Cuando soltamos una pelota en lo alto de una colina, la gravedad hace que la pelota tienda a desplazarse desde una posición de mayor altura hacia otra de menor altura. Esa diferencia de altura está relacionada con la energía potencial gravitatoria. En electricidad ocurre algo parecido, aunque en lugar de hablar de altura hablamos de potencial eléctrico. La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos es lo que conocemos como voltaje, también llamado tensión eléctrica.
El voltaje puede entenderse, de manera sencilla, como el “empujón” que puede hacer que las cargas eléctricas se desplacen. Técnicamente, es una diferencia de potencial eléctrico y representa una cantidad de energía por unidad de carga. Un voltio equivale a un julio por cada culombio: 1 V = 1 J/C. Por eso el voltaje siempre se establece entre dos puntos; decir simplemente que “un punto tiene 12 voltios” carece de sentido si no se especifica respecto de qué punto se está midiendo. Una batería de 12 V, por ejemplo, tiene aproximadamente una diferencia de potencial de 12 voltios entre sus terminales.
La corriente eléctrica puede compararse, con ciertas limitaciones, con el flujo de agua en una tubería; la resistencia eléctrica se parece a la dificultad que encuentra el agua para circular por la tubería, y el voltaje puede compararse con la diferencia de presión que impulsa el flujo. Cuanto mayor sea la diferencia de potencial aplicada a un circuito, mayor puede ser la corriente que circula, siempre que las demás condiciones permanezcan constantes. Esta relación aparece en la ley de Ohm, V = I·R, donde V es el voltaje, I representa la corriente y R la resistencia.
Una pila de uso común, por ejemplo, puede proporcionar alrededor de 1.5 V, mientras que una batería de automóvil suele tener una diferencia de potencial nominal de 12 V. En los hogares, el voltaje depende del país y de la instalación. En México, por ejemplo, el suministro residencial suele ser de alrededor de 127 V a 60 Hz, mientras que en muchos países de Europa, Asia y África son habituales valores nominales cercanos a 220-240 V, generalmente a 50 Hz. Estas diferencias forman parte de los distintos sistemas eléctricos adoptados históricamente en cada región.
El voltaje recibe su nombre de Alessandro Volta, físico italiano cuyo trabajo condujo a la creación de la pila voltaica a comienzos del siglo XIX. La pila de Volta fue uno de los primeros dispositivos capaces de proporcionar una fuente continua de corriente eléctrica mediante reacciones electroquímicas. Su desarrollo fue fundamental para el estudio posterior de la electricidad y abrió el camino hacia las baterías que utilizamos actualmente en teléfonos, computadoras, automóviles y muchos otros dispositivos.
El voltaje puede ser continuo o alterno. En una fuente de corriente continua, como una pila, la polaridad mantiene esencialmente la misma orientación durante su funcionamiento normal, aunque el valor del voltaje puede variar con el tiempo. En la corriente alterna, en cambio, la tensión y la corriente cambian periódicamente de sentido. La posibilidad de transformar fácilmente los niveles de tensión mediante transformadores fue una de las grandes ventajas históricas de la corriente alterna para los sistemas eléctricos de distribución.
Esta característica estuvo relacionada con uno de los episodios más famosos de la historia de la electricidad: la llamada guerra de las corrientes. A finales del siglo XIX, el sistema de corriente continua asociado con Thomas Edison compitió con el sistema de corriente alterna impulsado por George Westinghouse y Nikola Tesla. La corriente alterna podía elevarse a voltajes altos para transportar energía con menores pérdidas y después reducirse a niveles adecuados para los consumidores. Finalmente, la corriente alterna se convirtió en la base de gran parte de las redes eléctricas convencionales.
Sin embargo, hoy también utilizamos corriente continua para transportar electricidad a grandes distancias. Los sistemas de transmisión HVDC, es decir, de corriente continua de alta tensión, permiten transportar enormes cantidades de energía con gran eficiencia.
El voltaje también aparece en lugares mucho menos evidentes. Nuestro propio sistema nervioso funciona gracias a diferencias de potencial eléctrico. Las membranas de las neuronas mantienen un potencial eléctrico en reposo que suele encontrarse alrededor de -70 milivoltios. Cuando una neurona genera un potencial de acción, se producen cambios rápidos en ese voltaje que permiten transmitir información a lo largo de la célula.
En la naturaleza encontramos diferencias de potencial mucho mayores. Un rayo puede estar asociado con diferencias de potencial del orden de cientos de millones de voltios. Durante una descarga atmosférica, además, el canal del rayo puede alcanzar temperaturas de aproximadamente 30 mil kelvin, muy superiores a la temperatura de la superficie del Sol. El rayo no “transporta” esa cantidad de voltaje, el voltaje describe una diferencia de potencial entre regiones eléctricamente distintas, mientras que durante el rayo se produce un enorme flujo de carga.
Los animales también han desarrollado sistemas sorprendentes para generar electricidad. La llamada anguila eléctrica es, en realidad, un pez de agua dulce del género Electrophorus. Una de sus especies, Electrophorus voltai, puede producir descargas de hasta 860 voltios, el valor más alto registrado para un animal. Estos peces poseen órganos eléctricos especializados formados por células llamadas electrocitos, que funcionan de manera coordinada para generar las descargas utilizadas principalmente para capturar presas y defenderse.
Otro ejemplo es la raya eléctrica o pez torpedo. Algunas especies pueden producir descargas de hasta unos 220 voltios. Los seres humanos conocían sus efectos mucho antes de comprender qué era la electricidad. Los antiguos griegos y romanos observaron que el contacto con estos animales producía entumecimiento y, en algunos casos, utilizaron sus descargas como una forma primitiva de tratamiento para ciertos dolores. El médico romano Scribonio Largo describió en el siglo I d. C. el uso de una raya eléctrica para tratar el dolor de la gota.
Incluso algunos animales pueden convivir con voltajes elevados sin sufrir una descarga peligrosa. Las aves que se posan sobre un solo cable eléctrico son un ejemplo conocido. Mientras sus dos patas permanezcan prácticamente al mismo potencial y no establezcan un camino hacia otro conductor o hacia tierra con una diferencia de potencial significativa, la corriente que atraviesa su cuerpo puede ser muy pequeña. El peligro aparece si el ave toca simultáneamente dos puntos con una diferencia de potencial importante, como dos conductores diferentes o un conductor y otro elemento conectado a tierra.
También existen voltajes extraordinariamente elevados producidos artificialmente. Los generadores Van de Graaff permiten acumular grandes cantidades de carga eléctrica y producir tensiones enormes. El gran generador Van de Graaff del Museum of Science de Boston, reconocido por Guinness World Records como el mayor de su tipo, puede alcanzar aproximadamente 2 millones de voltios. En el extremo opuesto, un aparato electrónico diseñado para funcionar a 5V puede dañarse si recibe directamente una tensión mucho mayor, como 230V, porque sus componentes no están diseñados para soportar esa diferencia de potencial.
Algo parecido ocurre con los aparatos electrónicos que permanecen conectados, aunque aparentemente estén apagados. En este caso se habla de consumo en espera, consumo fantasma o vampire draw. No se trata de un “voltaje fantasma” que permanezca dentro del aparato, sino de la pequeña cantidad de energía eléctrica que algunos equipos siguen consumiendo mientras permanecen conectados a la red. Televisores, cargadores, consolas, computadoras y otros dispositivos pueden mantener circuitos activos para responder a un control remoto o conservar determinadas funciones.
El voltaje funciona como una “fuerza” o presión que empuja a los electrones a moverse a través de un conductor. Al desplazarse gracias al voltaje, esas cargas realizan un trabajo y transfieren energía a los componentes del circuito. Esto es lo que permite que la electricidad se transforme en luz, calor, movimiento, información o energía almacenada.
Referencias: