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Una de las principales funciones que desempeña la ingeniería eléctrica en nuestra sociedad es permitir la transmisión de energía de un lugar a otro, ya sea para alimentar una lente de contacto biónica o un centro de datos. Hay muchas unidades de energía dependiendo del contexto, como las calorías para los alimentos o las toneladas de TNT para los explosivos, pero en ingeniería eléctrica solemos medir la energía en la unidad derivada del SI llamada julios, con el símbolo J. Expresado en unidades básicas del SI, 1 \text{ J} = 1 \text{ kg}\cdot \text{m}^2 / text{s}^2$.
La ley de la conservación de la energía afirma que el total de la energía de un sistema cerrado es constante; en otras palabras, la energía no puede crearse ni destruirse, sólo convertirse de una forma a otra. Examinemos este principio cuando se conecta una pila a una bombilla.
Figura 2 Fig. 2: Conservación de la energía. En el sistema de la Fig. 1, la energía potencial química se convierte en energía eléctrica, que a su vez se convierte inmediatamente en energía luminosa y térmica. Según la conservación de la energía, los julios de energía potencial química que se introducen en el sistema son iguales a la suma de los julios de energía luminosa que produce el sistema y los julios de energía térmica que se desperdicia.
¿Se conserva la energía en un circuito?
Ya hemos aprendido que una resistencia disipa energía potencial eléctrica cuando pasa una corriente a través de ella, y esta energía es en forma de calor. De hecho, si dejamos pasar una corriente por una resistencia durante un tiempo y la palpamos, a menudo estará bastante caliente al tacto debido a que la energía eléctrica se convierte en calor. Esto suele ser más evidente en componentes como las bombillas de filamento, donde la energía eléctrica se convierte en calor y luz, y el componente puede calentarse mucho, pero se aplica a todos los componentes resistivos.
Esta ecuación parece muy intuitiva, a mayor corriente, mayor potencia del circuito, a mayor p.d. mayor potencia. Puede aplicarse de forma útil a circuitos completos, si se conoce la emf de la célula, o a componentes individuales, si se conoce el p.d. a través de ese componente individual.
A primera vista puede parecer que estas dos ecuaciones son contradictorias, una dice que la potencia es directamente proporcional a la resistencia y la otra dice que la potencia es inversamente proporcional a la resistencia; ¿cómo pueden ser ambas correctas?
Ejemplos de transferencia de energía eléctrica
En un circuito eléctrico, la energía eléctrica se convierte continuamente en otras formas de energía. Por ejemplo, cuando fluye una corriente en un conductor, la energía eléctrica se convierte en energía térmica dentro del conductor. El campo eléctrico, suministrado por la fuente de tensión, acelera los electrones libres, aumentando su energía cinética durante un breve periodo de tiempo. Este aumento de la energía cinética se convierte en energía térmica mediante colisiones con los iones de la estructura reticular del conductor. En Trabajo y Energía Cinética, definimos la potencia como el ritmo al que se realiza el trabajo por una fuerza medida en vatios. La potencia también puede definirse como la velocidad a la que se transfiere la energía. En esta sección, discutiremos la tasa de transferencia de energía, o potencia, en un circuito eléctrico.
Mucha gente asocia la potencia con la electricidad. Nos vienen a la mente las líneas de transmisión de energía. También pensamos en las bombillas por su potencia en vatios. ¿Cuál es la expresión de la potencia eléctrica?
Comparemos una bombilla de 25 W con una de 60 W ((Figura)(a)). La bombilla de 60 W brilla más que la de 25 W. Aunque no se muestra, una bombilla de 60 W también está más caliente que la de 25 W. El calor y la luz se producen por la conversión de la energía eléctrica. La energía cinética que pierden los electrones en las colisiones se convierte en energía interna del conductor y en radiación. ¿Cómo se relacionan el voltaje, la corriente y la resistencia con la energía eléctrica?
Cómo se transfiere la energía en un circuito simple.
Considera el circuito que se muestra a continuación: La pila proporciona a las cargas energía potencial. En la bombilla, la energía eléctrica se transfiere a energía térmica y luego se irradia. La pila suministra 5 J de energía cada segundo, por lo que su potencia es de 5 vatios. La bombilla toma energía al mismo ritmo, por lo que su potencia es también de 5 vatios.
Una carga que circula por un circuito gana energía cuando pasa por una pila y pierde energía cuando pasa por el resto del circuito. Según la ley de conservación de la energía, la energía total debe permanecer igual. La consecuencia de esta conservación de la energía se llama segunda ley de Kirchhoff. Afirma que la suma de las fuerzas electromotrices en un circuito cerrado es igual a la suma de las diferencias de potencial.
La fuerza electromotriz de una pila es E, la diferencia de potencial en la resistencia R1 es V1 y la diferencia de potencial en R2 es V2. Aplicando la ley de conservación de la energía, la fuerza electromotriz de la pila es igual a la suma de la diferencia de potencial entre las dos resistencias.