La serie está disponible como libro en papel y como libro electrónico.

Ya llevamos bastantes entradas del primer “bloque de conocimiento” que estamos publicando, dedicado a conceptos básicos de electricidad. [Electricidad I] tiene ya ocho artículos con éste, y mi idea inicial era limitar el bloque a unos diez artículos para no intimidar a los novatos. Aún no estoy seguro de poder barrer todas las bases en estos diez artículos, porque tampoco quiero condensar demasiado las cosas y que la gente se pierda, de modo que ya veremos. Al menos, ya hemos hablado de la carga y corriente, cómo generarla, cómo se transmite y cómo mantenerla mediante procesos químicos.

Sin embargo, de lo que no hemos hablado hasta ahora –algo que solventaremos hoy– es de cómo emplear la corriente eléctrica para algo útil. Porque claro, todo lo anterior es interesante, o al menos eso espero, pero generamos y mantenemos corrientes eléctricas para algo. Aunque hoy empezaremos a hablar de un fenómeno que puede parecer poco deseable en electricidad, terminaremos construyendo, en uno de nuestros experimentos mentales con materiales conductores, pilas y demás, nuestro primer circuito útil.

Pero empecemos hablando de la base teórica, un fenómeno empírico que se descubrió en cuanto empezaron a generarse corrientes eléctricas y que tú, avezado lector, eres ya capaz de explicar teóricamente utilizando los conocimientos que has adquirido a lo largo del bloque. De ahí que este artículo no sea muy denso teóricamente, pero sí un buen repaso de todo lo que hemos visto hasta ahora, y un refuerzo que debería hacerte consciente de lo que has aprendido. Hablemos sobre el efecto Joule.

Si realizaste el Experimento 5 del artículo anterior, observarías que, al conectar un cable a una pila, de modo que ambos electrodos de la pila están conectados, tanto la pila como el cabe se calientan bastante. Al igual que te sucedió a ti, este fenómeno fue probablemente observado por cualquiera que conectase circuitos relativamente cortos. Sin embargo, el primero en estudiarlo con detalle fue el genial físico inglés James Prescott Joule. De ahí que este calentamiento de los cuerpos cuando se ven recorridos por una corriente eléctrica suela denominarse efecto Joule, y la descripción más detallada de él, primera ley de Joule.

Desde luego, decir simplemente que “las cosas se calientan cuando las recorre una corriente eléctrica” es más bien pobre. En primer lugar, ¿por qué se calientan? Y en segundo lugar, ¿de qué depende cuánto se calientan? Ésas son las preguntas del físico. Además, como simios inventores que somos, surgen dos preguntas más de forma inevitable: ¿podemos evitar que suceda cuando no nos conviene que se produzca ese efecto?, y también ¿cómo podemos utilizar ese calentamiento para nuestro beneficio? A responder todas estas preguntas dedicaremos el artículo de hoy.

Causas del efecto Joule

Como he dicho antes, sólo hace falta aplicar el razonamiento lógico a los conocimientos que ya has adquirido anteriormente para responder, al menos de forma cualitativa, a las primeras preguntas. Antes de que tratemos de explicar por qué las cosas se calientan cuando las recorre una corriente eléctrica, y aunque no hayamos hablado de energía en este bloque, ni partamos de la base de que conozcas conceptos teóricos relacionados con ella, creo que es evidente –sobre todo si has realizado el Experimento 5 y lo has notado con tus propios sentidos– que el calentamiento está relacionado con la corriente eléctrica.

En primer lugar, cuando no hay corriente circulando, las cosas no se calientan, pero sí lo hacen cuando el circuito conduce corriente: de modo que ese calentamiento se debe probablemente al paso de la corriente, aunque no sepamos aún por qué. Otra manera de ver la relación es ésta: para calentar un cable como el que has utilizado en el experimento hace falta energía. ¿De dónde demonios salió la energía necesaria para aumentar su temperatura? La respuesta es, desde luego, que salió de la corriente eléctrica –y la energía de ésta, anteriormente, de la pila y las reacciones químicas que se produjeron en ella–. Sé que esto puede parecer de perogrullo, pero ambos argumentos muestran que el origen de ese calentamiento es el paso de corriente por los objetos. Pero ¿por qué iba la corriente eléctrica a calentar las cosas?

Cuando hablamos acerca de conductores y aislantes y de su cuantificación mediante resistencia y conductancia vimos que los materiales se comportan de maneras diferentes ante un desequilibrio de carga, debido a la cantidad de cargas móviles que tienen y a los obstáculos que esas cargas tienen para moverse. También vimos, al hablar de la intensidad de corriente, que la velocidad neta de los electrones en un conductor es minúscula. ¿Qué significa todo esto? Que, como dijimos en aquellos artículos, los electrones de cualquier material se mueven más o menos aleatoriamente, siendo desviados por los átomos y repelidos unos por otros, pero que –si hay un voltaje entre dos puntos del objeto– de manera neta sufren un “arrastre” en una dirección y sentido determinados: los que equilibrarán, en último término, el desequilibrio de carga que originó este movimiento de arrastre.

Toda esta parrafada sirve para recordarte un hecho importante: que los electrones de cualquier material real no se mueven con total libertad, sino que sufren desviaciones e impactos, interacciones con el resto del material, tanto más intensas cuanto peor conductor sea. En resumen, que los electrones no se parecen tanto a coches que circulan ordenadamente por una autopista, sino a coches en una carrera de “autos locos” en la que se producen choques y cambios de dirección continuos. Al cabo del tiempo, los coches de la carrera van avanzando por ella, pero de manera caótica y accidentada… salvo que se trate de un conductor absolutamente perfecto, por supuesto, en cuyo caso los electrones sí se moverían con absoluta libertad y orden. Pero estos continuos impactos no sólo afectan a los electrones, haciendo que su movimiento neto sea mucho más lento, también afectan a los átomos contra los que chocan los electrones, haciéndolos vibrar de manera más o menos violenta.

Movimientos electrónicos caóticos.

¿Ves la relación entre este caos y el efecto descrito por Joule? Los electrones van avanzando a trompicones por el conductor, dando trastazos a los átomos (y a los otros electrones) a diestro y siniestro, y el conductor se calienta. Dado que este bloque introductorio no supone conocimientos previos, no vamos a profundizar demasiado en esto –si quieres hacerlo, te invito a leer el cuadro amarillo de abajo–, de modo que tienes simplemente que creerme cuando te digo que la temperatura de un cuerpo es la medida de la agitación de los átomos o moléculas que lo forman. Los electrones, según avanzan, golpean todo a su paso, haciendo que los átomos del cuerpo vibren alrededor de sus posiciones de equilibrio con más intensidad. Es decir, calientan el material. Entendiendo la verdadera naturaleza caótica de la corriente eléctrica, el efecto Joule es una inevitabilidad.

De modo que ¿qué estaba sucendiendo en el Experimento 5 en el que conectaste el cable a la pila, sin nada más? Que los electrones empezaban a moverse pero, según avanzaban por el circuito, iban “dando codazos” a los átomos del cable y a los otros electrones, produciendo un calentamiento de todo el material. De hecho, una vez que la pila se gasta –o que desconectas el cable, claro– y los electrones dejan de sufrir ese arrastre debido a las reacciones de la pila, lo único que queda es esa elevación de temperatura del cable y la pila como rastro de que ahí hubo una corriente eléctrica. La energía química de la pila se convirtió en energía eléctrica y luego, finalmente, en energía calorífica (aunque de energía hablaremos más adelante en el bloque).

El efecto Joule, al ser inevitable dada la naturaleza de los materiales como conductores imperfectos, es algo que siempre está ahí, incluso aunque a veces no lo notes. Por ejemplo, si toco el cable que va del transformador de mi ordenador portátil al ordenador, no noto que esté caliente; sin embargo, sí está más caliente de lo que estaría si no hubiera una corriente eléctrica circulando por él, aunque en este caso se trata de un calentamiento tan leve que mis sentidos no pueden notarlo. Sin embargo, si has realizado el Experimento 5 habrás notado muy claramente ese calentamiento, luego debe haber factores que influyen en lo intenso que es el efecto Joule. Una vez más, no hace falta más que pensar con algo de cuidado sobre lo que ya sabes para comprender cuáles son esos factores de forma cualitativa, aunque el buen James Prescott Joule realizó cuidadosos experimentos para cuantificar exactamente cuáles eran y en qué medida influían.

En primer lugar, ya que el caos del movimiento de las cargas por el conductor depende de lo bueno o malo que sea, ése es el primer factor: un cuerpo con una conductancia muy alta (o una resistencia muy baja) sufrirá un calentamiento más leve que un mal conductor, de baja conductancia y alta resistencia. De hecho, el calentamiento es proporcional a la resistencia del cuerpo. Recuerda, por cierto, que la resistencia de un cuerpo no sólo depende del material del que está hecho, como vimos al hablar de esta magnitud: además de eso, cuanto más fino sea el conductor, mayor será la resistencia, y cuanto más largo, mayor será la resistencia. De modo que, al poder controlar hasta cierto punto la resistencia de un conductor mediante su forma física, es posible controlar a su vez el efecto Joule que depende de esa resistencia. Pero de eso hablaremos en un momento.

En segundo lugar, ya que el calentamiento se debe a los impactos de los electrones con lo que los rodea, es lógico llegar a la conclusión de que el calentamiento depende de la intensidad de corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la intensidad de corriente, más impactos se producirán en un intervalo de tiempo determinado, y por lo tanto más se calentará el conductor. De hecho, Joule comprobó que el efecto era proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente, pero de ese detalle y del porqué hablaremos en un bloque más elevado. Por ahora es suficiente con que veas que es lógico que haya más calentamiento cuanta más intensidad recorra el objeto.

Este segundo factor, desde luego, depende a su vez del voltaje que originó el movimiento de cargas: como hemos repetido varias veces a lo largo del bloque, una tensión mayor entre dos puntos origina un movimiento más violento de cargas y, por tanto, un mayor calentamiento. Como suele suceder en Física, a veces es más conveniente calcular cosas con una magnitud, a veces con otra, pero conceptualmente ambas son equivalentes, ya que no hay una sin la otra.

La clave de la cuestión es comprender el tándem de factores que determinan este calentamiento: cuanto mayor sea la resistencia y mayor sea la intensidad de corriente, mayor será el calentamiento del conductor. Como ves, responder las preguntas del físico no ha sido demasiado difícil recordando simplemente lo aprendido hasta ahora en el bloque. Tampoco debería ser difícil seguir respondiendo preguntas, en este caso de índole práctica, con lo que ya sabes.

Disminución del efecto Joule

Antes de nada, supongo que te darás cuenta de que el efecto Joule normalmente es nuestro “enemigo” a la hora de emplear la electricidad. No estoy hablando ya de casos extremos, en los que un calentamiento muy grande puede provocar heridas o incendios, sino en el simple calentamiento leve de un cable por el que fluye la corriente desde una central eléctrica hasta tu casa. Ese cable, que puede tener cientos de kilómetros de longitud, se calienta: eso es un hecho incontestable. Pero la energía que se está convirtiendo en calor a lo largo de todo el cable es energía que no puedes utilizar en tu casa… es energía esencialmente desaprovechada, ya que no te sirve para nada que ese cable que recorre el campo hasta llegar a tu casa se mantenga caliente.

De modo que, normalmente, intentamos que el efecto Joule sea tan leve como sea posible, para que la menor cantidad de energía se convierta en calor en los cables que utilizamos y podamos emplear casi toda en los lugares que nos interesan. Y, para conseguir esto, sólo hace falta recordar los dos factores: resistencia e intensidad de corriente.

El primero es sencillo: queremos utilizar conductores que tengan la menor resistencia posible, es decir, buenos conductores. Cuando la intensidad de corriente que va a circular por el cable es muy pequeña, entonces el efecto Joule es casi inapreciable y esto importa menos, pero cuando se trata de grandes intensidades de corriente es esencial que la resistencia sea minúscula, o el conductor se calienta muchísimo. De modo que, para empezar, tratamos de utilizar materiales que conduzcan muy bien la corriente eléctrica –es decir, que pongan el menor número de obstáculos posible–, como el oro, la plata o el cobre. Generalmente, claro, suele ser cobre, porque aunque no conduzca tan bien como los otros dos, es muchísimo más barato.

¡Pero recuerda que el tipo de material no es el único factor que determina la resistencia! Lo ideal es emplear conductores lo más cortos y gruesos posibles. Evidentemente, la longitud es algo en lo que no podemos elegir demasiado: si mi casa está a 100 km de una central eléctrica, la longitud mínima del cable es de 100 km hasta ella (y otros 100 km de vuelta, claro). Si mi ordenador puede funcionar hasta 2 m de un enchufe, el cable tiene que tener dos metros de ida y dos de vuelta.

Cable preparado para minimizar el efecto Joule a través del grosor.

Lo que sí podemos elegir es el grosor: cuanto más grueso el cable, menor será su resistencia, menor el número de impactos de unos electrones con otros y, por tanto, menor el calentamiento. El problema con esto, claro, es que un cable muy gordo es más caro, pesa mucho y es menos manejable. Por eso, cuando la corriente que va a circular por él es pequeña, no se fabrican demasiado gruesos, pero si miras los cables de los aparatos eléctricos de tu casa, verás que algunos son bastante gruesos, sobre todo los de los electrodomésticos que más intensidad de corriente consumen (como, por ejemplo, el frigorífico). Y, si alguna vez has visto el cable de un horno eléctrico en una industria o algún otro aparato de gran consumo, observarás que son realmente gruesos, para minimizar el efecto Joule en todo lo posible.

El segundo factor –la intensidad– no es tan sencillo como el primero. Lo ideal sería que la intensidad de corriente fuese lo más pequeña posible, y de ese modo el calentamiento sería mínimo. Pero claro, una intensidad nula significa que las cargas no se mueven, con lo que no hay calentamiento ¡porque no hay corriente eléctrica de ningún tipo! Lo que sí suele hacerse para transportar corrientes eléctricas distancias grandes es utilizar intensidades de corriente lo más pequeñas posibles, y luego elevar la intensidad de corriente cuando ésta se acerca a las casas que van a emplearla. Pero la verdad es que esto se escapa bastante del alcance de este bloque introductorio, y ya hablaremos de ello en otro momento.

Lo que me interesa que tengas muy claro no es sólo de qué factores depende el efecto Joule, sino que podemos controlarlo hasta cierto punto, como hemos visto. ¿Qué sucedió en el caso del circuito que construimos en el artículo anterior, simplemente con un cable y una pila? Que ahí no estábamos tratando de controlar nada, con lo que el efecto Joule se producía de manera global. Recuerda la Ley de Ohm, y comprenderás exactamente por qué el circuito se calienta tanto: al utilizar un simple cable para conectar los electrodos de la pila, es decir, un objeto que es un excelente conductor, la resistencia de nuestro circuito era muy pequeña y la conductancia, enorme. Como consecuencia de eso, cuando conectamos nuestro circuito (mental o incluso físicamente, si realizaste el experimento), una intensidad de corriente muy grande apareció en el circuito… y el efecto Joule aumenta tremendamente con la intensidad de corriente.

De hecho, esto recibe un nombre que ya has oído muchas veces, aunque no se explique a menudo lo que significa; lo que produjimos entonces fue un cortocircuito: un circuito sin los elementos necesarios para controlar el efecto Joule, en el que la resistencia es muy pequeña y la intensidad de corriente se hace muy grande. Claro, en el caso de nuestra patética pila, lo único que pasó fue que el cable y la pila se calentaron bastante, y la pila se agotaría relativamente rápido, pero ¿imaginas qué hubiera sucedido si hubiéramos conectado los extremos de nuestro cable a los polos de un enchufe de una casa? El efecto Joule hubiera sido muchísimo mayor, porque la tensión en el enchufe sería decenas de veces mayor que la de nuestra pila. De ahí que los cortocircuitos a menudo provoquen incendios. Afortunadamente, nuestras casas disponen de sistemas que detectan el flujo excesivo de electrones e interrumpen el paso de la corriente, pero antes de que puedan hacerlo puede haber un gran calentamiento, chispas, etc.

Aplicaciones del efecto Joule

La clave para “arreglar” nuestro circuito del artículo anterior es, por tanto, controlar el efecto Joule, es decir, hacer que se produzca justo cómo y dónde nosotros queremos. Necesitamos básicamente dos cosas: en primer lugar, hacer que nuestro cable no conduzca la corriente tan excelentemente bien, para que haya una menor intensidad y la pila no se gaste tan rápido. En segundo lugar, localizar el efecto Joule en una parte concreta, en vez de calentar el cable entero. Existen muchas maneras de lograr esto, pero aquí vamos a emplear una bastante inmediata y fácil de entender: una bombilla.

Imagina que nuestro cable, en vez de ser homogéneo como lo era antes, ahora no es igual en todas partes, sino que es un buen conductor en general, pero hay una pequeña sección del cable que es muy fino, con lo que es un conductor mucho peor que el resto (recuerda que cuanto más grueso es el conductor, mejor fluyen por él los electrones y menor es por tanto la resistencia). Además, hagamos la parte fina bastante larga, para que haya un gran número de impactos en esa sección y el efecto Joule sea aún más intenso:

Como puedes ver, hemos conseguido nuestros dos propósitos; por una parte, ese estrechamiento del cable hace que la resistencia haya aumentado, y la intensidad que circulará por nuestro circuito será menor que antes. Por otro, ahora el efecto Joule no se produce por todas partes igual: es mucho más intenso en el estrechamiento del cable. De hecho, en el resto del cable, debido a que ahora hay una intensidad de corriente bastante menor, apenas será apreciable el efecto –aunque el calentamiento, como hemos dicho antes, es inevitable y existe siempre–, y sólo lo notaremos en el estrechamiento.

De hecho, si el cable es lo suficientemente delgado –y su resistencia, por tanto, lo suficientemente alta–, se calentará muchísimo por el efecto Joule: tanto que se volverá incandescente y empezará a brillar con luz propia. Ese estrechamiento es nuestra bombilla. Existen, por cierto, otros tipos de bombillas que no son incandescentes, pero en este artículo vamos a fijarnos sólo en las incandescentes.

Sólo nos faltan dos detalles más para que nuestro circuito sea un primor; por un lado, cualquier cable tan fino que se calienta, al estar en contacto con el oxígeno del aire, se oxidará muy rápido, es decir, arderá, y nuestra “bombilla” no duraría ni dos segundos, con lo que tenemos que aislar ese trocito de cable del aire. Para ello, lo natural es encerrarlo en un recipiente hermético transparente, por ejemplo de vidrio, lleno de un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno, de modo que nada pueda arder dentro.

En segundo lugar, tal y como está nuestro circuito, siempre hay corriente circulando por él, de modo que necesitamos una manera de controlar el paso de los electrones. Debes haber entendido bien el artículo anterior con la pila y el cable para comprender esto: no hace falta más que romper el cable en un lugar determinado para que podamos hacer que los extremos se toquen o no, a nuestra voluntad. Si se tocan los extremos, se producirá el paso de los electrones por el circuito y la bombilla brillará; el circuito estará cerrado. Si, por el contrario, separamos los dos cables, el circuito estará abierto y no habrá paso de electrones. Ya sé que las palabras “abierto” y “cerrado” significan aquí exactamente lo contrario que en el caso de un grifo, pero tiene sentido expresarnos así, pues hace falta que todo el circuito esté cerrado, formando un camino continuo para los electrones, antes de que éstos puedan desplazarse por él.

Con estas dos mejoras, nuestro circuito completo –al que daremos un “repaso teórico” en un momento– tendrá esta forma:

Una vez que conectamos el cable, lo que sucede involucra todo lo que hemos visto en la serie hasta ahora, de modo que utilicémoslo para repasar conceptos:

El circuito, con la bombilla y la pila, no tiene carga eléctrica neta de ningún tipo: hay la misma cantidad de carga positiva que negativa. Estas cargas están esencialmente en reposo. Sin embargo, en cuanto los electrones pueden moverse por el circuito, el desequilibrio de cargas en la pila hará que empiecen a recorrer el cable, mientras se producen dos reacciones químicas en la pila que mantienen ese desequilibrio de carga. El movimiento de los electrones en todo el circuito es casi simultáneo, como las cuentas de un collar que empiezan a moverse sobre la cuerda, o una rueda de bicicleta que empieza a girar toda al mismo tiempo; sin embargo, el movimiento neto de cada electrón es lentísimo a lo largo del cable, y un electrón concreto tardará horas en dar una vuelta entera.

Según los electrones van avanzando por el cable, pierden energía al chocar con los átomos del material y unos con otros, pero no la pierden de manera continua: apenas pierden nada en los tramos en los que la resistencia es muy baja, como casi todo el cable, y pierden mucha, debido al gran número de impactos, en la bombilla en la que el cable es finísimo. Ahí, los átomos empiezan a vibrar con tal violencia debido al constante impacto de electrones, que la temperatura alcanza la de incandescencia y el cable brilla. La energía contenida en la pila se ha convertido en energía del movimiento de los electrones y, finalmente, en energía calorífica y luminosa en el filamento de la bombilla. Si abrimos el interruptor, el flujo de los electrones se detendrá casi al instante en todo el circuito, el filamento de la bombilla se enfriará y dejará de brillar.

Como ves, hemos conseguido por fin construir un circuito que emplea todos los conceptos que hemos visto hasta ahora de modo que no sólo hemos logrado un flujo constante de carga eléctrica por un objeto, sino que además hemos utilizado ese movimiento de carga para un fin útil: iluminar una habitación. Pero hay dos detalles que no quiero que se te pasen por alto, de modo que me detengo en ellos un momento:

En primer lugar, como puedes imaginar, podríamos haber hecho otras muchas cosas con los mismos conceptos aparte de iluminar algo. Seguro que alguna vez has visto una estufa eléctrica en la que un cable bastante fino y, sobre todo, muy largo, se enrolla alrededor de algún elemento cerámico. Cuando se enciende la estufa, el cable se pone al rojo vivo y calienta una habitación… o el agua de una tetera, o una caldera eléctrica para darte una ducha, o el fogón eléctrico de una cocina, o un horno… el efecto Joule, por sencillo que sea conceptualmente, tiene infinidad de usos, y todos se basan en lo mismo: en convertir el movimiento caótico de los electrones, a través de los impactos sobre los átomos, en energía calorífica.

En segundo lugar, imagina que nuestro cable, en vez de tener unos cuantos centímetros de largo, hubiera tenido tres kilómetros. Tú podrías tener tu pila en casa, con cables de tres kilómetros de longitud que llegasen hasta la mía, ¡y yo podría darle al interruptor y tener luz en mi casa, a 3 km de la fuente de energía, sin que ni tú ni yo tengamos que dar un paso! Ya sé que esto, acostumbrados como estamos a ello, no parece maravilloso… pero lo es. La corriente eléctrica nos permite utilizar de forma sencilla energía que se produce a distancias enormes de nosotros, y yo estoy escribiendo este artículo –y tú leyéndolo– gracias a este hecho. Desde luego, si nuestro cable hubiera tenido 3 km de largo, el efecto Joule a lo largo de todo el cable hubiera hecho que mi bombilla brillase menos, pero hubiera merecido la pena.

Como puedes ver, gran parte del interés de nuestro circuito involucra la energía que proviene de la pila y acaba convertida en calor en nuestra bombilla. Y precisamente de eso hablaremos en el próximo artículo del bloque, y ya nos quedan muy pocos para terminarlo: de energía y potencia eléctricas.

Ideas clave

Para afrontar el resto de entradas del bloque con garantías, debes tener claro lo siguiente:

• El movimiento de los electrones por un conductor imperfecto no es limpio, sino caótico y violento, con impactos continuos con átomos y otros electrones.

• Como consecuencia inevitable de estos impactos, cualquier objeto se calienta cuando lo recorre una corriente eléctrica. Este fenómeno se conoce como efecto Joule.

• El calentamiento por efecto Joule es mayor cuanto mayores son dos factores: la resistencia del conductor y la intensidad que lo recorre.

• Aunque el efecto Joule no es deseable en muchos casos, es la base de muchos de los aparatos eléctricos que empleamos de forma cotidiana, como las estufas o las bombillas.

Hasta la próxima

Nada mejor para comprender todo este embrollo que experimentarlo tú mismo, de modo que el experimento de hoy es precisamente eso – construir algunos circuitos sencillos que te permitan ver en acción los conceptos que hemos estudiado hasta ahora.

Puedes encontrar este artículo y otros como él en el número de enero de 2010 de nuestra revista electrónica, disponible a través de Lulu: