miniatura del tema VIII del curso de electricidad sobre el voltio y la tensión

EF VIII: Voltaje y potencia. El voltio, unidad de tensión eléctrica

En la entrada anterior de E.F. hablamos sobre el amperio. En esta, del voltio. Desde 1881, la unidad de tensión eléctrica del Sistema Internacional de Unidades se llama voltio en honor del físico italiano Alessandro Volta.

Volta y el electróforo

En la 3.ª entrega de este curso de electricidad tratamos la electricidad estática. La peculiaridad de este fenómeno, recordemos, es que es estacionario, como su nombre indica. Es decir, no hay movimiento. No existe flujo de electrones.

Recordemos también que la palabra electrón se la debemos a los griegos. Ellos usaban este término para referirse al ámbar, una resina vegetal que al frotarla atraía misteriosamente las hojas de los árboles. (Experimento: recorta unos pedacitos de papel y frota un boli Bic contra un jersey; acércalo lentamente a los trocitos y verás cómo los atrae.)

Pues bien, en 1762, el físico sueco Johan Wilcke inventó un generador de electricidad estática al que Volta llamó electróforo perpetuo. Helo aquí:

Electróforo perpetuo generador de electricidad estática El electróforo perpetuo fue inventado por el físico sueco Johan Carl Wilcke (1732-1796)

Un electróforo funciona así:

  1. Se frota el material aislante (en naranja) con un tejido. Al hacerlo, queda cargado negativamente, es decir, con exceso de electrones
  2. Se sitúa el disco metálico sobre el material aislante
  3. Esto polariza el disco, pero no lo carga. Esto es, sus electrones se concentran en el lado opuesto a la pieza naranja. Ya que, recordemos, las cargas opuestas se repelen
  4. Se conecta un cable desde el disco metálico hasta tierra. Se establece así una corriente eléctrica que deja al disco con carga positiva (falta de electrones)
  5. Se levanta el disco tomándolo por el mango aislante Esta acción mecánica induce en el disco varios miles de voltios

Si en este momento acercamos un dedo al disco, sin llegar a tocarlo, saltará una chispa. Para ello, la carga eléctrica debe ser suficientemente alta.

Pero ¿para qué sirve el electróforo perpetuo? A nosotros, de entrada, nos ha valido para presentar al físico italiano Alessandro Volta. Que no fue su inventor, como erróneamente se cree a veces, sino quien le puso este nombre. En cambio... ¡el siguiente invento que verás sí fue obra de Volta!

Físico italiano Alessandro Volta Alessandro Volta, físico italiano y pionero en el estudio de la electricidad (1745-1827)

La pila eléctrica de Alessandro Volta

En 1745, en la región italiana de Lombardía, nace el conde Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta. Después de estudiar ciencias, trabaja como profesor de física en la Escuela Real de Como (1774). Unos años después, se dedica a la química. Es entonces cuando descubre el metano, un gas incoloro sin olor que lo hace famoso.

Sin embargo, si por algo es conocido Alessandro Volta, es por ser el inventor de la pila voltaica: la primera batería eléctrica (1799). Sí. A él le debemos, de alguna manera, el taladro con batería.

Sin embargo, la batería original de Volta no era de litio... ¡Ni muchísimo menos! Su celda galvánica estaba compuesta por una serie alternativa de discos metálicos de zinc y plata separados por papel o paño empapados en agua salada o sosa cáustica (electrolito).

Pila voltaica de Alessandro Volta Reproducción de una pila voltaica (celda galvánica) del Science History Institute

Pues bien, la pila voltaica fue la primera batería capaz de proporcionar corriente eléctrica a un circuito ininterrumpidamente. En un circuito eléctrico, como ya sabemos, la corriente se mide en amperios. Pero, entonces, ¿qué miden los voltios?

El voltio: definición

No hay amperios sin voltios, pero se podría decir que tampoco hay voltios sin amperios. ¿Fue primero el huevo o la gallina? En Electricidad Fácil hemos visto primero la unidad de intensidad eléctrica, el amperio, porque es una de las siete unidades básicas del Sistema Internacional.

Lo anterior implica que el voltio es una unidad derivada. Es decir, una unidad que se define a partir de las unidades fundamentales. En concreto, el voltio se deriva de la unidad de trabajo, una magnitud que aún no conocemos, y de la de carga eléctrica, que sí nos es familiar:

  • Unidad de trabajo: julio (J)
  • Unidad de carga eléctrica: culombio (C)

Dicho esto, ¡ya podemos definir el voltio! El voltio se define como la diferencia de potencial que hace falta para obtener un julio de trabajo cuando fluye una carga eléctrica de un culombio. Es decir, matemáticamente:

V = J / C

Y te preguntarás: «¿Y aquí dónde está el amperio?». Pues lo hallarás en la definición del culombio, que es otra unidad derivada del SI. Aquí lo tienes:

C = A × s

Está formula nos dice que un culombio es la carga que transporta una corriente eléctrica de un amperio durante un segundo. En concreto, una carga de un culombio equivale a 6.28 trillones de electrones.

Luego, si combinamos todo lo anterior, llegamos a la siguiente conclusión. Cuando 6.28 trillones de electrones fluyen, pongamos, por el cable de una herramienta eléctrica y producen un julio de trabajo, decimos que la tensión eléctrica es de un voltio.

Pero aún no me has dicho cuánto es un julio de trabajo... Cierto. Por suerte, ¡no nos hace falta de momento para seguir estudiando electricidad básica! Por ahora, solo debes memorizar esta idea:

Una tensión eléctrica de un voltio realiza un julio de trabajo en un segundo cuando la corriente es de un amperio.

El voltio: ejemplo

Para ejemplificar los conceptos de la sección anterior, ¿qué tal si colgamos un cuadro para decorar el salón? Nos hará falta un taladro de batería, broca de pared, tacos y escarpias. Si el diámetro de la broca es pequeño, el tabique de ladrillo lo podemos perforar con:

  • Un taladro de 12 V
  • Un taladro de 18 V

La diferencia entre ambos taladros es que el segundo tiene seis voltios más que el primero. Es decir: el de 18 V es un taladro eléctrico más potente. En otras palabras: hace el mismo trabajo en menos tiempo.

Hagamos hincapié en el asunto del taladro inalámbrico, porque nos va a ayudar a entender qué es un voltio. Pongamos que apretamos el gatillo hasta el fondo en ambas herramientas. Además, vamos a medir la intensidad de la corriente eléctrica con un amperímetro.

Supongamos que la lectura del medidor nos marca los mismos amperios. Es decir, la corriente eléctrica que fluye en ambos taladros es la misma. Sin embargo:

  1. El taladro de 18 V desarrolla más fuerza y, por consiguiente, más trabajo
  2. Como resultado, el taladro de 18 V tarda menos tiempo en perforar la pared

En conclusión: una herramienta de 18 V es más potente que una de 12 V. Lo que se intenta demostrar con este ejemplo es que el voltaje (voltios) se relaciona con la potencia.

Recordemos:

La tensión eléctrica o diferencia de potencial eléctrico se expresa en voltios. También se usa esta medida, como veremos más adelante, para la fuerza electromotriz.

Potencia eléctrica. Voltio y vatio

Con toda seguridad, el ejemplo anterior habrá confundido a mucha gente. Ya que, conforme a la explicaciones de la sección previa, ¿qué pasa con el taladro eléctrico si en vez de batería se alimenta por cable? ¿Acaso todos los taladros de 230 V tienen la misma potencia?

Para aclarar este asunto, en este apartado vamos a aprender más sobre la potencia eléctrica. La unidad de potencia eléctrica, el vatio, se puede definir así:

W = V × A

En rigor, la fórmula superior solo es válida para definir la potencia en corriente continua (DC). En un futuro aún lejano veremos por qué... De momento, imaginemos que es igualmente apta para medir potencia en corriente alterna, es decir, la del enchufe de casa.

Como probablemente sepas, la potencia de los taladros con cable se expresa en vatios (W). Esto es así porque en el suministro eléctrico de nuestros hogares el voltaje es constante. En concreto, en España, la red eléctrica doméstica funciona a 230 V.

Por consiguiente, no importa cuán potente sea una herramienta eléctrica: si tiene cable, el voltaje será siempre el mismo. En pocas palabras, será la intensidad de la corriente eléctrica la que establezca la potencia.

En efecto, para un taladro de 690 W, y según la fórmula anterior:

690 W = 230 V × 3 A

Y, si esto es así, ¿por qué no se olvida el fabricante de los vatios y nos indica simplemente los amperios? Pues, de hecho, así ocurre en EE.UU., donde se usan los amperios para comparar la potencia de las herramientas eléctricas.

La moraleja de esta historia es que vatios, voltios y amperios están íntimamente relacionados. La potencia en vatios de una herramienta será mayor cuanto mayor sea el número de voltios y amperios que definen, respectivamente, la tensión eléctrica con que funciona y la intensidad máxima de corriente que puede fluir por sus cables.

Resumen de magnitudes y unidades

Hasta el tema de hoy, hemos tratado cuatro magnitudes eléctricas:

  • La carga de electrones: expresada en culombios (C)
  • La intensidad de la corriente: expresada en amperios (A)
  • El voltaje o la tensión eléctrica: expresada en voltios (V)
  • La potencia: expresada en vatios (W)

Los símbolos que representan las unidades que expresan estas magnitudes se escriben con letra mayúscula porque todas ellas fueron elegidas en honor de algún físico: Coulomb, Ampère, Volta, Watt... Sin embargo, para diferenciar la unidad de la persona en cuyo honor fue nombrada, escribimos las unidades con mínuscula. Así: culombio, amperio, voltio, vatio...

Por cierto, de estas cuatro unidades, solo el amperio es una unidad básica del SI. Las otras tres son unidades derivadas. En las próximas entregas de Electricidad Fácil veremos una nueva unidad derivada: el ohmio, la unidad de resistencia eléctrica.

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