Fluvio Labenti

( flowing stream )

Sunday, July 05, 2009

Sobre la incomprendida Electricidad




Hace unos pocos años me metí de lleno en la construcción de un amplificador de audio de alta fidelidad para audífonos (ver posts de inicio del 2007 en este blog). Por esa razón (más que por mis estudios anteriores) me empapé un poco mejor de algunos fundamentos de la electricidad.

No mucho después de haber completado el amplificador escribí en un foro de audífonos una analogía entre el flujo de electricidad y el flujo de agua con el fin de aclarar ciertas dudas de algunos participantes del foro en cuanto a la electricidad, en particular dudas sobre la diferencia entre corriente y voltaje. En otros foros he colocado links a esa explicación para no tener que reescribir lo mismo, luego de haber notado confusiones y malinterpretaciones similares. La confusión sobre algunos aspectos muy fundamentales de la electricidad parece ser más común y frecuente de lo que suele creerse.

Hace poco encontré unas páginas muy buenas que aclaran de manera explícita algunos malentendidos comunes sobre la electricidad. Decidí entonces escribir este post en mi blog.

Primero una pregunta introductoria:
¿Cuál metal entre los siguientes es mejor conductor que el cobre?

a) Mercurio
b) Aluminio
c) Plata
d) Oro


Si tiendes a responder d), el oro, pues ¡EEEERRRRRPPPP!... campana de incorrecto. La respuesta correcta es c), la Plata.

La Plata es el metal con mejor conductividad eléctrica entre todos los metales; el cobre le sigue de segundo, y el oro de tercero. (Para más info ver Tabla de Elementos ordenados por conductividad eléctrica)

Por lo general se piensa que el oro es el mejor conductor, o que es mejor conductor que el cobre. El oro lo que sí tiene es mucha mayor resistencia a la corrosión comparado con el cobre y con la plata, por lo cual se suele utilizar para recubrir y proteger contactos eléctricos.

Otra pregunta:
2)La corriente eléctrica no tiene peso. ¿Cierto o Falso?

Si respondiste Cierto: ¡EEERRRRRRP!...

Los electrones son portadores de carga, pero son materia y tienen masa. Si bien es una masa mínima y muy liviana comparada, por ejemplo, con la de todo un átomo de cobre (que tiene más de 115.000 veces la masa de un electrón), los electrones también tienen masa. Para dar una idea de cuanta es esa masa, 100 kg de cobre contienen casi un gramo de puro océano de electrones móviles que puede desplazarse como corriente eléctrica. Para más información: "Electricity is weightless? Nope"

Y hablando del desplazamiento de los electrones, la última pregunta de este post. Esta pregunta sí es un poco más sofisticada:

¿Qué tan rápido fluyen los electrones por los cables en el circuito del diagrama de arriba mientras la pila está alimentando al bombillo:

a) A unas fracciones de mm/seg
b) A unos pocos km/seg
c) A cientos de km/seg
d) A casi la velocidad de la luz


Si respondiste d) La velocidad de la luz, entonces de nuevo: ¡EEEERRRRRPPP! Respuesta incorrecta.

La respuesta correcta de hecho es la a): el flujo de electrones desde el cátodo en la pila a través de ese cable, del bombillo, y del otro cable hacia el ánodo de la pila, ocurre a una velocidad que está en el orden de apenas unas fracciones de milímetro por segundo; apenas varios centímetros por hora. Un sirope bien lento el flujo de electrones.

Surgirá la pregunta sobre cómo el bombillo prende de manera instantánea al conectarlo. Ah... para la explicación viene al caso la analogía con el agua.

Imagínate que tienes una manguera conectada a un grifo cerrado, y que la manguera está vacía. Si abrimos el grifo, el agua que recién sale por la boca del grifo se tomará su tiempo en atravesar e ir llenando toda la manguera hasta llegar a la punta de la manguera y por fin salir. Supongamos que esperamos y luego de cierto tiempo comienza a salir el agua por la punta de la manguera; entonces cerramos el grifo. En ese momento la manguera está llena de agua. Si ahora abrimos de nuevo el grifo, el agua que quedó en la punta de la manguera (recordemos que la manguera está ahora llena) comenzará a salir al instante apenas se abra el grifo y se bombee el agua, cierto? Pues lo mismo pasa en nuestro circuito con los electrones en los cables de cobre y en el bombillo.

Los metales ya están siempre llenos de un océano de electrones móviles (de hecho eso es lo que los define como metales entre los elementos: el tener electrones móviles). Al conectar una pila en nuestro circuito lo que ocurre es que "abrimos el grifo", y se activa en ese mismo instante un bombeo de electrones, pero esto ocurre frente a mangueras que ya están llenas: los conductores metálicos. Este empuje inicia un desplazamiento de todo ese océano de electrones que reside en los cables y en el bombillo del circuito.

Esa ola de empuje (los campos magnéticos y eléctricos que constituyen la energía eléctrica) sí que fluye en todo el circuito tan rápido como la velocidad de la luz. De modo que todo el océano de electrones en todo el circuito recibe la señal de "¡Muévanse!" de manera casi instantánea. Es la orden (por llamarlo de alguna manera) que le dice a cada electrón "Comienza a moverte hacia el ánodo" lo que se desplaza a la velocidad de la luz por el circuito, pero no los electrones mismos.

El cálculo y verificación de la velocidad efectiva de los electrones por el circuito no es nada difícil conociendo las fórmulas involucradas. Sin embargo algo tan interesante como esto (a mi modo "nerd" de ver las cosas :P) casi nunca se explica de manera adecuada en cursos de física de escuelas; de hecho ni siquiera en materias de electricidad o electrónica en cursos universitarios de pregrado. Aquí unos enlaces donde se explica este cálculo en detalle:

- The speed of electricity
- Speed of Electricity calculation
- How fast does electricity travel? (pdf)

Al encender un bombillo incandescente en una casa, apenas se pasa el switch en ese mismo instante comienza un diminuto movimiento en todo el mar de electrones existente en los cables entre el panel de fusibles de tu casa, el switch que activaste, y ese bombillo. En este caso estamos hablando de corriente alterna, por lo que el desplazamiento de esos electrones no se dará en una dirección. Toda esa masa de electrones estará en sitio "vibrando", primero desplazándose apenas un poquitín (pequeñísimas fracciones de milímetro) en un sentido de la longitud de los cables, y luego el mismo poquitín en sentido contrario, 60 veces por segundo, calentando rápidamente el filamento del bombillo, y haciendo que emita luz.

Para más información anexo aquí unos enlaces, entre ellos una página muy recomendable sobre las confusiones más comunes en cuanto a la electricidad:

- Common Misconceptions About Electricity Spread by Textbooks
- Speed of electricity (Wikipedia)
- The Speed of Electricity

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