20 La ley de Ohm
La electricidad se produce del movimiento de las cargas eléctricas. La carga eléctrica es una propiedad básica de las partículas subatómicas que determina el modo en que interactúan con los campos electromagnéticos. Estos campos crean fuerzas que mueven las partículas con carga eléctrica. La carga, igual que la energía, se conserva globalmente; no se puede crear ni destruir, pero muchas se pueden mover de un lado a otro.
La carga puede ser una propiedad positiva o negativa. Las partículas de carga opuesta se atraen; las de carga igual se repelen. Los electrones tienen una carga negativa (que fue medida por Robert Millikan en 1909) y los protones una carga positiva. Los neutrones, como su nombre indica, no tienen carga y, por tanto, son «neutros».
Electricidad estática La electricidad puede permanecer estática, como una distribución fija de cargas, o circular, como una corriente eléctrica. La electricidad estática se forma cuando las partículas cargadas se mueven, de forma que las cargas opuestas se acumulan en diferentes puntos. Por ejemplo, si frota un peine de plástico en la manga, éste se carga y puede atraer pequeños objetos con carga opuesta, como trocitos de papel.
Los relámpagos se forman de modo similar: la fricción entre moléculas en las turbulentas nubes de una tormenta generan electricidad que se descarga repentinamente en forma de rayo. El estallido de los relámpagos puede alcanzar varios kilómetros de longitud y decena de miles de grados Celsius de temperatura.
BENJAMIN FRANKLIN (1706-1790)
Benjamin Franklin nació en Boston, EE. UU., el decimoquinto hijo y el más joven de un vendedor de velas. Aunque recibió presiones para convertirse en clérigo, Ben acabó trabajando en una imprenta. Incluso después de haber alcanzado la fama, firmaba modestamente sus cartas como «B. Franklin, impresor». Franklin publicó Poor Richard’s Almanac, el cual le lanzó a la fama gracias a citas memorables como «El pescado y los visitantes apestan durante tres días». Franklin fue un inventor prodigioso —desarrolló el pararrayos, la armónica de cristal, las lentes bifocales y muchas otras cosas—, pero sobre todo se sentía fascinado por la electricidad. En 1752 llevó a cabo su experimento más famoso, extrayendo chispas eléctricas de una nube tormentosa mediante una cometa en medio de una tormenta. Franklin contribuyó a la vida pública en su país, en los últimos años de su vida, introduciendo las bibliotecas públicas, los hospitales y los bomberos voluntarios y trabajó para abolir la esclavitud. Se convirtió en político, conduciendo misiones diplomáticas entre Estados Unidos, Gran Bretaña y Francia durante y después de la revolución americana. Fue miembro del Comité de los Cinco, que realizó el borrador de la Declaración de la Independencia en 1776.
En marcha La corriente eléctrica es un flujo de cargas. Los cables metálicos conducen la electricidad porque los electrones en los metales no están unidos a ningún núcleo atómico en particular y pueden movilizarse con gran facilidad. Se dice que los metales son conductores de la electricidad. Los electrones se mueven por el cable de metal igual que el agua por una tubería. En otros materiales, son las cargas positivas las que se mueven. Cuando las sustancias químicas se disuelven en agua tanto los electrones como los núcleos cargados positivamente (iones) flotan libremente. Los materiales conductores permiten que las cargas se muevan con mayor facilidad a través de ellos. Los materiales que no permiten pasar la electricidad, como la cerámica o los plásticos, se denominan aislantes. Los que conducen la electricidad únicamente en ciertas circunstancias se denominan semiconductores.
Como ocurre con la gravedad, una corriente eléctrica se puede crear mediante un gradiente, en este caso en un campo eléctrico o un potencial eléctrico. Por lo tanto, igual que una carga en desnivel (potencial gravitatorio) hace que un río descienda por una colina, un cambio en el potencial eléctrico entre dos extremos de un material conductor hace que una corriente de carga fluya a través de él. Esta «diferencia de potencial» o voltaje dirige el flujo de la corriente y también da energía a las cargas.
Resistencia Cuando cae un rayo, la descarga eléctrica circula con gran rapidez a través del aire ionizado hasta el suelo. Al hacerlo anula la diferencia de potencial que lo dirige, de modo que la caída de un rayo conlleva una enorme corriente. Lo que puede matarle al pasar por su cuerpo es la enorme corriente, y no el voltaje. En la práctica, las cargas no pueden moverse a velocidad tan vertiginosa a través de la mayoría de los materiales porque encuentran resistencia. La resistencia limita la magnitud de la corriente disipando la energía eléctrica en forma de calor. Para evitar que le matara un rayo tendría que colocarse de pie sobre un aislante, quizá una esterilla de goma, que tiene una alta resistencia. O podría esconderse en una jaula de metal, ya que el relámpago puede circular con mucha más facilidad por los barrotes de metal que por su cuerpo, el cual, por ser en su mayor parte agua, no es un buen conductor. Esta construcción se conoce como la jaula de Faraday, en honor a Michael Faraday, que construyó una en 1836. El patrón del campo eléctrico establecido por la jaula de Faraday —un conductor hueco— significa que toda la carga se transmite por la parte exterior de la jaula, mientras que el interior es completamente neutro. Las jaulas de Faraday fueron dispositivos de seguridad muy útiles para los científicos del siglo XIX que ejecutaban demostraciones de relámpagos artificiales. Actualmente todavía sirven para proteger equipos electrónicos y explican por qué cuando viaja en mitad de una tormenta eléctrica dentro de un avión metálico está a salvo.
Los relámpagos
Quizá no caerán en el mismo sitio dos veces, pero, por término medio, cae un relámpago en la superficie de la Tierra cien veces por segundo u 8,6 millones de veces al día. Sólo en los Estados Unidos cae la asombrosa cifra de 20 millones de rayos por año por cada 100.000 tormentas eléctricas.
El pararrayos de Benjamin Franklin funciona de una forma similar, proporcionando una trayectoria de baja resistencia para que la corriente del relámpago la siga en lugar de liberar su energía en el edificio donde cae, que opone una alta resistencia. Los pararrayos de punta afilada son los que mejor funcionan porque concentran el campo eléctrico en la punta, aumentando la probabilidad de que la electricidad sea canalizada por esta vía hasta el suelo.
Circuitos Los flujos eléctricos siguen bucles llamados circuitos. El movimiento de la corriente y la energía a través de los circuitos se puede describir del mismo modo que el agua que fluye a través de una serie de tuberías. La corriente es similar a la velocidad del flujo, el voltaje a la presión del agua y la resistencia al ancho de la tubería o a las limitaciones que se hayan impuesto en su interior.
En 1826, George Ohm publicó una de las leyes más útiles para interpretar circuitos eléctricos. La ley de Ohm se escribe algebraicamente como V = IR, lo que significa que un descenso en el voltaje (V) es igual al producto de la corriente (I) por la resistencia (R). Según la ley de Ohm, el voltaje es proporcional a la corriente y a la resistencia. Si duplicamos el voltaje en un circuito, también doblamos la corriente que fluye por su interior si la resistencia es la misma: para mantener la misma corriente necesitamos una resistencia dos veces mayor. La corriente y la resistencia son inversamente proporcionales, así que si aumentamos la resistencia disminuimos la corriente. La ley de Ohm se aplica incluso a circuitos complejos con numerosos bucles. El circuito más simple que se puede imaginar es una bombilla de luz conectada a una batería por medio de un cable. La batería suministra la diferencia de potencial necesaria para conducir la corriente a través del cable y el filamento de tungsteno de la bombilla opone cierta resistencia mientras convierte la energía eléctrica en luz y calor. ¿Qué sucedería si introdujéramos otra bombilla en el circuito? De acuerdo con la ley de Ohm, si estas dos bombillas se colocaran una junto a otra se habría doblado la resistencia y por tanto el voltaje en cada una de ellas, y por este motivo la energía disponible para cada una debería dividirse por la mitad haciendo que ambas bombillas alumbraran más débilmente. Esto no sería demasiado útil si se tratara de iluminar una casa: cada vez que usted enchufara una nueva bombilla en alguna habitación todas las demás se atenuarían.
Sin embargo, al conectar la segunda bombilla en un circuito unido directamente con el primero, cada bombilla puede lograr experimentar toda su caída de potencial. La corriente se desvía en el empalme y pasa por ambas bombillas separadamente antes de volver a juntarse, de modo que la segunda bombilla brilla con tanta intensidad como la primera. Este tipo de circuito se denomina «circuito en paralelo». El primero, donde las resistencias se encuentran una junto a otra, es un circuito en «serie». La ley de Ohm puede utilizarse con cualquier circuito para calcular el voltaje y la corriente en cualquier punto.
Cronología:
1752 d. C.: Franklin desarrolla su experimento con el relámpago.
1826 d. C.: Ohm publica su ley.
1909 d. C.: Millikan mide la carga de un solo electrón.
La idea en síntesis: teoría de los circuitos