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

Si EF VII trató del amperio, el tema de este artículo no es otro que el voltio. Desde 1881 la unidad de tensión eléctrica del Sistema Internacional de Unidades se llama voltio en honor del físico italiano Alessandro Volta.

Volta, Johan Wilcke y el electróforo perpetuo

En la 3.ª entrega de este curso de electricidad vimos la electricidad estática. Recordemos que la peculiaridad de ese fenómeno es que es estacionario. Como su nombre indica, no hay movimiento ni flujo de electrones.

Como sabemos la palabra electrón viene de los griegos. Con el término elektron se referían en la Antigua Grecia al ámbar, una resina vegetal que al frotarla atraía de modo misterioso las hojas de los árboles.

Hoy podemos reproducir el experimento cortando unos pedacitos de papel y frotando un boli Bic contra un jersey. El bolígrafo atrae el papel cuando lo acercamos lo suficiente.

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
Figura 1. El electróforo perpetuo fue inventado por el físico sueco Johan Carl Wilcke (1732-1796)

Cómo funciona un generador de electricidad estática

El electróforo de la Fig. 1 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. Los electrones se concentran en el lado opuesto a la pieza naranja, porque, 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 muy alta.

¿Y para qué vale el electróforo perpetuo? A nosotros, de entrada, nos ha servido para presentar al físico italiano Alessandro Volta, quien no lo inventó, como se cree por error, pues solo le puso el nombre. El siguiente invento, en cambio, ¡sí fue de veras 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 Volta le debemos el taladro de batería, de alguna manera.

Sin embargo, no era de litio la batería original de Volta... ¡Ni muchísimo menos! Su celda galvánica constaba de 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 suministrar corriente eléctrica a un circuito sin interrupción. En un circuito eléctrico, como ya sabemos, la corriente se mide en amperios; entonces, ¿qué miden los voltios?

Definición de voltio

No hay amperios sin voltios, pero ¿y 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 de Unidades.

Eso implica que el voltio es una unidad derivada, es decir, 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!

Voltio

Diferencia de potencial necesaria para obtener un julio de trabajo cuando fluye una carga eléctrica de un culombio.

El voltio se expresa así matemáticamente:

V = J / C

Ahora bien: ¿dónde se esconde el amperio?

Voltio, culombio y amperio

El amperio lo hallamos en la definición del culombio, que es otra unidad derivada del SI. Vamos con otra fórmula:

C = A × s

Esa formula nos dice que un culombio es la carga que transporta una corriente eléctrica de un amperio durante un segundo. Y una carga de un culombio equivale, como hemos visto ya en otras unidades, a 6.28 trillones de electrones.

Luego si combinamos todo lo anterior, llegamos a la siguiente conclusión. Cuando 6.28 trillones de electrones fluyen por el cable de una herramienta eléctrica, por poner un ejemplo llano, y producen un julio de trabajo, la tensión eléctrica es de 1 V.

Te falta definir cuánto es un julio de trabajo... Cierto. Por suerte, ¡de momento no hace falta para seguir estudiando electricidad básica! Por ahora, memoriza solo esta idea:

1 V de tensión eléctrica desempeña 1 J de trabajo en un segundo si la intensidad de la corriente es de 1 A.

Ejemplos de voltaje

Para ejemplificar el voltaje, haremos algo de bricolaje. ¿Qué tal si colgamos un cuadro en 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:

La diferencia entre ambos taladros es que el segundo tiene 6 V más que el primero. Es decir: el de 18 V es un taladro eléctrico más potente o, más claro, hace el mismo trabajo en menos tiempo.

Vamos a hacer hincapié en el tema del taladro inalámbrico porque nos va a ayudar a entender qué es un voltio. Pongamos que apretamos el gatillo a fondo en ambos taladros. Además, medimos la intensidad de la corriente eléctrica con un amperímetro.

Taladro percutor de 12 voltios con broca de pared
En el taladro de batería el voltaje señala la fuerza de la herramienta

En la pantalla del multímetro leemos el mismo valor de amperios en los dos casos. Es decir, por los dos taladros fluye la misma intensidad de corriente. Sin embargo:

  1. El taladro de 18 V desarrolla más fuerza (y, más trabajo, de resultas).
  2. En consecuencia, el taladro de 18 V perfora la pared en menos tiempo.

Queda probado, en conclusión, que 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 medir la fuerza electromotriz.

Potencia eléctrica o cómo se relaciona el voltio con el vatio

¿Quizá el ejemplo anterior solo crea más confusión? Según las explicaciones de la sección previa, ¿qué pasa con el taladro eléctrico cuya fuente de energía es la electricidad que llega por un cable y no la de la batería? ¿Es que acaso todos los taladros de 230 V tienen la misma potencia?

Para aclarar este asunto, vamos indagar en la potencia eléctrica. La unidad de potencia eléctrica, el vatio (símbolo: W) puede definirse como voltios × amperios, tal que así:

W = V × A

En rigor, tal fórmula solo es válida para definir la potencia en corriente continua (DC). Por el momento, no obstante, asumiremos que también es apta para medir potencia en corriente alterna, es decir, la que del enchufe de casa.

La potencia de los taladros con cable se expresa en vatios (W). Se indica así porque el suministro eléctrico de nuestros hogares es de voltaje 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. Dicho de otra manera, su potencia depende de la intensidad de la corriente eléctrica. En efecto, si se aplica la fórmula anterior a un taladro de 690 W:

690 W = 230 V × 3 A

Y, entonces, ¿por qué no se olvida el fabricante de los vatios y e indica solo los amperios? Así ocurre, de hecho, 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 muy relacionados entre sí. La herramienta tendrá más vatios de potencia cuanto mayor sea el número de voltios y el de amperios, que definen, respectivamente, la tensión eléctrica con que funciona y la máxima intensidad 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 la unidad en mínuscula. Hablamos así de culombios, amperios, voltios, vatios...

Por cierto: solo el amperio es una unidad básica del SI. Las otras tres son unidades derivadas. En la próxima entrega de Electricidad Fácil vemos otra derivada más: el ohmio, la unidad de resistencia eléctrica.

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