Como se mencionó anteriormente, necesitamos algo más que un camino continuo (es decir, un circuito) antes de que se produzca un flujo continuo de carga: también necesitamos algún medio para empujar estos portadores de carga alrededor del circuito. Al igual que las canicas en un tubo o el agua en una tubería, se necesita algún tipo de fuerza de influencia para iniciar el flujo. En el caso de los electrones, esta fuerza es la misma que actúa en la electricidad estática: la fuerza producida por un desequilibrio de la carga eléctrica. Si tomamos los ejemplos de la cera y la lana que se han frotado, encontramos que el exceso 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 de atracción entre los dos objetos:
Si se coloca un alambre conductor entre la cera y la lana cargadas, los electrones fluirán a través de él, ya que algunos de los electrones sobrantes en la cera se precipitan a través del alambre para volver a la lana, llenando la deficiencia de electrones allí:
El desequilibrio de electrones entre los átomos de la cera y los de la lana crea una fuerza entre los dos materiales. Al no haber un camino para que los electrones fluyan de la cera a la lana, lo único que puede hacer esta fuerza es atraer a los dos objetos. Sin embargo, ahora que un conductor tiende un puente sobre el hueco aislante, 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 que se forma entre estos dos materiales al frotarlos sirve para almacenar una cierta cantidad de energía. Esta energía no es distinta de la que se almacena en un depósito alto de agua que ha sido bombeada desde un estanque de nivel inferior:
La influencia de la gravedad sobre el agua del depósito crea una fuerza que intenta mover el agua hacia el nivel inferior de nuevo. Si se coloca una tubería adecuada desde el embalse hasta el estanque, el agua fluirá bajo la influencia de la gravedad hacia abajo desde el embalse, a través de la tubería:
Se necesita energía para bombear esa agua desde el estanque de nivel bajo hasta el embalse de nivel alto, y el movimiento del agua a través de la tubería de vuelta a su nivel original constituye una liberación de la energía almacenada desde el bombeo anterior. Si se bombea el agua a un nivel aún más alto, se necesitará aún más energía para hacerlo, por lo que se almacenará más energía, y se liberará más energía si se permite que el agua fluya por una tubería de nuevo hacia abajo:
Los electrones no son muy diferentes. Si frotamos cera y lana, «bombeamos» electrones fuera de sus «niveles» normales, creando una condición en la que existe una fuerza entre la cera y la lana, ya que los electrones buscan restablecer sus posiciones anteriores (y el equilibrio dentro de sus respectivos átomos). La fuerza que atrae a los 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 embalse, tratando de hacerla descender a su nivel anterior. Al igual que el bombeo de agua a un nivel superior da lugar a un almacenamiento de energía, el «bombeo» de electrones para crear un desequilibrio de carga eléctrica da lugar a una cierta cantidad de energía almacenada en ese desequilibrio. Y, al igual que proporcionar una vía para que el agua vuelva a fluir hacia abajo desde las alturas del depósito resulta en una liberación de esa energía almacenada, proporcionar una vía para que los electrones fluyan de vuelta a sus «niveles» originales resulta en una liberación de la energía almacenada. Cuando los portadores de carga se encuentran en esa condición estática (al igual que el agua que se queda quieta, en lo alto de un depósito), la energía almacenada allí se llama energía potencial, porque tiene la posibilidad (potencial) de la liberación que no se ha realizado plenamente todavía.
Entendiendo el concepto de voltaje
Cuando los portadores de carga se encuentran en esa condición estática (al igual que el agua que se queda quieta, en lo alto de un depósito), la energía almacenada allí se llama energía potencial, porque tiene la posibilidad (potencial) de la liberación que no se ha realizado plenamente todavía. Cuando rozas con tus zapatos de suela de goma una alfombra de tela en un día seco, creas un desequilibrio de carga eléctrica entre tú y la alfombra. La acción de rozar los pies almacena energía en forma de un desequilibrio de cargas forzadas desde sus ubicaciones originales. Esta carga (electricidad estática) es estacionaria, y no te darás cuenta de que se está almacenando energía. Sin embargo, una vez que coloques tu mano contra el pomo de una puerta de metal (con mucha movilidad de electrones para neutralizar su carga eléctrica), esa energía almacenada se liberará en forma de un flujo repentino de carga a través de tu mano, ¡y lo percibirás como una descarga eléctrica! Esta energía potencial, almacenada en forma de desequilibrio de carga eléctrica y capaz de provocar que los portadores de carga 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 o algo que un físico llamaría energía potencial específica.
La definición de voltaje
Definido en el contexto de la electricidad estática, el voltaje es la medida del trabajo requerido para mover una unidad de carga de un lugar a otro, contra la fuerza que intenta mantener las cargas eléctricas equilibradas. 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 las cargas a través de un conductor.Debido a que el voltaje es una expresión de energía potencial, que representa la posibilidad o el potencial de liberación de energía a medida que la carga se mueve de un «nivel» a otro, siempre está referenciado entre dos puntos. Considere la analogía del depósito de agua:
Debido a la diferencia en la altura de la gota, existe la posibilidad de que se libere mucha más energía desde el depósito a través de la tubería hasta el lugar 2 que hasta el lugar 1. El principio se puede entender intuitivamente al dejar caer una roca: ¿qué resulta en un impacto más violento, una roca dejada caer desde una altura de un pie, o la misma roca dejada caer desde una altura de una milla? Evidentemente, la caída a mayor altura da lugar a una mayor energía liberada (un impacto más violento). No podemos evaluar la cantidad de energía almacenada en un depósito de agua simplemente midiendo su volumen, como tampoco podemos predecir la gravedad del impacto de una roca que cae simplemente conociendo su peso: en ambos casos debemos considerar también la distancia a la que caerán estas masas desde su altura inicial. La cantidad de energía que se libera al dejar caer una masa es relativa a la distancia entre sus puntos inicial y final. Del mismo modo, la energía potencial disponible para mover portadores de carga de un punto a otro es relativa a esos dos puntos. Por tanto, la tensión se expresa siempre como una cantidad entre dos puntos. Curiosamente, la analogía de una masa que «cae» potencialmente de una altura a otra es un modelo tan adecuado que la tensión entre dos puntos se denomina a veces caída de tensión.
Generación de tensión
La tensión puede generarse por medios distintos al de frotar ciertos tipos de materiales entre sí. Las reacciones químicas, la energía radiante y la influencia del magnetismo sobre los conductores son algunas de las formas en que se puede producir tensión. Ejemplos respectivos de estas tres fuentes de tensión son las baterías, las células solares y los generadores (como la unidad «alternador» bajo el capó de su automóvil). Por ahora, no entraremos en detalles sobre cómo funciona cada una de estas fuentes de tensión; lo más importante es que entendamos cómo se pueden aplicar las fuentes de tensión para crear un flujo de carga en un circuito eléctrico. Tomemos el símbolo de una pila química y construyamos un circuito paso a paso:
¿Cómo funcionan las fuentes de tensión?
Cualquier fuente de tensión, incluidas las pilas, tienen dos puntos de 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 pila, y además indican la dirección en la que el voltaje de esta pila intentará empujar a los portadores de carga a través de un circuito. El hecho de que las líneas horizontales del símbolo de la pila parezcan separadas (y, por tanto, incapaces de servir de camino para el flujo de carga) no es motivo de preocupación: en la vida real, esas líneas horizontales representan placas metálicas sumergidas en un material líquido o semisólido que no sólo conduce las cargas, sino que también genera la tensión para empujarlas al interactuar con las placas. Fíjate en los pequeños signos «+» y «-» a la izquierda del símbolo de la pila. El extremo negativo (-) de la pila es siempre el extremo con el guión más corto, y el extremo positivo (+) de la pila es siempre el extremo con el guión más largo. El extremo positivo de una pila es el que trata de empujar los portadores de carga fuera de ella (recuerde que, por convención, pensamos que los portadores de carga están cargados positivamente, aunque los electrones estén cargados negativamente). Del mismo modo, el extremo negativo es el que intenta atraer a los portadores de carga. Si los extremos «+» y «-» de la pila no están conectados a nada, habrá tensión entre esos dos puntos, pero no habrá flujo de carga a través de la pila porque no hay un camino continuo por el que puedan moverse los portadores de carga.
El mismo principio es válido para la analogía del depósito de agua y la bomba: sin una tubería de retorno al estanque, la energía almacenada en el depósito no puede liberarse en forma de flujo de agua. Una vez que el depósito está completamente lleno, no puede haber flujo, por mucha presión que genere la bomba. Para que se produzca un flujo continuo, es necesario que haya un camino completo (circuito) para que el agua fluya desde el estanque hasta el depósito, y de vuelta al estanque. Podemos proporcionar ese camino para la pila conectando un trozo de cable de un extremo a otro de la pila. Formando un circuito con un bucle de cable, iniciaremos un flujo continuo de carga en el sentido de las agujas del reloj:
Entender el concepto de corriente eléctrica
Mientras la pila siga produciendo voltaje y no se rompa la continuidad del camino eléctrico, los portadores de carga seguirán fluyendo en el circuito. Siguiendo la metáfora del agua moviéndose por una tubería, este flujo continuo y uniforme de carga a través del circuito se llama corriente. Mientras la fuente de tensión siga «empujando» en la misma dirección, los portadores de carga seguirán moviéndose en la misma dirección en el circuito. Este flujo de corriente en una sola dirección se denomina corriente continua, o CC. En el segundo volumen de esta serie de libros, se exploran los circuitos eléctricos en los que la dirección de la corriente cambia de un lado a otro: Corriente alterna, o CA. Pero por ahora, sólo nos ocuparemos de los circuitos de CC. Dado que la corriente eléctrica se compone de portadores de carga individuales que fluyen al unísono a través de un conductor moviéndose a lo largo y empujando a los portadores de carga que están delante, 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 único circuito será la misma en cualquier punto. Si monitorizáramos una sección transversal del cable en un solo circuito, contando los portadores de carga que fluyen, notaríamos exactamente la misma cantidad por unidad de tiempo que en cualquier otra parte del circuito, independientemente de la longitud o el diámetro del conductor. Si rompemos la continuidad del circuito en cualquier punto, la corriente eléctrica cesará en todo el bucle, y toda la tensión producida por la batería se manifestará a través de la ruptura, entre los extremos de los cables que antes estaban conectados:
¿Cuál es la polaridad de una caída de tensión?
Observe los signos «+» y «-» dibujados en los extremos de la interrupción del circuito, y cómo se corresponden con los signos «+» y «-» junto a los terminales de la batería. Estos marcadores indican la dirección en la que el voltaje intenta empujar la corriente, esa dirección potencial comúnmente conocida como polaridad. Recuerde que la tensión es siempre relativa entre dos puntos. Debido a este hecho, la polaridad de una caída de tensión también es relativa entre dos puntos: el hecho de que un punto de un circuito se etiquete con un «+» o un «-» depende del otro punto al que esté referido. Observe el siguiente circuito, en el que cada esquina del bucle está marcada con un número como referencia:
Con la continuidad del circuito interrumpida 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 la corriente a través del bucle en el sentido de las agujas del reloj de 1 a 2 a 3 a 4 y de nuevo a 1. Ahora veamos qué ocurre si conectamos de nuevo los puntos 2 y 3, pero colocamos un corte en el circuito entre los puntos 3 y 4:
Con el corte entre el 3 y el 4, la polaridad de la caída de tensión entre esos dos puntos es «-» para el 4 y «+» para el 3. Fíjate especialmente en el hecho de que el «signo» del punto 3 es opuesto al del primer ejemplo, donde la ruptura estaba entre los puntos 2 y 3 (donde el punto 3 estaba etiquetado como «-«). Es imposible decir que el punto 3 en este circuito siempre será «+» o «-«, porque la polaridad, como el propio voltaje, no es específica de un solo punto, sino que siempre es relativa entre dos puntos.
REVISIÓN:
- Los portadores de carga pueden ser motivados a fluir a través de un conductor por la misma fuerza que se manifiesta en la electricidad estática.
- La tensión es la medida de la energía potencial específica (energía potencial por unidad de carga) entre dos lugares. En términos sencillos, es la medida del «empuje» disponible para motivar la carga.
- La tensión, como expresión de la energía potencial, es siempre relativa entre dos lugares, o puntos. A veces se denomina «caída» de tensión.
- Cuando se conecta una fuente de tensión a un circuito, la tensión provocará un flujo uniforme de portadores de carga a través de ese circuito llamado corriente.
- En un circuito simple (de un solo bucle), la cantidad de corriente en cualquier punto es la misma que la cantidad de corriente en cualquier otro punto.
- Si un circuito que contiene una fuente de tensión se rompe, la tensión completa de esa fuente aparecerá a través de los puntos de la ruptura.
- La orientación +/- de una caída de tensión se llama polaridad. También es relativa entre dos puntos.
Hojas de trabajo relacionadas:
- Hoja de trabajo de tensión, corriente y resistencia