Física de primaria y secundaria · Grades 1–9
56La tensión y el voltímetro
Desde que la primera pila encendió la primera bombilla, una palabra ha hecho en este libro un servicio pesado y vago: el “empujón”. Las pilas empujan flojo, la red empuja de manera asesina, dos pilas puestas en fila empujan juntas. El empujón se convierte ahora en una magnitud medida con una unidad famosa — y su instrumento, al contrario que el del capítulo anterior, se niega a plantarse en la carretera.
56.1 La tensión
Definición 56.1 (Tensión)
La tensión entre dos puntos de un circuito mide el empujón eléctrico disponible entre ellos — con cuánta fuerza se impulsa la corriente de un punto al otro, igual que la altura de una cascada mide con cuánta fuerza mueve esta la rueda del molino. La tensión es siempre un entre: entre los dos bornes de una pila, entre los dos lados de una lámpara — nunca en un solo punto aislado. Su unidad es el voltio (), en honor del inventor de la primera pila.
Ejemplo 56.2 (El álbum de familia del voltio)
Una pila redonda suelta: . La pila plana de bolsillo: — tres pilas en fila dentro de una sola envoltura. La rectangular de nueve voltios con los dos bornes arriba: , seis pilas escondidas. Una batería de coche: . El enchufe de la pared: — más empujón que el de ciento cincuenta pilitas, que es todo el contenido cuantitativo de “al enchufe, jamás”. Un rayo entre la nube y el suelo: cientos de millones de voltios, un instante.
Proposición 56.3 (Tensión sin corriente)
La tensión y la corriente son magnitudes distintas, y la tensión va primero. Una pila sola en un cajón, sin conectar a nada, no impulsa ninguna corriente — y sin embargo entre sus bornes están listos y medibles sus enteros, como la altura de una cascada un día en que el molino está cerrado. El empujón puede existir sin desfile; el desfile no existe nunca sin empujón.
Definición 56.4 (Voltímetro)
Un voltímetro mide la tensión entre dos puntos — así que se conecta entre ellos: en paralelo con el componente que interesa, una punta a cada lado, como un topógrafo que sostiene un nivel entre dos alturas. Construido al revés que el amperímetro en todos los sentidos, se opone a la corriente casi del todo: conectado entre dos puntos cualesquiera, no absorbe casi nada — así que pinzarlo no molesta a nadie y no hace falta romper ningún lazo.
Método 56.5 (Medir una tensión)
- deja el circuito intacto — para un voltímetro no se rompe nada;
- pinza una punta a cada lado del componente: la punta por donde entra la corriente convencional y la punta común por donde sale;
- alcance mayor primero, y ve bajando hasta la comodidad;
- lee y escribe la unidad.
Los modales de los dos aparatos, uno al lado del otro: amperímetro — romper la carretera, plantarse en ella, no oponerse a nada; voltímetro — no romper nada, quedarse a un lado, oponerse a todo. Confundir los dos modales es la costumbre más cara del taller.
56.2 Tensiones nominales
Definición 56.6 (Tensión nominal)
Toda lámpara, todo motor y todo aparato lleva una tensión nominal — el empujón para el que está construido, estampado en su casquillo o en su placa: una bombilla de linterna, “3.5 V”; un faro de coche, “12 V”; un hervidor, “230 V”. Alimentado con su tensión nominal, el aparato rinde como se diseñó; alimentado con mucho menos, se enfurruña — lámpara mortecina, motor perezoso; alimentado con mucho más, se quema — brillantemente, una sola vez.
Ejemplo 56.7 (Emparejar lámpara y pila)
Una bombilla de “3.5 V” en la pila plana de : algo pasada de rosca — brillante y de vida corta. En una sola pila de : un resplandor naranja soñoliento. En la pila de : un instante deslumbrante y el hilo fino se parte — la esquela del filamento. La etiqueta es un contrato: respétalo y la lámpara vivirá la vida que anuncia.
Observación 56.8 (Por qué matan los 230 V)
Ahora la vieja regla absoluta recibe su número. La carretera conductora y húmeda del cuerpo, ofreciéndole , deja pasar una corriente demasiado pequeña para notarla. Esa misma carretera a — cincuenta veces el empujón — deja pasar cincuenta veces la corriente, muy por encima de las pocas centésimas de amperio que paran un corazón. El enchufe no es “un poco” más fuerte que tu banco de pilas: está dos órdenes de magnitud por encima, y la severidad del reglamento es aritmética pura.
56.3 Primeras lecturas de tensión
Ejemplo 56.9 (Alrededor de un lazo sencillo)
Una pila, una lámpara y los aparatos en la mano. Entre los bornes de la pila: . En la lámpara: — la lámpara recibe lo que la pila ofrece. En un tramo de cable de conexión: , o lo más cerca de cero que el aparato sepa decir — un buen cable es una carretera llana que no gasta nada del empujón. El empujón vive en los trabajadores, no a lo largo de las carreteras: una lectura que conviene recordar para cuando las leyes del capítulo siguiente la hagan oficial.
Ejemplo 56.10 (La confesión del interruptor abierto)
Lámpara apagada, interruptor abierto — ¿adónde ha ido el empujón? Mide: en la lámpara apagada, ; en el interruptor abierto, los enteros. El empujón de la pila está entero en el hueco, esperando — el único sitio del lazo donde dos puntos están de verdad “lejos” eléctricamente. Cierra el interruptor y las lecturas se intercambian. Un interruptor abierto es donde espera la tensión.
56.4 Ejercicios
Ejercicio 56.1 ★
¿Qué mide la tensión y por qué es siempre un “entre”? Da su unidad y la imagen de la cascada.
Ejercicio 56.2 ★
De memoria: las tensiones de una pila redonda, de la pila plana, de la pila rectangular, de una batería de coche y de la red.
Solución
Solución de Ejercicio 56.2.
; ; ; ; .
Ejercicio 56.3 ★
Una pila está tirada sin conectar a nada. ¿Qué corriente circula? ¿Qué lee un voltímetro puesto entre sus bornes? ¿Qué proposición habla?
Solución
Solución de Ejercicio 56.3.
Ninguna corriente — no hay lazo. El voltímetro lee los enteros: tensión sin corriente — el empujón puede esperar; el desfile no puede empezar sin él.
Ejercicio 56.4 ★
Contrasta los modales de los dos aparatos: conexión, rotura de la carretera y oposición a la corriente. ¿Qué error construye un cortocircuito con esfera?
Solución
Solución de Ejercicio 56.4.
Amperímetro: en serie, con la carretera rota para él, sin oponerse casi a nada. Voltímetro: en paralelo, sin romper nada, oponiéndose casi a todo. El error caro: un amperímetro conectado cruzado — en paralelo — se convierte en un cortocircuito con esfera.
Ejercicio 56.5 ★
¿Qué es una tensión nominal? Predice el comportamiento de una lámpara de “6 V” con ; con ; con .
Solución
Solución de Ejercicio 56.5.
El empujón para el que está construido un aparato. Con : un resplandor soñoliento. Con : el brillo y la vida de diseño. Con : un instante brillante y el filamento se parte.
Ejercicio 56.6 ★
En el lazo sencillo, ¿qué lee el voltímetro en la pila, en la lámpara y en un tramo de cable? ¿Dónde vive el empujón?
Solución
Solución de Ejercicio 56.6.
Pila: ; lámpara: ; cable: unos . El empujón vive en los trabajadores — el cable es una carretera llana.
Ejercicio 56.7 ★
Interruptor abierto: ¿qué hay en la lámpara apagada y qué en el interruptor abierto? ¿Qué les pasa a las dos lecturas con el clic?
Solución
Solución de Ejercicio 56.7.
Lámpara apagada: ; interruptor abierto: los enteros, esperando en el hueco. Con el clic se intercambian: el interruptor cerrado baja a casi cero y la lámpara encendida se queda con los .
Ejercicio 56.8 ★
¿Por qué pinzar un voltímetro sobre una lámpara encendida no molesta casi nada al circuito? ¿Qué es lo que el aparato se niega a hacer?
Solución
Solución de Ejercicio 56.8.
Se niega a llevar corriente: como se opone casi del todo, sorbe por dentro casi nada, así que el desfile y el brillo de la lámpara siguen como si nadie los mirara.
Ejercicio 56.9 ★★
La pila plana de esconde tres pilas. Dibuja (o describe) su disposición y calcula la tensión si una de ellas estuviera puesta del revés por accidente — el capítulo de la linterna de hace años, ahora con números. (Los empujones opuestos se restan.)
Ejercicio 56.10 ★★
La lámpara de una acampada es de ; la batería de la furgoneta marca recién cargada y después de una larga velada. Describe la velada de la lámpara y por qué no se quemó nada.
Solución
Solución de Ejercicio 56.10.
Batería recién cargada: un pelín por encima de la nominal — brillo pleno y alegre. A medida que la velada vacía la batería hacia los , la lámpara se apaga suavemente por debajo de su resplandor de diseño. No se quemó nada: la tensión solo flaqueó por debajo de la nominal; el contrato castiga el exceso, no la escasez.
Ejercicio 56.11 ★★
Un voltímetro conectado por error en serie con la lámpara (lazo roto y aparato en el hueco): predice el comportamiento de la lámpara y la lectura del aparato — acuérdate de a qué se opone un voltímetro. (El silencio de la lámpara y el número del aparato son los dos instructivos.)
Solución
Solución de Ejercicio 56.11.
El voltímetro plantado en la carretera se opone casi a todo: el desfile se para prácticamente y la lámpara se queda apagada. El aparato, que soporta él solo todo el empujón del lazo, lee casi la tensión entera de la pila — un número correcto para un circuito mal construido: instructivo, y sin incendio.
Ejercicio 56.12 ★★★
Dos lámparas idénticas en serie con : un voltímetro encuentra unos en cada una. Las mismas lámparas en paralelo con la misma pila: predice la tensión de cada lámpara y concilia los dos resultados con las reglas de brillo que conoces desde hace años (las parejas en serie lucen poco, las parejas en paralelo lucen a pleno rendimiento). ¿Qué capítulo por venir convertirá tus predicciones en ley?
Solución
Solución de Ejercicio 56.12.
En paralelo, cada lámpara abarca directamente la pila: cada una — empujón nominal completo, brillo completo, como prometía la vieja regla del paralelo. En serie, las dos lámparas se reparten los — unos cada una, una pareja mal alimentada que luce poco, como observaba la vieja regla de la serie. El capítulo de dentro de dos convierte ese reparto en una ley de tensiones.
56.5 Problema: la auditoría del cajón de las pilas
Problema 56.1
Problema de fin de semana — la gran auditoría del cajón de las pilas; un voltímetro, una caja de zapatos llena de pilas y el estante de los cacharros de la familia
Todas las casas tienen ese cajón: pilas sueltas, baterías misteriosas, cacharros que “necesitan pilas nuevas”. Día de auditoría — voltímetro en mano.
Parte I — Clasificar las pilas.
- Describe la conexión correcta del voltímetro para comprobar una pila suelta de — y por qué no hay que montar antes ningún circuito.
- Las lecturas de la auditoría, recién sacadas del cajón: , , , . Clasifícalas: nueva, utilizable, cansada, muerta.
- Una pila de nueve voltios marca . ¿Con cuánto contribuye aproximadamente cada una de sus seis pilas interiores?
- ¿Por qué una pila casi muerta sigue enseñando algo de tensión aunque ya no pueda encender nada? (Su empujón sobrevive debilucho; ¿qué es lo que ya no tiene fuerzas para mover?)
Parte II — El estante de los cacharros.
- La cámara quiere dos pilas en fila. ¿Qué tensión espera y qué entregará la pareja de supervivientes de de la pregunta 2?
- La radio vieja lleva cuatro pilas en fila y se enfurruña por debajo de . ¿Qué pilas del cajón, si es que hay alguna, pueden tripularla?
- El hermano pequeño embute tres pilas en la linterna de dos “para que alumbre más”, encajando la tercera contra el muelle. La bombilla es de . Predice el espectáculo, en lenguaje de tensión nominal.
- La placa del transformador del timbre pone “”. Alguien propone conectar el timbre directamente a una pila de nueve voltios “ya que ocho es casi nueve”. Evalúalo: ¿emparejamiento razonable o asesinato lento?
Parte III — Las leyes de la auditoría.
- En la linterna (bombilla y pilas en serie, interruptor abierto), el auditor mide: en el interruptor abierto, ; en la bombilla, . Explica las dos y predice las dos después del clic.
- En todos los tramos del cableado de la linterna el aparato dice , encendida o apagada. ¿Qué declara esto sobre el buen cable, en lenguaje de empujones?
- El enchufe de la red no se audita, por ley familiar permanente. Reformula la ley con el número de este capítulo y con la frase aritmética que hay detrás.
- Archiva el informe de la auditoría: tres frases — qué es y qué no es nunca un voltímetro; qué promete y qué amenaza la tensión nominal de una etiqueta; y dónde espera la tensión en cualquier circuito parado.
Solución
Solución de Problema 56.1.
1. Pinza las dos puntas del voltímetro a los dos bornes de la pila — cruzado, en paralelo; un voltímetro no rompe nada y no necesita ningún circuito: mide el empujón que espera. 2. : nueva. : utilizable. : cansada. : muerta — del cajón a la basura. 3. Unos cada una — seis pilas sanas. 4. Su química sigue levantando un empujón debilucho, pero ya no puede mover un desfile útil: la tensión sobrevive como una promesa que la pila no tiene fuerzas para cumplir bajo carga. 5. Dos en fila: espera ; las supervivientes entregan — la cámara puede funcionar, refunfuñando. 6. Las cuatro pilas tienen que sumar o más: cuatro nuevas de dan — perfecto; mezclando las de , sirve cualquier tripulación que sume al menos (por ejemplo dos nuevas y dos utilizables: ). Las cansadas y las muertas que no se presenten. 7. Tres pilas: sobre una bombilla de — la mitad otra vez por encima de la nominal: en el mejor de los casos una velada gloriosa de exceso de brillo, y lo más probable una quemadura inmediata. El contrato castiga el exceso. 8. Asesinato lento, suave pero real: en un aparato de es un exceso constante de empujón — funcionará, se calentará y envejecerá deprisa. Nominal significa nominal; “casi” es la manera en que mueren jóvenes los filamentos. 9. El empujón de la pila espera, entero, en el único hueco verdadero — el interruptor abierto; la bombilla parada, que no lleva corriente, no enseña nada. Después del clic: interruptor casi a , bombilla casi a — el empujón se traslada del hueco al trabajador. 10. Que el buen cable es una carretera llana: entrega el desfile sin gastar empujón — toda la tensión se guarda para los trabajadores. 11. “El enchufe son — cincuenta veces la pila más fuerte de este cajón; cincuenta veces el empujón mueve cincuenta veces la corriente por las mismas manos húmedas, y el corazón se para con centésimas de amperio. Las auditorías terminan en el cajón”. 12. Por ejemplo: “Un voltímetro se pone cruzado, nunca en la carretera. La tensión nominal de una etiqueta promete el rendimiento de diseño y amenaza con la quemadura si se pasa uno. Y en cualquier circuito parado, la tensión espera en el hueco — en el interruptor abierto, lista”.