En el anterior artículo de [Electricidad I] establecimos una manera de cuantificar, de forma empírica, lo bueno o malo que es un conductor. Como espero que recuerdes, lo hicimos empleando dos conceptos complementarios, la conductancia y la resistencia, a través de la relación entre el voltaje entre dos puntos y los movimientos de carga que se producen como consecuencia de esa diferencia de potencial, es decir, la Ley de Ohm. Hoy hablaremos acerca de una de las dos consecuencias más importantes de la Ley de Ohm y explicaremos cómo forzar un desequilibrio de cargas que mantenga la corriente eléctrica en un conductor durante mucho tiempo, en vez de ser algo pasajero como ha sido hasta el momento en el bloque, utilizando una pila eléctrica.

Un desequilibrio de carga imposible de compensar

Como recordarás si has leído la serie de artículos hasta el momento, en todos nuestros ejemplos hemos logrado que las cargas de un cuerpo se muevan creando un desequilibrio eléctrico entre los extremos del cuerpo, es decir, creando una tensión –una diferencia de potencial– entre los dos puntos del cuerpo. Pero nuestro problema, en el que hemos hecho énfasis varias veces en los últimos artículos, es que ese desequilibrio trae consigo su propia destrucción: el movimiento de cargas lo compensa, y entonces el movimiento cesa, las cargas se paran y tenemos, otra vez, un cuerpo en el que las cargas están quietas. Como vimos en el artículo anterior, el tiempo que esto tarda en producirse depende del cuerpo concreto, pero para cualquier conductor decente (por ejemplo, un cable de cobre) es un tiempo minúsculo.

Para conseguir utilizar la electricidad para un fin útil necesitamos que ese movimiento, esa intensidad de corriente, no desaparezca en un abrir y cerrar de ojos. Para lograr eso nos hacen falta dos cosas, una más evidente que la otra. Recuerda nuestro ejemplo arquetípico del conductor con movimiento de cargas debido a una diferencia de potencial, y el resultado final tras el paso de la brevísima intensidad de corriente:

Podríamos hacer que las cargas siguieran moviéndose aumentando el desequilibrio entre los dos extremos. Por ejemplo, podríamos hacer esto:

Con lo que, evidentemente, haría falta más movimiento de cargas para compensar el desequilibrio, y tendríamos una vez más una efímera intensidad recorriendo nuestro conductor. Es decir, la primera de las dos cosas que necesitamos es algo que, pese al movimiento de las cargas internas, mantenga un desequilibrio de carga, de modo que se mantenga el movimiento de cargas dentro del conductor.

Pero supongo que ves que la “solución” de arriba no es demasiado realista: en primer lugar, ¿qué haremos cuando los electrones del conductor se apelotonen aún más hacia la izquierda, y se detengan de nuevo una vez el voltaje haya sido compensado? ¿Añadir más cargas externas? Acabaríamos con cantidades enormes de carga a los lados del conductor… y ya hemos visto, al principio del bloque, que grandes cantidades de carga “desnuda”, sin compensar, suponen fuerzas tremendas y peligrosas. Pero hay otro problema: ¡el trozo de cuerpo que hemos dibujado ahí arriba no tiene un número infinito de cargas móviles! Los electrones se moverían hacia la izquierda, sí, pero habría un límite… llegaría un momento en el que estarían tan apelotonados que no serían capaces ya de compensar el desequilibrio externo, porque no tendrían dónde moverse, ni habría más cargas internas que compensasen el voltaje. De hecho, llegaría un momento en el que los propios átomos se desgajasen, los electrones que no eran móviles se movieran, los protones se movieran también, y nuestro conductor se destruyese a sí mismo y dejase de servir a nuestros propósitos.

De ahí que, además de algún proceso que mantenga el desequilibrio de cargas, nos haga falta una segunda cosa: una manera de mantener el desequilibrio original, sin necesidad de aumentarlo más y más, y de tener siempre cargas móviles listas para recorrer el cuerpo. Pero ¿de qué manera podemos disponer de electrones móviles ilimitados sin necesidad de traer nuevos electrones? Tal vez ya estés barruntando la respuesta: reutilizando los mismos electrones del conductor.

De hecho, es posible que entiendas mejor cuál es la solución más lógica para conseguir un flujo de carga constante si lo piensas en términos de nuestros barriles y el agua. Ésta es la situación que teníamos una vez que el movimiento del agua debido a la diferencia de presión había igualado el nivel de agua en los dos barriles:

¿Cómo lograr que el agua no se detenga, sino que siga fluyendo desde el barril de la izquierda hacia el de la derecha, sin requerir una fuente externa de agua? ¡Simple! Basta con retirar agua del barril de la derecha y volver a verterla en el de la izquierda, para que todo esté de nuevo como estaba antes de que el agua empezase a moverse:

De este modo, si mantenemos un flujo continuo “forzado” de agua como el de la parte superior de la figura, vaciando el barril de la derecha y llenando el de la izquierda, el agua fluirá por la tubería constantemente para compensar ese desequilibrio de agua, pero nunca lo conseguirá, porque nosotros deshacemos lo que el agua hace a través de la tubería. En la realidad conseguiríamos eso, por ejemplo, utilizando una bomba, como sucede en los acuarios y en muchas fuentes ornamentales, en los que el flujo de agua se mantiene sin utilizar agua “extra”. Pero ¿cómo funcionaría esto en el caso de nuestro conductor y los electrones?

Lo que queremos básicamente es, una vez más, tomar los electrones que se apelotonan a la izquierda y llevárnoslos de nuevo hasta el extremo derecho, con lo que el movimiento de los electrones nunca consiga compensar el voltaje y los pobres electrones se sigan moviendo para siempre, tratando de equilibrar la situación aunque nunca puedan lograrlo:

De esta manera, una vez esos electrones “viajeros” que nos llevamos por fuera lleguen al extremo contrario, tendremos justo lo que queremos: a la izquierda, puesto que nos los hemos llevado de allí, hay un hueco, que será rellenado por los electrones inmediatamente a la derecha de él. Y a la derecha, los nuevos electrones que hemos llevado allí empezarán a moverse hacia la izquierda debido al desequilibrio de cargas (es decir, la diferencia de potencial). Como ya he repetido varias veces –lo siento, pero es importante– de este modo el movimiento de los electrones debido al voltaje nunca conseguirá compensar ese voltaje, de modo que seguirá produciéndose para siempre… siempre que nosotros sigamos forzando la situación retirando electrones de la izquierda y devolviéndolos a la derecha, claro.

De manera que nuestro problema se ha reducido a una sola cuestión: cómo conseguir llevarnos los electrones de un extremo al otro, de manera similar a como utilizamos una bomba para llevar el agua de un barril al otro. Necesitamos una especie de bomba, pero una “bomba eléctrica”. Y eso es exactamente lo que hace uno de los dispositivos más utilizados para generar corrientes eléctricas en la realidad: la pila eléctrica.

Por cierto, a lo largo de este artículo, ya que tengo que representar muchas cosas en algunos diagramas, vamos a mirar nuestro conductor más “de lejos”, haciéndolo más estilizado. Como lo que nos importa es lo que van a hacer los electrones (y no, por ejemplo, que las cargas de los átomos estáticos están un poco desplazadas), voy a representar la parte estática del conductor en verde y los electrones móviles en rojo. Ya dijimos en las entradas anteriores que no todos los electrones se mueven, pero bueno. Recuerda siempre que las dos cantidades de carga en el conductor son iguales, de modo que no tiene carga neta de uno u otro tipo. Éste es nuestro mismo conductor de esta forma “estilizada”:

La pila eléctrica

Antes de nada, mi descripción de las pilas eléctricas va a ser acorde con el nivel y las expectativas de este bloque: no voy a ponerme a hablar de química en detalle, ni de reacciones redox en profundidad ni nada parecido (a eso nos dedicaremos en algún bloque más avanzado). Mi objetivo es que comprendas la naturaleza básica de las pilas, y cómo de una manera ingeniosísima logran nuestro objetivo de llevarnos electrones de un sitio a otro “a la fuerza”, para mantener la diferencia de potencial que causaba el movimiento de cargas en nuestro conductor.

Una pila eléctrica contiene en su interior una serie de compuestos químicos. Estos compuestos químicos, al ponerse en contacto, empiezan a reaccionar entre sí produciendo compuestos nuevos. De hecho, en la pila se producen dos reacciones químicas en paralelo. Estas dos reacciones químicas, como verás, son complementarias una de la otra en el aspecto eléctrico: eléctricamente hablando, son como el positivo y el negativo de una fotografía. Y esta simetría eléctrica entre ellas es la clave del funcionamiento de la pila, de modo que espero que mi pobre explicación haga que se ilumine la bombilla (eléctrica, claro) sobre tu cabeza.

En una de las dos reacciones, el resultado de la reacción (el producto) tiene menos electrones que los compuestos iniciales (los reactivos), con lo que según se produce esta reacción, sobran electrones. Como no quiero entrar aquí a discutir la química en profundidad, ten en cuenta que mis ejemplos están muy simplificados. Si los dos reactivos son A y B, es algo así (utilizo, como anteriormente en la serie, el color rojo para la carga negativa y el verde para la positiva):

A + B → E + electrones

La otra reacción que se produce en una parte diferente de la pila, a la vez que la primera, funciona justo al contrario: en ella, cuando reaccionan los compuestos iniciales, se produce uno nuevo que, para ser estable, necesita más electrones que los iniciales. Con nuestros símbolos inventados, es una cosa como ésta:

electrones + C + D → F

¿Ves a lo que me refería con lo de “simetría eléctrica? Hay varias cosas muy importantes que debes entender aquí –y tal vez ya las hayas visto antes de que diga nada, pero merece la pena pararnos en todas ellas–, de modo que vamos por partes.

En primer lugar, ninguna de estas reacciones pueden producirse de forma aislada durante mucho tiempo: se necesitan la una a la otra. En la primera, ¿a dónde van a ir esos electrones que sobran? En cuanto empezasen a acumularse y a repelerse unos a otros y a los electrones que podrían seguir produciéndose, la reacción se detendría, y esto sucedería, como todo en electricidad, bastante rápidamente. En la segunda, ¿de dónde demonios salen los electrones que hacen falta? Una vez más, no hay por dónde coger la reacción aisladamente.

Pero, si las dos se producen a la vez, ¡todo funciona como una máquina bien engrasada! La primera reacción va consumiendo A y B y produciendo E, a la vez que electrones sueltos… que son requeridos por la segunda reacción, que los va consumiendo junto con C y D, produciendo F. Una reacción proporciona a la otra los electrones que le hacen falta, y la otra retira de la primera los electrones que le sobran.

Puede parecer que no estamos consiguiendo mucho, en lo que respecta a nuestro objetivo de mover los electrones de manera forzada de un lado a otro, sino que simplemente estamos haciendo un par de reacciones químicas y obteniendo E y F… pero mira esta reacción con los compuestos colocados en lugares concretos, en una serie de mis patéticos diagramitas. Antes de que empiecen las reacciones, tenemos algo así:

Según A y B van reaccionando entre sí, se van consumiendo, y se obtiene E y los electrones que “sobran”. Pongo E en verde, ya que tiene carga positiva:

Pero ahora entra en acción la segunda reacción, la que se produce entre C y D y que requiere electrones… ¡los electrones producidos en la primera reacción! Estos electrones se van a la parte derecha de la pila:

Y ahora se produce la segunda reacción, en la que se va produciendo F según reaccionan C, D y los electrones “robados” a la primera reacción:

Lo que se ha producido aquí, si has entendido mi explicación y los diagramas, es que se ha producido un movimiento de cargas debido a la complementariedad entre las dos reacciones químicas. Nuestra pila eléctrica, que es neutra –tiene la misma cantidad de carga positiva que negativa– tenía las cargas distribuidas uniformemente por toda ella, pero ahora ya no: se ha producido un desplazamiento de los electrones hacia la parte derecha de la pila. Ahora la parte izquierda tiene una carga ligeramente positiva, y la derecha ligeramente negativa.

Este movimiento de cargas ha sido causado por las reacciones químicas, es decir, por las distintas características químicas de los compuestos involucrados. Podríamos decir que, al unir esas sustancias, aparece una “presión química” por la diferente necesidad de electrones, que ha empujado a los electrones hacia la derecha sin necesidad de que existiera un voltaje inicial. Sin embargo, si observas el último diagrama de arriba, lo que tenemos ahora es un desequilibrio de cargas, es decir, un voltaje o tensión entre ambos extremos de la pila.

La tendencia de los electrones será entonces, como siempre, moverse para compensar la diferente “presión eléctrica” y equilibrar las cargas; es decir, los electrones sufren esa diferencia de presión que los lleva hacia la izquierda. Pero, al mismo tiempo, la “presión química” debida a la necesidad de electrones en la reacción de la derecha los lleva hacia la derecha. ¿Cuál de las dos gana entonces?

Al principio (en el primero de todos los diagramas) no existe ninguna tensión entre los extremos de la pila, pero sí existe la “presión química”: de hecho, la diferente naturaleza química de los compuestos involucrados y su electronegatividad –su “hambre de electrones”– son siempre los mismos. De modo que la “tensión química” hacia la derecha no tiene una tensión eléctrica que se oponga a ella, y los electrones empiezan a abandonar la parte izquierda de la pila y dirigirse hacia la derecha, para alimentar la segunda reacción.

Pero, según se va produciendo este proceso y se van acumulando electrones en la parte derecha –y hay un defecto de electrones en la parte izquierda–, aparece un voltaje cada vez más grande debido a este desequilibrio de carga, y a los electrones va costándoles más y más moverse hacia la derecha, porque la fuerza de Coulomb los lleva hacia la izquierda con cada vez más intensidad. La “presión química”, sin embargo, se mantiene siempre constante.

Llegará un momento entonces en el que haya suficientes electrones en la parte derecha como para que el voltaje sea lo bastante grande como para que los electrones dejen de moverse: cuando la presión eléctrica haya igualado a la química. Esto sucede, en cualquier caso, bastante rápido, y a partir del momento en el que llegamos a esa situación (la del último diagrama de arriba) deja de fluir la carga y todo se detiene. En ese momento, entre los dos extremos de la pila hay un voltaje fijo, el valor en el que ambas presiones –química y eléctrica– se han equilibrado: a lo que nos referimos típicamente al hablar del “voltaje de una pila”. Las típicas pilas alcalinas AA, por ejemplo, tienen una tensión entre sus extremos de 1,5 voltios. Hemos alcanzado entonces una especie de statu quo que hará falta romper de algún modo para que sigan sucediendo cosas interesantes.

Antes de seguir, si observas la situación cuando se ha alcanzado el statu quo puedes aprender ya un par de términos muy empleados al hablar de pilas:

Ambos extremos de la pila están cargados eléctricamente: son los polos, bornes o electrodos. El lado derecho de la pila, cargado negativamente (con exceso de electrones) se denomina ánodo, y el positivo de la izquierda, cátodo. Normalmente, en una pila suelen marcarse, el cátodo con un + y el ánodo con un -. Pero el caso es que, una vez se ha alcanzado esta situación, todo se para, aunque haya un desequilibrio entre los dos polos.

Puede parecer que no tenemos nada útil, ya que los electrones no fluyen durante mucho tiempo por la pila hasta equilibrar la diferente “hambre de electrones” química, pero hemos conseguido mover electrones de un lado a otro de manera “forzada”, aunque no sea una distancia muy grande ni en cantidades considerables. Tenemos justo lo que nos hacía falta en nuestro cuerpo de arriba para mantener el flujo de electrones de manera continua.

La clave de la cuestión para este último paso de razonamiento es la siguiente: en nuestra pila, los electrones acaban por pararse porque la presión química los empuja hacia la derecha, y la eléctrica a la izquierda. Sin embargo, podemos lograr que ambas tengan el mismo sentido si unimos esta pila con el cuerpo de arriba, de modo que los extremos del cuerpo toquen los extremos de nuestra pila. Para ello, hagamos que nuestro conductor sea más largo, y doblémoslo para poder unir sus extremos con los dos de la pila:

¿Qué sucederá ahora? Fíjate en los electrones que hay en los extremos de nuestro conductor cerca del ánodo y del cátodo, y recuerda la Ley de Coulomb o el voltaje, pues cualquiera de los dos conceptos te llevarán al mismo sitio. Y, después de pensar un par de minutos, sigue leyendo.

Los electrones del conductor van a empezar a moverse. Hay dos puntos clave en los que fijarse en un principio:

En términos de fuerza de Coulomb, los electrones de 1, cerca del cátodo positivo, sienten una fuerza neta hacia la derecha, pues a la izquierda hay tantos electrones como protones, pero a la derecha (ya que algunos electrones se fueron, por la reaccion química, hacia el ánodo de la pila) hay carga positiva que los atrae. Como consecuencia, esos electrones van a moverse hacia la derecha, entrando en la pila.

En términos de diferencia de potencial, los electrones de 1 sienten una tensión entre lo que hay a su izquierda y a su derecha: la presión eléctrica los empuja hacia la derecha, hacia el potencial más grande (el de los protones de dentro de la pila sin electrones suficientes que los compensen). Como consecuencia, estos electrones –como antes, claro, pues esto es simplemente otra forma de expresar lo que pasa– se moverán hacia la derecha, entrando en la pila.

Pero ¿qué sienten los electrones de 2, cerca del ánodo? A su derecha todo es normal, hay tantos electrones como protones en el cable, pero a su izquierda hay demasiados electrones: notarán una fuerza neta hacia la derecha por la repulsión de éstos. En términos de potencial eléctrico, se moverán hacia potenciales eléctricos mayores, es decir, alejándose de los electrones de carga negativa de la izquierda. De cualquiera de las dos maneras, esos electrones se alejarán de la pila. Con lo que ahora tendremos esto:

Ahora, el exceso de electrones de F siente una fuerza hacia la derecha por el hueco dejado por los electrones que abandonaron 2, con lo que esos electrones salen de la pila… pero entonces disminuye la presión eléctrica que impedía a la reacción A + B seguir liberando electrones. De modo que la reacción A + B, que se había detenido cuando alcanzamos el statu quo, empieza a producirse otra vez, A y B se siguen consumiendo y los electrones liberados se pasan al lado derecho de la pila, donde azuzan de nuevo la reacción C + D.

Pero al lado izquierdo de la pila, claro, ha quedado un hueco, que es rellenado por los electrones inmediatamente a la izquierda del hueco, pero ésos dejan un hueco, etc. ¡Y al lado derecho pasa lo mismo! Hay un montón de electrones apelotonados, que no van a volver hacia la izquierda porque se trata de un polo cargado negativamente. Sin embargo, en el otro sentido hay, más cerca o más lejos, el hueco dejado por los electrones que entran en la pila por el cátodo, con lo que estos electrones que salieron por el polo negativo se mueven hacia él por el cable.

El resultado final, si mi explicación no te ha dado dolor de cabeza, es que todos los electrones del conductor empiezan a moverse por él en el sentido contrario a las agujas del reloj en nuestro diagrama, entrando en la pila por el cátodo y saliendo por el ánodo. Desde luego, en la realidad este proceso no se produce a “escalones” como lo he explicado yo, sino que es algo fluido y continuo.

Hemos conseguido exactamente lo que nos proponíamos al principio del artículo. Ahora tenemos un flujo de electrones continuado a lo largo de nuestro cable, y el desequilibrio de cargas permanece siempre constante: el voltaje entre los extremos de la pila es siempre exactamente el equivalente a la “presión química” creada por las reacciones. Y los sufridos electrones, por mucho que se muevan para tratar de compensar esa tensión, nunca lo conseguirán, porque cada paso que dan es deshecho a su vez por las reacciones químicas, que siguen produciéndose continuamente y manteniendo el desequilibrio de cargas entre ambos polos de la pila.

Y aquí está el punto débil de nuestro circuito, ya que nada se consigue en la Naturaleza sin esfuerzo: puede parecer que la carga va a fluir por nuestro conductor para siempre y que, aunque los electrones se muevan, nada cambia en el dibujo de arriba. Sin embargo, aunque no tengo tiempo ni energía para hacer una animación para que puedas verlo, creo que si eres sagaz ya te habrás dado cuenta de que sí, hay algo que cambia continuamente según se mueven nuestros electrones por el cable: las cantidades de las sustancias A, B, etc.

Claro, el desequilibrio de cargas se mantiene porque las reacciones que se están produciendo lo mantienen a pesar del movimiento de los electrones. Antes de que conectaramos los polos de la pila con nuestro conductor, las reacciones se habían detenido, pero cuando los conectamos, vuelven a producirse constantemente. Pero, si las reacciones se están produciendo constantemente, cada vez quedará menos cantidad de A, B, C y D. Llegará un momento, de hecho, en el que alguna de esas sustancias se agote por completo… y entonces las reacciones se paran, el desequilibrio forzado desaparece, el movimiento cesa. Nuestra pila se ha gastado.

Como ves, una pila no se gasta porque “se le acabe la carga”. La pila se agota porque contiene reactivos químicos que fuerzan la situación mientras van reaccionando entre sí, pero llega un momento en el que esos reactivos ya se han consumido, y entonces la pila deja de funcionar, los electrones del cable sí son capaces de moverse hasta equilibrar el voltaje y entonces todo se acaba parando. Pero, mientras las sustancias que reaccionan están ahí, estamos manteniendo la intensidad de corriente en el circuito como nos habíamos propuesto.

De hecho, el circuito que acabamos de construir agotaría la pila en un tiempo muy corto. La razón es que, como vimos en el artículo anterior, ante una diferencia de potencial determinada, un conductor muy bueno experimentará una intensidad de corriente muy grande. Y el cable que hemos conectado a nuestra pila, si es un cable normal y corriente de cobre, es un conductor excelente. Como consecuencia, la intensidad de corriente en el cable será bastante grande incluso con un voltaje relativamente pequeño entre los electrodos de la pila, con lo que todo el proceso tardará poco tiempo, los reactivos A, B, C y D se gastarán muy rápido y todo el montaje que hemos hecho no será muy duradero.

Y esta descarga tan rápida de la pila tiene otras consecuencias interesantes y muy útiles, aunque a veces peligrosas, que también tienen que ver con el concepto de resistencia que mencionamos en el artículo anterior y con la Ley de Ohm, como comprobarás si realizas el experimento de hoy, y como estudiaremos en detalle en el próximo artículo de la serie en un par de semanas, en el que hablaremos sobre el efecto Joule.

Ideas clave

Los conceptos básicos que debes tener claros para afrontar el resto del bloque con garantías son los siguientes:

• Para conseguir un movimiento constante de electrones en un conductor hace falta evitar que el movimiento de los electrones compense el voltaje que lo causó.

• Esto puede conseguirse de varias maneras, pero una de ellas es producir un par de reacciones químicas simétricas eléctricamente, una que produzca electrones de sobra y otra que los requiera, es decir, utilizando una pila eléctrica que mantenga un voltaje constante entre sus extremos debido a esas reacciones químicas.

• Los extremos de una pila se denominan electrodos, bornes o polos: el positivo es el cátodo, el negativo es el ánodo.

• Al conectar entre sí los dos polos de una pila con un cable, los electrones del cable se mueven de forma neta por él, entrando en la pila por el cátodo y saliendo por el ánodo.

• Según los electrones se mueven por el circuito, los reactivos de la pila se van gastando, hasta que llega un momento en el que la pila se agota.

Hasta la próxima…

Puedes encontrar este artículo y otros como él en el número de diciembre de 2009 de nuestra revista electrónica, disponible a través de Lulu: