La energía que no se ve
Presiona un interruptor y una habitación se ilumina. Entre la central eléctrica y la lámpara se encuentra todo lo tratado en esta sección: cómo el cableado doméstico te mantiene seguro, cómo el voltaje impulsa la corriente a través de circuitos, y — (P) — cómo los electrones frotados de una superficie a otra generan cargas que atraen, repelen y a veces provocan chispas.
Edexcel International GCSE Física 4PH1, Sección 2 (enunciados 2.1–2.28P). Unidades: amperio (A), coulomb (C), joule (J), ohm (Ω), volt (V), vatio (W). Los enunciados seguidos de P son la ampliación exclusiva de Física, evaluada en el Papel 2P.
Electricidad de red
La electricidad de red es corriente alterna (c.a.) — la dirección se invierte muchas veces por segundo; una pila proporciona corriente continua (c.c.) — solo en una dirección.
Seguridad: aislamiento en cables; doble aislamiento (carcasa de plástico, sin conexión a tierra necesaria); puesta a tierra (un camino de baja resistencia para que una corriente de fallo dispare el fusible); fusibles y interruptores automáticos (se funden o saltan ante exceso de corriente, protegiendo el cableado y a las personas). La corriente en una resistencia transfiere energía eléctrica a energía térmica — la base de las hervidoras y calentadores, y la razón por la que importan las clasificaciones de los fusibles:
Ejercicio resuelto (elección de fusible). Un calefactor de 230 V y 1.15 kW consume $I = P/V = 1150/230 = 5$ A — instale un fusible de 13 A (la siguiente clasificación estándar superior a la corriente actual); un fusible de 3 A se quemaría en uso normal.
Circuitos
En serie es adecuado para cadenas (interruptores, amperímetros, luces navideñas): la misma corriente en todas partes, los voltajes se suman y una falla interrumpe todo. En paralelo es adecuado para iluminación doméstica: cada lámpara recibe el voltaje completo de la fuente, funciona de forma independiente y las corrientes se suman en los nodos (la carga se conserva en un nodo).
La corriente es un flujo de electrones con carga negativa en metales. El voltaje es la energía transferida por unidad de carga (1 V = 1 J/C). Dos resistencias en serie: $R = R_1 + R_2$; en paralelo, la resistencia combinada es menor que cualquiera de ellas sola.
Características I–V: un alambre da una línea recta por el origen (resistencia constante); una lámpara incandescente curva al aumentar su temperatura eleva su resistencia; un diodo conduce solo en una dirección. LDRs: la resistencia disminuye cuando aumenta la luz. Termistores: la resistencia disminuye al subir la temperatura (o aumenta al enfriarse — usados en sensores de temperatura). Las lámparas y LEDs indican la corriente.
Ejercicio resuelto. Dos resistencias, 4 Ω y 6 Ω, en serie conectadas a 10 V: total 10 Ω, $I = 10/10 = 1$ A; voltajes 4 V y 6 V. En paralelo conectados a 10 V: cada rama consume 10/4 = 2.5 A y 10/6 ≈ 1.67 A — total ≈ 4.17 A, resistencia equivalente ≈ 2.4 Ω (menor que cualquiera de ellas).
Carga eléctrica (P)
Conductores (metales) permiten el flujo de carga; aislantes (plásticos) no lo hacen.
Frotar un aislante transfiere electrones: el perdedor queda positivo, el ganador negativo — nunca se mueven protones. Cargas opuestas se atraen; cargas iguales se repelen. Una varilla cargada atrae trozos pequeños de papel sin carga porque induce separación de cargas. Peligros: chispas durante el abastecimiento de combustible en aviones y camiones cisterna — las conexiones a tierra drenan la carga de forma segura. Usos: fotocopiadoras e impresoras inkjet dirigen tóner o gotas cargadas eléctricamente.
Compruébalo tú mismo
- Indique la diferencia entre corriente alterna (c.a.) y continua (c.c.) y mencione una fuente de cada una.
- Explique cómo la conexión a tierra y un fusible trabajan juntos para proteger al usuario.
- Una cafetera de 230 V está clasificada a 2.0 kW. Calcule la corriente y el mejor fusible.
- Indique dos razones por las que la iluminación doméstica está cableada en paralelo.
- Describa las formas de la gráfica I–V para un alambre, una lámpara incandescente y un diodo.
- ¿Qué sucede con la resistencia de un LDR bajo luz intensa?
- Defina el voltaje en términos de energía y carga.
- Calcule la carga que pasa cuando fluyen 2 A durante 30 s.
- (P) Explique cómo frotar una varilla de polietileno con un paño la hace negativa.
- (P) Mencionar un peligro y un uso de la carga electrostática.
Respuestas: 1 c.a. invierte su dirección repetidamente — la corriente de red; c.c. fluye en una sola dirección — una pila o batería; 2 el cable de tierra ofrece un camino de baja resistencia, por lo que la gran corriente de falla fluye a tierra y funde el fusible, cortando el suministro antes de que un usuario pueda tocar la carcasa energizada; 3 $I = 2000/230 = 8.7$ A — un fusible de 13 A; 4 cada lámpara recibe el voltaje completo de red; si falla una lámpara, las demás siguen funcionando (y los interruptores controlan las lámparas de forma independiente); 5 línea recta que pasa por el origen; curva en forma de S (la pendiente disminuye al calentarse); cero hasta un umbral positivo y luego pronunciado (una sola dirección); 6 disminuye; 7 el voltaje es la energía transferida por unidad de carga (1 volt = 1 joule por coulomb); 8 $Q = 2 \times 30 = 60$ C; 9 (P) la fricción transfiere electrones del paño a la varilla — la varilla gana electrones y se vuelve negativa, el paño queda positivo; 10 (P) peligro — chispas durante el combustible de aeronaves/tanques; uso — fotocopiadora o impresora inkjet.