18.1 Transferencia de energía en un circuito
Una fuente separa cargas y les entrega energía potencial. Al circular por los componentes, las cargas transfieren esa energía a luz, movimiento, sonido, almacenamiento químico o calentamiento.
La carga no se consume: lo que se transforma es la energía asociada a su movimiento a través de diferencias de potencial.
18.2 Definición de potencia
La potencia es la rapidez con la que se transfiere o transforma energía:
Si P es constante durante un intervalo t, la energía transferida es W = Pt.
18.3 Unidad: el watt
La unidad SI de potencia es el watt (W):
Un dispositivo de 100 W transforma 100 J de energía por segundo mientras opera en las condiciones indicadas.
18.4 Potencia eléctrica P = VI
Cada unidad de carga que atraviesa un componente cambia su energía en V joules por coulomb. Como I = dQ/dt:
V es la diferencia de potencial entre terminales e I la corriente que atraviesa el elemento.
18.5 Convención pasiva de signos
Si la corriente entra por el terminal marcado con mayor potencial, p = vi es positiva y el elemento absorbe energía. Si entra por el terminal de menor potencial, p es negativa y el elemento entrega energía.
18.6 Potencia en un resistor
Para un resistor óhmico, V = IR. Sustituyendo en P = VI:
Las tres expresiones son equivalentes, pero debe elegirse la compatible con las magnitudes conocidas.
18.7 Efecto Joule
Las colisiones de los portadores con el material transfieren energía al movimiento microscópico desordenado de la red. La temperatura puede aumentar y el entorno recibe calor.
18.8 Energía para potencia variable
Cuando la potencia cambia con el tiempo:
En un gráfico P contra t, la energía es el área algebraica bajo la curva.
18.9 Joule, watt-hora y kilowatt-hora
El joule es la unidad SI de energía. Para consumo eléctrico se usan watt-hora y kilowatt-hora:
El kWh es una unidad de energía, no de potencia.
18.10 Calcular consumo
Para un aparato de potencia constante expresada en kW y un tiempo en horas:
Un equipo de 1,5 kW usado durante 2 h consume 3 kWh.
18.11 Costo de la energía
Un cálculo básico multiplica la energía consumida por una tarifa por kWh:
Una factura real puede incluir cargos fijos, impuestos, franjas horarias y escalones de consumo; el modelo representa solo el componente proporcional.
18.12 Voltaje variable con R fija
Para un resistor fijo, P = V²/R. Duplicar el voltaje cuadruplica la potencia y también la energía transformada durante el mismo tiempo.
18.13 Resistencia variable con V fijo
Si una fuente ideal mantiene V, P = V²/R: reducir R aumenta la corriente y la potencia. Esto explica por qué un cortocircuito puede producir corrientes y calentamientos peligrosos.
En fuentes reales, el voltaje puede disminuir y actúan protecciones o limitaciones internas.
18.14 Resistencia variable con I fija
Si una fuente mantiene la corriente, P = I²R. En ese caso, aumentar R aumenta la potencia absorbida.
Las conclusiones opuestas de las secciones anteriores no se contradicen: corresponden a condiciones externas distintas.
18.15 Retroalimentación térmica
La resistencia de muchos metales aumenta al calentarse. Una lámpara incandescente, por ejemplo, presenta menor resistencia en frío y una corriente inicial mayor que en régimen.
Por ello un componente puede dejar de ser lineal si su temperatura cambia apreciablemente con la corriente.
18.16 Potencia nominal
La potencia nominal indica una condición de operación prevista, normalmente asociada a un voltaje nominal. No significa que el dispositivo consuma siempre esa potencia.
En un resistor, superar la potencia admisible puede elevar demasiado su temperatura y dañarlo.
18.17 Rendimiento
El rendimiento compara la potencia útil con la potencia de entrada:
La diferencia se transforma en otras formas, a menudo calor. Por conservación de energía, 0 ≤ η ≤ 1.
18.18 Protección contra sobrecorriente
Fusibles e interruptores automáticos abren el circuito cuando la corriente supera condiciones previstas. Buscan limitar el calentamiento I²R en conductores y equipos.
La elección y la instalación de protecciones deben seguir normas y especificaciones técnicas; no se sustituyen ni se puentean.
18.19 Potencia en corriente alterna resistiva
Para una carga puramente resistiva alimentada con una señal sinusoidal:
Los valores domésticos de tensión alterna suelen expresarse como valores eficaces o RMS.
18.20 Calentamiento y calorimetría
Si una fracción η de la energía eléctrica calienta una masa m sin cambio de fase:
c es el calor específico. Este modelo ideal debe incluir pérdidas y cambios de fase cuando sean relevantes.
18.21 Calcular consumo con JavaScript
La función devuelve corriente, potencia, energía y costo de una carga resistiva:
function consumoResistivo(voltaje, resistencia, horas, tarifa) {
if (resistencia <= 0 || horas < 0) throw new Error("Datos no válidos");
const corriente = voltaje / resistencia;
const potencia = voltaje * corriente;
const energiaKWh = potencia / 1000 * horas;
return {
corriente,
potencia,
energiaKWh,
costo: energiaKWh * tarifa
};
}
console.log(consumoResistivo(220, 44, 2.5, 150));18.22 Laboratorio de potencia y consumo
Modificá una carga resistiva ideal y compará la rapidez de transferencia de energía con la energía acumulada durante el uso.
—
Modificá los parámetros para comparar potencia y energía.
18.23 Cómo interpretar el laboratorio
El brillo del resistor representa cualitativamente la potencia instantánea. La barra de energía depende además del tiempo: un dispositivo de baja potencia puede consumir mucha energía si permanece encendido durante muchas horas.
La tarifa es una variable didáctica sin unidad monetaria fija. El resultado representa únicamente energía por tarifa.
18.24 Ejemplo resuelto: consumo cotidiano
Una carga de 800 W funciona 45 minutos por día durante 30 días:
t = 0,75 h/día × 30 días = 22,5 h
E = 0,800 kW × 22,5 h = 18,0 kWh
E = 18,0 × 3,6 × 106 = 6,48 × 107 J
18.25 Errores frecuentes
- Confundir kW, unidad de potencia, con kWh, unidad de energía.
- Usar horas en E = Pt cuando P está en watts y se espera un resultado en joules.
- Aplicar simultáneamente P = I²R y P = V²/R sin identificar qué variable permanece fija.
- Interpretar que la carga eléctrica se consume dentro del aparato.
- Ignorar el rendimiento al calcular calentamiento útil.
- Suponer que una potencia nominal es constante bajo cualquier voltaje.
18.26 Ejercicio propuesto
Un calefactor resistivo de R = 44 Ω se conecta a 220 V durante 2,5 h. La tarifa didáctica es de 150 unidades monetarias por kWh. El 80 % de la energía se transfiere a 25 kg de agua, cuyo calor específico es 4186 J/(kg·°C).
- ¿Qué corriente circula?
- ¿Cuál es la potencia del calefactor?
- ¿Qué energía consume en kWh y en joules?
- ¿Cuál es el costo proporcional?
- ¿Qué aumento ideal de temperatura experimenta el agua?
Ver solución y explicación
I = V/R = 220/44 = 5,00 A
P = VI = (220)(5,00) = 1100 W = 1,10 kW
E = Pt = (1,10 kW)(2,5 h) = 2,75 kWh
E = 2,75 × 3,6 × 106 = 9,90 × 106 J
costo = (2,75)(150) = 412,5 unidades monetarias
ΔT = ηE/(mc) = (0,80)(9,90 × 106)/(25 × 4186) ≈ 75,7 °C
El resultado térmico supone calor específico constante, ausencia de cambio de fase y que las pérdidas restantes están resumidas en el rendimiento del 80 %.
18.27 Ideas clave
- La potencia es energía por unidad de tiempo y se mide en watts.
- En cualquier elemento, p = vi con una convención de signos definida.
- En un resistor, P = VI = I²R = V²/R.
- El efecto Joule transforma energía eléctrica en energía interna.
- 1 kWh = 3,6 × 106 J.
- El consumo depende tanto de la potencia como del tiempo de uso.
El próximo tema incorporará fuentes reales y resistencia interna para estudiar por qué el voltaje terminal cambia al entregar corriente.