Magnitudes eléctricas: voltaje, corriente y resistencia
Cuando conectas el cargador del celular en tu casa en Santiago, algo invisible viaja por el cable y llega a la batería. No lo ves, pero puedes describirlo con tres números: cuánto «empuja», cuánta carga pasa cada segundo y cuánto se le resiste el paso. Son las tres magnitudes básicas de los circuitos, y con ellas se explica cómo la energía llega de una pila o de la central eléctrica hasta una ampolleta o un motor.
La energía eléctrica: batería o corriente
Cuando se dice «energía eléctrica» puede significar dos cosas distintas. Una es la energía almacenada en una pila o batería (en forma química, lista para usarse). La otra es la energía transmitida por una corriente eléctrica a través de los cables hasta una ampolleta, un motor o un parlante, donde se convierte en luz, movimiento, sonido o calor.
La energía se conserva en cantidad (aunque se degrada en calidad): la pila la tenía almacenada, las cargas en movimiento la transportan y la ampolleta la convierte en luz y calor.
La pila es una fuente de trabajo: dentro de ella ocurre una reacción química que transforma energía química en energía eléctrica, y con esa energía realiza trabajo sobre las cargas para moverlas por el circuito, venciendo la resistencia de los cables y de la ampolleta. Cuando la reacción química se agota, la pila deja de dar empuje. Para describir ese proceso usamos tres magnitudes: voltaje, corriente y resistencia.
El voltaje: el empuje de la pila
Si conectas una ampolleta pequeña a una pila de $1{,}5\ \text{V}$ apenas brilla, pero con una pila de $4{,}5\ \text{V}$ alumbra mucho más: ¿qué propiedad de la pila hace que las cargas se muevan con más energía?
Piensa en un estanque de agua elevado conectado a una tubería. Cuanto más alto está, más empuje tiene el agua para salir. En electricidad pasa igual: cuanto más voltaje, más empuje tienen las cargas.
Los voltajes de las pilas se pueden sumar si se conectan una tras otra, como varias bombas de agua seguidas en la misma tubería: cada una agrega su empuje. Por ejemplo, cuatro pilas de $1{,}5\ \text{V}$ en fila dan $6\ \text{V}$; si sacas una, quedan $4{,}5\ \text{V}$.
El cuerpo también tiene resistencia
Nuestro cuerpo no es un aislante: opone una resistencia al paso de la corriente, mayor con la piel seca y menor con la piel mojada. Con la misma resistencia del cuerpo, un voltaje mayor empuja más cargas por segundo, es decir, produce más corriente. Por eso una pila de $3\ \text{V}$ no se siente, pero con $220\ \text{V}$ pasa por el cuerpo una corriente que puede ser mortal.
El voltaje de los enchufes de la casa es de $230\ \text{V}$ y el de una pila de botón, de $3\ \text{V}$. a) ¿Qué magnitud estamos comparando? b) Explica, usando la idea…
El voltaje de los enchufes de la casa es de $230\ \text{V}$ y el de una pila de botón, de $3\ \text{V}$.
- a) ¿Qué magnitud estamos comparando?
- b) Explica, usando la idea de «empuje» sobre las cargas, por qué la red eléctrica es peligrosa y una pila de botón no.
- c) El cuerpo humano opone cierta resistencia al paso de la corriente. Con esa idea, razona qué ocurrirá si el voltaje que tocamos es mucho mayor.
La corriente eléctrica: cuánta carga pasa
Siguiendo con el estanque: la corriente es como el caudal, la cantidad de agua que sale por la tubería cada segundo. Si abres más la llave, el caudal es mayor.
La resistencia: lo que frena el paso
Si conectas a una pila un hilo de cobre, la corriente circula con facilidad; pero si pones en su lugar una mina fina de grafito, la ampolleta apenas luce: ¿qué propiedad del material dificulta el paso de las cargas?
En la tubería de agua, la resistencia es como su estrechez: una tubería estrecha deja pasar menos agua que una ancha, aunque el estanque esté igual de alto. Un cable largo y delgado resiste más que uno corto y grueso, y un material como el cobre resiste mucho menos que el grafito. Por eso, si con la misma pila la ampolleta brilla más con cobre que con grafito, el grafito es el que tiene más resistencia.
Los materiales que dejan pasar bien la corriente (cobre) son conductores; los que la frenan casi por completo (plástico, goma) son aislantes. Por eso los cables son de cobre y se forran con plástico.
Las resistencias grandes se expresan con prefijos: $1\ \text{k}\Omega = 1.000\ \Omega$ (kiloohm). Así, $2\ \text{k}\Omega = 2.000\ \Omega$ y $2{,}5\cdot10^{3}\ \Omega = 2.500\ \Omega$.
Unidades y analogía hidráulica completa
Reúne las tres magnitudes con su símbolo y su equivalente en un circuito de agua:
| Magnitud | Símbolo | Unidad | En el circuito de agua |
|---|---|---|---|
| Voltaje | $V$ | volt ($\text{V}$) | altura del tanque o fuerza de la bomba |
| Corriente | $I$ | ampere ($\text{A}$) | caudal |
| Resistencia | $R$ | ohm ($\Omega$) | estrechez de la tubería |
Con la analogía puedes predecir: más altura (más voltaje) da más caudal (más corriente); una tubería más estrecha (más resistencia) da menos caudal (menos corriente) con la misma altura. Una ampolleta brilla más cuanta más corriente la atraviesa. Cuando la analogía incluye una bomba de agua, la pila es la bomba, los cables son las tuberías, la ampolleta es el tramo estrecho que se resiste y la corriente es el caudal.
El multitester: medir las tres magnitudes
En el liceo el aparato se suele llamar también multitester o tester.
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Para medir voltaje, se tocan con las puntas los dos extremos del elemento, sin cortar el cable (conexión en paralelo).
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Para medir corriente, hay que abrir el circuito e intercalar el aparato, de modo que toda la corriente pase por él (conexión en serie).
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Para medir resistencia, se mide el elemento desconectado del circuito. Si el multitester marca $10\ \Omega$, ese elemento opone una dificultad de $10$ ohms al paso de la corriente.
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Si un aparato marca menos que lo impreso (por ejemplo, una pila de $1{,}5\ \text{V}$ que mide $1{,}2\ \text{V}$), la pila está gastada: su energía química se agotó y da menos empuje.
El multitester mide la corriente en serie, así que el amperímetro debe tener una resistencia interna muy pequeña: si no, frenaría la corriente que queremos medir. Al medir voltaje se conecta en paralelo, así que le conviene una resistencia interna muy grande para que casi no desvíe corriente.
Vuelve al principio: en el cargador del celular, el transformador da unos $5\ \text{V}$ de empuje (voltaje), circulan cerca de $2\ \text{A}$ de corriente hacia la batería y el cable tiene muy poca resistencia para no calentarse ni desperdiciar energía.