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El efecto térmico de la corriente
Según estudiamos, existen ma-teriales conductores y aislantes.Pero no existen ni conductoresperfectos ni aislantes perfectos. Enel caso del conductor, siempreexiste una pequeña "dificultad"para el paso de la corriente eléc-trica, de manera que para lograrlo,las cargas se ven obligadas a gas-tar una cierta cantidad de energía.
Se puede "medir" la energíadisponible en el circuito por sutensión en relación a una referen-cia.
Es así que si conectamos unconductor entre los polos de unapila, veremos que circula una co-rriente que está determinada porsus características.
El hecho es que para pasar poreste conductor, como muestra lafigura 1, habrá que gastar energía,lo que significa que en cada pun-
to el potencial "cae" hasta alcanzarel mínimo cuando se ha completa-do el recorrido.
¿Adónde va la energía gastadaen este caso?
Un conductor como el indica-do convierte la energía eléctricaen calor.
El "esfuerzo" de las cargas pa-ra pasar por el conductor provocala agitación de sus átomos, lo quese traduce, en función del efecto,
LECCION 3
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TEORIA: LECCION Nº 3
Los efectos de la Corriente Eléctrica
El desplazamiento de las cargas eléctricas por un medio determina-do, o sea la circulación de la corriente eléctrica, puede ser respon-sable de diversos efectos. La energía comprendida en el movimientode las cargas puede sufrir transformaciones y emplearse para pro-ducir trabajo. Se dice que una fuerza realiza un trabajo cuandopuede usarse para alterar el estado de un cuerpo. Cuando eleva-mos un cuerpo de un nivel a otro, alterando así su estado (energíapotencial), estamos realizando un trabajo; lo mismo sucede cuandocomprimimos un resorte o calentamos un cuerpo. Veremos tambiénen esta lección de qué modo los diversos efectos de la corriente eléc-trica pueden usarse en aplicaciones prácticas, en la construcciónde algunos dispositivos.
Coordinación: Horacio D. Vallejo
como calor.Un cuerpo con "poca agi-
tación" de sus átomos está auna temperatura más baja queel que tenga "mucha agita-ción".
La cantidad de "calor" ge-nerado en un conductor porel pasaje de corriente depen-de de dos factores: de la ten-sión existente entre los extre-mos y de la corriente circu-lante. (La corriente dependede un tercer factor que se es-tudiará más adelante.)
Aplicaciones prácticas: Podemos aprovechar este
efecto térmico de la corrientepara construir diversos dispo-sitivos. Podemos citar “los ca-lefones eléctricos”, que seusan en lugares donde no lle-ga el gas natural, las canillaseléctricas y los calefactores deambientes.
En éstos hay un cable denicromo (aleación de níquel ycromo) que, al ser recorridopor la corriente, se calientabastante y produce el calorque nos rporporcionan esosaparatos (figura 2).
Se usa nicromo para dificultarel pasaje de la corriente, yaque facilita la producción decalor y porque resiste tempe-raturas altas.
El efecto térmico de la co-rriente consiste en la trans-
formación de energía eléctri-ca en calor.
El efecto luminoso
Si se calienta un cuerpo atemperatura muy alta, puedeemitir luz visible. Si se calien-ta una barra de hierro, llegahasta el punto en que se po-ne "incandescente" y emiteluz rojiza. Si se calienta más,la luz se vuelve blanca.Al aire libre resulta muy difícilcalentar un cuerpo a tempera-tura muy alta sin que resultedestruido. Lo que ocurre esque llega un punto en que eloxígeno de la atmósfera "ata-ca" el material y reacciona conél para producir nuevas sus-tancias. Decimos que el cuer-po "se quema".La combustión de un cuerpono es más que la reacción deloxígeno del aire con la mate-ria del cuerpo (figura 3).Si deseamos usar un trozo demetal calentado por una co-rriente, para producir luz, de-bemos evitar la acción del oxí-geno ambiente.Thomas Alva Edison pensóen eso al encerrar en un bul-bo de vidrio la primera lámpa-ra incandescente.
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Edison quitó todo el aire delbulbo para que no pudiera atacarel filamento de carbono que utili-zó (figura 4).
Las lámparas modernas poseenun filamento de un metal que so-porta temperaturas muy elevadas,que es el tungsteno y también tie-ne la atmósfera del interior delbulbo sustituida por gases inertes,o sea gases que no atacan el me-tal.
Ahora no se hace más el vacío,como hacía Edison al quitar todoel aire, porque de esa manera setiene una presión exterior muygrande contra una presión muybaja (casi nula) interior. Cualquiergolpe o esfuerzo mecánico podíaproducir la "explosión" de la lám-para (figura 5).
La lámpara incandescente, co-mo se la llama, "se quema" por di-versos motivos: uno de ellos es laentrada gradual de aire, que llevael oxígeno que ataca lentamenteel filametno hasta que se rompe.Otra causa es la evaporación gra-dual del metal del filamento quese va "afinando" hasta que se par-te. Por lo tanto, una lámpara co-mún tiene una "vida útil" limitada.
Se debe tener presente que:— En la lámpara incandes-
cente, el pasaje de corrientepor el filamento lo calienta yproduce luz.
— En el interior de la lám-para no puede haber oxígeno.
Pero no sólo haciendo pasaruna corriente por un metal pode-mos producir luz.
Cuando estudiamos las mani-festaciones naturales de la electri-cidad, vimos que una de ellas erauna enerome fuente de luz. Nosreferimos al rayo. Una descargaeléctrica muy intensa puede hacerque el aire se vuelva "luminoso"y hacer que emita luz.
Podemos obtener el mismo fe-nómeno en otros gases para loque basta que estén en ciertascondiciones de presión. Si colo-camos en un tubo gases como elargón, el xenón, etc. (gases no-bles), podemos tener los mismosefectos.
La aplicación de una tensiónelevada en el tubo hace que searranquen los electrones de lascapas más externas de los átomosy cuando vuelven a su estado
normal, se emite luz. Decimosque los gases se ionizan y, condu-ciendo la corriente en ese proce-so, emiten luz (figura 6).
Es lo que ocurre con las lám-paras de neón y las lámparas fluo-rescentes (figura 7).
En las lámparas de neón seproduce luz anaranjada, caracterís-tica del gas, mientras que en laslámparas fluorescentes, en reali-dad la luz emitida es "invisible",es decir: la mayor parte del espec-tro que no vemos, que es la ultra-violeta. Una fina capa de tinte es-pecial se pasa por la cara interiordel tubo para que la luz ultravio-leta incidente se convierta en luzvisible.
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La ionización de los gaseses acompañada por la emisión
de luz.
Un poco de física y de cálculos
El grado de agitación de laspartículas de un cuerpo nos dauna magnitud que se llamatemperatura. Cuanto más agita-das estén las partículas de uncuerpo, mayor será su tempera-tura.
Para medir la temperaturautilizamos los instrumentos de-nominados termómetros, de loscuales, el más común es el demercurio, mostrado en la figura8. Este se basa en la dilata-ción del metal (mercurio)que es lineal (o aproxima-damente) en la franja enque se usa.
La escala de temperaturaque usamos es la de gra-dos Celsius o centígrada,en la que se fijan dos pun-tos (fusión del hielo y ebu-llición del agua) que co-rresponden a 0° y 100°.
Pero para la física, ésa
no es una escala ideal. Cero gra-dos no corresponde al punto enque cesa la agitación de las partí-culas de un cuerpo.
La temperatura a que eso ocu-rre corresponde a -273°C. A esatemperatura no existe agitación delas partículas del cuerpo. ¡Es elfrío "absoluto" pues no existe mo-vimiento más lento de agitaciónque la "detención"!
Una escala mejor para la físicasería aquéllas que tuviera el cerogrados en ese punto.
Esa escala existe y es la de losgrados Kelvin (°K). El 0°K corres-ponde a -273°C y el 0°C corres-ponde a 273°K. En la figura 9mostramos las dos escalas compa-radas.
Para convertir una temperaturaen grados centígrados a gradosKelvin basta sumar "273". Porejemplo, 100°C corresponden a373°K.
Para convertir grados Kelvin (oabsolutos) en centígrados (o Cel-sius) basta restar 273. Por ejem-plo, 300°K corresponden a 27°C.
Existen otras escalas importan-tes usadas para medir temperatu-ras y una de ellas es la de los gra-dos Farenheit (°F). En esta escala,el punto de ebullición del aguacorresponde a 212° y el de fusióndel hielo a 32° (figura 10).
Para convertir una temperatura,de °C en °F se puede estableceruna fórmula (1), tal como semuestra en la misma figura.
— La temperatura es el gra-do de agitación de las partí-
culas de un cuerpo.
Puede preguntarse lo siguiente:¿Por qué las lámparas incan-
descentes suelen quemarse gene-ralmente cuando las encende-mos?Este es un hecho interesante,
que tal vez hayan notado mu-chos lectores. Usted ya sedio cuenta de que en lamayor parte de los casoslas lámparas se queman enel momeno exacto en queusted acciona el interruptorpara encenderlas. No es una simple casuali-dad. En ese momento el fi-lamento está frío y por con-siguiente contraído. Si estu-viera gastado o con cual-quier problema, en el mo-mento en que se establece
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la corriente el impacto es ma-yor y, por lo tanto, la proba-bilidad de que se rompa tam-bién es mayor.
¿Qué es lo que realmentese quema?
—La combustión es lareacción entre el oxígeno yotro elemento (o sustancia).El oxígeno "oxida" y este fe-nómeno puede acompañarsecon la producción de luz ycalor, formando entonces unallama. Para que haya com-bustión es preciso un com-bustible (sustancia que sequema) y un comburente(oxígeno).
En una atmósfera en queno exista oxígeno, no puedehaber combustión.
¿Existe el cero absoluto de tem-peratura?.
—Si la temperatura está dadapor la agitación de las moléculas de
un cuerpo, si no hubiera materia nohabría temperatura. Se puede decirentonces que en el espacio vacío,donde haya vacío absoluto, la tem-peratura será el cero absoluto por-que no existe materia. Pero en los
laboratorios se han alcanzadotemperaturas próximas al ceroabsoluto. A esa temperaturatan baja ocurren cosas intere-santes en los materiales. Eloxígeno se convierte en sólidoy los metales se hacen con-ductores perfectos que se lla-man "superconductores".En la tabla 1 tenemos elnombre y la composición dealgunas aleaciones usadas enla fabricación de elementosde calefacción de aparatoseléctricos y su temperaturamáxima de operación.En la tabla 2 damos los pun-tos de fusión de algunos me-tales.
El efecto químico de la corriente
Estudiamos que determinadassustancias, cuando se disuelvenen agua, pueden originar cargascapaces de transportar electrici-dad. Esos conductores, denomina-dos soluciones iónicas, como elagua y la sal, al conducir la co-
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Tabla 1
Constantan(58,8% Cu; 40% Ni; 1,2% Mn) ......................................................500°C
Fechral(80% Fe: 14% Cr; 6% Al) ..............................................................900°C
Plata alemana(65% Cu; 20% Zn; 15% ni) ....................................................150-200°C
Manganina(85% Cu; 12% Mn; 3% Ni)Niquelina(54% Cu; 20% Zn; 26% Ni)....................................................150-200°C
Nicromo(67% Ni; 15% Cr; 16% Fe; 1,5% Mn) 1.000°C
Reostan(84% Cu; 12% mn; 4% Zn) ....................................................150-200°C
Tabla 2
Aluminio.....................658,7°CBronce ...........................900°CHierro ............1.100 a 1.200°CCobre ..........................1.083°COro .............................1.063°CPlomo ............................327°CMercurio ......................-38,9°CNíquel .........................1.452°CPlata ............................960,5°CAcero .............1.300 a 1.400°CEstaño .........................231,9°C
rriente eléctrica mani-fiestan ciertos fenóme-nos producidos.
Debemos entoncesdistinguir dos tipos defenómenos: los físicosy los químicos.
Se dice que ocurreun fenómeno físicocuando no se altera lanaturaleza de la mate-ria que lo manifiesta.Cuando calentamos unpedazo de hierro tene-mos un fenómeno físi-co, pues tanto frío co-mo caliente, el mate-rial es hierro.
En un fenómenoquímico se produce laalteración de la natura-leza de la materia.Cuando algo se que-ma, por ejemplo, antestenemos madera ydespués tenemos ceni-zas y gases de natura-leza completamente diferente (fi-gura 11).
¿Qué tipo de alteración puedeocurrir cuando una corrienteeléctrica pasa por una soluciónconductora?
Podemos tomar como ejemploel caso más importante que es laelectrosis del agua.
Si agregamos al agua pura unpoco de ácido sulfúrico (H2SO2)
el agua se vuelve conductora (fi-gura 12).
Conectando dos cables a esasolución de manera que median-te una batería podamos hacer cir-cular corriente, notaremos que
ocurre un fenómeno de naturalezaquímica.
En los extremos pelados de loscables aparecen burbujas de gas
que se desprenden.Podemos recoger lasburbujas en tubos in-vertidos como mues-tra la figura 13.Analizando los gasesrecogidos, veremosque en un tubo tene-mos hidrógeno (H2) y
en el otro, oxígeno(O2).
¿De dónde sale el gas?Por la proporción delos gases que recoge-mos vemos que tene-mos doble volumende hidrógeno respec-to del volumen deoxígeno.
¿Qué sustancia tieneen su composición elhidrógeno y el oxíge-no en la proporciónde 2 a 1 que no sea elagua?
Lo que ocurre entonces, cuan-do pasa la corriente eléctrica, es laseparación de los elementos queforman el agua, o sea la descom-
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posición del agua según laecuación química:
2H2O = 2H2 + O2
En la electrólisis del aguaocurre la separación de suscomponentes. El ácido sulfúri-co permanece inalterado y sir-ve sólo para movilizar las car-gas que forman la corriente.
Otro fenómeno en quese manifiesta el efecto quí-mico de la corriente es lagalvanoplastia.
En la figura 14 se mues-tra de qué modo una co-rriente eléctrica puede usar-se para depositar una finapelícula de metal sobre uncuerpo unido al polo nega-tivo de una batería.
La solución que se em-plee depende del material(metal) que se quiere depo-sitar, como por ejemplo elníquel (caso del niquelado)o el cromo (para el croma-do) o el oro (para el dora-do), etc.
El efecto fisiológico
Podemos decir que nuestrocuerpo es una solución conducto-ra. En él existe un medio acuosocon muchas sales minerales di-sueltas.
Por otra parte, nuestro sistemanervioso funciona sobre la basede corrientes eléctricas que lleganal cerebro y partiendo de él, traeny llevan informaciones.
Las células nerviosas, cuyo as-pecto se muestra en la figura 15,son las que conducen los impul-sos nerviosos.
Los impulsos entran por termi-naciones denominadas dendritas ysalen por una terminación llamadaaxón. Una verdadera red de célu-las de este tipo informa al cerebrosobre todo lo que pasa en nuestro
cuerpo. son nuestros sensoreseléctricos. Podemos tomar un caso ima-ginario para describir el fun-cionamiento del sistema ner-vioso:Supongamos que, sin darsecuenta, usted apoya la manosobre un cigarrillo encendido(figura 16).El calor generado, que puedequemarle la piel, es detectado
por una terminación nervio-sa que se encarga de trans-mitir al cerebro una señalde peligro. Esta señal pasapor una serie de nervioshasta llegar al cerebro quees la "central de procesa-miento" de las informacio-nes, así llega al departa-mento "competente" quedeberá tomar la decisión so-bre la acción a seguir enese caso.Es evidente que la decisiónes la de retirar la mano deahí. Los impulsos de retor-no ordenan contraer losmusculos que mueven elbrazo y la mano para reti-rarla del lugar y entonces serealiza la acción.En la práctica todo esotoma solamente 0,1 se-gundo.
Vemos entonces que corrienteseléctricas llevan y traen las infor-maciones que hacen funcionarnuestro organismo.
Por supuesto que las corrientesque "vienen de afuera" pueden in-terferir fácilmente con el funciona-miento de nuestro organismo ycausar sensaciones desagradables,dolores y muerte.
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Es el caso del shock eléc-trico. Cuando usted toca uncable, una corriente puedecircular a través del cuerpo,en procura, normalmente,de llegar a tierra que se en-cuentra a un potencial másbajo (figura 17).
Diversos factores dete-rminan la intensidad de lacorriente como, por ejem-plo, el hecho de que la pielesté húmeda o no.
Si la corriente fuera débil,la sensación es un hormi-gueo desagradable, que estimulael sistema nervioso. Si fuera muyfuerte puede producir dolor, que-maduras y lo que es peor: lamuerte.
Una corriente muy intensapuede paralizar el sistema
nervioso causando la muerte.
Un hecho importante quepuede suceder es la paráli-sis de la persona en el mo-mento del shock. La perso-na no puede moverse y tie-ne la sensación de estar"pegada" al cable y al apa-rato que produce el shock.Por otra parte, puede haberun fuerte estímulo que ac-tuando sobre los músculoshace que éstos se contrai-gan o distiendan y arrojenlejos a la persona. El indivi-duo dirá entonces que fue
rechazado violentamente por laelectricidad, cuando en realidadfue el estímulo que produjo la dis-tensión de sus músculos.
La intensidad de la corrienteque puede causar la muerte pue-de obtenerse con facilidad a partirde las tensiones disponibles en lared local de alimentación y enmuchos aparatos electrónicos. De-be tenerse sumo cuidado cuandose manejan esas fuentes de ener-gía.
El efecto magnético
Un profesor dinamarqués de laescuela secundaria llamado HansChristian Oersted observó quecolocando una aguja imantadacerca de un cable conductor,cuando se establecía la corrienteen el conductor, la aguja se des-plazaba hasta tomar una posiciónperpendicular al cable, como semuestra en la figura 18.
Como deben saber los lectores,las agujas imantadas procuranadoptar una posición determina-da, según el campo magnético te-
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rrestre, dando origen a labrújula (figura 19).
El movimiento de la agujaimantada sólo revela que lascorrientes eléctricas produ-cen campos magnéticos ytambién facilita el estableci-miento exacto de la orienta-ción de este campo, o sea sumodo de acción.
Como en el caso de loscampos eléctricos podemos re-presentar los campos magnéti-cos por líneas de fuerza. En unimán, como se muestra en la fi-gura 20, esas líneas salen delpolo norte (N) y llegan al polosur (S).
Para la corriente eléctricaque fluye en el conductor, veri-ficamos que las líneas de fuer-za lo rodean como muestra lafigura 21.
Representando con una fle-cha la corriente que fluye del po-sitivo hacia el negativo, tenemosuna regla que permite determinarcómo se manifiesta el campo.
Con la flecha que entra en lahoja (corriente entrante), las líneasson concéntricas, con orientaciónen el sentido horario (sentido delas agujas del reloj).
Para la corriente que sale, laslíneas se orientan en el sentidoantihorario (figura 22).
El hecho importante esque, disponiendo de maneradeterminada conductores re-corridos por corrientes deformas determinadas, pode-mos obtener camps magné-ticos muy fuertes, útiles enla construcción de diversosdispositivos.
En la figura 23 mostramos al-gunos aparatos que funcionanaprovechando el efecto magnéticode la corriente eléctrica.
Debe tener en cuenta que:Una corriente eléctrica siempre
genera un campo magnético.Esto es importante pues nos
indica que este fenómeno es elúnico que se manifiesta siempre.
Basta que haya corriente,no importa dónde ni cómopara que exista un campomagnético asociado.
Cálculos importantes
Es muy importante sabercómo suceden las cosas en
términos eléctricos pero mu-cho más importante para elproyectista es saber calcular aqué intensidad de corrienteocurre el fenómeno.Para el efecto químico de lacorriente existen dos leyes quenos permiten determinar lacantidad de sustancia liberadao depositada por una corrienteeléctrica. Son las Leyes de Fa-raday para electrólisis y lagalvanoplastía.
Primera Ley de Faraday
Esta ley establece que la masade sustancia liberada en un elec-trodo durante una electrólisis, esproporcional a la cantidad de car-gas eléctricas (Q) que pasan porel electrolito (que es la sustanciaconductora o sea la solución for-
mada por el agua y unasustancia que se disocia eniones).
La fórmula es:
m = K . Q (3)
Donde: m es la masa de sustancia
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liberada,Q es la cantidad de cargas
en Coulombs que pasa por la so-lución,
K es el equivalente elec-troquímico de la sustancia que secalcula mediante la segunda Leyde Faraday.
La Segunda Ley de Faraday
La segunda ley establece queel equivalente electroquímico deuna sustancia (k) es proporcionalal equivalente químico que es larelación entre el peso atómico y lavalencia o A/Z.
La constante c que aparece enla fórmula tiene siempre el mismovalor.
Esa constante está dada por la
relación C = 1/F en la que F es lacantidad de carga que al pasarpor la solución libera un equiva-lente de la sustancia deseada. Esacantidad F equivale a 96.500 Cou-lombs y se llama "Faraday".
Así ya podemos escribir la fór-mula final para calcular la canti-dad m de sustancia liberada:
Q . Am = ___________
96.500 . Z
Donde: Q es la can-
tidad de cargas quepasa por la solu-ción,
A es el pesoatómico de la sus-tancia liberada,
Z es la valencia.Vamos a dar un ejemplode la aplicación de estafórmula.
Ejemplo¿Cuál es la cantidad deoxígeno liberada en unaelectrólisis en que unacorriente de 2A circuladurante 1 minuto?En este caso comenza-mos a calcular la canti-dad total de carga. Paraeso multiplicamos la co-rriente por el tiempo:
Q = l . tQ = 2 . 60Q = 120 Coulomb
Después, recordandoque para el oxígeno Z =2 y A = 16, aplicamos la
fórmula:
Q . Am = ___________
96.500 . Z
120 . 16m = ___________
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Tabla 3
Ion K Ion KH+ 0,0104 CO3-- 0,3108O-- 0,829 Cu++ 0,3297AI+++ 0,936 Zn++ 0,3387OH- 0,1762 CI- 0,3672Fe+++ 0,1930 SO4-- 0,4975Ca++ 0,2077 NO3- 0,642Na+ 0,2388 Cu+ 0,6590Fe++ 0,2895 Ag+ 1,118
m = 1.920/293.000
m = 0,00655 g
Como el lector puedepercibir, la cantidad libera-da, en peso, no es de lasmayores.
Una pregunta muy común"Lo que mata en un
shock eléctrico, ¿es la co-rriente o la tensión?"
—Según ya vimos, la tensiónes la causa y la corriente un fac-tor. No hay corriente, por lo tanto,no hay shock, sin que haya ten-sión.
La corriente es realmente laque mata pues es la que produce
el efecto que estudiamos, pero só-lo existe si hay tensión.
Información útil
En la tabla 3 damos los equiva-lentes químicos de algunos iones y
el factor K de la 1ª Ley de Faraday.(Los signos + y - indican la
carga y la valencia, es decir el nú-mero de cargas elementales trans-portadas por cada ion.)
Por último, en la figura 24 tene-mos los efectos de la corrienteeléctrica en el cuerpo humano. ***
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