La idea errónea que nos enseñan sobre la electricidad

Imagina que tienes un circuito gigante que consiste de una batería, un interruptor, una bombilla y dos cables de 300,000 kilómetros cada uno.

La pregunta es, luego de apagar el interruptor, ¿cuánto tardará la bombilla en prenderse? Medio segundo, un segundo, dos segundos, uno sobre C segundos o ninguna de esas.

Debes dar por sentado algunas cosas que lo simplifican, como que los cables no deben tener resistencia o esto no funcionaría, y que la bombilla se enciende en el instante en el que la atraviesa la corriente.

Esta pregunta se relaciona con cómo la energía eléctrica llega de la central eléctrica a tu casa.

A diferencia de una batería, la electricidad en la red llega en forma de corriente alterna, o sea, lo que significa que los electrones en los cables se mueven hacia adelante y atrás, nunca van a ninguna parte.

Así que, si las cargas no vienen de la central a tu casa, ¿cómo llega la energía eléctrica hasta tu casa?

Cuando daba clases sobre esto, solía decir que los cables son como este tubo plástico flexible.

Y que los electrones dentro son como esta cadena.

Lo que hace la central eléctrica es empujar y tirar de los electrones ida y vuelta 60 veces por segundo.

En tu casa, puedes enchufar algo como una tostadora, lo que significa que permites que los electrones pasen por ella.

Así que, cuando la central empuja y tira de los electrones, estos se encuentran resistencia en la tostadora.

Y disipan su energía como calor y puedes tostar tu pan.

Esto es muy genial, hace fácil verlo y creo que mis alumnos lo entendieron.

Pero hay un problema.

Es incorrecto.

En primer lugar, no hay un cable continuo que vaya directamente desde la central de energía hasta tu casa.

No, hay brechas físicas, hay quiebres en la línea, como en los transformadores.

Donde hay una bobina de cable de un lado y otra bobina del otro lado y así los electrones no pueden fluir de una a la otra.

Además, si son los electrones los que llevan la energía de la central hasta tu aparato.

Cuando esos mismos electrones fluyan hacia la central, ¿por qué no llevan energía de vuelta desde tu casa hasta la central?

Es decir, si la corriente fluye en ambas direcciones.

¿Por qué la energía solo fluye en una dirección?

Estas son las mentiras que te enseñaron sobre la electricidad, que los electrones en sí mismos tienen energía potencial.

Que son empujados o atraídos en un bucle continuo y que disipan su energía en los dispositivos.

En este video, propongo que todo eso es falso.

Así que, ¿cómo funciona en verdad?

En las décadas de 1860 y 70, hubo grandes avances para entender el universo.

Cuando el físico escocés James Clerk Maxwell descubrió que la luz está hecha de campos eléctricos y magnéticos oscilantes.

Esos campos oscilan perpendicularmente entre ellos y están en fase, por lo que si uno está en su máximo, también el otro.

Él hizo las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos y, por ende, estas ondas.

Hoy son llamadas las ecuaciones de Maxwell.

Pero en 1883, uno de los discípulos de Maxwell, John Henry Poynting, comienza a pensar en la conservación de la energía.

Si la energía se conserva localmente en cada rincón del espacio, deberías ser capaz de rastrear el camino por el que fluye la energía de un lugar a otro.

Piensa en la energía que viene a nosotros desde el sol.

Durante esos 8 minutos en los que la luz viaja, la energía se almacena y transmite.

En los campos eléctricos y magnéticos de la luz.

Poynting elabora una ecuación que describe el flujo de energía.

Es decir, cuánta energía electromagnética pasa por cierta área por segundo.

Esto se conoce como el vector de Poynting y se le da el símbolo S.

La fórmula es bastante simple, es una constante, uno sobre mu sub cero, que es la permeabilidad del vacío, multiplicado por el producto cruz de E por B.

Esto es el producto vectorial de los campos eléctrico y magnético.

El producto cruzado es una forma particular de multiplicar dos vectores entre sí, donde multiplica sus magnitudes perpendiculares.

Y para hallar la dirección, pones los dedos en la dirección del primer vector, en este caso es el campo eléctrico, y los curvas en la dirección del segundo vector, los campos magnéticos.

Y tu pulgar apunta en la dirección del vector resultante, el flujo de energía.

Lo que esto nos demuestra sobre la luz es que la energía fluye perpendicularmente a los campos magnéticos y eléctricos.

Y es en la misma dirección en la que viaja la luz, lo que tiene mucho sentido.

La luz lleva energía desde su fuente hasta su destino.

Pero la clave es esta: la ecuación de Poynting no solo funciona para la luz.

Funciona cada vez que coinciden campos eléctricos y magnéticos.

Siempre que haya campos eléctricos y magnéticos juntos, hay un flujo de energía y puedes calcularlo usando el vector de Poynting.

Para ilustrar esto, veamos un circuito simple con una batería y una bombilla.

La batería en sí misma tiene un campo eléctrico, pero como las cargas no se mueven, no hay campo magnético.

Por lo que la batería no pierde energía.

Cuando la batería se conecta al circuito, su campo eléctrico se extiende por ese circuito a la velocidad de la luz.

Este campo eléctrico empuja electrones que se acumulan en algunas superficies de los conductores, generándoles cargas negativas y se reducen en otras.

Dejando esas superficies con carga positiva.

Estas cargas en las superficies crean un pequeño campo eléctrico dentro de los cables, causando que los electrones viajen preferentemente en una dirección.

La velocidad en que viajan es muy lenta, alrededor de una décima de milímetro por segundo.

Pero esto es la corriente.

Bueno, la corriente convencional por definición fluye contraria al sentido de los electrones.

Pero les diré cómo ocurre esto.

La carga en la superficie de los conductores también crea un campo eléctrico afuera de los cables.

Y la corriente dentro de los cables crea un campo magnético afuera de ellos.

Ahora existe una combinación de campos eléctricos y magnéticos en el espacio alrededor del circuito.

Según la teoría de Poynting, debería haber un flujo de energía.

Y podemos determinar la dirección de este flujo usando la regla de la mano derecha.

Alrededor de la batería, el campo eléctrico está hacia abajo y el campo magnético hacia adentro de la pantalla.

Así que hallas que la energía fluye hacia afuera y a la derecha de la batería.

De hecho, alrededor de la batería, hallas que la energía es radial hacia afuera.

La energía va hacia afuera por los lados de la batería hacia los campos.

A través de los cables, también puedes usar la misma regla y hallas que la energía fluye hacia la derecha.

Esto sucede en los campos alrededor del cable superior y del cable inferior.

Pero en el filamento, el vector de Poynting apunta hacia adentro de la bombilla.

La bombilla está obteniendo energía del campo.

Si haces el producto vectorial, hallas que la energía está llegando en todas direcciones hacia la bombilla.

Toma muchos caminos desde la batería hasta la bombilla, pero en todos los casos la energía es transmitida por los campos eléctricos y magnéticos.

La gente suele creer que bombeas electrones, que compras electrones o algo así.

Están muy equivocados.

Para mucha gente, al día de hoy es muy contraintuitivo pensar que la energía fluye en el espacio alrededor del conductor.

Pero la energía que viaja por el campo lo hace.

Bastante rápido.

Hay varias cosas para observar aquí.

A pesar de que los electrones van en dos direcciones, hacia afuera de la batería y hacia ella, al usar el vector de Poynting.

Hallas que la energía fluye solo en una dirección, de la batería hacia la bombilla.

Esto también muestra que son los campos y no los electrones los que llevan la energía.

¿Cuánto se mueven los electrones en el esquema que planteas?

Casi nada.

Tal vez no se muevan.

¿Qué sucede si en lugar de una batería, usamos una fuente de corriente alterna?

La dirección de la corriente se revierte cada medio ciclo.

Esto quiere decir que tanto los campos eléctricos como magnéticos se invierten a la vez.

Así que, en todo momento, el vector de Poynting sigue apuntando en la misma dirección, de la fuente a la bombilla.

El mismo análisis que usamos con la corriente continua funciona con la alterna.

Y esto explica cómo la energía puede fluir de las centrales eléctricas a los hogares por el tendido eléctrico.

Dentro de los cables, los electrones se mueven hacia atrás y adelante.

Aquí se puede ver de forma exagerada.

Pero no llevan la energía.

Fuera de los cables, los campos eléctricos y magnéticos oscilantes viajan de la central eléctrica a tu hogar.

Puedes usar el vector de Poynting para ver que el flujo de energía va en una dirección.

Quizás creas que esto es solo una discusión académica, que puedes pensar a la energía como transmitida por los campos o por la corriente del cable.

Pero no es así.

Y la gente lo aprendió de la forma difícil cuando colocaron cables submarinos de telégrafo.

El primer cable transatlántico fue colocado en 1858.

Solo funcionó un mes.

Nunca funcionó bien.

Hay todo tipo de distorsiones al enviar señales.

Enormes distorsiones, podían usarlo a un par de palabras por minuto.

Hallaron que al enviar señales a tanta distancia bajo el mar, los pulsos se distorsionaban y se alargaban.

Era difícil diferenciar a los puntos de las rayas.

Para explicar estas fallas, hubo un debate entre científicos.

Willian Thomson, el futuro Lord Kelvin, creía que las señales eléctricas a través de cables submarinos eran como agua fluyendo en un tubo de goma.

Pero otros, como Heaviside y Fitzgerald, decían que eran los campos alrededor de los cables los que movían la energía e información.

Y finalmente, se probó que era cierto.

Para aislar y proteger el cable submarino, el conductor de cobre central fue recubierto por un aislante e introducido en una funda de hierro.

El hierro pretendía fortalecer el cable, pero como buen conductor, interfería con la propagación de campos electromagnéticos porque aumentaba la capacitancia del cable.

Por esto, hoy la mayoría de los cables están suspendidos en lo alto.

Incluso la tierra húmeda funciona como un conductor.

Así que es mejor tener un gran espacio de aire que aísle los cables del suelo.

Entonces, ¿cuál es la respuesta a la pregunta sobre el circuito gigante con la bombilla?

Luego de presionar el interruptor, la bombilla se encenderá casi inmediatamente.

En alrededor de uno sobre C segundos.

La respuesta correcta es la D.

Creo que mucha gente imagina que el campo eléctrico necesita viajar de la batería a través del cable de un segundo luz de largo.

Por lo que debería tardar un segundo en encenderse.

Pero lo que hemos aprendido es que lo que importa no es lo que sucede en los cables.

Es lo que pasa a su alrededor.

Y los campos eléctricos y magnéticos pueden propagarse en el espacio hasta la bombilla que está a un metro en nanosegundos.

Y ese es el factor limitante para que se encienda.

Ahora, la bombilla no recibirá el voltaje completo de la batería inmediatamente.

Será una fracción que depende de la impedancia de los cables y de la bombilla.

Le pregunté a varios expertos sobre esto y obtuve respuestas diferentes.

Pero todos coincidían en estos puntos claves.

Pondré sus análisis en la descripción, en caso de que quieras saber más sobre este esquema en particular.

Si no me creen y la gente cree que no es cierto.

Definitivamente podemos invertir y armar la instalación, hacer nuestro cableado en el desierto.

Intentarán refutarlo.

Estoy de acuerdo.

Dirán que no es verdad.

Eso es lo que pienso.

Creo que es algo extraño que esto sea de esas cosas que usamos todos los días y sobre las que casi nadie piensa ni conoce la respuesta.

Las ondas electromagnéticas que viajan alrededor de los cables son las que en verdad traen tu energía.