2.4: Energía y Voltaje

La energía se define como la capacidad de hacer trabajo. Se denota con la letra\(W\). La unidad básica es el joule aunque en ocasiones se utilizan otras unidades (por ejemplo, la caloría o el kilovatio-hora, kWh).

Figura 2.4.1 : Definición de voltaje como trabajo para mover carga.

Si tuviéramos que mover una carga de un punto a otro (por ejemplo, separar un electrón de un átomo), tendríamos que gastar energía para hacerlo. Esto se ilustra en la Figura 2.4.1 . En esta Figura, diríamos que\(B\) tiene un mayor potencial eléctrico que\(A\). En otras palabras, hay una diferencia de potencial entre\(B\) y\(A\). Nos referimos a este cambio como voltaje. Se denota por la letra\(V\) (o a veces\(E\) ¹) y tiene unidades de voltios, en honor a Alessandro Volta. Un voltio se define como un julio por culombio.

\[1 \text{ volt } \equiv 1 \text{ joule } / 1 \text{ coulomb } \label{2.3} \]

Como se puede adivinar, cuanto mayor sea la carga a mover, mayor será la energía requerida. Expresado como una fórmula,

\[V = W / Q \label{2.4} \]

Dónde

\(V\)es el voltaje en voltios,

\(W\)es la energía en julios,

\(Q\)es la carga en culombios.

A diferencia de la corriente, el voltaje siempre implica dos puntos para la medición porque implica una diferencia. A menudo, uno de los puntos es una referencia común, como tierra a tierra o una tierra de circuito (es decir, tierra del chasis). En ocasiones la gente se referirá a un punto en un circuito como que tiene cierto voltaje, ya que en “el punto\(X\) es de 12 voltios”. Aunque es común en su uso, esto es algo descuidado y no estrictamente correcto. Es importante recordar siempre que este valor es relativo a algún punto de referencia. Como regla general, se denotará una tensión utilizando los dos puntos como subíndices, por ejemplo,\(V_{AB}\), es decir, la tensión en punto\(A\) relativo al punto\(B\). Si solo se usa un único subíndice, como en\(V_A\), entonces se asume que el segundo punto, o referencia, es el sistema común o terreno. En este caso, nos referimos al voltaje en punto\(A\) relativo al punto común del sistema. Por último, por definición\(V_{AB} = V_A − V_B\),, ya que tienen la misma referencia.

Ejemplo 2.4.1

Se gastan 100 julios para mover una carga de 20 culombos de punto\(A\) a punto\(B\). Determinar el voltaje resultante.

\[V_{BA} = \frac{W}{Q} \nonumber \]

\[V_{BA} = \frac{100 J}{20C} \nonumber \]

\[V_{BA} = 5 V \nonumber \]

Tenga en cuenta que es posible que un voltaje sea negativo. Esto simplemente significa que el potencial en el punto de interés es menor que el del punto de referencia. En Ejemplo 2.4.1 descubrimos que el punto\(B\) está cinco voltios por encima del punto\(A\). Podríamos decir fácilmente que el punto\(A\) está cinco voltios por debajo del punto\(B\), o\(V_{AB} = −5\) V. Además, podemos afirmar la diferencia en términos de los voltajes individuales referenciados a tierra, o\(V_{BA} = V_B − V_A\).

Electricidad estática y ESD

Si bien obviamente es cierto que los voltajes más altos implican mayores energías asociadas (la carga se mantiene constante), no es cierto que un voltaje particularmente alto sea necesariamente letal. Esto se debe a que se puede lograr un voltaje muy alto moviendo una pequeña carga con solo una modesta entrada de energía. Un buen ejemplo de esto es la electricidad estática, llamada así porque no está asociada a una corriente móvil.

La electricidad estática se genera comúnmente a través del efecto triboeléctrico que implica la transferencia de electrones de un material a otro a través del contacto físico como frotamiento o raspado. Si dichos materiales son buenos aislantes eléctricos, las cargas permanecerán sobre los materiales y se pueden construir a niveles muy altos, creando una gran tensión. Muchos plásticos, como el poliestireno y el poliéster, son buenos candidatos. El efecto se puede notar con ciertos tejidos, especialmente bajo baja humedad. Por ejemplo, quitarse un jersey o una chaqueta de vellón de poliéster puede provocar cierto crujido. El deslizamiento del vellón acumula la carga y eventualmente el voltaje será tan grande que se arqueará a través del aire hacia los objetos circundantes que tienen un voltaje más bajo. Esto sucede rápidamente sobre muchas partes de la prenda, siendo cada crujido un arco individual. De hecho, si se intenta en la oscuridad, es posible ver una cascada de pequeñas chispas. Este es el mismo fenómeno que provoca una chispa cuando tocas un auto después de deslizarte del asiento en un día de invierno frío y seco, o un pequeño choque cuando tocas un objeto (u otra persona) después de caminar por una alfombra en una biblioteca seca.

Figura 2.4.2 : Efecto triboeléctrico y electricidad estática: El pelaje de gato se encuentra con el poliestireno.

Cualquiera que haya abierto una caja llena de poliestireno empacando cacahuetes puede dar fe de la naturaleza problemática del efecto triboeléctrico, ya que los cacahuetes muy ligeros pueden adherirse fácilmente a otros objetos debido a la carga eléctrica generada a través de su desplazamiento. Ninguna cantidad de cepillado maníaco o lanzamiento de las piezas reducirá el efecto y puede, de hecho, empeorarlo. Una solución simple en algunos casos es rociar una fina niebla de agua sobre los cacahuetes de empaque ya que el agua proporcionará una vía de conducción, drenando las cargas. Por supuesto, esto no será apropiado en todas las situaciones, particularmente en la que se muestra en la Figura 2.4.2 . En los ejemplos anteriores, el voltaje estático puede ser del orden de unos pocos miles de voltios pero la energía asociada puede ser solo de unos pocos microjulios. A pesar del alto voltaje, esto no es suficiente para matar a alguien. Por otro lado, el mismo voltaje logrado con una carga y energía mucho mayores podría ser letal.

Más allá de sus simples inconvenientes y capacidades de entretenimiento felino inadvertido, el alto potencial estático puede dañar los dispositivos electrónicos sensibles. Se debe tener cuidado para evitar la acumulación accidental de cargas dañinas. En la industria electrónica esto se conoce comúnmente como ESD, o descarga electrostática. Los pasos para reducir la ESD incluyen el control de la humedad y el uso de dispositivos conductores como muñequeras resistivas para que los técnicos sangran continuamente las cargas, evitando así la creación de un alto potencial estático.

La analogía de la altura

Así como el flujo de agua puede verse como una analogía para la corriente eléctrica, una analogía útil para el voltaje implica presión o altura. De hecho, a veces el voltaje se conoce como “presión eléctrica”. La analogía de altura une los conceptos de voltaje y energía. En esta analogía, la altura corresponde al voltaje y la masa corresponde a la carga.

Para comenzar, observamos que existen dos tipos de energía: la energía cinética, o energía del movimiento; y la energía potencial, o energía en virtud de la posición. La energía potencial es producto de la masa, la gravedad y la altura, o\(w = mgh\). Manteniendo la gravedad igual, vemos que cuanto más masa tenga algo o cuanto más arriba esté, mayor será su energía potencial. Podríamos pensar en la energía potencial como el potencial del objeto para infligir daño cuando se libera.

Figura 2.4.3 : Entendiendo el voltaje: David Hume hace un encabezado.

Para ilustrar, llamaremos al filósofo escocés del siglo XVIII y destacado fanático del fútbol ², David Hume. Si un balón de fútbol se mantiene estacionario sobre la cabeza del Sr. Hume, como se muestra en la Figura 2.4.3 , el balón tiene energía en virtud de su posición. Liberar el balón de la posición mostrada apenas molestará al señor Hume ya que hay poca energía asociada a esta posición relativa a la parte superior de su cabeza. De hecho, estaría muy presionado para encabezar el balón a otro jugador. Si, por otro lado, la pelota se sostenía considerablemente más alta, su energía potencial sería mucho mayor. Por lo tanto, el impacto en la cabeza del señor Hume se incrementaría dramáticamente y tendría pocas dificultades para dirigir la pelota hacia abajo campo (es decir, la transformación de la energía potencial en energía cinética), aunque las posibilidades de que gane una conmoción cerebral aumentan mucho.

Así, observamos que la altura de la pelota nos da alguna idea de su energía potencial, aunque estos términos no son sinónimos. Es decir, si, en lugar de una pelota de fútbol, hubiéramos usado una pelota de ping-pong, incluso cuando se cayó desde una altura extrema, las posibilidades de una conmoción cerebral son inexistentes ³. Por otro lado, si la pelota hubiera sido reemplazada por una hecha de hierro sólido, una caída incluso desde una altura modesta podría hacer que nuestro más excelente filósofo muriese seriamente. Así es con voltaje. Si la carga asociada al voltaje es pequeña, incluso un voltaje relativamente alto no será letal (como en el caso de la electricidad estática simple en la ropa), sin embargo, si se asocia con una carga suficientemente grande, un voltaje mucho menor puede ser mortal

Referencias

¹\(E\) se utiliza para fuentes de voltaje como baterías. Es la abreviatura de EMF, o fuerza electromotriz.

² Hume, autor de An Enquiry concerning Human Understanding, falleció en 1776. El moderno juego de fútbol se estableció en 1863. No dejemos que eso disuada de nuestra propia indagación.

³ La construcción de la sentencia referida tiene cierta deuda con el estilo de escritura del señor Hume.