Física de primaria y secundaria · Grades 1–9
54La corriente eléctrica y sus efectos
La corriente lleva cinco años de circuitos desfilando útil y sin nombre: hilos que se encienden, motores que giran, zumbadores que suenan. Este año la electricidad se vuelve cuantitativa — aparatos de medida, unidades y leyes — y abrimos haciendo inventario: ¿qué puede hacer exactamente una corriente? Tres efectos, resulta, y con ellos está construido el mundo eléctrico entero.
54.1 Los tres efectos
Proposición 54.1 (Los efectos de la corriente eléctrica)
Una corriente que atraviesa la materia se delata por tres efectos:
- el efecto calorífico: toda corriente calienta el conductor que atraviesa — con suavidad en los buenos cables, con furia en los delgados o sobrecargados, al rojo blanco y a propósito en los filamentos y en los tostadores;
- el efecto magnético: una corriente vuelve magnético lo que la rodea — un cable desvía la aguja de una brújula cercana, y un cable enrollado se convierte en un verdadero imán con polos, conectable a voluntad;
- el efecto químico: al atravesar ciertos líquidos, una corriente provoca cambios químicos — parte el agua en dos gases, platea cucharas con plata y carga y descarga todas las pilas.
Ejemplo 54.2 (El efecto calorífico en funcionamiento)
Deliberado: las barras al rojo del tostador, la resistencia escondida del hervidor, el filamento al rojo blanco de la lámpara antigua, el fusible fabricado para fundirse el primero. No deseado: los cargadores de móvil tibios, los bajos calientes de los portátiles — y la amenaza del cortocircuito, que estudiaste como la firma del villano. Un solo efecto, criado y peligro, dosificado por lo fuerte que corra la corriente — una dosis que aprenderemos a medir en el capítulo siguiente.
54.2 La corriente fabrica imanes
Ejemplo 54.3 (La brújula delata al cable)
Hace dos siglos, durante una clase, un físico notó que la aguja de una brújula daba un respingo cada vez que él cerraba un circuito en la mesa de al lado. Aquel respingo — apenas el temblor de una aguja — fue el primer puente que se vio jamás entre la electricidad y el magnetismo, dos ciencias hasta entonces tan separadas como el tiempo atmosférico y la música. Pon una brújula junto a un cable y conecta: la aguja se desvía hacia un lado; invierte la corriente y se desvía hacia el otro. La corriente crea magnetismo a su alrededor, y con una dirección.
Definición 54.4 (Electroimán)
Un electroimán es una bobina de cable aislado — a menudo enrollada sobre un núcleo de hierro — que se convierte en imán mientras circula corriente por ella: polo norte, polo sur, poder de agarrar hierro y todo lo demás. A diferencia de cualquier imán de piedra, obedece a un interruptor: corriente conectada, imán en marcha; corriente cortada, imán desaparecido; corriente invertida, polos intercambiados.
Ejemplo 54.5 (El magnetismo con interruptor mueve el mundo)
La grúa del desguace agarra un coche con un electroimán y lo suelta abriendo un interruptor — inténtalo con un imán de piedra. Las cerraduras eléctricas, el clac de un relé, el martillo del timbre (un electroimán que lo arranca contra la campana, corta su propia corriente y lo devuelve de golpe: el traqueteo hecho ley), el cabezal lector de los teléfonos antiguos y — por encima de todo — cada motor eléctrico: magnetismo fabricado por la corriente empujando contra imanes, miles de veces por segundo. El efecto magnético es el músculo de la era eléctrica.
Método 54.6 (Devanar un electroimán)
- enrolla uno o dos metros de cable fino aislado en vueltas apretadas y ordenadas alrededor de un clavo o un perno grande de hierro, dejando dos extremos libres;
- conecta los extremos a una pila a través de un interruptor (nunca directamente durante mucho rato — la bobina es casi un cortocircuito y se calienta: el efecto calorífico hace de carabina del experimento);
- cierra el interruptor un instante: la cabeza del clavo agarra clips; ábrelo: se caen;
- comprueba con una brújula: los dos extremos de la bobina se comportan como polos N y S — y se intercambian cuando das la vuelta a la pila.
Más vueltas, agarre más fuerte: el magnetismo se dosifica devanando.
54.3 El efecto químico
Ejemplo 54.7 (Corriente a través del agua)
Mete en agua ligeramente conductora (una cucharada de sosa ayuda) dos minas de lápiz conectadas con cable a una pila, y mira: de las dos minas sale un chorro de burbujitas — dos gases distintos, nacidos del agua misma, con el doble de volumen en una mina que en la otra. La corriente está desmontando el agua en sus dos componentes invisibles. Esta puerta entre la electricidad y la química — la electrólisis — platea cucharas baratas, arranca el aluminio de su mineral y pertenece sobre todo a tu curso de química; la física la saluda y sigue su camino.
Ejemplo 54.8 (Toda pila es el efecto al revés)
Dentro de cada pila, la química empuja la corriente: energía química almacenada mueve el desfile y se gasta a sí misma mientras sirve — el vaciarse que conoces desde que se apagó aquella linterna. Las pilas recargables cierran el círculo: el cargador fuerza la corriente al revés y el efecto químico reconstruye la reserva. De química a eléctrica y de eléctrica a química: un solo efecto, las dos direcciones y toda la industria de las pilas.
Observación 54.9 (Los efectos como detectores)
Los tres efectos responden a una pregunta que te dejó perplejo cuando eras aprendiz de comprobador: ¿cómo se ve una corriente — un desfile invisible dentro de un cable opaco? Por sus obras. Un cable que se calienta, una brújula que da un respingo, un chorro de burbujas: cada uno delata el desfile. Todos los instrumentos de medir corriente que se han construido leen uno de los tres efectos — y el que espera en el capítulo siguiente lee el respingo magnético, refinado hasta convertirlo en una esfera con números.
54.4 Ejercicios
Ejercicio 54.1 ★
Nombra los tres efectos de la corriente eléctrica, cada uno con un uso a nuestro servicio.
Solución
Solución de Ejercicio 54.1.
Calorífico (el tostador, el hervidor, el filamento); magnético (el electroimán, el motor, el timbre); químico (el plateado, la partición del agua, la carga de las pilas).
Ejercicio 54.2 ★
¿Qué efecto hay en cada escena: un fusible que se funde; un timbre que martillea; burbujas en las minas de lápiz; el rojo de un tostador; el agarre de la grúa de un desguace?
Solución
Solución de Ejercicio 54.2.
Calorífico; magnético; químico; calorífico; magnético.
Ejercicio 54.3 ★
¿Qué reveló el respingo de la brújula junto a la mesa de la clase? ¿Qué le pasa al respingo cuando se invierte la corriente?
Solución
Solución de Ejercicio 54.3.
Que una corriente crea magnetismo alrededor de su cable — el primer puente entre la electricidad y el magnetismo. Invertir la corriente invierte el respingo.
Ejercicio 54.4 ★
Da tres poderes que tenga un electroimán y que ningún imán de piedra pueda igualar.
Ejercicio 54.5 ★
En el método del devanado, ¿por qué tiene que estar aislado el cable? ¿Y por qué no debe quedarse la bobina conectada mucho rato sin una carga que trabaje?
Solución
Solución de Ejercicio 54.5.
Unas vueltas desnudas que se tocaran dejarían a la corriente atajar de espira en espira en vez de recorrer la bobina — el aislamiento fuerza el camino largo que imanta. Y la bobina sola se opone poquísimo al desfile: dejada conectada es casi un cortocircuito, y calienta la bobina y la pila — el efecto calorífico hace de carabina.
Ejercicio 54.6 ★
¿Cómo suelta el coche el operario de la grúa? Contrástalo con lo que exigiría un imán de piedra de la misma fuerza.
Solución
Solución de Ejercicio 54.6.
Abriendo un interruptor: sin corriente, sin magnetismo, coche soltado. Un imán de piedra de esa fuerza sujetaría para siempre — soltar el coche exigiría máquinas que lo arrancaran de él.
Ejercicio 54.7 ★
¿Qué conversión de energía ocurre dentro de una pila en uso? ¿Y dentro de una pila recargable puesta a cargar?
Ejercicio 54.8 ★
¿Por qué son preciosos los tres efectos como detectores? ¿Qué efecto refinará hasta convertirlo en un número el instrumento del capítulo siguiente?
Solución
Solución de Ejercicio 54.8.
Porque el desfile en sí es invisible: solo lo delatan sus obras. Calentar, dar respingos y burbujear son las únicas firmas de la corriente — y el instrumento del capítulo siguiente refina el respingo magnético hasta convertirlo en una lectura con números.
Ejercicio 54.9 ★★
El timbre: un electroimán arranca el martillo hacia la campana, pero el martillo al moverse rompe su propio circuito; un muelle lo devuelve y rehace el contacto — y así sucesivamente. Recorre un ciclo completo y explica por qué el diseño tiene que traquetear en lugar de quedarse quieto.
Solución
Solución de Ejercicio 54.9.
Pulsador apretado: circula la corriente, el electroimán arranca el martillo, din — pero el vuelo del martillo abre un contacto de su propia alimentación; el magnetismo muere, el muelle devuelve el martillo y rehace el contacto; vuelve la corriente, otro tirón — y así, muchas veces por segundo. Sujetarlo es imposible por diseño: el tirón corta siempre su propia causa — y el traqueteo es el sonido del timbre.
Ejercicio 54.10 ★★
Un relé es un interruptor que cierra un electroimán: una corriente pequeña en la bobina cierra unos contactos que llevan una corriente grande en otro circuito. Explica por qué esto permite que un termostato delicado mande con seguridad sobre un calefactor eléctrico hambriento — y qué dos circuitos no se tocan jamás.
Solución
Solución de Ejercicio 54.10.
Los contactos frágiles del termostato solo llevan la corriente pequeña de la bobina; el magnetismo de la bobina cierra unos contactos robustos que llevan la corriente hambrienta del calefactor en un lazo aparte. Lo pequeño manda sobre lo grande, y los dos circuitos no se tocan jamás — la mano delicada tira de una palanca, no de la carga.
Ejercicio 54.11 ★★
La aguja de tu brújula da un respingo cada vez que un cable escondido en la pared lleva corriente. Diseña con este hecho un buscador de cables de pared: protocolo, qué significa un respingo fuerte y un límite honrado del instrumento (piensa en qué otras cosas mueven las agujas de las brújulas).
Solución
Solución de Ejercicio 54.11.
Protocolo: apoya la brújula plana contra la pared, lejos de muebles de hierro; barre despacio; allí donde la aguja da un respingo al encender y apagar el aparato sospechoso, pasa un cable con corriente. Un respingo fuerte significa una corriente cercana o intensa. Límite honrado: las agujas también responden a las tuberías de hierro, a los imanes y a la propia Tierra — así que solo demuestra una corriente el respingo que sigue al encendido y al apagado.
Ejercicio 54.12 ★★★
Un motor eléctrico, a grandes rasgos: una bobina montada sobre un eje se sitúa entre los polos de un imán; la corriente convierte la bobina en imán; el tira y afloja de los polos hace girar el eje — y, justo cuando la bobina iba a quedarse alineada, se invierte la corriente que la recorre, así que tiene que perseguir la alineación para siempre. Explica, polo a polo, por qué la inversión es indispensable — ¿qué haría el motor sin ella? (Acabas de explicar por qué los motores llevan dentro un contacto inversor — y la mitad de cómo la era eléctrica hace girar sus ruedas.)
Solución
Solución de Ejercicio 54.12.
La corriente convierte la bobina en imán; los polos distintos de la bobina y del armazón se atraen, los iguales se repelen, y la bobina gira hacia la alineación. Sin inversión llegaría a alinearse y se pararía — media vuelta y un temblor hasta el reposo: un cierrapuertas, no un motor. Invertir la corriente en el instante de la alineación intercambia los polos de la bobina: la atracción de hace un momento es ahora repulsión, la alineación pasa a ser el peor sitio donde estar, y la bobina tiene que seguir persiguiendo una meta que se le escapa cada media vuelta — persecución perpetua, es decir: rotación.
54.5 Problema: el taller del inventor
Problema 54.1
Problema de fin de semana — una pila, tres efectos, cinco inventos; una tarde en el taller del inventor
En la mesa del taller hay pilas, cable, clavos de hierro, una brújula, dos minas de lápiz, un tarro de agua con sosa — y un cuaderno de inventos a medio construir que hay que evaluar.
Parte I — El inventario.
- Dibuja el banco de pruebas de los tres efectos del taller: con una pila y un interruptor, describe un montaje que enseñe los tres efectos a la vez (un cable fino que se caliente, una brújula junto a un conductor, el tarro dentro del lazo). ¿En qué disposición tienen que ir las tres demostraciones — en serie o en paralelo — para que un solo interruptor las gobierne todas?
- El cable fino de la demostración se calienta, pero los cables gruesos de alimentación siguen fríos, en el mismo lazo. ¿Qué hecho del primer curso sobre el lazo en serie vuelve esto más interesante de lo que parece — qué es igual en los dos cables y qué es distinto?
- La brújula da un respingo hacia el este cuando se cierra el interruptor. ¿Qué dos cambios, hechos a la vez, dejarían el respingo exactamente como estaba?
- De una mina de lápiz salen burbujas al doble de velocidad que de la otra. ¿Qué sugiere esto sobre los dos componentes del agua? (La química confirmará la proporción.)
Parte II — Evaluar los inventos.
- Invento: “el timbre silencioso” — un electroimán que tira una sola vez de un martillo de fieltro blando y lo mantiene sujeto hasta que se suelta el pulsador. ¿Qué pieza del mecanismo del timbre clásico tiene que quitar el inventor, y qué oirá la visita?
- Invento: “el clasificador magnético” — la chatarra pasa en una cinta por debajo de un electroimán que saca el hierro y el acero. ¿Qué pasa en el contenedor de descarga y por qué el clasificador deja las latas de aluminio en la cinta (responden dos hechos sobre los imanes de años anteriores)?
- Invento: “el invertidor de polos” — una brújula montada sobre una bobina, que se da la vuelta cada vez que un interruptor escondido invierte la pila. ¿Qué propiedad del magnetismo fabricado por la corriente se está aprovechando?
- Invento: “el electroplateador eterno” — un plateado con plata alimentado por una pila que “se recarga sola con el propio plateado”. Vétalo citando las dos direcciones de la pila del capítulo y una ley más antigua sobre la energía.
Parte III — La obra maestra de la noche. El inventor cierra con una máquina de garra para la feria: una palanca, un pequeño electroimán colgado de cuerdas y un cajón de baratijas de hierro.
- Escribe el guion de la jugada ganadora en lenguaje de efectos: ¿qué pasa al “agarrar”, durante el balanceo y al “soltar”?
- Los feriantes se quejan de que la grúa deja caer los premios a media pasada siempre que flaquea la pila vieja. ¿Qué propiedad del electroimán — virtud y debilidad en una — queda a la vista?
- El inventor duplica las vueltas de la bobina para ayudar. Predice el efecto sobre el agarre y nombra la otra dosis (del lado de la pila) que el capítulo siguiente nos dejará poner en números.
- Última página del cuaderno: escribe el resumen del taller — una frase por efecto, cada una nombrando su mejor invento servicial de la tarde.
Solución
Solución de Problema 54.1.
1. Las tres demostraciones en serie en un solo lazo con el interruptor: un único desfile sirve entonces por turnos al cable que se calienta, al cable de la brújula y al tarro — un interruptor, tres efectos. 2. La ley de la serie: la misma corriente atraviesa por igual el cable grueso y el fino. Lo único que cambia es la carretera — el cable fino sufre más el desfile y se calienta: misma dosis, distinto paciente. 3. Invertir la pila y pasar el cable por el otro lado de la brújula (o dar la vuelta a la brújula): dos inversiones se cancelan y el respingo sigue apuntando al este. 4. Que los dos componentes del agua están presentes en proporción de dos a uno — el doble de gas en una mina que en la otra. 5. Quitar el contacto que se interrumpe solo (la pieza que abre el vuelo del martillo): entonces el electroimán sujeta en silencio el martillo de fieltro contra la campana — la visita oye un “dum” blando y nada más. 6. En el contenedor, el operario abre el interruptor de la bobina: el magnetismo se desvanece y el hierro cae. El aluminio sigue viaje porque los imanes — de piedra o fabricados por la corriente — solo agarran a la familia del hierro, y el aluminio nunca les respondió. 7. Que los polos de un imán fabricado por la corriente siguen a la dirección de esta: invierte una y se invierten los otros. 8. Una pila mueve el plateado gastando su reserva química; reconstruir una reserva exige energía forzada desde fuera. Una pila que se rellena sola con el mismísimo trabajo que paga es otra vez la máquina eterna — la factura de la energía no puede pagarse a sí misma. 9. Agarrar: se cierra el interruptor, la bobina se imanta y la baratija queda sujeta. Balanceo: corriente mantenida, agarre mantenido — el efecto magnético de servicio. Soltar: el interruptor se abre sobre la rampa, el magnetismo muere y el premio cae. 10. Que el electroimán vive de su corriente: pila floja, desfile más débil, agarre más débil — el precio de poder apagarlo es depender de ella. (El imán de piedra no flaquea nunca — y no suelta nunca.) 11. Más vueltas, imán más fuerte con la misma corriente: agarre más firme. La otra dosis es la fuerza de la propia corriente — la intensidad, medida en el capítulo siguiente. 12. Por ejemplo: “Calorífico: el fusible, que muere el primero y con lealtad. Magnético: la máquina de garra, que agarra y suelta a la orden. Químico: el tarro del plateado, que platea cucharas con la paciencia de una pila”.