Física de primaria y secundaria · Grades 1–9
48Cortocircuitos y seguridad eléctrica
Todas las reglas de seguridad que has aprendido se remontan a un villano que conociste brevemente el año pasado: el cortocircuito. Este capítulo lo estudia como es debido — cómo empieza, por qué quema y cómo lo derrota un humilde cable de sacrificio — y convierte el cuadro de fusibles de la familia de armario misterioso en un aliado al que entiendes.
48.1 El método del villano
Proposición 48.1 (La corriente prefiere la carretera sin esfuerzo)
Entre dos carreteras que unen los mismos dos puntos, la corriente que desfila se apiña en la que menos se le opone. Los aparatos — lámparas, motores, zumbadores — se oponen todos al desfile mientras trabajan; un simple cable grueso no se le opone casi nada. Ofrécele al desfile un desvío de cable desnudo y abandonará casi por completo la carretera que trabaja por la que no cuesta esfuerzo.
Definición 48.2 (Cortocircuito de un aparato)
Un aparato está cortocircuitado cuando una carretera conductora une directamente sus dos bornes y lo esquiva. El desfile abandona el aparato — una lámpara cortocircuitada se apaga, un motor se para — mientras el resto del bucle sigue adelante, ahora con un trabajador menos oponiéndose al desfile.
Definición 48.3 (Cortocircuito de la pila)
El caso más grave: una carretera conductora une los dos bornes de la pila sin ningún aparato por el camino. Nada se opone al desfile y este se convierte en una estampida — la avalancha desbocada calienta el cable y la propia pila, arruina las pilas, funde el aislamiento y, en la red de la casa, incendia viviendas.
Método 48.4 (El villano, demostrado sin peligro)
Con una pila y dos bombillas en serie (sin peligro: el empuje de la pila es diminuto):
- enciende las dos bombillas — igual de flojas, como promete la ley de la serie;
- toca ahora con un cable normal los dos bornes de la bombilla 2, esquivándola;
- mira: la bombilla 2 muere al instante — abandonada — mientras la bombilla 1 salta a más brillo: con un oponente esquivado, el desfile del bucle entero se refuerza;
- quita el cable: el desfile vuelve a entrar en la bombilla 2 y regresa la flojera igualada.
Un solo experimento, tres lecciones: la regla del desvío, el aparato abandonado y la avalancha reforzada.
Ejemplo 48.5 (Por qué se calientan los cables)
Una corriente que desfila calienta siempre un poco su carretera — el resplandor de la lámpara es ese calentamiento, puesto a trabajar a propósito en un hilo construido para ponerse al rojo blanco. En una estampida, el calentamiento se vuelve amenaza: la avalancha de un cortocircuito puede calentar un cable de cobre por encima del punto de fusión de su funda de plástico en cuestión de segundos. El avance a escala de bolsillo: una pila cortocircuitada por un cable se calienta en la mano — la misma física que, a la escala de la red, tizna paredes. (Cómo crece el calentamiento con la avalancha se mide con honradez dentro de dos años, con el capítulo de la potencia eléctrica.)
48.2 Los guardaespaldas
Definición 48.6 (Fusible)
Un fusible es un guardaespaldas que muere por ti: un cable deliberadamente fino, en serie con el circuito que protege, elegido para fundirse — y cortar así el bucle — cuando la corriente supera su valor nominal. La estampida que chamuscaría metros de instalación doméstica destruye en su lugar tres centímetros de cable de sacrificio dentro de su cartucho ignífugo. Un fusible fundido se sustituye — después de encontrar la avería — por otro nuevo del mismo valor.
Ejemplo 48.7 (Magnetotérmico y fusible, dos guardias con un mismo deber)
El magnetotérmico moderno cumple el deber del fusible sin morir: un interruptor con muelle que salta abierto ante la avalancha y se rearma con un gesto — después de curar la avería. Fusible o magnetotérmico, el puesto del guardia es el mismo: en serie, en la rama que protege, para que la estampida tenga que pasar por su control. Un guardia en paralelo vería tronar la avalancha por la otra carretera — pura decoración.
Ejemplo 48.8 (La sobrecarga: la estampida educada)
No todas las avalanchas peligrosas son cortocircuitos. Una regleta que alimenta a la vez un radiador, un hervidor y una tostadora le pide a su única rama que cargue con tres desfiles completos juntos — cada aparato es inocente, pero su suma es una sobrecarga que calienta la instalación de la pared como una tostadora lenta. El magnetotérmico salta por la suma, y con razón. Regla de la casa: un solo aparato hambriento que dé calor por enchufe; la regleta es para lámparas y cargadores, no para una cocina particular.
Observación 48.9 (La reparación prohibida)
La vieja historia es verdadera y sigue matando: en una casa salta una y otra vez el fusible y alguien lo “repara” con un clavo o una moneda — un conductor robusto que no se fundirá jamás. Se calla el síntoma; la enfermedad sigue haciendo estragos. La siguiente estampida no encuentra ningún control, y los propios cables de la casa se convierten en el fusible — dentro de las paredes. No puentees nunca a un guardia: un fusible que se funde una y otra vez es un guardia que dice la verdad una y otra vez.
Observación 48.10 (Las reglas, en su forma definitiva)
El código eléctrico de la familia, ya con todas sus razones: no unir nunca los bornes de una pila y mantener las llaves lejos de las baterías de coche (una batería cortocircuitada con metal es un arco de soldadura); un solo aparato hambriento de calor por enchufe (sobrecarga); los cables dañados, jubilados (una funda deshilachada es un cortocircuito ensayando); el agua y la red, separadas, y las manos siempre secas (tu cuerpo no debe ser nunca el desvío); los guardias, respetados — solo fusibles equivalentes y averías encontradas antes de rearmar —; y el enchufe, para siempre, ni para dedos ni para experimentos.
48.3 Ejercicios
Ejercicio 48.1 ★
Enuncia la proposición de la carretera sin esfuerzo. ¿Por qué le gana un cable desnudo el desfile a una lámpara?
Solución
Solución de Ejercicio 48.1.
Entre dos carreteras que unen los mismos puntos, la corriente se apiña en la que menos se le opone. Una lámpara que trabaja se opone al desfile; un cable grueso y desnudo apenas lo hace — así que el desfile abandona la lámpara por el cable.
Ejercicio 48.2 ★
Distingue el cortocircuito de un aparato del cortocircuito de la pila. ¿Cuál es más grave y por qué?
Solución
Solución de Ejercicio 48.2.
Cortocircuito de un aparato: un desvío sobre un aparato — deja de funcionar mientras el bucle sigue. Cortocircuito de la pila: una carretera desnuda que une los bornes de la propia pila sin ningún aparato — el caso más grave: nada se opone al desfile, y la estampida calienta el cable y la pila camino de la ruina y del fuego.
Ejercicio 48.3 ★
En la demostración sin peligro, ¿por qué muere la bombilla 2 — y por qué gana brillo la bombilla 1 en ese mismo instante?
Ejercicio 48.4 ★
¿Por qué calienta su cable un cortocircuito? ¿Qué aparato de cada día usa ese mismo calentamiento a propósito?
Solución
Solución de Ejercicio 48.4.
Una corriente que desfila calienta siempre su carretera, y una estampida la calienta furiosamente. La lámpara usa ese calentamiento a propósito: su hilo está construido para ponerse al rojo blanco y brillar.
Ejercicio 48.5 ★
¿Qué es un fusible y qué sacrifica? ¿Por qué tiene que estar en serie con lo que protege?
Solución
Solución de Ejercicio 48.5.
Un cable de sacrificio deliberadamente fino que se funde — y corta el bucle — cuando la corriente supera su valor nominal; se sacrifica a sí mismo. En serie, porque hay que obligar a la estampida a pasar por el control: un guardia en paralelo se limitaría a verla pasar.
Ejercicio 48.6 ★
¿En qué mejora un magnetotérmico al fusible? ¿Qué tiene que pasar antes de rearmar o de sustituir a cualquiera de los dos guardias?
Solución
Solución de Ejercicio 48.6.
El magnetotérmico salta abierto en vez de fundirse, y se rearma con un gesto — sin piezas de repuesto. Antes de cualquier rearme o sustitución hay que encontrar y curar la avería: el guardia saltó por una razón.
Ejercicio 48.7 ★
Un radiador, un hervidor y una tostadora comparten una regleta. No hay ningún cable desnudo ni ningún aparato averiado — y, aun así, salta el magnetotérmico. Nombra el suceso y explica la queja de la rama.
Solución
Solución de Ejercicio 48.7.
Una sobrecarga: tres aparatos inocentes le pidieron a una sola rama que cargara con sus tres desfiles completos a la vez, y la avalancha sumada calienta la instalación. El magnetotérmico salta por la suma — y hace bien.
Ejercicio 48.8 ★
¿Por qué es “reparar” un fusible con un clavo uno de los actos más peligrosos de una casa? ¿Qué se convierte después en el fusible?
Solución
Solución de Ejercicio 48.8.
Un clavo no se funde nunca: calla al guardia mientras la enfermedad hace estragos. La siguiente estampida no encuentra ningún control, y la instalación de las paredes de la casa se convierte en el fusible — chamuscándose donde nadie puede verlo.
Ejercicio 48.9 ★★
Los dos hilos interiores de un cable, con las fundas deshilachadas, se tocan dentro de la manguera — aguas arriba de la lámpara que alimentan. Diagnostica: ¿qué clase de cortocircuito es, qué le pasa a la lámpara y qué hace el guardia de la rama?
Solución
Solución de Ejercicio 48.9.
Un cortocircuito aguas arriba del aparato — en la práctica, un cortocircuito de la alimentación tal como lo ve ese cable. La lámpara muere (abandonada), la estampida se lanza por el contacto deshilachado y calienta la manguera — y el guardia de la rama, fusible o magnetotérmico, corta la rama. Ese corte es el sistema funcionando.
Ejercicio 48.10 ★★
En la demostración de dos bombillas, predice qué pasa si el cable del desvío se coloca en cambio sobre las dos bombillas juntas — de antes de la bombilla 1 a después de la bombilla 2. ¿Qué definición se aplica ahora y por qué no debe probarlo quien experimenta?
Solución
Solución de Ejercicio 48.10.
Colocado sobre las dos bombillas, el cable une — a través de cable normal y de los hilos de la pila — los dos bornes de la propia pila sin ningún aparato en la carretera del desvío: un cortocircuito de la pila. Las dos bombillas mueren y la estampida calienta el cable y la pila; incluso a escala de juguete arruina las pilas y calienta los dedos, así que se demuestra con palabras y no con hechos.
Ejercicio 48.11 ★★
Misterio de la mañana de Navidad: la guirnalda en serie de la abuela tiene una bombilla cuyos hilos de soporte interiores se han soldado entre sí al morir — cortocircuitándose a sí misma. Al contrario de lo que suele ser una tragedia, el resto de la guirnalda sigue brillando, y un poco más. Explícalo — y di qué se está preparando ahora despacio para las bombillas que quedan.
Solución
Solución de Ejercicio 48.11.
Los hilos de soporte soldados de la bombilla moribunda se han convertido en un desvío incorporado: el bucle sigue cerrado a través del cortocircuito de la bombilla muerta, así que la guirnalda sobrevive a su pérdida — con un oponente menos, y por eso un poco más brillante. Pero cada muerte de estas refuerza el desfile que atraviesa a las supervivientes y adelanta el siguiente fallo: la guirnalda está preparando educadamente su propia cascada.
Ejercicio 48.12 ★★★
Diseña el plan de protección de un pequeño taller: tres ramas paralelas (luces; herramientas eléctricas; un cargador de baterías) y una sola alimentación. Coloca guardias e interruptores; elige qué ramas merecen su propio guardia y por qué; y escribe el aviso de dos líneas que irá encima del cajón de los fusibles y que resuma la Observación 48.9.
Solución
Solución de Ejercicio 48.12.
Un guardia principal y un interruptor general en la carretera común; y después cada rama — luces, herramientas y cargador — con su propio interruptor y su propio guardia dimensionado para su rama (la rama de las herramientas lleva los desfiles más pesados y se gana el magnetotérmico más robusto; la rama fina del cargador quiere el fusible más delicado, porque se chamuscaría con corrientes que el guardia principal ni miraría). Aviso encima del cajón, por ejemplo: “Un fusible que salta está diciendo la verdad — busca la avería. Sustitúyelo por otro igual; el aluminio y los clavos no protegen nada salvo el camino del fuego”.
48.4 Problema: el informe de la investigadora de incendios
Problema 48.1
Problema de fin de semana — después del incendio del piso; la investigadora lee la confesión de la instalación; tres averías, una lección
No hubo heridos — la familia estaba fuera —, pero la pared de la cocina está chamuscada, y la investigadora tiene que reconstruir la noche a partir de las pruebas. Tú llevas su cuaderno.
Parte I — Leer las ruinas.
- Prueba número uno: una regleta que alimentaba un radiador, un hervidor y una freidora, con el plástico medio derretido. Sin ningún cable desnudo por ninguna parte. Nombra la avería que sugiere esta prueba y di por qué no hace falta ningún “cable villano” para ella.
- Prueba número dos: un cable detrás del armario, mordido por una mascota, con sus dos conductores tocándose en el mordisco. Nombra esta avería y di adónde se fue el desfile a partir del momento del contacto.
- Prueba número tres, la incriminatoria: en el cuadro de fusibles, el cartucho del fusible de la rama de la cocina contiene — una tira enrollada de papel de aluminio. Di qué le hizo esa “reparación” a la protección de la rama.
- Ordena las tres pruebas en una historia verosímil: ¿qué avería llegó primero, qué hizo el fusible de verdad con ella (antes de la prueba número tres) y por qué acabó la última noche en incendio en vez de en una cocina a oscuras?
Parte II — La declaración de la física.
- El tribunal pregunta: ¿por qué se calienta un cable cortocircuitado o sobrecargado? Di qué aparato de cada día demuestra que el calentamiento por corriente se puede domesticar — y qué faltaba aquí.
- ¿Por qué es fino a propósito un fusible? Explica la frase “un guardaespaldas que muere por ti”.
- La tira de aluminio conducía de maravilla. Y precisamente por eso fracasó como guardia. Resuelve la pequeña paradoja para el jurado.
- El radiador solo era seguro, el hervidor solo era seguro y la freidora sola era segura. Escribe una frase sobre cómo tres seguridades sumaron un solo peligro.
Parte III — El veredicto y las lecciones.
- La investigadora tiene que ordenar las tres averías por su peso moral: la sobrecarga, el cable mordido y el aluminio. ¿Cuál convirtió el percance en catástrofe y por qué?
- La familia pregunta qué habría pasado la noche del incendio si hubiera habido un fusible en condiciones. Guíalos por ello, minuto a minuto.
- Recomienda la nueva instalación: ¿cómo hay que alimentar ahora el radiador, el hervidor y la freidora, y qué regla permanente gobierna el futuro de la regleta?
- Cierra el informe con el resumen de tres frases de la investigadora: el método del villano, el deber del guardia y la única reparación que no se puede improvisar jamás.
Solución
Solución de Problema 48.1.
1. Una sobrecarga: tres aparatos hambrientos de calor sumaron sus desfiles honrados en una sola rama — no hace falta ningún cable desnudo; la suma sola calienta la instalación por encima de lo seguro. 2. Un cortocircuito en el mordisco: desde ese instante el desfile abandonó la lámpara de más allá y se lanzó en estampida por los conductores que se tocaban, calentando el cable. 3. La abolió: el aluminio conduce cualquier estampida sin fundirse — la rama se quedó sin guardia. 4. Historia verosímil: primero llegó la sobrecarga, y el fusible de verdad se fundió — con honradez — quizá más de una vez; alguien “curó” la molestia con aluminio (prueba número tres); y cuando por fin golpeó el cortocircuito del cable mordido no quedaba ningún guardia, y la estampida calentó la instalación de la pared hasta el fuego en vez de morir en un fusible fundido y a oscuras. 5. Una corriente calienta siempre su carretera; cuanto más fuerte la avalancha, más feroz el calor. La lámpara demuestra que el calentamiento se puede domesticar — su hilo está diseñado para el rojo blanco dentro de una bombilla segura. Aquí faltaba: cualquier sitio diseñado donde viviera el calor y cualquier guardia que lo detuviera. 6. Fino a propósito para que sea él, de entre todos los cables del circuito, el primero en fundirse: el guardia se lleva el calentamiento fatal en sus tres centímetros — muriendo para que no lo hagan los metros de las paredes. 7. Un guardia tiene que fallar en el momento adecuado: su virtud es una debilidad diseñada. La excelencia del aluminio como conductor era precisamente la corrupción del control — paso perfecto, protección nula. 8. La seguridad no se suma como la cortesía: tres desfiles legales en una sola carretera suman una avalancha ilegal — la rama obedece a la aritmética, no a las intenciones. 9. El aluminio. Las sobrecargas y los cables mordidos son percances que el sistema está construido para sobrevivir — los guardias existen exactamente para eso; callar al guardia convirtió averías sobrevivibles en catástrofe. 10. Con un fusible de verdad: golpea el cortocircuito del cable, la avalancha se dispara, el fusible se funde en unos instantes — la cocina se queda a oscuras, la familia vuelve y encuentra un fusible fundido y un cable mordido, refunfuña, arregla las dos cosas y no llega a saber nunca lo mala que estuvo a punto de ser la noche. 11. Cada aparato que da calor a su propio enchufe de pared, en su propia rama debidamente protegida; la regleta, devuelta a lámparas y cargadores nada más, bajo la regla permanente: un aparato hambriento por enchufe, y ninguna regleta alimenta jamás un radiador. 12. Por ejemplo: “El método del villano es la carretera sin esfuerzo: ofrécele al desfile un desvío y lo tomará, calentándose mientras corre. El deber del guardia es estar en serie y fallar el primero, con honradez y barato. Y ninguna casa puede improvisar jamás un guardia: un fusible se sustituye por otro fusible — igual por igual — o algún día serán las propias paredes las que se fundan”.