2.3: Energía en Circuitos Eléctricos

Además del voltaje y la corriente, hay otra medida de actividad de electrones libres en un circuito: la potencia. Primero, necesitamos entender exactamente qué es el poder antes de analizarlo en cualquier circuito.

La potencia es una medida de la cantidad de trabajo que se puede realizar en una cantidad de tiempo determinada. El trabajo se define generalmente en términos del levantamiento de un peso contra el tirón de la gravedad. Cuanto más pesado sea el peso y/o cuanto más alto se levante, más trabajo se ha realizado. La energía es una medida de la rapidez con la que se realiza una cantidad estándar de trabajo.

Para los automóviles estadounidenses, la potencia del motor se clasifica en una unidad llamada “caballos de fuerza”, inventada inicialmente como una forma para que los fabricantes de máquinas de vapor cuantifiquen la capacidad de trabajo de sus máquinas en términos de la fuente de energía más común de su día: los caballos. Un caballo de fuerza se define en unidades británicas como 550 pies-lbs de trabajo por segundo de tiempo. La potencia del motor de un automóvil no indicará qué tan alto de una colina puede subir o cuánto peso puede remolcar, pero indicará qué tan rápido puede subir una colina específica o remolcar un peso específico.

La potencia de un motor mecánico es una función tanto de la velocidad del motor como de su par proporcionado en el eje de salida. La velocidad del eje de salida de un motor se mide en revoluciones por minuto, o RPM. El par es la cantidad de fuerza de torsión producida por el motor, y generalmente se mide en libras-pie, o lb-pie (no debe confundirse con pie-libras o ft-lbs, que es la unidad para el trabajo). Ni la velocidad ni el par solo son una medida de la potencia de un motor.

Un motor de tractor diésel de 100 caballos de fuerza girará relativamente lentamente, pero proporcionará grandes cantidades de torque. Un motor de motocicleta de 100 caballos de fuerza girará muy rápido, pero proporcionará relativamente poco torque. Ambos producirán 100 caballos de fuerza, pero a diferentes velocidades y diferentes pares. La ecuación para los caballos de fuerza del eje es simple:

\[\text{Horsepower} = \dfrac{2 \pi ST}{33,000}\]

donde\(S\) es la velocidad del eje en rpm y\(T\) es el par del eje en lb-ft.

Observe cómo solo hay dos términos variables en el lado derecho de la ecuación,\(S\) y\(T\). Todos los demás términos de ese lado son constantes: 2, pi y 33,000 son todas constantes (no cambian de valor). Los caballos de fuerza varían solo con los cambios de velocidad y torque, nada más. Podemos reescribir la ecuación para mostrar esta relación:

\[\text{Horsepower} \propto ST\]

donde\(\propto\) significa “proporcional a”.

Debido a que la unidad de los “caballos de fuerza” no coincide exactamente con la velocidad en revoluciones por minuto multiplicada por el par en libras-pie, no podemos decir que los caballos de fuerza equivalen a ST. No obstante, son proporcionales entre sí. A medida que cambia el producto matemático de ST, el valor de los caballos de fuerza cambiará en la misma proporción.

En los circuitos eléctricos, la energía es una función tanto del voltaje como de la corriente. No es sorprendente que esta relación tenga un parecido sorprendente con la fórmula de caballos de fuerza “proporcionales” anterior:

\[P=IE\]

En este caso, sin embargo, la potencia (\(P\)) es exactamente igual a la corriente (\(I\)) multiplicada por la tensión (\(E\)), en lugar de ser meramente proporcional a IE. Al usar esta fórmula, la unidad de medida para la potencia es el vatio, abreviado con la letra “W”

Debe entenderse que ni el voltaje ni la corriente por sí mismos constituyen potencia. Más bien, la potencia es la combinación de voltaje y corriente en un circuito. Recuerde que el voltaje es el trabajo específico (o energía potencial) por unidad de carga, mientras que la corriente es la velocidad a la que las cargas eléctricas se mueven a través de un conductor. El voltaje (trabajo específico) es análogo al trabajo realizado en el levantamiento de un peso contra el tirón de la gravedad. La corriente (tasa) es análoga a la velocidad a la que se eleva ese peso. Juntos como producto (multiplicación), el voltaje (trabajo) y la corriente (tasa) constituyen la potencia.

Al igual que en el caso del motor tractor diesel y el motor de la motocicleta, un circuito con alto voltaje y baja corriente puede estar disipando la misma cantidad de potencia que un circuito con baja tensión y alta corriente. Ni la cantidad de voltaje solo ni la cantidad de corriente por sí sola indican la cantidad de energía en un circuito eléctrico.

En un circuito abierto, donde el voltaje está presente entre los terminales de la fuente y hay corriente cero, hay cero potencia disipada, por muy grande que sea esa tensión. Dado que P=IE e I=0 y cualquier cosa multiplicada por cero es cero, la potencia disipada en cualquier circuito abierto debe ser cero. De igual manera, si tuviéramos que tener un cortocircuito construido a partir de un bucle de hilo superconductor (resistencia absolutamente nula), podríamos tener una condición de corriente en el bucle con voltaje cero, y de igual manera no se disiparía ninguna potencia. Dado que P=IE y E=0 y cualquier cosa multiplicada por cero es cero, la potencia disipada en un bucle superconductor debe ser cero. (Estaremos explorando el tema de la superconductividad en un capítulo posterior).

Ya sea que medimos la potencia en la unidad de “caballos de fuerza” o en la unidad de “vatio”, seguimos hablando de lo mismo: cuánto trabajo se puede hacer en una cantidad de tiempo determinada. Las dos unidades no son numéricamente iguales, pero expresan el mismo tipo de cosas. De hecho, los fabricantes europeos de automóviles suelen anunciar su potencia de motor en términos de kilovatios (kW), o miles de vatios, ¡en lugar de caballos de fuerza! Estas dos unidades de poder están relacionadas entre sí por una fórmula de conversión simple:

Entonces, nuestros motores diésel y motocicletas de 100 caballos de fuerza también podrían calificarse como motores de “74570 vatios”, o más adecuadamente, como motores de “74.57 kilovatios”. En especificaciones de ingeniería europeas, esta calificación sería la norma más que la excepción.

Revisar

• El poder es la medida de cuánto trabajo se puede hacer en una cantidad de tiempo determinada.
• La potencia mecánica se mide comúnmente (en América) en “caballos de fuerza”.
• La energía eléctrica casi siempre se mide en “vatios”, y se puede calcular mediante la fórmula P = IE.
• La energía eléctrica es un producto tanto del voltaje como de la corriente, no de ninguna de las dos por separado.
• Los caballos de fuerza y los vatios son simplemente dos unidades diferentes para describir el mismo tipo de medición física, con 1 caballo de fuerza equivalente a 745.7 vatios.