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.

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:

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:

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.

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.

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.

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:

¿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:

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:

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:

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…