Cómo viaja la energía eléctrica: no es como solemos imaginar
Cómo viaja la energía eléctrica parece una pregunta elemental. Durante años hemos imaginado los electrones recorriendo los cables desde una central eléctrica hasta nuestras casas, casi como el agua circula por una tubería. Es una imagen sencilla, útil para empezar a comprender un circuito y, sin embargo, físicamente incompleta.
La realidad es bastante más interesante. Los electrones se desplazan muy lentamente dentro de los conductores. La energía, en cambio, puede propagarse a velocidades cercanas a la de la luz. Para entender esta aparente contradicción tenemos que abandonar por un momento la imagen de la tubería y hablar de campos eléctricos, campos magnéticos y flujo electromagnético de energía.
Cómo viaja la energía eléctrica realmente
Imaginemos un conductor de cobre por el que circula una corriente de 20 amperios. Podríamos pensar que sus electrones avanzan rápidamente transportando energía hacia el receptor. No ocurre así.
En un conductor de cobre de calibre AWG 12, por ejemplo, una corriente de 20 A produce una velocidad media de deriva de los electrones cercana a 0,45 milímetros por segundo. El ejemplo aparece desarrollado en OpenStax University Physics.
Dicho de otra manera, un electrón necesitaría más de media hora para desplazarse un metro a esa velocidad.
Sin embargo, cuando pulsamos un interruptor, la lámpara responde prácticamente de inmediato. Evidentemente, no hemos esperado a que un electrón salga de una central eléctrica y recorra kilómetros de líneas, transformadores y cables hasta llegar al salón.
Los electrones que intervienen en nuestro enchufe ya estaban allí.
Lo que se establece rápidamente por el circuito es el estado electromagnético que permite transferir energía.
En corriente alterna los electrones ni siquiera avanzan hacia nuestra casa
En Canarias, como en el resto de España, nuestro sistema eléctrico trabaja normalmente a 50 Hz. Eso significa que la corriente alterna completa cincuenta ciclos cada segundo y cambia de sentido cien veces.
Los electrones del conductor, por tanto, no recorren continuamente el cable en una dirección. Oscilan alrededor de posiciones prácticamente fijas.
Su desplazamiento neto puede ser diminuto. Sin embargo, una línea eléctrica puede estar transportando decenas, cientos o incluso miles de megavatios.
Aquí aparece una de esas paradojas aparentes que obligan a mirar la electricidad de otra manera. Puede existir un enorme transporte de energía sin que exista un transporte equivalente de materia a lo largo de la línea.
La energía está en los campos electromagnéticos
Cuando existe una diferencia de potencial entre conductores aparece un campo eléctrico. Cuando circula corriente aparece también un campo magnético.
Ambos campos contienen energía.
El físico británico John Henry Poynting desarrolló en el siglo XIX una formulación matemática que permite describir cómo fluye esa energía. Su expresión fundamental es el conocido vector de Poynting:
S = E × H
En términos sencillos, este vector indica la dirección y la densidad del flujo de energía electromagnética. Una explicación universitaria del teorema y de su relación con la conservación de la energía puede consultarse en la Universidad de Virginia.
Esto cambia bastante nuestra representación mental de una línea eléctrica.
No debemos imaginar los megavatios encerrados dentro del cobre y viajando junto a los electrones. Los conductores crean y condicionan una determinada configuración de campos electromagnéticos. Es esa estructura de campos la que transporta la energía desde la fuente hasta la carga.
Entonces, ¿la energía viaja fuera del cable?
Aquí debemos tener cuidado. Decir simplemente que «la energía no viaja por los cables» resulta atractivo para un vídeo de pocos minutos, pero no es del todo preciso.
Existe flujo de energía electromagnética alrededor de los conductores y también puede existir dentro de materiales conductores reales. En estos últimos, parte de la energía que penetra acaba transformándose en calor debido a la resistencia eléctrica.
Ese es precisamente el origen de las conocidas pérdidas por efecto Joule:
P = I²R
Cuanto mayor sea la corriente y la resistencia, mayores serán esas pérdidas.
La imagen más adecuada sería otra. Los cables no son tuberías llenas de energía; son elementos fundamentales de una estructura que guía los campos electromagnéticos.
Un cable coaxial permite verlo con mucha claridad
Un cable coaxial ofrece uno de los ejemplos más limpios de como viaja la energía eléctrica.
Tiene un conductor central, un dieléctrico y otro conductor exterior. El campo eléctrico se establece principalmente entre ambos conductores. El campo magnético ocupa también esa región.
El producto de ambos campos genera un vector de Poynting dirigido a lo largo del cable. En un modelo ideal, la potencia se transmite fundamentalmente por el espacio dieléctrico situado entre los conductores.
Caltech explica esta relación entre el vector de Poynting y la potencia transportada por una línea de transmisión, mostrando incluso cómo se recupera la conocida relación entre tensión, corriente y potencia.
Es una manera extraordinariamente gráfica de entender el fenómeno.
¿Y qué ocurre en una línea de alta tensión?
Exactamente el mismo principio físico.
Los conductores de una línea aérea establecen campos eléctricos entre fases y respecto a tierra. Las corrientes generan, a su vez, campos magnéticos.
La combinación de esos campos determina el flujo de energía asociado a la línea.
Por supuesto, esto no significa que podamos prescindir de los conductores. Sin ellos cambiarían completamente las condiciones electromagnéticas del sistema y desaparecería la línea de transmisión que conocemos.
Por eso resulta más correcto decir que los conductores guían la propagación de la energía electromagnética.
Esta idea permite comprender también por qué importan tanto la disposición geométrica de las fases, las distancias, los materiales aislantes y el camino de retorno.
El transformador nos da otra pista
Existe otro dispositivo cotidiano que debería hacernos sospechar que la imagen de los electrones transportando energía tiene limitaciones: el transformador.
El devanado primario y el secundario están eléctricamente aislados. Los electrones del primario no saltan al secundario.
Sin embargo, la energía pasa de un circuito al otro mediante el acoplamiento electromagnético.
Algo parecido ocurre en un cargador inalámbrico. No existe un conductor eléctrico conectando físicamente el cargador con la batería del teléfono, aunque sí existe transferencia de energía mediante campos electromagnéticos.
Los electrones siguen siendo esenciales. Sin cargas y corrientes no tendríamos los campos que hacen posible todo el fenómeno. Pero no debemos imaginarlos como pequeños camiones cargados de energía que recorren kilómetros de conductor.
¿Por qué seguimos utilizando tensión, corriente y potencia?
Llegados aquí podría parecer que buena parte de la ingeniería eléctrica tradicional se queda obsoleta. Nada más lejos de la realidad.
Cuando utilizamos:
P = V · I
estamos empleando una descripción macroscópica extraordinariamente eficaz.
Podemos diseñar líneas, calcular transformadores, determinar pérdidas, ajustar protecciones o analizar un sistema eléctrico sin calcular directamente el vector de Poynting.
La teoría de circuitos simplifica un fenómeno electromagnético mucho más complejo. Eso no la hace incorrecta. La convierte en una herramienta formidable.
Algo parecido ocurre cuando explicamos en Canarias Sostenible por qué nunca debemos conectar directamente un generador autónomo a un enchufe de una vivienda. Para trabajar con seguridad utilizamos tensión, corriente, impedancias, protecciones y caminos de retorno. Detrás de todo ello siguen actuando las leyes del electromagnetismo.
La electricidad es más fascinante de lo que parece
Durante décadas hemos explicado la electricidad recurriendo a tuberías, depósitos y corrientes de agua. Es una analogía útil, especialmente cuando alguien se aproxima por primera vez a estos conceptos.
El problema aparece cuando olvidamos que solamente era una analogía.
Una línea eléctrica no es una tubería por cuyo interior circula energía transportada por electrones procedentes de una central. Es una estructura electromagnética guiada por conductores capaz de trasladar enormes cantidades de energía mientras sus electrones apenas se desplazan.
Comprenderlo quizá no cambie cómo calculamos mañana una línea, un transformador o una instalación doméstica. Pero sí cambia nuestra forma de imaginar aquello con lo que trabajamos todos los días.
Y a veces entender mejor algo tan cotidiano como un cable sirve para recordar una cosa importante: incluso después de más de un siglo utilizando masivamente la electricidad, la física que tenemos delante sigue siendo extraordinaria.
Álvaro Medina
Seudónimo editorial de la persona responsable de Canarias Sostenible.
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