¿Cómo funciona una lámpara incandescente?

Una lámpara incandescente consta un filamento conductor que se encuentra dentro de una ampolla de vidrio sobre la cual se ha hecho vacío. El filamento está conectado a la base de la lámpara, de forma tal que cuando hacemos pasar corriente obtenemos luz. ¿Cómo explica la física esto?

Básicamente la explicación sencilla sería la siguiente. Todo conductor se calienta cuando por el mismo circula corriente. Esto, en física, se conoce como Efecto Joule. La temperatura que alcanza el cuerpo está relacionada con la resistencia interna del conductor (que actúa oponiéndose al paso de la corriente) y la intensidad de la corriente. Así, a mayor resistencia del conductor mayor temperatura adquirirá al hacer pasar una corriente por el mismo. Ésta es precisamente la base del funcionamiento de la lámpara incandescente. El filamento posee una alta resistencia. Esto ocasiona que se caliente y adquiera una alta temperatura al hacer circular una corriente por la lámpara. Ahora bien, ¿Cómo se relaciona ésta temperatura con la luz emitida?

Para entenderlo hay que primero recordar que la luz es una radiación electromagnética, correspondiente a un rango de longitudes de onda en el espectro (si estás perdido, recomiendo ver los enlaces de más información al final de la entrada). Pero también existen otros tipos de radiación, correspondientes a distintas longitudes de onda. Éstas son las ondas radio, infrarrojas, ultravioletas, etc. Ahora bien, todo cuerpo emite radiación electromagnética. Dicha radiación depende de la temperatura del cuerpo. Así, a menor temperatura se emiten ondas de mayor longitud de onda, y a mayor temperatura ondas de menor longitud de onda. (!Tú también emites constantemente radiación electromagnética!).

Y así terminamos entonces de explicar cómo emite luz el filamento una vez que es calentado por el Efecto Joule. En efecto, al aumentar de temperatura el filamento va emitiendo radiación de cada vez menor longitud de onda, hasta llegar al rango de luz visible. Es decir, el filamento se calienta a una temperatura a la cual emite (principalmente) radiación visible (luz). Esa es la luz que emite la lámpara incandescente.

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¿Cómo funciona un microondas?

Para entender cómo funciona un microondas hay que primero entender qué es la temperatura. Desde el punto de vista microscópico sabemos que todo cuerpo está formado por átomos, y por lo tanto por moléculas. Estas moléculas, a su vez, están en constante movimiento vibratorio. Este movimiento determina la temperatura del cuerpo. Dicho más conciso, la temperatura de un cuerpo es una medida de la energía cinética promedio de las molécula que lo componen. Recordando que la energía cinética es la energía asociada al movimiento, entonces podemos decir que la temperatura está asociada al movimiento vibratorio de las moléculas. A mayor energía cinética (mayor vibración en las moléculas) mayor temperatura, y viceversa.

Un microondas se basa en esto para funcionar. Para calentar (subir la temperatura) del cuerpo que coloquemos, el microondas aumenta la energía cinética de las moléculas de agua presentes en el cuerpo. Para ello dentro del microondas se emiten ondas electromagnéticas del rango de frecuencia de microondas (de ahí el nombre del electrodoméstico). Estas ondas electromagnéticas interactuan con las moléculas del agua del cuerpo, agitándolas y haciéndolas vibrar (esto es posible debido a que las moléculas de agua son dipolares; ver más información al final de la entrada). Al hacer esto durante un tiempo prolongado el efecto es que parte de las moléculas del cuerpo (las de agua) aumentaron considerablemente su energía cinética. Y por lo dicho en el primer párrafo, esto significa que aumentó la temperatura del cuerpo.

En resumen, el microondas calienta los cuerpos aumentando la energía cinética de las moléculas de agua que lo componen. De hecho, esto explica por qué ciertos elementos no se calientan al colocarlos en el microondas. Sólo aquellos cuerpos que posean moléculas se calentarán. Los alimentos, por ejemplo, contienen siempre agua por lo cual siempre se calientan en el microondas.

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¿Por qué se calientan las manos al frotarlas?

Prácticamente todos alguna vez hemos recurrido al viejo truco de calentarnos las manos frotandolas. Pero pocos se preguntan por qué se calientan al hacerlo. La física que explica este fenómeno es la equivalencia entre trabajo y calor.

Definamos primero qué se entiende en física por trabajo. En la forma más simple, podemos decir que el trabajo de una fuerza es la aplicación de dicha fuerza en un cuerpo a lo largo de una distancia, produciendo un desplazamiento en dicho cuerpo. Esto implica que esa distancia debe estar en la misma linea de acción de la fuerza aplicada. Por ejemplo, si un objeto (un libro, digamos) se esta moviendo horizontalmente sobre una mesa y le aplicamos una fuerza vertical (lo presionamos contra la mesa), esta fuerza que hacemos no está haciendo trabajo ya que no está aplicada en la misma dirección del movimiento del libro. En cambio, si nuestra fuerza aplicada estuviese en la dirección del movimiento, entonces ahí sí estariamos haciendo trabajo. (En su definición más formal, el trabajo se considera como una forma de intercambio de energía; para más detalles ver los links de más información al final de la entrada).

Ahora bien, hemos dicho que el principio que explica por qué se calientan las manos al frotarlas es la equivalencia entre trabajo y calor. Sabiendo la definición de trabajo esto se puede esclarecer. Cuando frotamos las manos, cada mano está actuando sobre la otra mutuamente. Es decir, están aplicandose una fuerza mutua. A su vez, esa fuerza está en la misma dirección del movimiento de frotamiento. Por lo tanto, ya sabemos que esa fuerza está haciendo trabajo. El principio de equivalencia entre trabajo y calor dice que el calor, al igual que el trabajo, es una forma de intercambio de energía. Al frotar las manos, el trabajo que se hace se transforma en calor que produce el calentamiento de las manos. (Para detallistas: el trabajo realizado al frotar las manos genera una variación de energía que, por el principio de equivalencia, se intercambia en forma forma de calor; esta energía en forma de calor provoca el incremento en la temperatura de las manos.)

Como se dijo, este principio es general, y no sólo se aplica al caso de las manos frotandose. Existen múltiples ejemplos más. Todos sabemos que cuando frotamos un objeto, éste se calienta. La equivalencia es siempre la misma: el trabajo (frotamiento entre los objetos) es igual al calor (lo que produce el calentamiento de los objetos). Por esto, en física generalmente decimos que el calor, al igual que el trabajo, es otra forma de transferencia de energía.

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