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Índice
Resumen………………………………………………………………………………….3
Introducción………………………………………………………………………………4
Marco teórico…………………………………………………………………………….4
Objetivo…………………………………………………………………………………...5
Problema………………………………………………………………………………….5
Desarrollo…………………………………………………………………………………6
Materiales…………………………………………………………………………………6
Procedimiento…………………………………………………………………………….7
Resultados………………………………………………………………………………..8
Análisis de resultados…………………………………………………………………...9
Conclusiones………………………………………………………………………….....10
Fuentes de información…………………………………………………………….…..11
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LÁMPARA JOULE
3. Resumen
Este trabajo es un trabajo teórico y experimental el cual consiste en la elaboración
de una lámpara casera con la cual se demostrará el efecto Joule. En este trabajo
se hará investigación teórica y se demostrará con una parte experimental.
Las lámparas incandescentes que usamos hoy en día son eficientes debido a los
materiales con los que están hechos, desde las fuentes de energía hasta los
diversos componentes en su elaboración. Hay que recordar que la primera
lámpara incandescente se le atribuye a Thomas Alva Edison en 1879, aunque en
realidad fue Humphry Davy quien lo demostró.
Ambos descubrieron que un
alambre podía iluminarse intensamente enviando electricidad a través del mismo.
Esto era gracias a los buenos conductores de calor que se utilizaron como el
cobre, metal o alambre. El experimento realizado demostrará cómo se genera luz
por medio del exceso de calor, lo diferente será el tipo de “conductor” que se use,
ya que en este caso se realizará un circuito para generar luz con un mal conductor
de calor que será el grafito. Se demostrará cómo es que aun con el uso del grafito
es posible crear luz, además se verá y explicará qué le pasa al grafito y qué
reacción tiene que hace que se produzca luz. Sin olvidar el propósito de esto se
explicará en qué consiste el efecto Joule y cómo es posible verlo por medio de la
elaboración de este circuito. El experimento consiste en la creación de un circuito
parecido al de una lámpara o foco de Edison, usando diferentes conductores de
calor, en este caso se usó como fuente de energía una batería de motocicleta y
como generador de luz una lámina de grafito. Con la elaboración del experimento
se pudo observar que aunque el grafito es un aislante de calor pudo generar luz
debido a la combustión de éste, lo que ocurrió es que debido a la fricción de los
electrones se generó demasiado calor por lo que la temperatura del grafito se
elevó al máximo provocando así su lenta combustión generando luz.
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4. Introducción
Marco Teórico:
Ley del efecto joule
Cuando circula corriente eléctrica por un conductor, parte de la energía cinética de
los electrones se transforma en calor y eleva la temperatura de éste. Con lo que
se origina el fenómeno de conocido como Efecto joule.
El enunciado de la Ley de Joule dice “El calor que desarrolla una corriente
eléctrica al pasar por un conductor es directamente proporcional a la resistencia, al
cuadrado de la intensidad de la corriente y el tiempo que dura la corriente”.
Se expresa como:
Donde:
Q = Energía calorífica producida por la corriente
I = Intensidad de la corriente que circula
R = Resistencia eléctrica del conductor
t = Tiempo
Así, la potencia disipada por efecto Joule será:
Donde V es la diferencia de potencial entre los extremos del conductor.
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Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen
del campo eléctrico por la densidad de corriente:
Hace más de 100 años, un físico llamado James Prescott Joule, descubrió que el
efecto es mayor con el aumento de la resistencia del conductor y también con el
aumento de la corriente eléctrica que circula por él.
Todo esto se debe a que la corriente eléctrica está formada justamente por
electrones en movimiento, y por tener masa y una velocidad, posee energía
cinética. Cuando un electrón choca contra los átomos del conductor, se produce
una pérdida de su energía cinética, la cual gracias a la primera ley de la
conservación de la energía termina por convertirse en calor.
La mina del lápiz está construida en grafito, que si bien conduce la electricidad,
tiene una resistencia eléctrica elevada. Ello da como resultado el aumento de su
temperatura al hacerle circular una corriente eléctrica (a esto se le llama efecto
Joule). Como la mina es muy delgada, el calor que se genera es suficiente para
elevar su temperatura a niveles que le permiten emitir luz visible.
Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón
por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disipe
el calor generado evitando el calentamiento excesivo de los diferentes
dispositivos.
Objetivo de la investigación
Demostrar cómo la energía eléctrica se transforma en calor generando energía
luminosa usando malos conductores de calor como el grafito, demostrando así el
efecto Joule.
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Problema de investigación
Las lámparas que se conocen y utilizan actualmente usan energía calorífica para
producir energía luminosa, esto gracias a que la corriente de una fuente de
energía que fluye por un circuito cerrado disipa la energía en forma de calor
debido a la fricción que se produce entre sus electrones en movimiento. La
mayoría de las lámparas actuales usan buenos conductores de calor para la
producción luminosa, como el cobre o el metal. Con este experimento se quiere
demostrar y comprobar cómo es que se puede crear energía luminosa por medio
de bajos conductores o aislantes de calor como el grafito.
5. Desarrollo
Materiales
-Batería
de
motocicleta
-láminas
de
grafito
-Cinta de aislar
-2 pinzas cocodrilo
-Frasco de vidrio
-1 envase de plástico
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-Tabla de madera.
Procedimiento
Se quitaron de los caimanes las “cabezas” de cada uno para luego conectarlos a
pedazos de cable de 25 cm aproximadamente, uno de los extremos de cada cable
irá a la batería mientras los otros serán los que sostengan el grafito.
Un extremo de cada cable fue pegado a cada lado del envase de plástico
sobresaliendo 3 cm de cable que fungieron como soporte para el grafito.
Se usó una de las láminas de grafito poniéndola de forma transversal a ambos
caimanes de manera que la lámina tocara los extremos de los caimanes para
cerrar los circuitos por donde pasa la corriente eléctrica.
El envase de plástico con los cables se fijó en una tabla de madera. De igual
manera que el resto que quedaba de cable se fijó sobre la tabla hasta llegar a la
altura de la batería que también se fijó al soporte, en este caso la tabla.
Después de llevar a cabo los pasos anteriores, se le colocó un frasco de vidrio
para cerrar al vacío, evitar la entrada de oxígeno y así mismo la combustión del
grafito.
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Finalmente se conectaron los extremos de las pinzas cocodrilo que quedaron
sueltas a los extremos de la batería (positivo y negativo), observando la reacción.
*A continuación se muestra el producto terminado.
6.-Resultados
En nuestros primeros intentos por hacer pasar la corriente a través de grafito
utilizamos un par de clips para ayudarnos a soportar la mina de lápiz mientras
pasaba la corriente, sin embargo nos dimos cuenta de que al colocar la mina de
lápiz en la parte central del clip no sucedía nada, esto debido a que al colocar el
lápiz en esa parte no se cerraba bien el circuito, por lo que la corriente no pasaba
a través de la mina.
Después de poner las puntas del conductor en contacto con la mina de lápiz se
podía ver cómo se formaban chispas alrededor del cable y después de esto la
mina comenzaba a encenderse produciendo una luz de color rojizo. Sin embargo
después de un momento, el grafito dejó de emitir luz. El tiempo que duró la
luminosidad fue de 21 segundos y el voltaje usado fue de 120 volts.
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*Aquí el producto en funcionamiento
7.- Análisis e interpretación de resultados
Debido a la resistencia de la mina del lápiz, el paso de los electrones a través de
este material se dificulta provocando que parte de su energía cinética, es decir
parte de la energía de desplazamiento de la partícula, sea convertida en calor,
elevando la temperatura del grafito. Parte de esta energía calorífica se puede
percibir como energía luminosa; lo que provoca es brillo parecido al de una
lámpara.
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Una de las propiedades del grafito es su gran resistencia eléctrica, debido a la cual
el paso de los electrones se dificulta y provoca un choque entre las partículas, el
cual al estar a una presión constante eleva la temperatura y por la estructura
formada por átomos de carbón provoca la combustión del grafito. Al llegar al
punto de la total combustión el grafito deja de conducir electrones y por tanto el
circuito se deshace y deja de producir calor, disminuyendo la temperatura del
grafito y dejando emitir luz.
8.- Conclusiones
Luego de realizar este experimento concluimos que efectivamente como dice la
Ley de Joule los electrones que pasaban a través del material con una resistencia,
en este caso la mina de lápiz compuesta por el grafito, genera calor aumentando
la temperatura. Este calor es dependiente y directamente proporcional a la
intensidad del voltaje aplicado y obviamente a la cantidad del material conductor
utilizado, es decir la longitud y el área de la mina del lápiz, esto es para verificar la
resistencia eléctrica que es capaz de generar el material. También se debe tomar
en cuenta el tiempo que se aplicó la corriente a la mina de lápiz, en este caso sólo
tardó alrededor de un segundo para que las chispas se mostraran y la mina del
lápiz comenzara a iluminarse; pero debido a que es un material que puede ser
combustionado, su duración fue corta, demostrando así lo poco efectivo que es
este material en un ambiente con el oxígeno que permite su combustión.
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9.- Fuentes de información
o Gonzales F., Sánchez M., Solís R. Diversificación II, ámbito científicotecnológico EDITEX. España:2008
o Tippens Paul E. Física, conceptos y aplicaciones Séptima edición revisada
Mc Graw-Hill México:2011
o Vengoechea Collante Karen Paola. (2007) Leyes y principios de la física:
o http://www.monografias.com/trabajos55/leyes-de-fisica/leyes-defísica2.shtml
o (2013) Lámpara casera Efecto Joule
o http://www.expermentosdefisica.net/lampara-casera-efecto-joule/
o http://www.epec.com.ar/docs/educativo/institucional/fichaedison.pdf
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