Electricidad para dummies

¿Qué diablos es la electricidad?
Se llama "electricidad" a los efectos de una propiedad de los electrones llamada "carga eléctrica", esta carga es capaz de repeler a otras partículas cargadas igual, de manera análoga a la fuerza magnetica que vemos en los imanes.

Para efectos prácticos, en el mundo que percibimos solamente carga eléctrica repulsiva, a diferencia de los imanes que tienen dos polos que se pueden atraer si son distintos o repeler si son iguales.  

La relación entre la electricidad y el magnetismo es tan profunda que se habla de la "fuerza electromagnética" como una sola y esta se considera que es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza junto con la gravedad, la fuerza nuclear débil (que atrae a los electrones) y la fuerza nuclear fuerte (que mantiene unidos a los componentes en el núcleo atómico). Todo esto contiene simplificaciones brutales pero sirve para entender un poco la cosa. 

Electricidad estática
La carga de los electrones fue la primera electricidad que se conoció, desde la época de los griegos por lo menos. Fue Ben Franklin, ese gran amateur el primero en estudiarla científicamente, se convirtió en el papá de la electricidad cuando casi muere achicharrado elevando una cometa en mitad de una tormenta eléctrica. Así inventó el pararayos.

Esos efectos de la carga de los electrones -que no corren por un circuito cerrado- se llama "electricidad estática" y se produce cuando por rozamiento (aunque parezca increíble así ocurre) se desprenden los electrones de la capa superior de un material, con lo que este queda cargado en relación con otro materíal al que no se le hayan sacado electrones.

Por eso cuando rozamos un plástico contra un paño le sacamos electrones y podemos atraer pequeños pedacitos de papel. Cuando hay una tormenta bajo ciertas condiciones, el viento "pela" grandes capas de electrones en las nubes y las deja cargadas en relación al suelo, a veces con unos 15 millones de voltios. 

Esta enorme diferencia respecto del suelo produce arcos que más de 10 kilometros de largo: esos son los rayos que cierran el circuito entre dos superficies con diferencia de carga. Luego de caer el rayo, las nubes y la tierra quedan al mismo nivel de carga entre si, o sea descargados.

Corriente eléctrica
Eso es más o menos lo que vale la pena saber de la electricidad estática, pero hay otro tipo de electricidad mucho más interesante que -simplificando mucho- podemos decir que es causada por el movimiento de los electrones en un circuito conductor, "empujados" por una diferencia de potencial o voltaje. Es lo que conocemos como "corriente eléctrica"

El voltaje entre dos materiales es simplemente una diferencia entre la cantidad de electrones de su superficie. Por ejemplo tenemos un material x al que le faltan electrones en su superficie y otro de material y al que no le faltan o le sobran electrones: entonces hay una diferencia de potencial entre ambos.

Si juntamos ambos con un "conductor" (típicamente un alambre de cobre) los electrones van desde el material que tiene sus electrones normales o le sobran, hacia el material donde faltan, cuando llegan a un estado de equilibrio donde hay más o menos los mismos electrones en caa superficie, estas quedan descargadas y ya no hay más corriente.

Ese flujo de electrones se llama "corriente eléctrica" y se mide en Amperes: mientras más electrones fluyen, mayor es la corriente y para que fluya más corriente debe haber una diferencia de potencial (voltaje) más grande que empuje a los electrones. En todo esto estoy haciendo enormes simplificaciones, claro.

Corriente contínua
Lo que hemos descrito se llama corriente contínua, porque los electrones van siempre en la misma dirección por el circuito, desde el negativo donde sobran electrones hasta el positivo, donde faltan. Esta corriente puede producir energía, que se mide en watts y trabajo medido en Joules, energía y trabajo no son lo mismo pero son tan parecidos que para efectos prácticos no nos vamos a complicar con eso.

Conductores y aisladores (dieléctricos)
Hablamos de unir dos materiales con diferente potencial con un conductor. Bueno hay conductores mejores y otros peores. Un buen conductor (un cable de cobre, oro o plata) pemite pasar mucha corriente sin calentarse, un mal conductr se calienta y un aislador o dieléctrico simplemente no deja pasar la corriente a menos que el voltaje sea extraordinariamente grande, como el caso de un rayo. 

No existe el conductor ni el aislador perfecto, pero si materiales que dejan pasar más o menos facilmente la electricidad. Cuando se necesita pasar una enorme corriente -por ejemplo los cargadores Tesla "ultra rápidos"- el cable debe ser muy grueso y los conectores deben recubrirse con oro para que no se sobrecalienten y seab manejables. 

Resistencia
Como no hay conductores perfectos, decimos que todo conductor tiene una resistencia que se opone en cierta medida al paso de la corriente, en esa oposición se genera calor. La resistencia se mide en Ohms y normalmente implica una pérdida de energía. Un superconductor es un material con resistencia muy baja. Para bajar la resistencia se usan materiales como cobre, plata, oro, o bien se agranda el díametro del cable, lo que permite pasar más corriente sin que se sobrecaliente.

Ley de Ohm
Así tenemos la Ley de Ohm que dice que la coriente en un circuito es dierectamente proporcional al voltaje e inversamente a la resistencia: I=V/R, despejando tenemos también que R=I/V y V=IxR. siendo I corriente, V voltaje y R resistencia. Ese es el silabario de la electricidad. Además la corriente posee una energía que es directamente proporcional al voltaje por la corriente W=VxI o bien W=I^2x R

Estas relaciones tan simples no fueron nada fáciles de probar en la época de Ohm, que -aunque era profesor de física experimental- era autodidacta y nadie le quiso creer cuando publicó su proposición porque en esos años no había como medir con mediana exactitud los voltajes y corrientes.

Ohm estaba obsesionado con encontrar una ecuación matemática que relacionara a esas tres variables, el regular y viejo amigo Sigfridus me comentó hace poco "Espero que la vejez y el Alzheimer no lo pille para que nos pueda explicar algún día como todos estos fenómenos eléctricos calzan con las ecuaciones matemáticas" bueno, la Ley de Ohm es uno de los mejores casos de esto y se dedujo solo por intuición, se pudo probar empiricamente, pero mucho después. 

Esto no es raro en física, algo similar pasó con las ecuaciones de Navier-Stokes de las que Ulschmidt nos ha ilustrado o las ecuaciones de Maxwell, ninguna de estas proposiciones fundamentales fue fruto del puro pensamiento lógico y metódico, en principio todas fueron brillantes intuiciones. 

Circuitos de corriente contínua
Para que podamos aprovechar la electricidad haciendo alguna clase de trabajo -por ejemplo prender una ampolleta incandescente o un calentador de agua- debemos tener algo que produzca una diferencia de potencial de manera constante, es decir una fuente de poder (o de voltaje, o corriente). 

Baterías
Esta fuente no es nada más que un aparato capaz de mantener un exceso de electrones en una de sus placas y un déficit en la otra. Las fuentes de poder de corriente contínua típicas son las baterías. 

Hay muchas tecnologías distintas pero todas se basan en el mismo principio descubierto por Alessandro Volta y su amigo Luigi Galvani: colocar dos placas metálicas separadas por un electrolito que produce -por alguna reacción química- el efecto de sacar electrones de una placa para llevarlos a la otra, produciendo una diferencia de potencial entre ambas.

La pila de Volta se presentó a la Royal Society en 1800, han pasado 224 años y la tecnología de las baterías sigue siendo exactamente la misma ¡ese si que fue invento! Han cambiado los electrolitos de plomo-ácido, niquel-cadmio, óxido de litio, etc. pero el principio es exactamente el mismo. Por eso cualquiera que entienda algo de electricidad levanta una ceja cuando Tesla o unos chinos anuncian sobre la próxima "batería maravillosa". Blow me this eye.

La conclusión de todo esto es que la batería en circuito abierto se descarga muy lentamente, pero cuando se usa -o sea se cierra el circuito y circula una corriente- se descarga mucho más rápido. Toda batería se descarga a medida que se usa, cualdo en los dos terminales ya no hay desequilibrio de electrones. Entonces es necesario recargarla para que el desequilibrio de electrones entre los terminales se reestablezca.

Cuando se fabrica una batería de gran densidad de energía, es decir que almacena mucha carga en poco espacio es muy peligrosa y sensible a golpes, humedad o sobrecalentamiento. Esto pasa en las baterías de ion-litio, yo una vez tuve la mala idea de desarmar una que estaba hinchada y estuve a punto que me explotara en plena cara, desde entonces las guardo en un lugar seguro dentro de una caja gruesa de lata bien aisladas. Muchos autos eléctricos se ham incendiado o tenido pérdida total solo por tocar la parte baja con una piedra o un lomo de toro.

Circuitos de corriente contínua
Y para terminar con esta parte tenemos los circuitos. Para aprovechar la energía eléctrica tenemos que hacer circular la corriente por un conductor en un circuito cerrado, donde los electrones salgan de un terminal de la batería y lleguen al otro, entonces le intercalamos una "carga" que consume parte de la energía circulante, eso puede ser tan sencillo como conectar una lamparita o tan complicado como conectar un aparato de radio o mover un auto.

En cualquiera de los casos el efecto es el mismo: la corriente que circula es desviada por los subcircuitos de la carga y convertirá la energía eléctrica en otros tipos de energía: calor, sonidos, luz, movimiento mecánico, etc. Es lo mismo que cuando desviamos un canal de riego en varias acequias. la analogía eléctrico-hidráulica es maravillosa y muy válida.

Bah, cuando reviso esa entrada veo que gran parte de lo que puse aquí ya lo había escrito antes, pero igual, Wilson no lo había leído.

Eso sería lo más básico de los circuitos de corriente contínua, pero muchos se preguntaran ¿y qué pasa con la corriente alterna que tengo en el enchufe de mi casa? ¿Cómo diablos es posible que la corriente vaya en una dirección y después en la otra? ¿Porqué a veces nos da la corriente y otras veces no?

La corriente alterna no la trataré ahora porque esto se haría interminable, mejor lo dejo para otro día.

En el fondo
Al final todo se reduce a transferir energía, convirtiéndola de una forma a otra. Algunas transferencias son muy eficientes mientras que en otras gran parte de la energía se pierde al hacer el cambio. 

Podemos hacer andar un vehículo quemando leña, aceite de comer, diesel, gasolina, con una pila de hidrógeno o con una batería que alimenta un motor eléctrico, al final obtenemos lo mismo: energía mecánica.

El asunto es cuanto gastamos. Por eso el balance energético completo es la mejor herramienta para saber que tecnologías son más convenientes, especialmente para máquinas que consumen electricidad.