Biofísica (53) · Unidad 4 — Bases físicas de los fenómenos bioeléctricos
Potencia eléctrica, efecto Joule e instrumentos
Cada coulomb que baja una tensión V entrega V joules: la potencia es V por I. En una resistencia esa energía sale como calor, que es lo que aprovecha un calefactor y lo que corta un bisturí eléctrico. Para medir, el amperímetro va en serie y el voltímetro en paralelo.
La explicación
De dónde sale la potencia eléctrica
La tensión es energía por coulomb, y la corriente es coulombs por segundo. Multiplicadas dan energía por segundo, o sea potencia:
Esta fórmula vale para cualquier elemento: una resistencia, un motor, una pila que se carga. Si además el elemento es una resistencia, se puede usar Ohm para escribirla de otras dos formas:
¿Cuál conviene? La que tenga lo que queda fijo. En serie todos tienen la misma corriente, así que P = I²R dice que disipa más la resistencia más grande. En paralelo todos tienen la misma tensión, así que P = V²/R dice que disipa más la más chica. Las dos cosas son ciertas a la vez, cada una en su circuito.
El efecto Joule: la energía que se va en calor
Cuando la corriente atraviesa una resistencia, los portadores de carga chocan contra la estructura del material y le ceden energía: el conductor se calienta. Eso es el efecto Joule. Es lo que hace funcionar un calefactor, una pava eléctrica, una incubadora o un colchón térmico; y es lo que usa el electrobisturí, que concentra la corriente en una punta finita para calentar tanto el tejido que el agua de las células se evapora y el tejido se corta o se coagula.
Como el calor es energía, se combina directo con la calorimetría de la unidad 3: la energía eléctrica P·t se iguala al calor Q = m·c·ΔT (o a m·L si hay un cambio de fase).
Energía y kilowatt-hora
La energía consumida es la potencia por el tiempo: E = P · t. En joules los números de una casa quedan enormes, y por eso las facturas usan el kilowatt-hora: la energía de un aparato de 1 kW funcionando una hora.
1. Pasá la potencia a kW (dividí los watts por mil).
2. Pasá el tiempo a horas (30 minutos son 0,5 h, no 30).
3. Multiplicá: kW · h = kWh. Si hay varios días, multiplicá por la cantidad de días.
4. Si te piden joules, multiplicá por 3,6×10⁶.
Los valores nominales de un aparato
«220 V – 1000 W» quiere decir: conectado a 220 V, disipa 1000 W. De ahí sale su resistencia de trabajo, R = V²/P. Si lo conectás a otra tensión, la resistencia (aproximadamente) se mantiene y la potencia cambia con el cuadrado de la tensión: a la mitad de tensión, la cuarta parte de potencia. Y dos aparatos en serie ya no reciben 220 V cada uno.
Amperímetro y voltímetro
El amperímetro mide la corriente que lo atraviesa, así que tiene que estar en serie, en el camino de la corriente. Para no cambiar lo que mide, su resistencia tiene que ser muy chica: el amperímetro ideal tiene resistencia cero.
El voltímetro mide la diferencia de potencial entre dos puntos, así que se conecta en paralelo con el elemento. Para no robarle corriente al circuito, su resistencia tiene que ser enorme: el voltímetro ideal tiene resistencia infinita y no deja pasar nada.
• Amperímetro en paralelo con una resistencia: como no tiene resistencia, la pone en cortocircuito. La corriente se va por el instrumento, la resistencia queda sin tensión y el amperímetro marca de más. Conectado directo a un tomacorriente, es un cortocircuito: chispa y, con suerte, sólo se quema el fusible.
• Voltímetro en serie: como no deja pasar corriente, corta el circuito. La corriente cae a casi cero, y el voltímetro marca casi toda la tensión de la fuente.
El electrocardiógrafo es, en el fondo, un voltímetro muy sensible: mide diferencias de potencial de alrededor de un milivolt entre dos electrodos sin sacarle al cuerpo prácticamente ninguna corriente.
P = V·I siempre; P = I²R y P = V²/R sólo para resistencias. Elegí la que use lo que el circuito deja fijo.
Un calentador eléctrico de 220 V y 1100 W se usa para calentar 1 L de agua de 20 °C a 80 °C. a) ¿Qué corriente toma y cuál es su resistencia de trabajo? b) Suponiendo que todo el calor va al agua, ¿cuánto tarda? c) ¿Cuánta energía consumió, en kWh? (c_agua = 4,18 J/(g·°C))
a) Corriente y resistencia. De P = V·I:
b) El tiempo. Primero el calor que necesita el agua (1 L son 1000 g):
Toda la energía eléctrica se convierte en calor por efecto Joule, así que P·t = Q:
En la realidad tarda un poco más, porque parte del calor se va al recipiente y al aire. El resultado es el tiempo mínimo, el de un calentador perfecto.
c) La energía en kWh. Dos caminos que tienen que coincidir:
E = 1,1 kW · (228 / 3600) h ≈ 0,070 kWh ✔
Setenta milésimas de kilowatt-hora: es poco. Lo que hace cara la factura no es calentar una vez, sino calentar todos los días, o un aparato de mucha potencia encendido muchas horas, como una estufa. Si el mismo litro se calentara cada día durante un bimestre, serían 60 · 0,070 = 4,2 kWh.
Una lámpara de 220 V – 100 W y otra de 220 V – 25 W se conectan en serie a 220 V. Suponiendo que sus resistencias no cambian, ¿qué potencia disipa cada una? ¿Cuál brilla más?
Las resistencias, de los datos nominales. Los «220 V – 100 W» dicen cuánto disipa cada lámpara conectada sola a 220 V; de ahí sale su resistencia con R = V²/P:
R₂₅ = 220² / 25 = 48 400 / 25 = 1936 Ω
La de menos potencia tiene más resistencia.
La corriente. En serie, las resistencias se suman:
Las potencias. Misma corriente por las dos, así que conviene P = I²·R:
control: 4 + 16 = 20 W = 220 V · 0,091 A ✔
Brilla más la de 25 W. Parece al revés, pero en serie manda la resistencia. Las dos brillan muy por debajo de lo normal. Dónde se pierde: en suponer que cada una recibe sus 220 V nominales.
Dónde se cae la mayoría
- Usar P = V²/R con la tensión de la fuente en una resistencia que está en serie con otras. La V de la fórmula es la de esa resistencia.
- Dejar el tiempo en minutos al calcular kWh: 30 minutos son 0,5 h.
- Confundir potencia con energía. El aparato tiene potencia (W); lo que se paga es energía (kWh).
- Conectar el amperímetro en paralelo. Tiene resistencia casi nula: pone en cortocircuito lo que tiene al lado.
- Creer que una lamparita de más potencia nominal siempre brilla más. En serie con otra, brilla más la de menor potencia nominal, que tiene más resistencia.
Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.
Practicar Potencia eléctrica, efecto Joule e instrumentos →Dónde entra este tema en el parcial
- Segundo parcial — El calefactor de la incubadora20 puntos · resuelto paso a paso
Los otros temas de la unidad 4
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