1.4: Voltaje y Corriente

Si tomamos los ejemplos de cera y lana que se han frotado juntos, encontramos que el excedente de electrones en la cera (carga negativa) y el déficit de electrones en la lana (carga positiva) crea un desequilibrio de carga entre ellos. Este desequilibrio se manifiesta como una fuerza atractiva entre los dos objetos:

Si se coloca un cable conductor entre la cera cargada y la lana, los electrones fluirán a través de ella, ya que algunos de los electrones sobrantes en la cera corren a través del cable para volver a la lana, llenando allí la deficiencia de electrones:

El desequilibrio de electrones entre los átomos en la cera y los átomos en la lana crea una fuerza entre los dos materiales. Sin camino para que los electrones fluyan de la cera a la lana, todo lo que esta fuerza puede hacer es atraer a los dos objetos juntos. Ahora que un conductor puentea el hueco aislante, sin embargo, la fuerza provocará que los electrones fluyan en una dirección uniforme a través del cable, aunque sólo sea momentáneamente, hasta que la carga en esa zona se neutralice y la fuerza entre la cera y la lana disminuya.

La carga eléctrica formada entre estos dos materiales frotándolos juntos sirve para almacenar cierta cantidad de energía. Esta energía no es diferente a la energía almacenada en un depósito alto de agua que ha sido bombeado desde un estanque de nivel inferior:

La influencia de la gravedad sobre el agua en el embalse crea una fuerza que intenta volver a bajar el agua al nivel inferior. Si una tubería adecuada se extiende desde el depósito de regreso al estanque, el agua fluirá bajo la influencia de la gravedad hacia abajo desde el depósito, a través de la tubería:

Se necesita energía para bombear esa agua desde el estanque de bajo nivel hasta el depósito de alto nivel, y el movimiento del agua a través de la tubería de regreso a su nivel original constituye una liberación de energía almacenada del bombeo anterior.

Si el agua se bombea a un nivel aún mayor, se necesitará aún más energía para hacerlo, así se almacenará más energía, y se liberará más energía si se permite que el agua fluya a través de una tubería nuevamente hacia abajo:

Los electrones no son muy diferentes. Si frotamos cera y lana juntos, “bombeamos” electrones lejos de sus “niveles” normales, creando una condición donde existe una fuerza entre la cera y la lana, ya que los electrones buscan restablecer sus posiciones anteriores (y equilibrarse dentro de sus respectivos átomos). La fuerza que atrae electrones de vuelta a sus posiciones originales alrededor de los núcleos positivos de sus átomos es análoga a la fuerza que la gravedad ejerce sobre el agua en el reservorio, tratando de bajarla a su nivel anterior.

Así como el bombeo de agua a un nivel superior da como resultado que se almacene energía, el “bombeo” de electrones para crear un desequilibrio de carga eléctrica da como resultado que una cierta cantidad de energía se almacene en ese desequilibrio. Y, así como proporcionar una forma para que el agua vuelva a fluir desde las alturas del reservorio da como resultado una liberación de esa energía almacenada, proporcionar una forma para que los electrones vuelvan a sus “niveles” originales da como resultado una liberación de energía almacenada.

Cuando los electrones están preparados en esa condición estática (al igual que el agua que se queda quieta, en lo alto de un reservorio), la energía allí almacenada se llama energía potencial, porque tiene la posibilidad (potencial) de liberación que aún no se ha realizado del todo. Cuando rascas tus zapatos con suelas de goma contra una alfombra de tela en un día seco, creas un desequilibrio de carga eléctrica entre tú y la alfombra. La acción de rayar tus pies almacena energía en forma de desequilibrio de electrones forzados desde sus ubicaciones originales. Esta carga (electricidad estática) es estacionaria, y no te darás cuenta de que la energía se está almacenando en absoluto. Sin embargo, una vez que coloques tu mano contra un pomo de puerta metálico (con mucha movilidad de electrones para neutralizar tu carga eléctrica), esa energía almacenada se liberará en forma de un flujo repentino de electrones a través de tu mano, ¡y la percibirás como una descarga eléctrica!

Esta energía potencial, almacenada en forma de desequilibrio de carga eléctrica y capaz de provocar que los electrones fluyan a través de un conductor, puede expresarse como un término llamado voltaje, que técnicamente es una medida de energía potencial por unidad de carga de electrones, o algo que un físico llamaría energía potencial específica. Definida en el contexto de la electricidad estática, la tensión es la medida de trabajo requerida para mover una unidad de carga de un lugar a otro, contra la fuerza que trata de mantener equilibradas las cargas eléctricas. En el contexto de las fuentes de energía eléctrica, el voltaje es la cantidad de energía potencial disponible (trabajo a realizar) por unidad de carga, para mover electrones a través de un conductor.

Debido a que el voltaje es una expresión de energía potencial, que representa la posibilidad o potencial de liberación de energía a medida que los electrones se mueven de un “nivel” a otro, siempre se hace referencia entre dos puntos. Considere la analogía del reservorio de agua:

Debido a la diferencia en la altura de la caída, existe la posibilidad de que se libere mucha más energía del reservorio a través de la tubería hasta la ubicación 2 que a la ubicación 1. El principio se puede entender intuitivamente al dejar caer una roca: lo que resulta en un impacto más violento, una roca caída desde una altura de un pie, o la misma roca caída desde una altura de una milla? Obviamente, la caída de mayor altura da como resultado una mayor energía liberada (un impacto más violento). No podemos evaluar la cantidad de energía almacenada en un depósito de agua simplemente midiendo el volumen de agua más de lo que podemos predecir la gravedad del impacto de una roca que cae simplemente por conocer el peso de la roca: en ambos casos también debemos considerar hasta qué punto estas masas caerán de su altura inicial. La cantidad de energía liberada al permitir que una masa caiga es relativa a la distancia entre sus puntos inicial y final. Asimismo, la energía potencial disponible para mover electrones de un punto a otro es relativa a esos dos puntos. Por lo tanto, el voltaje siempre se expresa como una cantidad entre dos puntos. Curiosamente, la analogía de una masa potencialmente “cayendo” de una altura a otra es un modelo tan apto que el voltaje entre dos puntos a veces se denomina caída de voltaje.

El voltaje se puede generar por medios distintos de frotar ciertos tipos de materiales entre sí. Las reacciones químicas, la energía radiante y la influencia del magnetismo en los conductores son algunas de las formas en que se puede producir voltaje. Ejemplos respectivos de estas tres fuentes de voltaje son las baterías, las células solares y los generadores (como la unidad “alternadora” debajo del capó de su automóvil). Por ahora, no entraremos en detalles sobre cómo funciona cada una de estas fuentes de voltaje; lo más importante es que entendamos cómo se pueden aplicar las fuentes de voltaje para crear flujo de electrones en un circuito.

Tomemos el símbolo de una batería química y construyamos un circuito paso a paso:

Cualquier fuente de voltaje, incluidas las baterías, tiene dos puntos para el contacto eléctrico. En este caso, tenemos el punto 1 y el punto 2 en el diagrama anterior. Las líneas horizontales de longitud variable indican que se trata de una batería, y además indican la dirección en la que el voltaje de esta batería intentará empujar electrones a través de un circuito. El hecho de que las líneas horizontales en el símbolo de la batería aparezcan separadas (y por lo tanto incapaces de servir como camino para que los electrones se muevan) no es motivo de preocupación: en la vida real, esas líneas horizontales representan placas metálicas sumergidas en un material líquido o semisólido que no solo conduce electrones, sino también genera el voltaje para empujarlos a lo largo interactuando con las placas.

Observe los pequeños signos “+” y “-” a la izquierda inmediata del símbolo de la batería. El extremo negativo (-) de la batería es siempre el final con el guión más corto, y el extremo positivo (+) de la batería es siempre el final con el guión más largo. Ya que hemos decidido llamar a los electrones “negativamente” cargados (¡gracias, Ben!) , el extremo negativo de una batería es ese extremo que trata de empujar electrones fuera de ella. De igual manera, el final positivo es ese fin que trata de atraer electrones.

Con los extremos “+” y “-” de la batería no conectados a nada, habrá voltaje entre esos dos puntos, pero no habrá flujo de electrones a través de la batería, porque no hay trayectoria continua para que los electrones se muevan.

El mismo principio es válido para la analogía del depósito de agua y la bomba: sin una tubería de retorno de regreso al estanque, la energía almacenada en el depósito no se puede liberar en forma de flujo de agua. Una vez que el depósito está completamente lleno, no puede ocurrir flujo, no importa cuánta presión pueda generar la bomba. Se necesita un camino completo (circuito) para que el agua fluya desde el estanque, hacia el embalse y de regreso al estanque para que se produzca un flujo continuo.

Podemos proporcionar tal ruta para la batería conectando un trozo de cable de un extremo de la batería al otro. Formando un circuito con un bucle de alambre, iniciaremos un flujo continuo de electrones en el sentido de las agujas del reloj:

Mientras la batería siga produciendo voltaje y no se rompa la continuidad de la trayectoria eléctrica, los electrones seguirán fluyendo en el circuito. Siguiendo la metáfora del agua que se mueve a través de una tubería, este flujo continuo y uniforme de electrones a través del circuito se denomina corriente. Mientras la fuente de voltaje siga “empujando” en la misma dirección, el flujo de electrones continuará moviéndose en la misma dirección en el circuito. Este flujo de electrones de una sola dirección se llama Corriente Continua, o CC. En el segundo volumen de esta serie de libros, se exploran circuitos eléctricos donde la dirección de la corriente cambia hacia adelante y hacia atrás: Corriente alterna, o CA. Pero por ahora, solo nos ocuparemos de los circuitos de CC.

Debido a que la corriente eléctrica está compuesta por electrones individuales que fluyen al unísono a través de un conductor moviéndose y empujando los electrones adelante, al igual que las canicas a través de un tubo o el agua a través de una tubería, la cantidad de flujo a lo largo de un solo circuito será la misma en cualquier punto. Si tuviéramos que monitorear una sección transversal del cable en un solo circuito, contando los electrones que fluyen, notaríamos exactamente la misma cantidad por unidad de tiempo que en cualquier otra parte del circuito, independientemente de la longitud del conductor o el diámetro del conductor.

Si rompemos la continuidad del circuito en algún punto, la corriente eléctrica cesará en todo el bucle, y la tensión total producida por la batería se manifestará a través de la interrupción, entre los extremos del cable que solían conectarse:

Observe las señales “+” y “-” dibujadas en los extremos de la interrupción en el circuito, y cómo corresponden a las señales “+” y “-” junto a los terminales de la batería. Estos marcadores indican la dirección en la que el voltaje intenta empujar el flujo de electrones, esa dirección potencial comúnmente conocida como polaridad. Recuerde que el voltaje siempre es relativo entre dos puntos. Debido a este hecho, la polaridad de una caída de voltaje también es relativa entre dos puntos: si un punto en un circuito se etiqueta con un “+” o un “-” depende del otro punto al que se hace referencia. Echa un vistazo al siguiente circuito, donde cada esquina del bucle está marcada con un número de referencia:

Con la continuidad del circuito rota entre los puntos 2 y 3, la polaridad de la tensión caída entre los puntos 2 y 3 es “-” para el punto 2 y “+” para el punto 3. La polaridad de la batería (1 “-” y 4 “+”) está tratando de empujar electrones a través del bucle en el sentido de las agujas del reloj de 1 a 2 a 3 a 4 y de vuelta a 1 nuevamente.

Ahora veamos qué pasa si volvemos a conectar los puntos 2 y 3 juntos de nuevo, pero colocamos una ruptura en el circuito entre los puntos 3 y 4:

Con la ruptura entre 3 y 4, la polaridad de la caída de voltaje entre esos dos puntos es “+” para 4 y “-” para 3. Toma especial nota de que el “signo” del punto 3 es opuesto al del primer ejemplo, donde la ruptura fue entre los puntos 2 y 3 (donde el punto 3 fue etiquetado como “+”). Es imposible para nosotros decir que el punto 3 en este circuito siempre será “+” o “-”, porque la polaridad, como la tensión misma, no es específica de un solo punto, ¡sino que siempre es relativa entre dos puntos!

Revisar

• Los electrones pueden ser motivados a fluir a través de un conductor por la misma fuerza manifestada en la electricidad estática.
• El voltaje es la medida de la energía potencial específica (energía potencial por unidad de carga) entre dos ubicaciones. En términos laicos, es la medida de “empuje” disponible para motivar electrones.
• El voltaje, como expresión de energía potencial, siempre es relativo entre dos ubicaciones, o puntos. A veces se le llama “caída” de voltaje.
• Cuando una fuente de voltaje está conectada a un circuito, la tensión provocará un flujo uniforme de electrones a través de ese circuito llamado corriente.
• En un solo circuito (un bucle), la cantidad de corriente en cualquier punto es la misma que la cantidad de corriente en cualquier otro punto.
• Si se rompe un circuito que contiene una fuente de voltaje, el voltaje completo de esa fuente aparecerá a través de los puntos de la interrupción.
• La orientación +/- de una caída de voltaje se llama polaridad. También es relativo entre dos puntos.