El Tamiz

Ignora lo accesorio, atesora lo esencial

[Electricidad I] Voltaje

Hoy continuamos, como cada dos semanas, con un artículo de [Electricidad I], el bloque introductorio a esta electrizante rama de la Física. En el primer artículo del bloque hablamos acerca del concepto de carga eléctrica, y en el segundo lo hicimos sobre la fuerza de Coulomb que la define. A continuación vimos cómo utilizar esta fuerza para crear una corriente eléctrica en el vacío, y en el cuarto artículo explicamos las complicaciones que tiene este concepto al incluir sustancias materiales en el asunto, y las diferencias entre unas y otras como aislantes y conductores.

La clave de la cuestión para entender el artículo de hoy es la siguiente: en la última entrada del bloque vimos cómo un desequilibrio de cargas cerca de los extremos de un conductor –carga positiva a un lado y negativa al otro– producía en él una corriente eléctrica, debido a la fuerza de Coulomb. Hoy introduciremos una manera alternativa de mirar este problema empleando un concepto nuevo, el voltaje, que resulta muy útil al estudiar corrientes eléctricas.

Hoy introduciremos, por cierto, un cuarto tipo de cuadro de texto. Además de los amarillos de ampliación, verdes de desafío y azules de experimentos te encontrarás otros rojos de precaución: avisos sobre confusiones comunes o detalles pedantes acerca de cosas en las que la gente suele meter la pata. Como todos los otros, no son un requisito ni para entender el artículo ni para seguir la serie y, de hecho, como en el resto de ellos, mi recomendación es que te los saltes en una primera lectura y vuelvas a ellos en la segunda pasada. Desde luego, cuando esto se publique como monografía, en la introducción habrá una “leyenda de cuadros de texto” en la que se explique todo con antelación.

Solución al Desafío 3 - ¿Por qué no hay que esperar?

La clave de la cuestión en el desafío es el hecho de que hay dos velocidades distintas. La velocidad media de los electrones es, como hemos dicho, lentísima. De modo que, si tuviera que esperar a que el primer electrón del enchufe llegase hasta mi ordenador, efectivamente tendría que esperar horas para que la máquina se encendiera. Pero una cosa es la velocidad del movimiento de los electrones y otra cosa es la velocidad a la que se transmite ese movimiento.

La mejor manera de explicarlo es, creo, una analogía con algo que podemos ver claramente. Imagina que estoy en mi casa y decido darme una ducha bien caliente. Abro el grifo en la ducha, y empieza a salir agua fría. Cuando ha pasado cierto tiempo, el agua caliente que había en la caldera alcanza la ducha, y puedo por fin meterme debajo sin congelarme.

El agua caliente que sale de la caldera tarda cierto tiempo en recorrer las tuberías y llegar a mi ducha (pongamos que un minuto), pero desde el momento en el que abro el grifo empieza a salir agua y el agua de la caldera sale de ella. El agua se mueve con relativa lentitud, pero el hecho de que ha empezado a moverse se transmite muy deprisa: prácticamente empieza a moverse toda a la vez.

De modo que, cuando enciendo el ordenador, los electrones empiezan a moverse en un extremo del cable, y ese movimiento se va transmitiendo a una velocidad gigantesca a través de todo el cable, de modo que mi ordenador se enciende cuando los electrones en él empiezan a moverse (casi en el mismo instante que lo hacen los del transformador), a pesar de que los electrones del transformador pueden tardar horas en llegar a mi ordenador.

De ahí que la pregunta “¿A qué velocidad va la electricidad por un cable?” sea una pregunta bastante mala y ambigua, porque “electricidad” es un término ambiguo, y no hay una sola “velocidad”. Los electrones se mueven, de forma neta, muy despacio por el cable, como el agua que sale de la caldera, pero las fuerzas entre ellos que hacen que empiecen a moverse lo hacen muy deprisa.

Volveremos a discutir este punto en un tiempo y probablemente con un ejemplo similar, cuando hablemos acerca de la transmisión de energía eléctrica, pero espero que te haya servido para pensar un rato sobre los conceptos que has aprendido hasta ahora, ¡y que hayas acertado en la explicación!

Antes de empezar con el artículo de hoy, una aclaración. El concepto de potencial eléctrico y la diferencia de potencial eléctrico o voltaje requieren un alto grado de abstracción. Definirlos con propiedad, sin recurrir a vaguedades o analogías, es muy difícil sin conocimientos previos que no suponemos que tengas en este bloque. De modo que hoy trataremos de dar una idea aproximada de lo que significa el voltaje, y dejaremos para un bloque superior la definición más teórica y abstracta del concepto.

¿Por qué no dejarlo todo simplemente para un bloque más alto, y olvidarnos de ello hasta entonces? Porque no creo que tenga sentido dar un repaso general a los conceptos básicos de la corriente eléctrica sin hablar de algo que aparece en todas partes; y porque, aunque no podamos dar definiciones estrictas, sí es posible comprender, de forma aproximada, la diferencia que existe entre un voltaje de 10 voltios y uno de 200 voltios. De modo que hoy daremos las pinceladas necesarias para comprender la utilidad del concepto de voltaje, y ya veremos más adelante cuál es la base teórica de todo el asunto.


Concepto de voltaje

Para empezar a razonar juntos, permite que repita aquí la construcción que realizamos en el último artículo para conseguir mover electrones a lo largo de un conductor. Aquí tienes el lugar en el que terminamos, con los electrones del conductor ligeramente “apelotonados” a la izquierda, cerca del protón y lejos del electrón externos:

Permite que explique lo que sucedió, pero sin recurrir explícitamente a la Ley de Coulomb –aunque lo que voy a decir sería mentira si ésta no fuera cierta–, sino de una manera alternativa. Los electrones que había a la derecha sufrían una “presión” que los empujaba hacia la izquierda, ejercida por el electrón de la derecha. El protón de la izquierda, por el contrario, tiraba de los electrones de su extremo con una “succión”. Ambas, presión y succión, hacían moverse a los electrones en el mismo sentido (hacia la izquierda), de modo que sus efectos se sumaban y los electrones se desplazaban hasta acabar donde ves en la figura.

Imagina que hubiéramos realizado el mismo experimento pero sin el electrón de la derecha. Hubiera pasado algo muy parecido: el protón de la izquierda hubiera seguido ejerciendo esa “succión”, los electrones cercanos se hubieran desplazado hacia él, y así a lo largo de toda la “línea de conga” de los electrones, de modo que el hueco hubiese acabado, una vez más, en el extremo derecho del cable.

Sin embargo, supongo que a estas alturas del bloque comprendes que las cosas no hubieran sido exactamente iguales que en el extremo de arriba: antes había dos efectos diferentes que impulsaban a los electrones a moverse, y ahora sólo hay uno. Los electrones del cable no se hubieran apelotonado tanto a la izquierda: de hecho, el efecto hubiera sido aproximadamente la mitad de intenso que antes.

Pero lo que quiero que veas es que sólo con la “presión negativa” hemos conseguido el mismo fenómeno, aunque sea con menos intensidad. Lo mismo hubiera sucedido si, en vez de quitar el electrón de la derecha y dejar el protón de la izquierda, hubiésemos hecho lo contrario. El electrón de la derecha hubiera ejercido su presión sobre los electrones adyacentes, que se hubieran alejado de él, apelotonándose con los siguientes y, por tanto, presionando sobre ellos, moviéndolos, etc. El resultado final hubiera sido, una vez más, menos intenso que en el ejemplo del artículo anterior con el par electrón-protón, pero exactamente igual que en el ejemplo del protón solo.

En este caso no había “succión”, sino sólo presión positiva empujando, pero el resultado ha sido el mismo. Aquí llegamos a una de las claves del artículo de hoy, aunque te pueda parecer que toda esta discusión es sólo un repaso de lo anterior y no llegamos a nada nuevo. Lo que importa no es que haya succión, o presión, o una combinación de las dos: lo que importa es la diferencia de “presión” neta entre un extremo y el otro.

De hecho, podríamos lograr que los electrones se movieran como antes utilizando sólo protones fuera del conductor, del siguiente modo:

Metal conduciendo usando protones

Sí, en este caso las cargas a ambos lados del conductor atraen a los electrones y repelen a los protones. Pero ganan los protones de la izquierda. El resultado final sería el mismo:

Metal conduciendo usando protones 2

Es como si el conductor fuera una tubería llena de agua y tú, estimado y audaz lector, soplaras por un extremo y yo por el otro, tratando de sacar el agua por el extremo contrario: si tú soplas con el doble de fuerza que yo, aunque ambos estemos “empujando el agua”, me ganarás tú, y acabaré remojado. Y, aunque supongo que no hace falta que lo dibujemos también, podríamos haber logrado lo mismo utilizando sólo electrones. La clave, como siempre, es que haya un desequilibrio de cargas. Si hay los mismos electrones externos a un lado y a otro no conseguimos un desplazamiento neto. Es como si tú y yo, en el ejemplo anterior, soplamos con igual fuerza.

De modo que, como ves, puede que haya atracciones y repulsiones varias, pero lo que de verdad importa para saber si los electrones se van a mover por el conductor o no es la diferencia de “presión” entre ambos extremos. Si uno tiene presión positiva y el otro negativa (uno “empuja” y otro “tira”), el movimiento será del primero hacia el segundo. Si ambos “empujan” (presiones positivas), pero uno más que otro, el movimiento se alejará del que lo hace con más ímpetu hacia el otro, y de manera análoga si ambos “tiran”.

De hecho, espero que veas que para el movimiento de las cargas es irrelevante el valor de la presión en uno u otro extremo. Lo que importa es la diferencia de presión. Por ejemplo, si en un extremo hay una presión de 5 y en el otro de 2 –ya nos preocuparemos luego de las unidades en que se mide–, la diferencia es de 3. Si en uno la presión es 1005 y en el otro es 1002, ¡la diferencia y, por tanto, el movimiento, siguen siendo los mismos! Y si en un extremo la presión es 2 y en el otro es -1 (es decir, en un extremo se empuja con 2 y en el otro se tira con 1, produciendo una “presión negativa” como alguien aspirando de la tubería con agua), la diferencia sigue siendo la misma.

Esta suerte de “presión eléctrica” se denomina potencial eléctrico, y la diferencia entre su valor en dos puntos distintos –como, por ejemplo, los extremos del conductor del dibujo– se llama diferencia de potencial eléctrico o, más comúnmente, voltaje. Como he dicho al principio del artículo, ir más allá en la definición para hacerla tener un sentido estricto tendrá que esperar a bloques posteriores, pero si has entendido esto ya tienes una idea más profunda de lo que es el voltaje que la mayor parte de la gente.

Pero, como sucedió en el caso de la corriente eléctrica, tenemos un problema para definir con un poco más de concreción esta “presión eléctrica”. Los protones ¿ejercen una presión positiva o una succión? ¿Y los electrones? Seguro que tú mismo puedes responder a esa pregunta: depende. Si lo que se mueve es un protón, sufrirá succión por parte de electrones y presión positiva por parte de protones, y lo contrario le sucederá a un electrón. Pero esto es un inconveniente si queremos hablar de la presión eléctrica en un lugar determinado, independientemente de qué cargas la sientan.

De modo que haremos hoy algo parecido a lo que hicimos en el caso de la intensidad de corriente: establecer un convenio y fijarnos, como entonces, en lo que les sucede a las cargas positivas. Con lo que el potencial eléctrico será positivo cuando una carga positiva sufra una presión positiva, y negativo cuando una carga positiva sufra una “succión” (una presión negativa), y viceversa. Esto puede sonar lioso al principio, pero no lo es tanto, porque el signo es el mismo que el de la carga: las cargas positivas “empujan” lejos de sí a otras cargas positivas, luego crean a su alrededor un potencial eléctrico positivo. Las cargas negativas hacen lo contario, luego crean a su alrededor un potencial negativo.

¡Ojo! Voltaje ≠ potencial

A veces la gente intercambia las palabras “potencial” y “voltaje”, pero ambas, como has visto, no significan lo mismo. El voltaje no es el potencial, sino la diferencia de potencial entre dos puntos. El voltaje siempre es entre cosas. Por lo tanto, expresiones como “Este objeto y este otro están al mismo voltaje” no son correctas; es mejor decir “Están al mismo potencial” o “El voltaje entre ellas es cero”.

Una analogía puede ser el caso de las palabras “momento” (como potencial) y “retraso” (como voltaje). Tiene sentido decir “Esas dos cosas sucedieron en el mismo momento”, o “El retraso entre esas dos cosas fue cero”, pero no tendría ningún sentido decir “Esas dos cosas sucedieron en el mismo retraso”. El retraso siempre es entre dos sucesos.

El ejemplo que he puesto antes en el que tú y yo soplábamos por los extremos de una tubería no ha sido por casualidad. Dado que es tan difícil a veces imaginar lo que sucede en los cables eléctricos, es muy común utilizar analogías para explicar el comportamiento de los electrones en ellos. Una muy común es la denominada analogía hidráulica, en la que los conductores son tuberías, y las cargas móviles en su interior son el agua. Esta analogía es, como cualquier otra, una ayuda para entender cosas, pero hay que tomarla con pinzas: los electrones no son un fluido, si introducimos otras cargas móviles la cosa se complica aún más, y cualquier analogía tiene limitaciones.

En cualquier caso, en términos de esta analogía hidráulica, el potencial eléctrico es justamente la presión del agua: si hay agua en un tramo de tubería, el líquido se moverá de las presiones grandes a las menores. La diferencia de presión entre dos puntos de la tubería determina si el agua se mueve por la tubería o no. Esta diferencia de presión es la causa de que el agua se mueva, de igual modo que el voltaje –la diferencia de potencial eléctrico– es la causa del movimiento de cargas en un conductor.

Si todo te ha quedado ya claro, disculpa si me detengo un poco más en ello, porque quiero que sea evidente cómo tenemos una explicación alternativa al movimiento de cargas a partir del voltaje entre los extremos del conductor.

Podemos conseguir que los electrones del dibujo de arriba se muevan si existe un voltaje entre ambos extremos del conductor. Este voltaje o diferencia de potencial puede deberse a que haya un potencial positivo en un extremo y negativo en el otro, que haya dos potenciales positivos pero de diferente valor, que haya dos negativos pero de diferente valor, etc. Lo esencial es el valor de esa diferencia, que será tanto mayor cuanto mayor sea el desequilibrio de carga. Y las cargas se moverán hacia el potencial más grande si son negativas, y hacia el más pequeño y son positivas.

Potencial eléctrico y Ley de Coulomb

Es posible que tras leer esto te estés preguntando, y con razón, qué hemos conseguido con esta sustitución de la fuerza de Coulomb como causa del movimiento de cargas por el concepto de voltaje como causa del movimiento de cargas. ¿Por qué no haber seguido utilizando únicamente la Ley de Coulomb?

La razón última requiere, como he dicho al principio del artículo, un conocimiento más profundo del que podemos dar en este bloque introductorio, pero la cuestión es que en Física es a veces posible describir un fenómeno, y predecir comportamientos de las cosas, utilizando conceptos alternativos que pueden derivarse unos a partir de otros, es decir, que se basan todos en los mismos principios empíricos.

¿Por qué elaborar conceptos nuevos que se basan en los mismos principios, si ya tenemos otros? Porque, según el tipo de predicciones que queramos hacer, puede ser mucho más rápido y conveniente utilizar unos conceptos que otros. Gran parte de la versatilidad de nuestro conocimiento es esa diversificación de las herramientas matemáticas a partir de una misma raíz, que nos permite elegir unas u otras según lo que queramos hacer con ellas. Es posible clavar un tornillo con un martillo, pero mucho más cómodo usar un destornillador.

El potencial eléctrico está relacionado íntimamente con el concepto de energía, y en muchas ocasiones es útil trabajar con energías y no con fuerzas – de ahí que a veces la fuerza de Coulomb sea la herramienta más útil, pero que en otras ocasiones lo sean el potencial y el voltaje. En el caso de las corrientes eléctricas que llegan a nuestras casas o la que hace funcionar este ordenador, por ejemplo, la energía es una magnitud esencial, con lo que es muy común emplear voltajes, y mucho más rápido realizar cálculos a partir de ellos que a partir de fuerzas de Coulomb.


Unidad de potencial eléctrico y voltaje: el voltio

Una vez más, como sucedió con el culombio y el amperio, la unidad del potencial eléctrico (y, por lo tanto, del voltaje) recibe su nombre en honor a un científico. En este caso se trata del italiano Alessandro Volta, quien realizó extensas investigaciones sobre la electricidad en los siglos XVIII y XIX. Hablaremos más del genial Volta en el bloque, porque su pila es un ejemplo excelente para explicar cómo conseguimos esos desequilibrios de carga de los que venimos hablando todo el tiempo para generar una corriente eléctrica.

De modo que, en honor a Volta, la unidad del voltaje se denomina voltio. El voltio es, como tantas otras unidades en electricidad, una unidad derivada, no fundamental. Su definición requiere conceptos de los que aún no hemos hablado en el bloque, pero quiero darla como referencia, ya que puedes leerlo todo entero de nuevo y entonces esto tendrá más sentido para ti, en el contexto de todo el bloque:

Un voltio (V) es la diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor en el que una corriente de un amperio disipa una potencia de un vatio.

¡Ojo! Unidades en honor a personas

Ya lo hemos mencionado antes en el bloque, pero quiero hacerlo en uno de estos cuadros rojos. Se trata de una pedantería, pero si vamos a utilizar convenios, es mejor emplearlos correctamente.

Puesto que el voltio recibe su nombre del nombre propio de una persona, debe escribirse con minúscula al utilizar el nombre completo (voltio), pero con mayúscula al emplear el símbolo (V). Y, como siempre en el sistema internacional, no se pone un punto tras el símbolo (pues no se trata de una abreviatura). Incorrecto: 12 Voltios, 12 V., 12 v. Correcto: 12 V, 12 voltios.

Lo mismo sucede con muchísimas otras unidades del Sistema Internacional: los amperios (A), los culombios (C), los pascales (Pa), etc.

Aparte de que pestañees un par de veces tras leer la definición, hagámonos la pregunta pertinente: ¿cuánto es 1 V? ¿Mucho, poco o regular? Para responder a eso con detalle tenemos que avanzar en el bloque, pero no hace falta calcular nada para hacerse una idea de los voltajes involucrados en la vida cotidiana y pensar sobre ellos. ¡Eso sí, los hay muchos y muy diversos!

La transmisión del impulso nervioso en una de nuestras neuronas, por ejemplo, involucra diferencias de potencial de hasta 0,1 V. Las pilas alcalinas suelen tener un voltaje entre sus extremos de unos 1,5 V. Las baterías de coche, unos 12 V, y las de camión unos 24 V. Mi ordenador, unos 20 V. Los enchufes de las casas, dependiendo del país, entre 100 y 230 V. Los cables de alta tensión, unos cuantos cientos de miles de voltios, y un rayo puede involucrar voltajes de millones de voltios.

Es decir, que el rango es gigantesco. Una vez más, por cierto, a la pregunta “¿A partir de qué voltaje hay peligro?” tengo que contestar “Depende”. Como digo, hace falta que avancemos más para responder en detalle, pero puedo decirte que el voltaje involucrado cuando te da un chispazo el chasis del coche tras un viaje es de miles de voltios y no te pasa nada, mientras que una batería de coche de 12 V puede acabar con tu vida… con lo que el voltaje por sí solo no es suficiente información. Desde luego, si todas las demás variables son iguales, cuanto mayor sea la “presión eléctrica” más peligro existe, pero ese “si todas las demás variables son iguales” puede ser mucho suponer, con lo que hay que estudiar cada caso por separado.

Para que te hagas una idea, aunque no vayamos aún a utilizar fórmulas, si te encuentras a 1 cm de un electrón, el potencial será de unos -1,44·10-7 voltios, es decir, unos -0,144 microvoltios –y 0,144 microvoltios, positivos, si se trata de un protón–. Pero claro, en la vida real, como hemos visto antes, las cargas son bastante mayores. Si estuvieras a 1 cm de 1 culombio de carga positiva el potencial eléctrico sería de nada más y nada menos que 9·1011 V…¡casi un billón de voltios! Pero claro, ya dijimos cuando hablamos del culombio que estar cerca de una carga “desnuda” de 1 C es una brutalidad, ¡imagina estar a 1 cm de ella!


Potencial y equilibrio eléctrico

Una de las razones por las que el voltaje es muy útil para describir sistemas físicos en los que hay involucradas cargas eléctricas es porque, con él, es posible visualizar fácilmente si un sistema está en equilibrio o no. Volvamos a estudiar nuestro conductor con desequilibrio de cargas externas una vez más, pero vayamos un paso más allá que hasta ahora empleando el concepto de voltaje que hemos aprendido hoy. Ésta es la situación inicial:

Metal con desequilibrio de cargas

¿Existe un voltaje entre los extremos del conductor? Espero que tu respuesta sea que sí. Los electrones del conductor están distribuidos inicialmente más o menos al azar por todo el cuerpo, pero fuera de él hay dos cargas externas no equilibradas: un electrón a la derecha y un protón a la izquierda. El potencial eléctrico del extremo derecho, por tanto, es negativo, mientras que el potencial izquierdo es positivo: existe una diferencia de potencial, es decir, un voltaje.

A causa de él, como ya hemos dicho varias veces con explicaciones alternativas, los electrones del conductor se irán moviendo hacia la izquierda, hasta que acaben relativamente “apelotonados” como mostramos antes, momento en el que se detendrán:

Metal en equilibrio

Ah, bien… utilicemos ahora el concepto de voltaje como fuente del movimiento de cargas. Si hay un voltaje entre los extremos, las cargas se mueven. Pero ahora las cargas no se están moviendo, luego el voltaje entre los extremos es cero. ¡El potencial eléctrico es exactamente el mismo en ambos extremos del conductor! Si no fuera así, los electrones se moverían hasta que así sucediese.

Las cargas externas al conductor crean potenciales externos que, evidentemente, no son iguales: negativo a la derecha, positivo a la izquierda. Pero observa lo que han hecho nuestros electrones: se han ido hacia la izquierda. Como hay más a la izquierda, el potencial creado por ellos es negativo a la izquierda, y como hay menos electrones a la derecha, en el extremo derecho el potencial creado por el propio conductor es positivo. De hecho, el movimiento de los electrones se producirá hasta que suceda exactamente eso: que el potencial interno positivo equilibre el potencial externo negativo a la derecha, y justo lo contrario a la izquierda. ¿La consecuencia final? Que las cargas del conductor se paran cuando han equilibrado el voltaje que había entre sus extremos.

Fíjate lo que sucede si quitásemos el protón y el electrón externos: ahora volvería a haber un voltaje entre los extremos del conductor, un voltaje exactamente opuesto al de antes, pues sería únicamente el creado por el propio conductor (que era igual al de fuera pero justo al contrario). Y, como consecuencia, los electrones volverían a moverse por el conductor, volviendo a distribuirse uniformemente por él, de modo que la diferencia de potencial entre los extremos vuelva a ser cero.

Es decir, que del mismo modo que el voltaje es la causa del movimiento de cargas, la consecuencia del movimiento de cargas es la ausencia de voltaje –salvo que nosotros, de algún otro modo, mantengamos el desequilibrio–, ya que las cargas se mueven por un conductor precisamente para equilibrar el voltaje. Utilizando la analogía hidráulica que hemos mencionado antes, imagina que tienes dos barriles idénticos, unidos por una tubería cerca de la base, y que uno de los barriles contiene más agua que el otro:

Barriles y potencial 1

Existe una diferencia de presión entre los extremos de la tubería que une los barriles: hay más presión en el lado del barril más lleno que en el otro. Esa diferencia de presión es la causa de que el agua empiece a moverse, desde el barril más lleno hacia el otro. Al final, lo que tendremos será algo así:

Barriles y potencial 2

Es decir, la diferencia de presión ha causado un movimiento del agua, y el movimiento del agua ha eliminado la diferencia de presión. El desequilibrio origina un movimiento que hace desaparecer ese desequilibrio. Lo mismo sucede con los conductores: un voltaje entre sus extremos origina un movimiento de cargas que tiende a eliminar ese voltaje, y cuando eso se ha conseguido, el movimiento se detiene.

Esto significa que es difícil mantener un voltaje entre dos puntos de un conductor, lo mismo que es difícil mantener una diferencia de presión en el agua entre los dos barriles. En el caso de nuestro conductor de arriba, los electrones se mueven durante cierto tiempo, pero una vez que han equilibrado el potencial en ambos lados, se paran. Puesto que, en la vida real, queremos crear corrientes eléctricas que no duren sólo un poquito de tiempo sino que se mantengan durante todo el tiempo que queramos, creo que la conclusión lógica es evidente: necesitamos una manera de forzar la diferencia de potencial, de modo que las cargas se muevan pero nunca consigan equilibrarla.

El caso de los aislantes es distinto: como mencioné en el artículo anterior, las cargas en ellos no pueden moverse demasiado bien. De ahí que sí sea posible tener una diferencia de potencial permanente, que no desaparezca, en un aislante. Pero claro, ¿a cambio de qué? A cambio de que las cargas no se muevan. En un aislante es posible lograr un statu quo en el que hay un voltaje entre dos puntos del material, y ese voltaje no desaparece porque las cargas no se mueven.

Este diferente comportamiento entre conductores y aislantes puede cuantificarse, y se hace todo el tiempo. El voltaje es la causa del movimiento de cargas, es decir, de la corriente eléctrica, pero esa corriente puede ser de gran magnitud en unos cuerpos y de pequeña (o incluso ninguna) magnitud en otros, dependiendo de la naturaleza de cada cuerpo. Y la manera de cuantificar esta relación entre el voltaje y la corriente que produce ese voltaje es un concepto nuevo, al que dedicaremos el próximo artículo del bloque: la resistencia.


Ideas clave

Aquí tienes las ideas fundamentales que debes tener claras para afrontar los artículos posteriores:

  • El potencial eléctrico es una suerte de “presión eléctrica” creada por el desequilibrio de cargas.

  • Las cargas positivas crean a su alrededor un potencial positivo, y las negativas crean un potencial negativo.

  • El voltaje es la diferencia de potencial entre dos puntos, y se mide en voltios (V).

  • Si entre dos puntos hay un voltaje, las cargas se moverán de uno a otro hasta equilibrarlo, y entonces se pararán.

  • Aunque el voltaje sea el mismo, cuerpos diferentes se comportan de manera distinta ante él, dependiendo de lo bien que conduzcan la electricidad.


Hasta la próxima…

Desafío 4 - Impulso nervioso

El desafío de esta semana es puramente de investigación. Como probablemente sabes, y de hecho lo hemos mencionado en este mismo artículo, los impulsos nerviosos en nuestro propio cuerpo involucran diferencias de potencial de varias decenas de milivoltios. Si la transmisión del impulso nervioso involucra un desequilibrio de carga, aunque sea tan pequeño, es que hay cargas involucradas que se mueven de algún modo.

De modo que la pregunta de hoy es doble. Por un lado, ¿qué cargas están involucradas en el impulso nervioso, electrones o alguna otra cosa? Y por otro lado, si hemos dicho que los desequilibrios de cargas no duran porque éstas se mueven en un conductor para compensar el desequilibrio, ¿cómo crea nuestro cuerpo esos voltajes de unas decenas de milivoltios?

Puedes encontrar la información en muchos sitios diferentes, con niveles más básicos o más avanzados, pero para contestar a estas dos preguntas no hace falta un manual universitario ni mucho menos. De hecho, el objetivo es por un lado que te busques las castañas para obtener información y, por otro, que seas capaz de extraer la información relevante de la maraña que puedes encontrar con muchísimas cosas que sobran para contestar a esto. Desde luego, cuanto más leas sobre el tema más aprenderás, pero no es necesario que llegues demasiado lejos.

Además, la respuesta a estas preguntas será muy útil para que comprendas la entrada que vendrá después de la siguiente, de modo que tal vez te merezca la pena investigarlo un poco simplemente para estar preparado y que las cosas te suenen entonces. En este caso, no daremos una solución al desafío, pues puedes encontrarla en Wikipedia o cualquier otra enciclopedia; simplemente te recomendamos que leas y pienses sobre ello hasta ser capaz de dar respuesta a estas dos preguntas.

Aviso: Si sabes la respuesta, no la digas en comentarios. El objetivo de este desafío es hacerte investigar, no que demuestres a nadie lo que sabes. Puedes encontrar este artículo y otros como él en el número de diciembre de 2009 de nuestra revista electrónica, disponible a través de Lulu:

Electricidad

39 comentarios

De: Brigo
2009-12-02 20:22:26

En "la unidad del potencial eléctrico (y, por lo tanto, del voltaje)" ¿No debería ser "diferencian de potencial eléctrico" en vez de "potencian eléctrico"?


De: Pedro
2009-12-02 20:26:42

Brigo, la unidad del potencial es la misma que la del voltaje -- el voltaje es la diferencia de potencial, luego el voltaje y el potencial se miden en lo mismo (voltios).


De: Runik
2009-12-03 00:19:52

Me encantan estos artículos sobre la electricidad!

Estoy estudiando ingeniería eléctrica y, cada vez que te leo, me doy cuenta de lo inculto que soy en mi especialidad. Tus artículos me ayudan mucho para tener los conceptos superclaros y también para poder expresarme con propiedad. Gracias por compartir tu tiempo y tus conocimientos con los demás.

Por cierto, me gusta tu estilo, se hace muy ameno leerte.

Un 9.5! (el 10 me lo reservo para otra ocasión ;)

Saludos!


De: Runik
2009-12-03 00:26:10

Por cierto, a mí me gusta más utilizar la palabra "tensión" en vez de voltaje. Normalmente entre compañeros la utilizamos como sinónima, ¿son sinónimos? Lo pregunto porque en ningún momento de tu artículo veo que te refieras al voltaje como tensión, y me parece cuanto menos sospechoso :D

Voltage me suena como traducido directamente del inglés, o derivado del voltio.

Bueno, no me enrrollo. Me gustaría que me aclararas esa dudilla :P


De: Pedro
2009-12-03 07:43:18

Runik, sí, tensión también está bien dicho, ahora la añado al artículo, ¡gracias! :)


De: JFlores
2009-12-03 12:38:15

Muy ilustrativo el artículo Pedro, aunque en la carrera hace tiempo que hemos tenido que pasar por estos conceptos, ahora estamos inmersos en el Electromagnetismo.
Un saludo!


De: kemero
2009-12-03 17:01:01

La verdad es que no se como aprobé Electrotecnia... al leer esto me doy cuenta de que NO SE NADA!!!

Una explicación muy rigurosa, excelente.

No se si ya lo habías mencionado en el anterior artículo, pero cuando hablas de los vatios, sería bueno un paréntesis que diga "watts" (espero no haber sido el único en tener que buscarlo en la wiki) porque en algunas cátedras esa palabra no se usa grrrrrrrr....

cristalino!


De: Macluskey
2009-12-03 17:30:35

Bueno... yo sí sé cómo aprobé Electricidad de Segundo (hace una pila de años): ¡Copiando como un fiera! No tenía ni idea. Y ahora me estoy enterando por fin. Claro que... ya veremos cuando Pedro llegue a la corriente alterna y aparezcan los senos y los cosenos por doquier. Lo más seguro es que dimita...

Muy buen artículo. Y no he pillado errata alguna. Excelente!!


De: joselo
2009-12-03 19:19:41

hola pedro, mi pregunta no es tan ligada al artículo pero ojalá me la puedas responder, este artículo de elctricidad no está en la pestaña de series; ni en series ni en miniseries, si lo quiero buscar más adelante ¿dónde lo puedo buscar? o ¿tienen otro lugar donde haya series menos visitadas o algo así?


De: Pedro
2009-12-03 20:03:23

joselo, es que no he cambiado aún la página de Series, pero ahí es donde estará en cuanto la modifique para añadir los "Bloques", gracias por recordármelo :)


De: Zetterström
2009-12-03 22:01:15

Que bueno el artículo! Gracias, Pedro! ¿Para cuando lo de Volta?


De: Miguel
2009-12-04 19:29:49

Gracias


De: Garcius
2009-12-05 02:14:56

Hola Pedro.
Si lo entiendo bién ,un voltio es igual a la diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor, que crea una corriente de X amperios, donde X depende del tipo de conductor.
Esta es la mejor definición que se me ocurre con lo que sabemos hasta ahora, pero no se si sería muy util, ¿es por eso que necesitamos de esa otra manera de definirlo que has utilizado, que ahora mismo no entiendo, una manera que sea independiente del conductor o algo así ?.


De: Pedro
2009-12-05 08:46:02

Garcius,

No, la manera en la que lo he definido también depende de la naturaleza del conductor :) Es simplemente que es la definicón oficial.


De: Garcius
2009-12-06 14:58:45

Vaya, pues está claro que habrá que esperar a próximas entradas para aclararme con esto.
Otra duda que me queda.
En el ejemplo del dibujo tenemos 16 átomos al que aplicamos un voltaje de un "electrón y un protón", y entre dos puntos del conductor medimos el paso de 2 electrones, (uno por cada fila de átomos), y en un tiempo determinado, (desde que notan la diferencia de potencial hasta que se equilibran las cargas). Entiendo que si aumento el voltaje, aumenta la velocidad en la que ocurre este suceso y el número de electrones involucrados, por lo que aumenta la intensidad de corriente por ambas razones.
La cuestión es, si utilizo un conductor mas grueso, digamos que tres filas de átomos, y el mismo voltaje, (un protón-electrón), entonces tenemos 24 átomos con sus 24 electrones discolos, y mediriamos el paso de 3 electrones, pero no se si se desplazarian a la misma velocidad que en el primer caso, con lo que aumentaría la intensidad medida, o lo harían mas despacio, con lo que la intensidad sería la misma para el mismo voltaje, independientemente del "grosor del cable".
No se si me estoy liando demasiado, pero me gustaría que alguien me aclarara un poco esto


De: Garcius
2009-12-06 15:15:34

Bueno, también puede ser que la velocidad sea la misma, y el número de electrones involucrados también, aunque haya más en el cable, con lo que la intensidad seria la misma.

Resumiendo, si aumento el grosor del cable, ¿aumenta la intensidad con el mismo voltaje?


De: Pedro
2009-12-06 17:25:44

Garcius, la relación intensidad-voltaje, la resistencia y algo de lo que la determina (como, por ejemplo, el grosor del cable) serán todos tratados en la siguiente entrada del bloque. Pero, básicamente, la posibilidad que planteas que más se parece a la realidad es la de que, al aumentar el grosor del cable, con el mismo voltaje la intensidad es mayor porque hay más electrones móviles en el cable. Si esperas al siguiente artículo, tal vez se te aclaren las dudas, aunque tal vez no, no lo sé.


De: Jerbbil
2009-12-06 22:21:15

Buenas noches.

Escelente artículo, como siempre, y me ha quedado bastante clarita esta idea básica de lo que es el voltaje. Es curioso, cuanto más leo esta serie, que es de mis favoritas, más preguntas me surgen. Por ejemplo: me acaba de quedar clarinete que para que haya un voltaje hacen falta DOS sitios, uno con más potencial eléctrico y otro con menos, y además que estén conectados. Sin embargo, hay aparatos que ELLOS SOLITOS traen una placa donde dice qué voltaje tienen. ¿Ein? ¿Cómorl?

O sea, profe, que no sólo explicas meridianamente bien los conceptos que quieres explicar, sino que además, tus explicaciones abren el "hambre" de investigar y saber más.

Dónde estarías cuando yo hice el bachillerato... (jua jua, probablemente haciendo EGB, que ya tengo algunas canas... pena que los de la vieja guardia no se te parecieran un poquito.)

Saludos y felicitaciones.


De: Pedro
2009-12-06 22:29:36

Jerbbil, mucho me temo que, como Garcius, te va a tocar esperar :P Es que, si me dedico a contestar dudas en comentarios de cosas que caerán tarde o temprano (bueno, tarde en este caso), entonces estoy escribiendo el artículo en un comentario... pero no quedaría igual de extenso, ni lo pensaría lo suficientemente bien, con lo que sería menos claro. (Con esto no estoy diciendo que nadie conteste, por cierto).

Respecto a lo demás... seguramente estaría en la EGB, pero seguramente habría profes buenos y malos entonces, como ahora :)


De: Garcius
2009-12-07 07:04:04

Jerbbil, no sé si te entiendo bién la pregunta, pero si te refieres por ejemplo a una batidora, que trae una placa que pone 220V, quiere decir que ese aparato trabaja bién con ese voltaje, no que lo tenga, o si no, no sé a que aparatos te refieres que digan que tienen voltaje, aparte de pilas y generadores, pero ya me ha entrado la curiosidad.


De: Perroleo
2009-12-08 20:20:28

Puede que sea una tontería, más si me baso en lo poco que he leído de este tema. Pero estaba pensando que la lógica de las cargas eléctricas para aplicarla como si se tratase de la gravedad. Si generemos un objeto que tenga sus miles de millones de C pero únicamente de una de las dos polaridades ¿este no atraería hacia el a los objetos neutros (o negros) que tenga a su alrededor intentando equilibrarse? Funcionaria como un mini agujero negro?


De: Naeros
2009-12-08 22:35:07

@Jerbbil, creo que en algunos casos la cuestión está en que hay un punto de referencia (de lo que imagino que hablará Pedro más adelante, la masa o tierra). De todas formas también creo que hay un fallo en ver el objeto entero como algo que tiene un único potencial él solo. Por ejemplo, podría ser que esa diferencia de potencial se dé entre dos puntos del mismo =)


De: Angel
2009-12-09 14:45:36

Perroleo: no lo haría, ya que la fuerza que ejercería tu objeto cargado con tropecientos culombios sobre el cuerpo neutro sería nula: las partes positivas serían atraidas (suponiendo que el "agujero negro" fuera negativo) mientras que las partes negativas serían repelidas con la misma fuerza. Lo que podría suceder es que el objeto neutro fuera destrozado si la fuerza de atracción que sufre la parte positiva fuera mayor que las fuerzas de cohesión que la mantienen unida a la parte negativa.


De: Perroleo
2009-12-09 15:46:42

@Angel, si tomamos el experimento que se hacia hace un par de artículos, el del agua del grifo y el peine, o cualquier experiencia con estática no me queda otra que reafirmarme en que un objeto que sea solo de un valor (positivo por ejemplo) atraería a todo objeto neutro intentando equilibrarse. ¿Porque no se destroza si repele su parte positiva y atrae a su parte negativa? Porque la parte positiva del objeto neutro esta mucho mas cerca de la parte negativa, que del objeto externo positivo. Con lo que la con que esta unido el objeto neutro siempre será superior a la del objeto positivo. Con lo que el objeto positivo atraería al objeto neutro como ocurre con cualquier fenómeno de electricidad estática.


De: koko
2009-12-09 19:04:15

Hola Pedro tngo una pregunta q no es del artículo, bueno desde que empecé a leer el tamiz he querido publicar algunos artículos, pero no encuentro nin´gún link, mi prgunta es si solo puedo publicar en El Cedazo?


De: Pedro
2009-12-09 19:05:02

koko, sí, el blog comunitario es El Cedazo, aquí sólo publico yo :)


De: koko
2009-12-10 04:44:36

ah¡ de acuerdo muchas gracias porque ultimamente he estado tratando de escribir algo acercade la teoría de las cuerdas y la ley M que creo que es la parte más interesante de la física; si tuvieras alguna información acerca de esto te agradecería que me la enviaras a mi correo


De: perroverde
2010-02-27 00:01:53

Hola: Alguíen me puede ayudar...Bajo que circunstancia una persona diria esto: “Este objeto y este otro están al mismo voltaje”.. comprendo lo que dice pedro (q eso esta mal), pero no lo llego a asociar con algo. Gracias y saludos!!


De: Hawkman
2011-11-25 19:08:08

Yo lo que no veo claro es la respuesta al desafío.

Pero una cosa es la velocidad del movimiento de los electrones y otra cosa es la velocidad a la que se transmite ese movimiento.

Si mi ordenador se enciende con agua fria, entonces el agua caliente no es lo que hace que funcione. Con lo visto en este artículo, entiendo que el cable que va del transformador a mi ordenador tendrá un potencial, aunque mi ordenador este apagado (la tubería está llena de agua). Cuando enciendo mi ordenador aparece un voltaje entre el cable y mi ordenador, empezarán a desplazarse electrones, que lo harán de forma consecutiva (el agua empieza a correr). Lo que tarde el agua que acaba de salir del grifo (transformador) en llegar a mi ordenador dependerá de la distancia a la que este.

A fin de cuentas el transformador lo que hace es mantener el voltaje. Si el grifo está cerrado el agua saldrá (suponiendo que el extremo de la manguera este mas bajo - hay un voltaje-) con una determinada fuerza y se irá parando hasta que deje de salir.

Por tanto la velocidad a la que se mueven los electrones debe ser la misma que la velocidad a la que se transmite ese movimiento, entendiendo que lo que hace que funcione mi ordenador es el movimiento de los electrones y no lo que sea (otra cosa) que transmite ese movimiento.


De: Pedro
2011-11-25 19:17:58

Hawkman,

Imagina que tenemos un collar de cuentas muy largo. Tú tienes un extremo y yo el otro. Si yo empujo la primera cuenta de mi extremo hacia ti, desplazando todas las cuentas una posición, la última cuenta (la más próxima a ti) se caerá del collar. Si sigo haciendo lo mismo, una tras otra todas las cuentas de tu extremo serán desplazadas y se caerán hasta que sea mi propia cuenta la que, empujada por mi dedo y más sola que la una, se salga por tu extremo del collar al final.

¿A qué velocidad se han movido las cuentas por el collar? Todas a la misma: la velocidad con la que yo empujo la mía. Podríamos calcularla: la longitud del collar entre el tiempo que ha tardado mi cuenta en atravesarlo entero.

¿A qué velocidad se ha transmitido el impulso? A una mucho mayor. Podríamos calcularla: la longitud del collar entre el tiempo que ha tardado tu primera cuenta en caer tras mi empujón a la cuenta de mi extremo.

Si quisieras poner las cuentas a realizar un trabajo, por ejemplo, golpeando un tambor según caen por tu extremo, podrías empezar a realizar trabajo desde el mismo instante en que la primera cuenta, la que estaba junto a ti, cae del collar sobre el tambor. No te haría falta en absoluto esperar a que la cuenta que hay junto a mí (los electrones en el transformador) te alcancen, mucho antes ya tienes cuentas moviéndose junto a ti y realizando trabajo.


De: Juan Carlos
2011-11-26 00:21:09

Si todos los profesores fueran como Pedro.....!!!

Hubiésemos muchísimos menos ignorantes, regados por el mundo :D


De: Hawkman
2011-11-27 11:28:10

Gracias Pedro por tu respuesta. El ejemplo lo entiendo, y ya veo donde estaba confundido.

Si suponemos que el collar mide un metro, y cada cuenta mide un milimetro. Y supones que tu cuenta tarda un segundo en caer por mi extremo del collar, esta viaja a una velocidad de un metro por segundo. Yo lo que veía es que mi cuenta que está a un milimetro de caer se mueve a una velocidad de un milimetro por milisegundo, que es la misma velocidad que la tuya, obviamente lo que no será igual será el tiempo que tardan en caer cada una, que es debido a la distancia que recorren que es distinta.

Sin embargo, entiendo que el tema está en que se considera que el que caiga mi cuenta es causada por que tu empujas la tuya, y que por tanto ese impulso si se transmite a una velocidad mucho mayor. En este ejemplo ese impulso recorrerá un metro en un milisegundo.

Lo que ya no está tan claro es ¿que es ese impulso? pero eso ya es otro tema. Si el que suene el tambor es debido a que es golpeado por una cuenta, la cadencia de golpeos solo depende de la velocidad a la que se mueven las cuentas que es la misma para todas. Sin embargo el tiempo para el primer sonido depende de la distancia a la que este la primera cuenta que cae, no la última.

En cualquier caso la diferencia entre la velocidad del impulso y de la cuenta la veo.


De: David Germán
2011-12-23 06:40:08

Soy psicólogo y te entendí claramente. Su estilo, sencillez y coherencia es de "me gusta". Enhorabuena, profesor.


De: Rugof
2012-04-18 20:03:36

Lo primero, mi sincerísima enhorabuena por las páginas de El Tamiz y El Cedazo. Acabo de descubrirlas hace poco y la verdad es que estoy enganchadísimo.
En primer lugar, yo creo que el ejemplo del agua caliente puede resultar algo confuso, no porque sea inadecuado, sino por nuestra propia concepción o idea de lo que implica el "agua caliente" : al ducharnos, el agua caliente es el objetivo. En el simil con el ordenador, éste funciona en cuanto empieza a pasar agua por él, no hace falta una temperatura concreta del agua para que funcione. Pero en nuestra mente podemos asociar que hasta que el agua no está caliente "no puedo" empezar a ducharme, es decir, no puedo empezar a usar el ordenador. Pero el ordenador se ha encendido en cuanto he abierto el grifo, al ordenador no le importa si el agua está fría o caliente, otra historia es que yo solo quiera usarlo cuando le llegue el agua caliente. Creo que el ejemplo de las cuentas es más fácil de comprender.
En segundo lugar, comentar la respuesta que había pensado para el desafío. Cuando enciendo el ordenador, estoy permitiendo la existencia de corriente eléctrica dentro del cable, es decir, estoy generando el movimiento de cargas en una dirección y sentido concretos. Dado que la carga es una propiedad de las partículas debida a la fuerza electromagnética, podríamos reformular la pregunta de la siguiente forma: ¿A qué velocidad se transmite la fuerza electromagnética?. Si la pregunta está bien formulada (eso es lo que espero que me puedas aclarar), utilizando el enfoque "relativamente moderno" que le diste al primer artículo, podríamos decir que dado que el fotón es la partícula transmisora de la fuerza electromagnética, la velocidad de la transmisión del movimiento de los electrones será la de los fotones viajando a través del cobre.

Muchas gracias por tu altruismo!!!


De: Raúl
2013-10-12 20:04

Señor Gómez-Esteban: no he encontrado un mail de contacto, así que aprovecho el espacio de comentarios de esta misma entrada para advertirle del error de formato con el colorido. Usted mismo lo apreciará en cuanto la revise.

Por supuesto, tómese la licencia de no publicar esto. Un saludo.

De: Pedro
2013-10-12 20:15

¡Gracias, Raúl! Ahora mismo lo corrijo. Tengo que añadir una página de "contacto" en alguna parte pero aún no lo he hecho :)

De: María
2013-11-03 10:55

Eres fantástico explicando las cosas, llevo intentando entender esto desde hace 4 años. No sé porque, pero cuando leía sobre este tema creía que era tan torpe...., ahora entiendo que lo que pasaba era que no había, hasta ahora, artículo o libro con explicase tan claras, tan sencillas, tan amenas como las que tú das. Es increíble cómo un libro o artículo puede liar tanto siendo tan sencillo al leer tus explicaciones. Gracias.

De: Luis
2014-10-31 18:07

Una pregunta sencilla y directa. Creo yo. No se si es un absurdo, pero si el transformador lo que da es el impulso para que los electrones se mueva y lleguen al ordenador, eso quiere decir que cuando la suministradora nos da electricidad, lo que nos llega al PC es el sobrante de lo que quedó en el cable en el último uso. ¿Habría alguna forma de "puentear" a la suministradora y aprovechar esa energía latente en el cable sin necesitar de su impulso? Por lo que cuentas son varias horas de energía hasta que entra el primer electrón.

De: Argus
2014-11-04 14:23

Luis, la suministradora produce la energía necesaria para empujar "el sobrante que quedó en el cable tras el último uso", como dices. Precisamente la energía necesaria para mover eso es lo que pagamos en el recibo de la luz. Lo de menos es si el electrón que están empujando en ese momento te llega a ti al cabo de unas horas. No te están vendiendo electrones concretos, sino la energía que hace falta para moverlos.

Escribe un comentario

Todos los comentarios deben ser aprobados por un moderador antes de ser publicados. Si quieres puedes usar markdown. Todos los campos son opcionales excepto el cuerpo del comentario, claro:

Nombre:
E-mail: (privado, para que aparezca tu gravatar)
Sitio web:

« Imágenes - STS-129 Durante la semana #34 - Premios Nobel - Física 1903 (Antoine Henri Becquerel, Maria Skłodowska-Curie y Pierre Curie) »