrado por los vídeos aportados por mis compañeros más arriba, en los que con una o dos pilas y material inflamable o combustible se puede crear con suma facilidad un fuego.
Lo más probable es que a todos en nuestras casas nos hayan saltado los plomos alguna vez y quizás esta sería una buena forma de explicar a nuestros futuros alumnos qué es un fusible y su utilidad, ya que a lo mejor muchos de ellos no lo sepan todavía.
Otra interesante manera de enseñar el efecto Joule de una manera experimental y manipulativa es montando distintas configuraciones de circuitos con bombillas incandescentes o resistencias. Con la ayuda de una cámara termográfica se puede observar el aumento de temperatura en los elementos resistivos del circuito provocado por el efecto Joule. Os comparto un artículo académico de la Universidad de Minho con la actividad en cuestión. Con el currículum actual, esta actividad sería perfecta para trabajar el «Bloque 4. Máquinas y sistemas: electricidad, electrónica y control» de la materia de Tecnología de 3ºESO.
Sin duda los fusibles son fundamentales en nuestra vida, además de una forma sencilla y visual de explicarles a nuestros alumnos el efecto Joule. Os dejo un vídeo en el que se muestra el funcionamiento del un fusible y por lo tanto el efecto Joule con un cable de cobre. Además se observa cómo se puede conseguir que disminuir el efecto Joule enfriando el cable, e incluso lo muestra empleando infrarrojos.
¿Por qué los electrodomésticos que más consumen llevan cables con una mayor sección? Por el “efecto Joule”: ya que por un cable que circula corriente siempre habrá una parte que se pierda en calor. Si fuésemos poniendo un cable cada vez más fino a cualquier electrodoméstico, este irá perdiendo más energía por el camino ya que los electrones que circulan irán chocando más, produciendo un calentamiento cada vez mayor.
El efecto Joule se produce también en la naturaleza con los rayos. Para que exista un rayo debe haber una diferencia de potencial entre dos centros de cargas eléctricas, positivas y negativas. Se sabe que en las nubes de tormenta la parte superior posee cargas positivas mientras que en la parte inferior predominan cargas negativas, con lo que se formaría un dipolo eléctrico. El rayo tiende a restablecer las condiciones de equilibrio entre la nube, el suelo y la atmósfera de su entorno. Entonces se va formando un camino en forma de canal de mínima resistencia para la corriente eléctrica entre la base de la nube y el suelo, a través del aire, de forma progresiva. Por el canal descienden cargas negativas desde la nube y ascienden cargas positivas desde el suelo. Al pasar esta corriente por el canal conductor, este se calienta por el efecto Joule (como los cables de nuestros electrodomésticos) alcanzándose bruscamente temperaturas del orden de los 20.000 grados centígrados. El aire contenido en el canal de descarga sufre ese brusco calentamiento por lo que aumenta violentamente de volumen y se genera el relámpago y el trueno.
Si os gustó mi comentario anterior y quereis más información podeis visitar el siguiente enlace.
Moi explicativos os vídeos para tratar de explicar como protexemos os nosos circuitos ou instalacións de posibles sobrecargas no consumo. Un punto moi interesante a ter en conta, e que pode complementar o vídeo, son as curvas de protección dun fusible. Nese caso podemos ver como, dada unha curva de protección dun fusible, o tempo que tarda en abrirse depende da corrente que circula. A maior corrente, menos tempo necesario para o fusible se abra e interrumpa o paso de corrente.
Una demostración perfecta para que los alumnos comprendan el funcionamiento de un elemento tan importante como un fusible. Los fusibles se emplean en la práctica totalidad de los circuitos eléctricos ya sea de una forma u otra, y no todo el mundo entiende realmente su funcionamiento a pesar de ser tan intuitivo. Un experimento perfecto para todos los públicos y básico para que todo el mundo entienda que ha pasado cuando se le fundido un fusible en alguna instalación eléctrica o aparato eléctrico/electrónico.
En el siguiente blog explica de una forma breve y concisa la ley de Joule basada en la ley de la conservación de la energía. En nuestro día a día, el calentamiento de los conductores tiene numerosas aplicaciones como el alumbrado eléctrico. También interviene en electrodomésticos como planchas o hornos y en aparatos industriales, como por ejemplo los aparatos de soldadura.
Siempre que hay un circuito eléctrico se disipa calor por efecto Joule. En los ordenadores se incorporan ventiladores para evitar el sobrecalentamiento del equipo por este efecto. En este vídeo se puede ver claramente el efecto Joule y como el ventilador sirve para proteger a nuestro equipo informático.
Una experiencia sencilla y muy interesante, que muestra a los alumnos como un dispositivo tan simple como el fusible puede proteger los componentes más complejos de un circuito eléctrico. Esta experiencia es interesante para realizarse en la materia de Tecnología en 2º y 3º de la ESO al explicar los circuitos eléctricos y los componentes que los conforman.
El efecto Joule es muy interesante ya que siempre se debe tener en cuenta a la hora de diseñar circuitos. Es destacable que este efecto puede ser aprovechable, siendo la base del funcionamiento de lámparas incandescentes, estufas eléctricas, planchas de ropa, soldadores eléctricos o secadores de pelo. El experimento permite observar este efecto y es fácil de reproducir, por lo que constituye un recurso didáctico de gran utilidad.
Adxunto unha pequena simulación sobre a enerxía disipada por unha resistencia eléctrica.
Ese experimento serve para coñecer tamén cómo funcionan os radiadores eléctricos. Aínda que non soen ser recomendables como sistema de calefacción principal en vivendas, o principio ven sendo o mesmo. Outras aplicacións que atopamos no día a día do efecto Joule serían os filamentos dos secadores para o pelo, ou as resistencias das planchas da roupa.
Algunos equipos eléctricos cuentan con fusibles cuyo propósito es permitir picos de corriente, es decir, valores de corriente ligeramente superiores al valor aceptable que duran un corto periodo de tiempo. Durante el arranque, algunos equipos como los motores eléctricos, consumen mucha más corriente que la que consumen durante el funcionamiento estable. Algunos fusibles especiales permiten el paso de corrientes con un valor hasta 10 veces mayor al normal durante un corto período de tiempo. Sin embargo, si esta corriente de valores elevados sobrepasa el tiempo permitido por el fusible, este se quema y se produce un cortocircuito.
Para relacionar lo observado en el experimento y el efecto Joule con otros contenidos a trabajar en la asignatura tecnología en secundaria podría relacionarse con otra de sus principales implicaciones: la distribución eléctrica. Sabiendo que las pérdidas de energía en forma de calor que se relacionan con el cuadrado de la intensidad y la resistencia del conductor es el principal motivo por el cual el suministro eléctrico se transporta mediante cables de alta tensión. Por ello, para transmitir una misma potencia transportada (desde nuestras centrales hasta las ciudades) se hace generalmente a alta tensión y baja intensidad. En la web de Red Eléctrica Española incluyen una serie de recursos educativos y juegos para secundaria.