Cuando se produce un cortocircuito es obvio que hay fuego. ¿Cómo es que la energía eléctrica resulta ser energía térmica? ¿Qué causa que los conductores se calienten cuando hay un cortocircuito?
Respuestas
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Cuando se produce un cortocircuito, siempre que la impedancia de la fuente sea nula, la impedancia sólo está determinada por los cables y es extremadamente baja (digamos que la resistencia $R < 1\Omega$ ).
Por lo tanto, según la ley de Ohm, si no hay limitación de corriente, la corriente absorbida es alta (por ejemplo, con $V_\mathrm{rms} = 230\mathrm{V}$ , $I_\mathrm{rms} > 230\mathrm{A}$ ). En esta situación, el efecto Joule es predominante y se deduce $\mathcal{P} = UI = RI^2= \frac{V^{2}}{R} > 52\mathrm{kW}$ .
También ocurre si un tiempo muy corto ( $\tau < 0.01\mathrm{s}$ ): por tanto, puede considerarse una transformación adiabática. Esta condición conduce a una enorme diferencia de temperatura ( $\Delta T>1000\mathrm{K}$ ): las heridas de cobre se derretirán casi instantáneamente y podrían vaporizarse, incendiando todo a su alrededor.
Por eso los interruptores automáticos tienen una seguridad magnética: interrumpen el circuito antes de que la corriente alcance valores elevados y destruya los conductores (son protecciones de instalaciones, no están diseñadas para proteger a las personas. Sólo la protección de corriente residual de bajo valor puede hacerlo).
Los valores dados son de orden de magnitud, para determinarlos con precisión se necesitan modelos (o ábacos) que dependen de muchos factores (fuente de tensión, impedancia de la fuente, sección y longitud de los cables, transferencia del coeficiente de calor, etc.).
Oeufcoque Penteano
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Me gustaría señalar que, salvo en las películas, no se da el caso de que "Cuando se produce un cortocircuito es obvio que hay fuego" .
Ahora bien, es cierto que, para la mayoría, "cortocircuito" evoca una imagen de chispas y fuego pero, de hecho, la mayoría de los cortocircuitos simplemente provocan un mal funcionamiento del dispositivo, no chispas ni fuego.
Una noción práctica de "cortocircuito", en este contexto, es un no se ha querido camino de baja resistencia para la corriente eléctrica . Este camino de baja resistencia puede (pero no necesariamente) dan lugar a una corriente mucho mayor a través de los conductores conectados y otros elementos del circuito.
Entonces, ¿qué necesitamos, además de esta vía de baja resistencia no intencionada, para un incendio?
Esencialmente, necesitamos una fuente que puede entregar suficiente energía, antes de que los elementos de protección abran el circuito, para provocar un sobrecalentamiento suficiente en el circuito y/o la fuente conectada como para iniciar un incendio.
La calefacción es sencilla de explicar. Los conductores del circuito tienen una resistencia distinta de cero. La corriente eléctrica a través de una resistencia genera calor proporcional a la cuadrado de la corriente
$$p = i^2 R$$
donde $p$ es el poder, $i$ es la corriente que pasa y $R$ es la resistencia. Esta es la razón por la que, por ejemplo, podemos producir calor con elementos calefactores eléctricos como los que se utilizan, por ejemplo, en los hornos eléctricos.
Además, la fuente eléctrica tiene interno resistencia, lo que significa que la fuente generará calor cuando haya un paso de corriente.
En cuanto a por qué la corriente a través de una resistencia produce calor, citaré el artículo de Wikipedia " Calentamiento por joules ":
El calentamiento Joule se produce por las interacciones entre las partículas en movimiento que forman la corriente (normalmente, pero no siempre, electrones) y los iones atómicos que componen el cuerpo del conductor. Las partículas cargadas en un circuito eléctrico son aceleradas por un campo eléctrico pero ceden ceden parte de su energía cinética cada vez que chocan con un ion. El aumento de la energía cinética o vibratoria de los iones se manifiesta en forma de calor y de un aumento de la temperatura del conductor.
Mark Elliot
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Además del ya mencionado calentamiento Joule, algunos tipos de cortocircuitos son inestables, sobre todo cuando están sometidos a alta tensión: los conductores pueden tocarse entre sí, producir una chispa, lo que les daría un impulso de onda de presión de aire que rompería el circuito, luego volverían a tocarse, generando otra chispa, y así sucesivamente.
Además, la chispa puede convertirse en un arco. Todo esto debería convertirlo en una fuente obvia de ignición.
Squirrel
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A nivel mecánico, se trata de colisiones (de electrones con el material en bruto) que transfieren la energía de una corriente eléctrica al calor del cuerpo del dispositivo.
En términos más abstractos, en casi todos los procesos la energía termina en forma de calor porque tiene la menor entropía de todas las demás formas de energía disponibles, es la menos organizada.
