Cortocircuito: corto pero no cortado

Los que fuimos niños de los años 80 recordamos la película Cortocircuito (1986), acerca de un robot que, como Frankenstein, cobraba vida cuando un rayo le caía encima. La palabra cortocircuito viene del inglés short circuit; no es una traducción muy adecuada y hasta pensé en colocar esta entrada no en este blog, sino en mi otro blog de traducciones, porque crea confusión a la hora de entender el concepto. A diferencia del inglés, en español los adjetivos se ponen detrás y no delante del nombre, por lo que sería más adecuado decir circuito corto que cortocircuito que, más que la idea de un circuito pequeño, evoca la de un circuito cortado, la de cortar un circuito, cuando las dos cosas no tienen nada que ver.

En la parte izquierda de este dibujo podemos ver un circuito eléctrico normal; las bombillas se encienden porque existe un circuito, un camino, que comunica el polo positivo de una pila con el negativo, permitiendo que circule la corriente del uno al otro y que en su camino encienda las bombillas. El circuito del medio es un circuito cortado; se ha cortado un cable por lo que ya no existe contacto entre un polo y otro de la pila: la corriente ya no puede circular y las bombillas se apagan; este efecto se consigue normalmente a través de un interruptor, un botoncito que en una posición permite el contacto entre los cables y en la otra no, permitiendo o interrumpiendo el paso de la corriente.

El circuito de la derecha es el cortocircuito; no hay ningún cable cortado que impida el contacto entre polos, sino lo contrario, hay un contacto directo no deseado entre el polo positivo de la pila y el negativo a través del cable de abajo. Aunque las bombillas siguen conectadas, no se encienden porque la corriente no pasa por ellas: le resulta mucho más cómodo evitarlas e irse por el cable, que a diferencia de las bombillas no posee resistencia eléctrica. El circuito se hace muy corto (short circuit), puesto que evita todos los elementos y conecta directamente un polo con el otro.

A primera vista puede parecer que los circuitos del medio y de la derecha son iguales, las bombillas no encienden y punto. Pero no es así, mientras el circuito cortado (el del medio) no reviste ningún peligro porque no está pasando corriente por él, por el cortocircuito (de la derecha) sí está pasando corriente, y muchísima, ya que al no poseer apenas resistencia, el cable permite el flujo de una gran cantidad de corriente gastando la pila en poco tiempo. Si en lugar de una pila de 4,5 voltios como la del dibujo habláramos de un enchufe de los de casa, de 220 voltios, la corriente tan elevada que se produce en el caso de un cortocircuito quema los cables y puede producir fácilmente un incendio.

Para evitar estos desastres tenemos el cuadro eléctrico de la vivienda, como expliqué en una entrada anterior, cuyo interruptor general salta cortando la luz para evitar el cortocircuito.

Charlie y la fábrica de chocolate: energía dulce

El famoso director Tim Burton tuvo un considerable éxito en 2005 con Charlie y la fábrica de chocolate, una adaptación del gran escritor Roald Dahl. Los que la hayan visto saben que trata sobre cinco niños que son invitados a visitar la fábrica de chocolate del excéntrico millonario Willy Wonka, una especie de parodia de Michael Jackson. En la película se retrata al dueño de la fábrica como un empresario imaginativo y audaz en la investigación de nuevas (y delirantes) tecnologías, pero ni Roald Dahl ni Tim Burton llegaron a sospechar que un Willy Wonka real podría encontrar una forma de no pagar recibo de la luz y procurarse él mismo la energía necesaria para su empresa a partir del chocolate.

El gran problema energético mundial es que aún no se conocen formas eficientes de producir grandes cantidades de electricidad sin recurrir a los procesos de combustión (quemar carbón, petróleo u otros combustibles) que producen efecto invernadero y residuos tóxicos que se vierten a la atmósfera. Bueno, sí se conoce una energía limpia de bastante uso, la hidroeléctrica, pero tiene el problema de que no hay los suficientes ríos caudalosos y con saltos de agua para no tener que depender de otras energías. Al quemar el combustible se genera calor, el calor se emplea para hervir agua y transformarla en vapor a alta presión, y la fuerza de este vapor mueve grandes turbinas que están conectadas con generadores, máquinas capaces de transformar el movimiento giratorio en electricidad. Así funcionan las centrales térmicas y nucleares que producen la electricidad que consumimos en casa.

Existen otras energías alternativas menos contaminantes, y la que más está dando que hablar en los últimos tiempos es la pila de hidrógeno o pila de combustible. A pesar de su nombre, su gran ventaja consiste precisamente en que no hay reacción de combustión en ella, sino que funciona separando los elementos del átomo más sencillo que existe, el hidrógeno. Una membrana deja pasar los protones del hidrógeno, pero no los electrones, que una vez separados pueden recorrer un circuito produciendo electricidad (puesto que ésta no es más que el movimiento de electrones por un material conductor). Una vez aprovechada la electricidad, los electrones vuelven a juntarse con los protones y con el oxígeno del aire para reaccionar, con ayuda de un catalizador, formando agua. De esta forma hemos obtenido energía produciendo vapor de agua como único residuo, en lugar de los gases tóxicos que resultan de quemar carbón o petróleo.

¿Pero de donde sacamos hidrógeno en grandes cantidades si el aire sólo contiene oxígeno y nitrógeno? Ahí es donde puede entrar el chocolate; unos científicos del Reino Unido alimentaron a un cierto tipo de bacterias con restos de turrón, caramelo y otros dulces: los microorganismos consumieron el azúcar y produjeron hidrógeno.

El problema de estas pilas de combustible es que su coste de fabricación es muy alto y generan sólo pequeñas cantidades de electricidad, aunque cada vez la tecnología permite un coste más bajo y ya se experimenta con vehículos impulsados con este tipo de energía. Si se pudieran producir grandes cantidades de hidrógeno por medio de bacterias que comen chocolate .... que descanso para los pobres umpa-lumpas de la película.

Los creyentes: el cortocircuito mortal

No sé si muchos lectores del blog recordarán Los creyentes, una curiosa película de terror de John Schlesinger (1987) en la que una sangrienta secta secuestraba al hijo de Martin Sheen. De pequeño me había impactado mucho la escena inicial, en la que la madre del niño muere cuando el secador de pelo cae en la bañera electrocutándola. Por entonces no entendía cómo podía pasarle la corriente a la señora si el secador estaba apagado, y es que el cortocircuito no es algo intuitivo que nos podamos imaginar sin tener conocimientos previos sobre la electricidad.

La corriente eléctrica se produce cuando se conectan a través de algún cable o conductor el polo positivo y el negativo de una pila o de un generador. Los enchufes de casa están conectados al cuadro eléctrico de la vivienda, y éste, a través de una larga red de baja, media y alta tensión, se conecta con los bornes del generador de una central eléctrica (hidroeléctrica, térmica, nuclear, etc.), de forma que el agujero de arriba del enchufe está unido al polo positivo del generador y el agujero de abajo al negativo (esto en realidad no es tan sencillo, puesto que se trata de corriente alterna y no continua, por lo que los polos positivo y negativo se intercambian continuamente, pero esto no nos interesa ahora).

Cuando no hay nada conectado al enchufe, no pasa la corriente porque no hay contacto entre el polo positivo y el negativo. Si enchufamos el secador de pelo y lo encendemos, entonces la corriente pasa a través de él. El secador opone una cierta resistencia, que limita la cantidad de corriente que pasa por él, y funciona normalmente hasta que lo apagamos. El botón de apagado separa los cables dentro del secador haciendo que el polo positivo ya no entre en contacto con el negativo.

Si echamos a la bañera el secador desenchufado, no pasará nada. Pero si el secador está enchufado, el polo positivo y el negativo del enchufe se pondrán en contacto a través del agua (que, a diferencia del aire, conduce la electricidad). El problema es que el agua, a diferencia del secador, ofrece una resistencia mínima al paso de la corriente; al no haber resistencia, la intensidad o cantidad de corriente que pasa por los cables se vuelve altísima: los cables se queman, se puede producir un incendio de origen eléctrico, y si en el agua cargada de electricidad hay una persona, la corriente pasará por su cuerpo sin compasión, porque la piel mojada tampoco ofrece resistencia eléctrica.

Para prevenir este tipo de accidentes, están los interruptores magnetotérmicos del cuadro eléctrico de casa, que al detectar una corriente tan alta que sólo puede ser producto de un cortocircuito, cortan el suministro. No obstante, mejor no hacer la prueba por si la instalación está defectuosa como en la película ...

Zulo: se deshizo la luz

La última película que he visto en el cine es la española Zulo de Carlos Martín Ferrera, en la que un hombre es encerrado en un habitáculo sin que lleguemos a saber las razones de su secuestro (terrorismo, extorsión económica a la familia, etc.). Lo cierto es que la peli es desagradable y no tiene mayor interés ni contenido narrativo que el que tendría ver como llevan a un cordero al matadero y lo degüellan. Se supone que lo curioso es el experimento narrativo que supone contar una historia con un solo personaje encerrado, pero lo cierto es que hay films más interesantes que parten de esa misma propuesta y que analizo en este otro artículo.

Pero Zulo tiene un pequeño interés para este blog, que es que en un momento de su cautiverio, el personaje arroja su zapato contra la bombilla que proporciona luz a su habitáculo, y esta se rompe y se quema. Seguramente pocos se extrañarán de que la bombilla arda porque lo hemos visto otras veces, pero ¿nos hemos planteado por qué pasa eso?

En primer lugar conviene aclarar que el fenómeno de que una bombilla arda momentáneamente cuando se rompe el cristal que la envuelve no tiene nada que ver con los fuegos de origen eléctrico, que suelen ser debidos a cortocircuitos, un tema que merece más atención y al que le dedicaré una entrada próximamente. La bombilla consiste en un filamento, un hilo, de un elemento químico llamado wolframio, al que se le conoce más popularmente como tungsteno, que alcanza temperaturas muy elevadas cuando pasa la corriente eléctrica por él (que la electricidad produce calor, fenómeno al que se le llama efecto Joule, no es nada extraño, lo vemos todos los días en los hornos eléctricos, tostadoras, secadores de pelo, estufas y radiadores eléctricos, etc.). El wolframio alcanza una temperatura tan alta que la única forma de que no arda es conservarlo en una cápsula sin aire, a la que se llama precisamente bombilla. De ahí que si rompemos el cristal, el wolframio a alta temperatura reacciona con el oxígeno de la atmósfera y arde, mientras que si no se rompe el cristal la bombilla nunca se quemará por mucho que, por cualquier circunstancia, deje de funcionar y digamos que está fundida.

La bombilla, invento patentado, que no descubierto, por Edison, se basa por tanto en la incandescencia, la emisión de luz a altas temperaturas. La mayor parte de energía eléctrica que recibe este tipo de bombilla la va a emplear en calentarse, por lo que su rendimiento es más bajo que el de los otros tipos de lámpara, las fluorescentes, como la del dibujo, cuyo funcionamiento se basa en la emisión de luz cuando se recibe una radiación ultravioleta. Los fluorescentes no arden pero son mucho más complejos (y por lo tanto más caros y menos apropiados para un zulo).

Vidocq: que me parta un rayo

En la ambiciosa producción francesa Vidocq, de hace unos años, un asesino se dedicaba a deshacerse de la gente que le resultaba molesta con un imaginativo método: infiltraba de forma inadvertida alfileres o pequeños hierros puntiagudos en sus sombreros para que sirvieran de pararrayos haciendo que la tormenta fulminara a la víctima.

Este poder mortal del rayo es totalmente cierto y nada exagerado por la película: la diferencia de potencial que las nubes alcanzan respecto a la tierra en una tormenta puede ser de varios millones de voltios, un valor muy superior al de los cables de alta tensión, que muy raramente superan los 400.000 voltios (cantidad ya más que suficiente para hacernos mucha pupa).

Lo de por qué los objetos esbeltos, de mucha altura y poca sección, atraen los rayos se debe a que en las tormentas las nubes se polarizan, es decir, las cargas positivas se separan de las negativas en lugar de distribuirse homogéneamente por toda la nube: se genera un polo positivo en la parte superior, ya que las cargas positivas tienden a ascender, y un polo negativo en la parte inferior, más próxima a la tierra. La presencia de este polo negativo hace que las cargas en la tierra también se redistribuyan a su vez y que, por atracción electrostática, aparezca una zona de carga positiva en la superficie del suelo. ¿Y dónde se va a concentrar más esa carga positiva? Pues en los objetos esbeltos, porque los objetos alargados tienen mucha superficie en la que almacenar cargas positivas. Por eso el rayo va a caer sobre un pararrayos, que es alto, delgadito y además metálico y conectado directamente a tierra por un cable, lo cual le facilita mucho lás cosas a la electricidad para pasar por allí. Caso de no haber un pararrayos, las víctimas más propicias del rayo son los árboles, ya que son los puntos más elevados del terreno y tendrán mucha mayor densidad de cargas positivas que la tierra que los rodea. De hecho, la mayor parte de personas muertas por un rayo lo son por cometer el error de cobijarse bajo un árbol. Lo más sensato en caso de tormenta en una zona llana es meterse dentro de un coche, ya que de caer el rayo lo hará sobre la carrocería y nosotros estaremos aislados y resguardados en el interior.

¿Por lo tanto es efectivo el método del asesino de Vidocq? Pues en el caso de estallar la tormenta en una zona llana y sin árboles, como los humanos caminamos erguidos y por lo tanto ofrecemos bastante superficie en la que almacenar cargas en relación a nuestro volumen, tenemos una alta probabilidad de resultar apetitosos para el rayo, lo que se puede evitar poniéndonos a cuatro patas para estar en igualdad de condiciones con los animales. ¿Lo del alfiler en el sombrero puede ayudar al rayo? Tal vez un poco, pero un pararrayos tan pequeño como ese no supondría seguramente mucha diferencia, lo peligroso sería más bien exponerse a la tormenta en un terreno llano y despejado. Aunque creo recordar que en la película el rayo le caía a alguien situado en las proximidades de un edificio en una época en que ya existían los pararrayos, algo poco probable a menos que las nubes le tuvieran manía al pobre ...

Destino final: alta tensión

La película Destino final, que ya ha conocido dos secuelas, hablaba de un grupo de adolescentes que sobrevivían a un accidente aéreo. Por haber burlado a la muerte, el destino se encargaba de poner las cosas en su sitio e intentar provocarles accidentes mortales de todas las formas posibles. Una de ellas era crear una tormenta que atacara el tendido eléctrico; una línea de alta tensión llegaba a caer sobre el coche de la chica de la película. La reacción de la asustada muchacha era la de abrir la puerta y huir del coche, pero el chico le advertía que debía permanecer dentro para no electrocutarse.

Ante esta escena se plantean dos preguntas: en primer lugar, ¿por qué se transporta la electricidad a una tensión tan alta y por lo tanto peligrosa? Bien, en las centrales eléctricas se produce una determinada potencia que queremos trasladar a gran distancia. La corriente se conduce a una tensión o voltaje muy alto (cuyo valor puede oscilar mucho, desde unos pocos miles hasta 400.000 voltios) para así mantenerla a una intensidad baja de circulación. Parece contradictorio, pero cuantos más voltios de potencial tiene la línea, menos cantidad de corriente pasa por ella.

De hecho, la tensión se denomina también potencial, porque representa la capacidad de generar corriente; si ya estamos conduciendo una elevada cantidad de corriente, no nos quedará demasiado potencial porque ya lo hemos gastado en generar esa corriente. Por lo tanto, conduciendo la electricidad a mucho potencial, nos ahorramos que la potencia se pierda en los cables del tendido eléctrico, que es lo que ocurriría si la corriente fuera muy alta, y conseguimos también que dichos cables no se fundan. Para aguantar corrientes muy elevadas sin quemarse, los cables tendrían que ser tan gordos que no podrían sujetarse en el aire (y de todas formas, un cable de alta tensión tiene mucho más espesor que los cables que estamos acostumbrados a ver en casa). Una línea de alta tensión en el aire puede ser peligrosa, pero más lo serían unas corrientes elevadísimas a ras de suelo.

Segunda cuestión: ¿por qué tiene que quedarse la chica dentro del coche si le cae el cable de alta tensión encima? De nuevo la cuestión es la diferencia entre tensión o potencial, e intensidad de corriente; al caer el cable, la carrocería del coche adquiere un potencial de muchos voltios, pero eso no significa que esté pasando la corriente por él.

Entre los dos agujeros del enchufe de casa hay 220 voltios, pero mientras no conectemos nada al enchufe no está pasando ninguna corriente. Salvo que hubiera una humedad tremenda en la habitación, el aire actúa de aislante incomunicando la zona de potencial alto y la de potencial bajo, manteniendo el circuito eléctrico abierto, es decir, sin corriente. De la misma forma, en el ejemplo de la película las zonas no metálicas del coche (los neumáticos, el interior, etc.) hacen de aislante y evitan que la carrocería descargue su voltaje hacia el suelo. Ahora bien, si la chica toca la carrocería al salir del coche, entonces su cuerpo haría de conexión entre el metal eléctricamente cargado y la tierra. Sería como meter los dedos en el enchufe, sólo que a un superenchufe de miles de voltios.

Esto explica también que a veces los pájaros puedan posarse sobre los cables eléctricos sin electrocutarse; al tocar el cable, se cargan de electricidad, pero no tienen a donde descargarla, por lo tanto no pasa corriente por su cuerpo. Ahora, ¿qué ocurre cuando hay tormenta y el aire sí puede convertirse en conductor de la electricidad? Pero el tema de los rayos casi lo dejamos para otro día.