Entender el artículo de hoy será esencial, además, para comprender el siguiente y probablemente último del bloque, dedicado a la seguridad y riesgos eléctricos, ya que algunos de los conceptos de hoy son la base de la explicación que daremos entonces. Al fin y al cabo, la energía es una de esas cosas que aparece en Física por todas partes, y enlaza unos campos de la ciencia con otros de manera inevitable.

Factores que determinan la potencia eléctrica

Como tantas otras veces, antes de lanzarme al ataque con la potencia eléctrica tengo que pedirte un poco de paciencia: abordaremos el problema desde un ejemplo ligeramente diferente –la analogía hidráulica de la que hemos hablado anteriormente en el bloque– antes de hablar de magnitudes estrictamente eléctricas. De manera que, querido y pacientísimo lector, tratemos de construir juntos una noria de agua que haga la mayor cantidad de ruido posible, porque sin un ejemplo surrealista y absurdo, ¿dónde iríamos a parar?

Imagina, por tanto, que somos los propietarios de un artilugio infernal: una rueda de palas de gran tamaño, como las de los barcos de vapor del Mississippi. Eso sí, nuestra “rueda infernal” no se dedica a mover nada: las palas golpean, según pasan por ella, a una gran campana de bronce que hace un ruido estruendoso, como puedes ver en la figura a continuación. Nuestra rueda es impulsada por el agua que sale de una tubería situada estratégicamente de modo que el líquido impacte contra las palas:

Al primero que se ría del dibujo le cae una colleja, que me he tirado un par de horitas luchando con Inkscape para hacerlo.

Imagina, además, que nuestro objetivo es precisamente hacer la mayor cantidad de ruido posible con la campana, de modo que pueda oírse lo más lejos posible de la manera más continua que podamos. Dicho en términos energéticos, lo que estamos haciendo con nuestro estúpido e irritante invento es transformar energía: estamos convirtiendo la energía debida al movimiento del agua en energía sonora, es decir, en ruido infernal, por razones que sólo nosotros conocemos.

Pero lo que nos interesa en el artículo de hoy no son nuestras intenciones, sino la analogía hidráulica, es decir, el agua de la tubería. Para comprender el artículo de hoy, contestemos juntos a la siguiente pregunta: ¿qué dos características fundamentales debe tener el flujo de agua que sale de la tubería para que nuestra rueda haga la mayor cantidad de ruido posible? Piensa un momento antes de seguir.

Espero que tu respuesta haya sido algo parecido a lo siguiente: hacen falta dos características básicas. Por un lado, que haya mucha agua saliendo de la tubería, es decir, un gran flujo de líquido, porque si lo que sale es un chorrito finísimo, poco va a mover la rueda. Por otro lado, que el agua salga a una presión muy grande de la tubería, para que empuje las palas con gran fuerza, porque si sale moviéndose a una velocidad muy pequeña, poco conseguimos, ya que no empujaría nada.

Lo que estamos midiendo con este experimento mental, desde luego, es energía y potencia, aunque hablaremos más formalmente de ellas en un rato: si lo que sale de la tubería es una gran cantidad de agua con una presión muy grande, la energía que transporta cada segundo –y que nosotros convertimos en ruido– será muy grande. Nuestra rueda golpeará la campana muchas veces cada segundo, porque girará muy deprisa, y además lo hará con gran fuerza, haciéndola resonar con una violencia imposible de ignorar kilómetros a la redonda, como nosotros queríamos.

Pero traduzcamos este ejemplo absurdo a nuestros conductores y cargas móviles de artículos anteriores. Supongamos que en vez de nuestra rueda tenemos una bombilla, y que en vez de agua moviéndose por la tubería tenemos electrones fluyendo caóticamente por un conductor, como en el circuito del artículo anterior. Fíjate en que la situación es bastante similar: los electrones llegan a la bombilla, donde el conductor es muy fino, y los impactos continuos según pasan por ella calientan el filamento hasta que éste brilla. Igual que las palas que se mueven chocan con la campana y convierten su energía en una onda sonora, nuestros electrones en movimiento chocan unos con otros y con los átomos del metal y convierten su energía en calor y luz.

Si queremos, por tanto, que nuestra bombilla luzca lo más posible, las condiciones deben ser análogas a las que queríamos para que nuestra campana hiciera la mayor cantidad de ruido posible: queremos que se produzcan muchos impactos de electrones, y queremos que esos impactos sean lo más violentos posibles. Si has seguido el bloque hasta ahora, estoy convencido de que ya estás traduciendo esto a términos más técnicos que los míos: queremos que la intensidad y el voltaje sean lo más grandes que sea posible.

Ésas son las dos magnitudes fundamentales al estudiar energéticamente la corriente eléctrica. La energía que recorre el conductor cada segundo depende justamente de esos dos factores, la intensidad de corriente y la tensión. De hecho, aunque existen muchas maneras de definir la potencia y la energía, en este bloque lo haremos refiriéndonos justamente a ellas dos, ya que son la manera más directa de medir la potencia en un circuito eléctrico.

Potencia eléctrica

Desde luego, una discusión teórica general sobre el concepto de potencia en Física se escapa al alcance de este bloque, pero sí quiero hacerlo, aunque sea “dicho mal y pronto”, en el contexto de los circuitos eléctricos:

La potencia eléctrica en un circuito eléctrico es la energía generada, consumida o transportada cada segundo, y es igual al producto de intensidad de corriente por voltaje.

Fíjate en que pongo esa especie de tríada “generada, consumida o transportada” porque podemos mirar distintas situaciones a las que se aplica el mismo concepto; podríamos mirar una pila que genera una potencia eléctrica, un cable que la transporta o una bombilla que la disipa en forma de calor.

En primer lugar, recordemos nuestra pila y circuito del ejercicio anterior. El voltaje entre los electrodos de la pila es la medida de la “presión eléctrica” con que la pila empuja los electrones que la atraviesan. Si ese voltaje es gigantesco, los electrones sufren un impulso irresistible para moverse por el circuito, de modo que cada uno de ellos dispone de gran cantidad de energía que gastar, según se mueve por él –por ejemplo, en choques por el cable o en la bombilla–. Además, como vimos entonces, cada segundo atravesará la pila un número determinado de electrones, dependiendo de si la intensidad es grande o pequeña.

Como toda analogía o imagen mental, tiene sus limitaciones, pero permite que te dé una diferente de la hidráulica, por si te ayuda a visualizar el concepto de potencia eléctrica en función de intensidad y voltaje. Imagina que la energía que transporta el circuito es un líquido dorado y reluciente, y que ese líquido es transportado por los electrones que circulan por el conductor. Podemos seguir mirando la intensidad como siempre (como la cantidad de carga que recorre el circuito por segundo), pero miremos el voltaje en términos energéticos de fluido dorado: si el voltaje es pequeño, cada electrón dispone de poca energía, es decir, lleva consigo una pequeña cantidad de líquido. Podríamos mirarlo así:

Por el contrario, si la tensión es muy grande, cada electrón acarrea una cantidad muy grande de energía, con lo que va “muy lleno de líquido dorado”:

Como puedes ver, la cantidad de energía que transporta la corriente cada segundo –es decir, la potencia– es igual a la que lleva cada electrón multiplicada por la cantidad de electrones que se mueven por el cable cada segundo… intensidad y voltaje. Puede haber muchas y muy variadas posibilidades:

Pequeño voltaje, pequeña intensidad.

Pequeño voltaje, gran intensidad.

Gran voltaje, pequeña intensidad.

Gran voltaje, gran intensidad.

Evidentemente, el primer dibujo y el último son dos extremos: en el primer caso siempre habrá menos energía recorriendo el conductor cada segundo que en el último. Pero espero que veas que, dependiendo de los números, el segundo y el tercer caso (poco voltaje y mucha intensidad, mucho voltaje y poca intensidad) podrían transportar exactamente la misma cantidad de energía cada segundo. Si comprendes eso, verás por un lado el peligro relativo de las distintas corrientes en el artículo sobre seguridad, y en bloques superiores entenderás también bastante fácilmente el concepto de transformación de corriente.

Pero ¿de dónde ha salido ese “líquido dorado” en nuestro circuito? Pues de la pila, por supuesto, a partir de la energía química convertida mediante las reacciones entre los distintos compuestos que contiene. Y, como viajeros caóticos que son, los electrones son absolutamente incapaces de transportar el líquido dorado sin derramar nada. Según avanzan por el circuito, los electrones se pasan el líquido unos a otros, lo pierden al chocar con átomos adyacentes, etc., de modo que la cantidad de líquido dorado que llega hasta la bombilla es más pequeña que la proporcionada inicialmente por la pila.

Finalmente, cuando los electrones atraviesan la bombilla, pierden una gran cantidad del líquido dorado, que se emplea en hacer vibrar violentamente los átomos del material, de modo que la bombilla se calienta mucho y brilla. Como digo, una analogía limitada, pero espero que reveladora. Podrías incluso imaginar que la pila contiene, en los reactivos, una cantidad determinada del líquido dorado –la energía–, y según pasan electrones por ella va vertiendo parte del líquido en cada uno de ellos hasta que, llegado un momento, no queda más líquido en la pila y ésta se gasta. ¿Cómo de rápido sucederá esto? Una vez más, depende de dos factores: el número de electrones que circulan cada segundo y la cantidad de energía que le proporciona a cada uno.

Una vez entendido el concepto, como siempre, para poder utilizar la magnitud de verdad y comparar unas potencias con otras, debemos definir una unidad de medida, de modo que hagámoslo antes de seguir.

Unidad de potencia – El vatio

Dado que la potencia no es una unidad específica de electricidad –como tampoco es la energía, de la que hablaremos en un momento–, su definición en el Sistema Internacional de unidades no se basa en unidades eléctricas, sino en otras más generales. De manera que definámosla primero de manera oficial para luego, como varias veces en esta serie, dar una definición extraoficial pero tal vez más informativa, sobre todo en el contexto de este bloque.

La unidad de potencia recibe su nombre en honor al escocés James Watt, un ingeniero nacido en el siglo XVIII que, de una manera u otra –porque hay bastantes discusiones acerca de su mérito y el de otros inventores de la época– contribuyó de manera fundamental al desarrollo de la máquina de vapor y, con ella, a la llegada de la revolución industrial. Como ves, nada que ver con la electricidad. Aquí tienes su definición oficial, que probablemente te deje frío:

Un vatio o watt (W) es igual a un julio de energía cada segundo.

No dice mucho salvo que ya sepas Física, ¿verdad? Si te has quedado como estabas, no te preocupes, porque podemos dar una definición alternativa –extraoficial, ya que se basa en unidades que derivan oficialmente de ella, pero bueno– que probablemente tenga bastante más sentido si has entendido lo de la rueda, la pila, la gasolinera y la bombilla:

Un vatio (W) es la potencia generada, transportada o consumida cuando la intensidad de corriente es de un amperio y el voltaje es de un voltio.

Es de sentido común, ¿no? Dado que la potencia es proporcional a la tensión y la intensidad, la unidad de potencia eléctrica se da cuando tanto el voltaje como la intensidad de corriente tienen el valor unidad. De modo que si, por ejemplo, una pila proporciona una tensión entre sus electrodos de 1 V, y la intensidad de corriente es 1 A, la potencia que nos está dando la pila es de 1 W.

La nota pedante habitual: en los países angloparlantes utilizan directamente el nombre del ínclito James Watt, y también es aceptable su uso en castellano, watt, aunque –al menos en mi experiencia– no es demasiado habitual. Lo normal es llamarlo vatio, así, con una v, y no existe la palabra watio en castellano. Supongo que es porque, a pesar de que la pronunciación en español de la w es como una b, la influencia del inglés hace que casi cualquier persona que ve “watio” (y así lo hacen mis alumnos) lo lee como “uatio”, lo cual es incorrecto. Sospecho que por esa razón el término oficial es vatio.

Sólo tienes que mirar aparatos eléctricos a tu alrededor para darte una idea de algunas potencias típicas. Muchos te muestran directamente la potencia que consumen, pero ahora que sabes cómo calcularla, puedes hacerlo incluso para aquellos que sólo mencionan la intensidad y voltaje típicos. Una bombilla de poca potencia, por ejemplo, puede ser de 40 W, mientras que una halógena puede consumir 500 W. El interruptor automático de mi casa, por poner otro ejemplo, salta si estoy consumiendo una potencia más grande que 10 kW, es decir, 10 000 W.

Energía eléctrica

Una vez más, dado que la energía es un concepto ubicuo en Física, no te preocupes demasiado por la definición oficial, que barre un campo muchísimo más amplio que el que centra nuestra atención en este bloque. De hecho, definir energía de un modo que realmente diga algo no es fácil, a pesar de que casi todo el mundo tiene una concepción intuitiva de qué es. Podríamos definirla, en general, así:

Energía es la capacidad de un cuerpo o sistema de realizar trabajo.

Si no conoces el concepto de trabajo en Física, puede que esta definición no te diga mucho y, como otras veces, la doy para que puedas volver aquí tras aprender de otros bloques publicados en el futuro. La manera más sencilla de asimilar el concepto es mediante ejemplos: en el caso de nuestra rueda infernal con campana, el trabajo que realizamos consiste en dar golpes a la campana; en el caso del motor de un coche eléctrico, el trabajo impulsa al coche hacia delante, etc.

En nuestros dibujos de arriba, desde luego, la energía era el líquido dorado que acarreaban, se pasaban unos a otros y derramaban los electrones. Como digo, el concepto de energía no es fácil de definir brevemente pero sí de comprender intuitivamente, de modo que permite que lo deje aquí y le dediquemos el tiempo que merece cuando dispongamos de las herramientas teóricas para hacerlo con rigor.

Lo que sí debemos hacer, desde luego, es hablar sobre sus unidades, ya que son fuente de confusión muy común.

Unidades de energía eléctrica — El julio y el kilovatio-hora

La unidad de energía en el Sistema Internacional recibe su nombre en honor al genial James Prescott Joule, del que ya hablamos en el artículo anterior de la serie. El nombre, como sucede en el caso del vatio, puede escribirse en su forma original, como joule, o castellanizado como julio. En primer lugar, la definición oficial:

Un julio (J) es el trabajo realizado por una fuerza constante de un newton en un desplazamiento de un metro en la dirección y sentido de la fuerza.

Si no has quedado impresionado –no te culpo–, tal vez esta otra extraoficial y sin el menor rigor de definición te sea más útil:

Un julio (J) es la energía transportada por un conductor cuando una corriente con intensidad de un amperio y voltaje de un voltio fluye durante un segundo.

Como puedes ver, energía y potencia están muy relacionadas, y por tanto también sus unidades: la energía es el “líquido dorado”, y la potencia es el “líquido dorado cada segundo”, es decir, el ritmo al que se produce, transporta o gasta ese preciado líquido imaginario.

El problema fundamental con el julio, sobre todo al utilizarlo en problemas prácticos de electricidad como el consumo mensual de una casa, es que una energía de 1 J es algo muy pequeño. La solución más razonable al problema, sin abandonar la coherencia y sencillez del Sistema Internacional, sería utilizar múltiplos, como kilojulios, megajulios, gigajulios, etc. Desgraciadamente, en vez de hacer eso se utiliza a menudo en electricidad una unidad alternativa, de la que hablaré brevemente porque es común y genera confusión: el kilovatio-hora (kWh).

Si piensas en la relación entre vatio y julio, dado que un vatio es el ritmo de consumo (o producción o transporte) de energía a 1 julio cada segundo, podríamos expresar el julio como la energía producida, transportada o consumida cuando una potencia de 1 W funciona durante 1 s. Pero, como una potencia de un vatio y un tiempo de un segundo son muy pequeños, la energía resultante es minúscula. Imagina, sin embargo, que la potencia que funciona no es de 1 W, sino de 1000 W, es decir, un kilovatio (1 kW). Y que el tiempo durante el cual funciona no es de un segundo, sino de una hora (3 600 segundos). Entonces, la energía resultante ya no sería de 1 J, sino de 3 600 000 julios (1000 W durante 3600 segundos). Esa energía es lo que se denomina kilovatio-hora (kWh), ya que representa la energía equivalente a una potencia de un kilovatio funcionando durante una hora.

Un kilovatio-hora (kWh) es la energía correspondiente a una potencia de 1 kW funcionando durante 1 h, y equivale a 3 600 000 J.

La ventaja fundamental del kWh es, por tanto, que una energía razonablemente realista, como la que consume una casa que usa una potencia de 5 kW durante un día (24 h) es un número aceptablemente pequeño (120, kWh en este caso), mientras que la misma cantidad en julios sería algo muy grande (432 000 000 J, en este caso). Sin embargo, como digo, sería mucho más sencillo y coherente decir que la casa consume, por ejemplo, 432 MJ. Al utilizar las horas, la ventaja principal del Sistema Internacional (la sencillez de conversión por múltiplos y submúltiplos de diez) se pierde, y acabamos en una situación parecida a la de las onzas y pulgadas. En fin.

Ideas clave

Para afrontar el resto del bloque con garantías, deben haberte quedado claros los siguientes conceptos:

• La potencia eléctrica indica el ritmo al que se produce, transporta o consume energía.

• La potencia es el resultado de multiplicar el voltaje (que indica la energía que transporta cada unidad de carga) por la intensidad (que indica la cantidad de carga que se mueve cada segundo).

• La unidad de potencia es el vatio (W), que en electricidad equivale a una corriente de 1 A y 1 V.

• La unidad de energía es el julio (J), que en electricidad equivale a una corriente de 1 A y 1 V que fluye durante 1 s.

• Una unidad alternativa de energía es el kilovatio-hora (kWh), que equivale a una potencia de 1 kW que funciona durante 1 h.

Hasta la próxima…

Como gran parte de lo discutido hoy se refiere a aparatos reales, los “deberes” para la siguiente entrada dentro de un par de semanas tienen que ver con mirar a tu alrededor y pensar un poco.

Un aviso: aunque, como siempre, trataremos de exponer la cuestión desde un punto de vista “antes simplista que incomprensible”, hablaremos de algunos principios físicos, como la conservación de la energía, y de magnitudes como el trabajo mecánico, que son inevitables al hablar de algo como el asunto que nos ocupa. Trataré de explicar brevemente esos conceptos cuando sea posible, y daré enlaces a los artículos correspondientes en Wikipedia, pero estás avisado de que, si no tienes una cierta base en Física, puede que tengas que pararte de vez en cuando antes de seguir, o que tengas que aceptar mis palabras sin más para tener una idea básica de cómo funciona el efecto.

Antes de nada, la descripción básica de la honda gravitatoria, que es similar a la que dimos al hablar de Júpiter, ya que este gigante es utilizado muy a menudo con este propósito en la exploración de las regiones exteriores del Sistema Solar. Este efecto, también llamado asistencia gravitatoria, consiste en utilizar un cuerpo estelar (que suele ser un planeta, pero también podría ser un satélite, una estrella o incluso un agujero negro) y su atracción gravitatoria para modificar la velocidad de una nave espacial o una sonda sin necesidad de gastar combustible en ello.

La razón de la enorme utilidad de este efecto es precisamente ésa: sin usar un gramo de combustible, es posible acelerar de forma neta una nave espacial a su paso por Júpiter, y así alcanzar lugares más alejados del Sol con un consumo energético más pequeño. Y, como hemos dicho ya varias veces a lo largo de esta serie, el consumo energético es un factor esencial en el coste de las misiones espaciales, con lo que la asistencia gravitatoria es una herramienta muy importante en nuestra exploración del Sistema Solar. De hecho, como veremos más adelante en este mismo artículo, su importancia será aún mayor cuando nuestros viajes por el Sistema no sean simples exploraciones con poca masa, sino transportes masivos de materias primas o personas, ya que entonces el coste energético será aún más crucial. Pero vamos por partes.

La reacción más frecuente cuando se oye hablar por primera vez de este efecto –sé que me pasó a mí, y por vuestros comentarios, también os ha sucedido a algunos de vosotros– es la siguiente: “Pero vamos a ver; no se puede sacar energía de la nada. Si mi nave se acerca a Júpiter, acelera, claro… ¡pero cuando se aleja por el otro lado, frena otra vez, con lo que su velocidad al final es la misma que al principio, o estaríamos sacando energía de la nada!” Una pega razonable, pero errónea: sí es posible acelerar de forma neta la nave tras su paso cerca de un planeta, y no se viola la conservación de la energía en el proceso. Pero la explicación es sutil, de modo que a ver si puedo expresarme claramente y no liar las cosas. Como tantas veces, te pido que tengas paciencia según me acerco al quid de la cuestión poco a poco. Para no liar las cosas con cálculo vectorial, haremos todo con ejemplos muy sencillos, por cierto.

Es evidente que, debido a la atracción gravitatoria, cuando una nave espacial se acerca a un planeta, su velocidad aumenta. Cuanto mayor sea la masa del planeta en cuestión y más se acerque nuestra nave, mayor será la velocidad. Y es evidente también que, según la nave se aleja, la gravedad la frena, con lo que su velocidad desciende de nuevo. Consideremos, como un primer ejemplo, un planeta y nuestra nave, que se acerca a él. En la primera parte de su trayectoria, según se acerca al planeta, la gravedad modifica su trayectoria y acelera la nave, de modo que cuando está en su periapsis¹ –su posición más cercana al planeta–, la velocidad de la nave es máxima. La situación sería algo parecido a esto:

En la segunda parte de la trayectoria, según la nave se aleja de nuevo tras su encuentro con el planeta, su velocidad va disminuyendo, hasta que, cuando esté de nuevo a la misma distancia que estaba cuando empezamos a mirarla, su velocidad será exactamente la misma que al principio, sólo que “hacia arriba” en vez de “hacia abajo” en el dibujo que estamos haciendo aquí. Antes de seguir, espero que veas ya una utilidad inmediata de la asistencia gravitatoria, sin considerar la parte sutil de la explicación, a la que no hemos llegado aún. Dependiendo del ángulo de aproximación al planeta y la velocidad que tenga la nave al hacerlo, es posible lograr distintos grados de desviación de la trayectoria original.

Y esto nos permite modificar la trayectoria de la nave sin gastar combustible, de modo que llegue a lugares a los que no podría llegar sin encender motores que alterarsen la dirección de su velocidad. Pero, evidentemente, ésta no es la utilidad más grande de la honda gravitatoria. Mi afirmación de arriba se mantiene: utilizando la asistencia gravitacional es posible acelerar la nave, no sólo modificar la dirección de su trayectoria. Pero, ¡en nuestro ejemplo, la velocidad final de la nave es exactamente la misma que la inicial! Pero, y si eres tamicero añejo tal vez ya estés cayendo en la cuenta de la “sutileza” con la que voy a golpearte en los morros: la velocidad de la nave es la misma que la inicial respecto al planeta. Pero, ¡ah!, el planeta no está quieto, sino que se mueve respecto al Sol, al igual que la nave. Y, en nuestros viajes en el Sistema Solar, la velocidad respecto al Sol es esencial.

De modo que volvamos a analizar nuestro ejemplo de arriba, pero ahora en el sistema de referencia del Sol, teniendo en cuenta que el planeta se mueve respecto a la estrella, y que nosotros elegimos el momento y la dirección del encuentro de nuestra nave con el planeta. Por ejemplo, supongamos que, en nuestros dibujos de dos dimensiones, queremos que nuestra nave acelere “hacia arriba (norte)”, porque nuestro destino último en el Sistema Solar está en esa dirección. Entonces procederíamos del siguiente modo:

En primer lugar, haríamos que el encuentro de nuestra nave con el planeta se produjese cuando el planeta se estuviera moviendo alrededor del Sol justo en la dirección y sentido en la que queremos viajar con nuestra nave. Pongamos que el planeta se mueve hacia arriba con velocidad V:

Nuestra nave se aproximará entonces al planeta con una velocidad inicial v, justo en sentido contrario al de nuestro viaje último, aunque parezca extraño, con la trayectoria adecuada, desde luego, para que no se estrelle contra él ni pase tan lejos que no se produzca el resto de efecto como debe producirse, aunque aquí simplifiquemos mucho las cosas. Todo es muy parecido al caso inicial que empleamos sin tener en cuenta el movimiento del planeta:

Como digo, la velocidad de nuestra nave respecto al Sol es v, y la del planeta es V, pero ¿cuál es la velocidad de nuestra nave respecto al planeta? Dado que ambos van en sentidos contrarios, el planeta ve a nuestra nave acercarse a una velocidad v + V, la suya propia respecto al Sol más la de la nave respecto al Sol, como las velocidades de dos coches que viajan en sentidos opuestos respecto a una autopista.

Según nuestra nave se acerca al planeta, como antes, va acelerando, y su velocidad será máxima respecto a él cuando esté en la periapsis. Y después, según se aleje de él de nuevo, nuestra nave irá frenando de nuevo respecto al planeta, ya que su gravedad tira de ella “hacia atrás”. Y, cuando la nave esté tras el encuentro a la misma distancia del planeta que al principio, su velocidad será exactamente la misma que la que tenía cuando empezó nuestro ejemplo respecto al planeta. Llamemos a la velocidad de la nave respecto al Sol v’:

Dado que la velocidad inicial respecto al planeta era v + V, ahora la velocidad de la nave respecto al planeta es también v + V. Pero ¿cuál es la velocidad de la nave respecto al Sol, que es quien nos importa de verdad al viajar por el Sistema Solar? Fíjate en el dibujo sobre este párrafo: ahora, nave y planeta se mueven ambos en el mismo sentido. Si la nave se mueve ahora respecto al Sol a una velocidad v’, ¿cuál ha de ser el valor de v’ para que la velocidad nave-planeta siga siendo v + V? Piensa un momento –si es posible, mirando al dibujo y con un lápiz y papel– antes de seguir leyendo.

Cuando nave y planeta se acercaban uno al otro, uno con velocidad v y otro con V, para hallar la velocidad relativa entre ambos –como la de coches en una carretera que viajan en sentidos contrarios– sumábamos sus velocidades, v + V. Como ahora ambos se mueven en la misma dirección y sentido, sucede justo lo contrario, y debemos restarlas: la velocidad con la que el planeta ve alejarse la nave de él es v’ – V. Pero hemos dicho antes que, como en nuestro ejemplo del principio, la velocidad de la nave respecto al planeta, por la conservación de la energía, debe ser exactamente la misma que al principio: v + V.

De manera que, si la velocidad relativa entre ellos es v’ – V, y ese valor debe ser necesariamente v + V, ya tenemos el valor de la velocidad final de la nave respecto al Sol, que no es igual que la velocidad que tenía al principio: v ‘ = v + 2V. La nave se mueve ahora más deprisa respecto al Sol que antes… de hecho, el aumento de velocidad es precisamente 2V, es decir, hemos acelerado la nave un valor doble de la velocidad orbital del planeta alrededor del Sol en ese momento.

Si las ecuaciones hacen que tu cabeza dé vueltas, puedes pensarlo de este otro modo, cualitativamente: el planeta no está quieto según nuestra nave se acerca a él, sino que se mueve alrededor del Sol en una dirección determinada. Según la nave pasa cerca del planeta, éste tira de ella hacia sí mismo mediante la gravedad, pero como se está moviendo, proporciona un empuje “extra” a la nave en la dirección de movimiento del planeta. De forma neta, la nave, tras su encuentro con el planeta, tiene una mayor velocidad en la dirección de movimiento de éste que la que tenía al principio.

“Un momento”, puedes estar pensando. “Sí, todo eso tiene sentido y no veo ningún error en ello; en el sistema de referencia del planeta, la energía se conserva, porque la nave se mueve a la misma velocidad respecto a él que al principio, pero ¿qué hay de lo que pasa respecto al Sol? ¡La nave va ahora más deprisa que antes! ¿De dónde demonios ha salido la energía? ¿O ahí no se conserva la energía, y la sacamos de la nada?”

No, la energía se conserva, desde luego. Es evidente que la nave, al moverse más rápido tras el encuentro que al principio, tiene más energía que antes… pero el planeta tiene menos. Igual que si viajas en bicicleta por una carretera y, según pasa un coche junto a ti, te agarras al coche durante unos metros de modo que, al soltarte, tienes más velocidad –y más energía– que antes de agarrarte, el coche tiene menos energía que antes. La cuestión está, desde luego, en que la masa de nuestra nave es una mota de polvo comparada con la del planeta, de modo que la velocidad del planeta es prácticamente constante en todo el proceso. Pero, estrictamente hablando, el planeta se mueve una infinitésima más despacio tras el paso de la nave que al principio.

De modo que ahí lo tienes: en la honda gravitatoria aprovechamos el movimiento de un cuerpo estelar en la dirección y sentido de nuestro viaje para “robar” parte de su velocidad e impulsarnos así en la dirección correcta. Hace falta, desde luego, que sea un objeto muy masivo, y que se esté moviendo en la dirección correcta en el momento preciso, o esta asistencia gravitaroria no serviría de nada. En la práctica, la cosa funciona justo al revés: esperamos a lanzar las misiones espaciales cuando los planetas que usamos como “impulsores” se estén moviendo hacia donde nos interesa. Y, de este modo, obtenemos una velocidad “extra” sin usar un gramo de combustible.

Es posible además utilizar combustible en el momento justo para obtener un beneficio aún mayor de la asistencia gravitatoria, aunque para entender esto debes conocer el concepto de trabajo mecánico. Cuando una nave espacial enciende sus motores, éstos impulsan parte del combustible hacia atrás, de modo que la nave sufre una fuerza hacia delante en su movimiento, acelerando. Esta fuerza proporciona una energía adicional a la nave, y esa energía que gana la nave –el trabajo mecánico realizado por la fuerza de los motores– depende de la velocidad de la nave en ese momento.

La razón es la propia definición de trabajo mecánico: el trabajo que realiza el motor es igual a la fuerza que ejerce sobre la nave por la distancia recorrida por la nave durante el proceso. Si la nave se mueve despacio, entonces el trabajo será pequeño, ya que mientras los motores están encendidos, la nave habrá recorrido una distancia pequeña; si, por el contrario, la nave se mueve muy deprisa, recorrerá una gran distancia mientras los motores funcionan y ganará una mayor cantidad de energía… siempre, desde luego, respecto a un sistema de referencia concreto.

Puedes pensarlo de este otro modo: cuando la nave se impulsa, expulsa algo hacia atrás para moverse hacia delante. Cuanto menor es la velocidad de la nave, más cantidad de energía se gasta en impulsar el combustible hacia atrás, y menos energía se la queda la nave para moverse hacia delante; cuanto más rápido va la nave, menos energía se la queda el combustible “hacia atrás”, y más energía se la queda la nave para impulsarse hacia delante. La energía, desde luego, es la misma al final en todos los casos, pero como lo que nos importa de verdad es la velocidad de la nave respecto al Sol –y no la del chorro combustible respecto al Sol–, lo ideal es encender los motores cuando la nave se mueve muy rápido.

De manera que imagina de nuevo nuestra nave aprovechando la asistencia gravitatoria del planeta, pero con una diferencia… cuando estamos en la periapsis, encendemos los motores de la nave durante un rato, aprovechando el momento de velocidad máxima, y ganando así la máxima energía posible de ese chorro de combustible:

Una vez más, una manera alternativa de verlo que tal vez sea más intuitiva: al encender los motores cuando la nave está muy cerca del planeta, abandonamos allí el combustible, muy profundamente en el pozo gravitatorio del planeta, como un saltador de altura que lleva piedras en los bolsillos y las suelta hacia el suelo en el momento del salto. Al hacer eso, consigue llegar más alto de lo que llegaría sin piedras en los bolsillos. Como nuestra nave se desprende de parte de su carga –el combustible– cerca del planeta, es capaz de alejarse más rápido de él que si no lo hubiera hecho.

Este gasto de combustible en la periapsis, como efecto adicional al de honda gravitatoria, recibe el nombre de efecto Oberth, en honor al rumano-alemán Hermann Oberth, y sólo es útil, desde luego, cuando la velocidad es muy grande y una cantidad razonablemente grande de combustible es expulsada hacia atrás por la nave.

Por cierto, la asistencia gravitatoria también puede utilizarse para frenar en vez de acelerar, si eso es lo que deseamos. En ese caso, lo único que hay que hacer es acercarse al planeta cuando éste se mueve justo al contrario que la dirección en la que viajamos, y de ese modo restamos dos veces su velocidad orbital a la nuestra en vez de sumarlas. Esto es lo que hizo precisamente la sonda Messenger, de la que hablamos al estudiar Mercurio, para no “pasarse de largo” al llegar al planeta. Normalmente, al viajar “hacia dentro” en el Sistema Solar, suele hacer falta frenar, ya que al aproximarse al Sol la velocidad de la nave aumenta, y lo contrario sucede para lograr alejarse de la estrella en nuestros viajes “hacia fuera”.

La primera sonda en utilizar la asistencia gravitatoria fue la Mariner 10, de la que hablamos al estudiar Venus, en 1974, y desde entonces la han empleado prácticamente todas nuestras sondas, especialmente las que tienen el trabajo más difícil: alejarse mucho del Sol. Lo hicieron las Voyager (empleando Júpiter y después Saturno), lo hizo la Galileo (empleando Venus y la Tierra dos veces, y después varias de las lunas jovianas), lo hizo la Ulises al pasar junto a Júpiter, en este caso para alejarse del plano de la eclíptica, para poder así observar los polos del Sol, etc.

Uno de los casos más complejos e interesantes, en el que puede comprobarse de una forma muy visual el efecto de honda gravitatoria, es la maravillosa misión Cassini-Huygens, de la que ya hemos hablado bastante –y seguiremos haciéndolo– en nuestro estudio de Júpiter. Como hemos dicho ya, el objetivo final de Cassini era Saturno y sus lunas, de modo que tenía que alejarse mucho del Sol: pero, según te alejas del Sol, vas frenando, con lo que o bien utilizas mucho combustible para alejarte, o bien utilizas el efecto de honda gravitatoria, claro. Y Cassini ha hecho uso de este efecto hasta la saciedad.

Aquí tienes, en primer lugar, la trayectoria que ha seguido la sonda, con sus diferentes encuentros planetarios –con Venus, otra vez con Venus, con la Tierra y con Júpiter, antes de llegar a Saturno–. Todos ellos, desde luego, cuidadosamente planeados para que las velocidades relativas de la sonda y cada planeta fueran lo más óptimas posibles para hacer uso de la honda:

Crédito: NASA.

En segundo lugar, aquí puedes ver “in person” el efecto mensurable de la honda gravitatoria. En la gráfica se ve la velocidad de Cassini respecto al Sol a lo largo del tiempo. Según pasan las semanas, Cassini se aleja del Sol, con lo que se frena. Cuando se acerca a cada planeta, se acelera y luego se frena, pero siempre acaba frenando menos de lo que aceleró, con lo que su velocidad respecto al Sol es mayor que antes del encuentro en cada caso, “robando” parte de la energía cinética de cada planeta con el que se ha encontrado:

Modificado de esta imagen original (Wikipedia/Python eggs/CC Attribution-Sharealike 3.0 License

Tras este paréntesis a petición vuestra, en la próxima entrega de la serie seguiremos centrados en Júpiter, esta vez para especular acerca de las posibilidades de colonización (sé que la idea original era pasar a satélites, pero creo que es mejor detenernos en esto antes): ¿tendría sentido y utilidad establecer bases, o incluso colonias, en Júpiter? ¿qué posibles beneficios podríamos obtener haciéndolo, y qué dificultades fundamentales encontraríamos?

Para saber más:

• Asistencia gravitatoria / Gravity assist

1. Del mismo modo que perigeo es la posición más cercana a la Tierra y perihelio la posición más cercana al Sol, periapsis es genérica para cualquier planeta. Apoapsis, en una órbita alrededor de un planeta, es la posición más alejada, análoga a apogeo y afelio.

Júpiter, visto por Cassini. Versión a 2260×3207 px (NASA).

Los anillos de Júpiter sólo son visibles desde la Tierra con los telescopios más potentes de la actualidad; tanto es así que fueron descubiertos en 1979 por la Voyager 1, y no por un telescopio terrestre. Mientras que los anillos más conocidos del Sistema, los de Saturno, son espectaculares e imposibles de ignorar, los de Júpiter son mucho más sutiles… pero, al mismo tiempo, de una elegancia y delicadeza extraordinarias.

La razón de esta sutileza es el tamaño de las partículas que componen el sistema de anillos de Júpiter: se trata de partículas de polvo finísimo. Las más grandes tienen un diámetro de unos 0,03 milímetros, y las más pequeñas un tamaño cien veces menor. Todavía no tenemos datos concluyentes sobre la masa total de los anillos, pero se trata probablemente de unos cuantos miles de millones de toneladas, algo irrisorio comparado con la masa del planeta.

No es mi propósito aburrirte con una detallada descripción del sistema de anillos, pero sí darte una idea básica de su estructura y propiedades sin llegar al tedio, ya que no suelen mencionarse mucho por ahí: existen cuatro regiones fundamentales del sistema de anillos de Marduk, con propiedades diferentes. Desde dentro hacia fuera, son el halo, el anillo principal y dos anillos difusos asociados a dos lunas, el anillo difuso de Amaltea y el anillo difuso de Tebe. Dentro de estos anillos hay, en total, cuatro pequeños satélites del gigante, todos condenados a caer sobre él más tarde o más temprano. Hablemos brevemente de cada región.

Sistema de anillos de Júpiter y lunas interiores. Versión a 1021×766 px (NASA).

El halo está muy cerca de Júpiter: tiene un radio interior de unos 92 000 km, y uno exterior de unos 122 000 km (recuerda que el radio medio de Júpiter es de unos 70 000 km). Su anchura “de dentro hacia fuera”, por tanto, es de unos 30 000 km. Se trata además de un anillo muy grueso, es decir, las partículas no orbitan el planeta en un plano, sino que el anillo es más bien una especie de rosquilla con un grosor máximo, en la región más cercana al planeta, de unos 13 000 km, y luego se va haciendo más delgado hacia fuera (el diagrama de arriba no muestra su forma real). Esta imagen tomada por Galileo, con colores resaltados, puede darte una mejor idea de su apariencia –en ella se ve el anillo “de canto” con Júpiter a la derecha–:

Crédito: NASA.

Las partículas que componen el halo son de polvo finísimo, y aunque no tenemos imágenes en color del anillo, pensamos que debido a estos tamaños, el halo tiene un color azulado. Los tamaños de las partículas cerca del plano de rotación son los más grandes del halo –pero siguen siendo muy pequeñas–, mientras que el polvo más fino, de menos de una micra de diámetro, se encuentra por encima y por debajo del plano del anillo. Pensamos que este halo es tan grueso comparado con los otros anillos por la interacción del polvo con la magnetosfera joviana, que es bastante violenta a estas distancias del planeta. Esta interacción es también una de las responsables de la brevísima vida de las partículas del halo, que caen hacia Júpiter realizando una espiral que dura meros siglos. Pero hay otra razón más, que requiere una breve explicación, ya que también afectará al resto de anillos de los que hablaremos luego.

El polvo del halo que orbita Júpiter recibe radiación básicamente de dos lugares: el Sol y el propio planeta. La radiación solar es muy tenue a estas distancias, tanto que, como dijimos en la primera entrega, la propia radiación de Júpiter, generada en último término por la contracción gravitatoria, es más intensa que la recibida del Sol. Y esta radiación procedente del planeta es la responsable de la constante caída de las partículas de polvo hacia él –junto con el campo magnético que hemos mencionado antes–.

El efecto por el que esto sucede recibe el nombre de arrastre de Poynting-Robertson, y es un constante frenado de las partículas que orbitan un cuerpo que emite radiación, de modo que éstas caen en espiral hacia el cuerpo central. Si no entiendes mi explicación –que requiere de ciertos conocimientos de física elemental para ser entendida fácilmente– no te preocupes y quédate con la idea básica de que los objetos pequeños que orbitan relativamente cerca de uno que emite radiación caen hacia él debido al arrastre de Poynting-Robertson y punto. Dicho esto, la explicación: Júpiter emite la radiación infrarroja en forma de fotones que se alejan de él radialmente hacia fuera, y estos fotones son absorbidos por las partículas de polvo.

Debido a la equivalencia masa-energía, al absorber estos fotones la masa de las partículas de polvo aumenta ligeramente. Si fueran partículas muy grandes, claro está, el aumento sería inapreciable, pero al ser pequeñas, el aumento de masa, aun siendo muy ligero, se nota algo. Puesto que los fotones se mueven en dirección radial, no alteran el momento de giro de las partículas de polvo (no las impactan “hacia delante” ni “hacia atrás”), con lo que se cumple el principio de conservación del momento angular. Pero, al haber ganado masa, las partículas de polvo caen ligeramente hacia Júpiter para mantener así el momento angular constante. Después, estas partículas emiten de nuevo fotones debido a su propia temperatura, perdiendo así masa… pero en este caso la emisión no es radial, ya que la partícula se mueve hacia delante en su órbita, sino que es más intensa “hacia delante”, con lo que los fotones emitidos se llevan un poco del momento angular de la partícula de polvo.

Como consecuencia, según pasa el tiempo y las partículas de polvo absorben fotones procedentes de Júpiter y luego los emiten de nuevo, van cayendo en una elegante y suave espiral hacia el gigante. El proceso total, como he dicho antes, dura un abrir y cerrar de ojos astronómico. Estoy seguro de que, por tanto, sabes ya algo más que no he dicho sobre el halo: existe porque es alimentado de nuevas partículas de polvo todo el tiempo, o habría desaparecido hace muchísimo. Estas nuevas partículas proceden del siguiente elemento del sistema de anillos del planeta, y su caída hacia el halo se debe también al arrastre de Poynting-Robertson.

Este siguiente elemento es el anillo principal de Júpiter. Se trata de un anillo muchísimo más compacto y más brillante que el halo: tiene sólo entre 30 y 300 km de grosor, con lo que es prácticamente “plano”. Es también unas cinco veces más estrecho que el halo, con unos 7 000 km de su punto más interior al más exterior — se extiende entre 122 000 y 129 000 km. Hacia el interior se convierte de forma más o menos suave en el halo, mientras que su límite exterior está bien definido y coincide más o menos con la órbita de Adrastea.

Anillo principal de Júpiter, visto por Galileo. Se observa el hueco de Metis (NASA).

De hecho, aunque los artículos principales sobre los satélites jovianos están aún por venir, en éste, como he dicho antes, hablaremos de los cuatro satélites interiores de Júpiter, también llamados grupo de Amaltea, ya que, como ves en el diagrama del sistema de anillos de arriba, estas lunas están sumergidas en los anillos… no sólo eso, son la fuente principal del polvo que forma los anillos, como veremos en un momento. Esos cuatro satélites interiores, de dentro hacia fuera, son Metis, Adrastea, Amaltea y Tebe, y son todas lunas minúsculas y constantemente se hacen más pequeñas.

La órbita de Metis, la luna más interior, tiene un radio medio de unos 128 000 km, lo cual es interesante por dos razones: en primer lugar, está dentro del anillo principal (que acaba en 129 000 km). En segundo lugar, esta distancia supone un período orbital de sólo 7 horas, es decir, tarda menos en dar una vuelta a Júpiter que lo que el propio gigante tarda en girar sobre sí mismo –y eso que el monstruo orbita rapidísimo–. Ya hemos visto en la serie otra luna que giraba alrededor de su planeta más rápido que el propio planeta; se trataba de Fobos, y las otras únicas dos lunas que hacen esto en todo el Sistema Solar son Metis y Adrastea, las dos de Júpiter.

Dos perspectivas de Metis, tomadas por Galileo (NASA).

Metis es, como digo, una roca muy pequeña, de unos 60×40x34 km de tamaño. Desde luego, a esta distancia de Júpiter y con este minúsculo tamaño, su rotación coincide exactamente con el período orbital, de modo que siempre mira hacia su esposo con la misma cara. Digo lo de “su esposo” porque el nombre de esta luna se debe a la titánide Metis, la primera esposa de Zeus. Desgraciadamente para ella, su tamaño decrece poco a poco debido a los continuos impactos de partículas pequeñas y más grandes: Metis es una de las fuentes fundamentales de material del anillo principal y, por tanto, también del halo. Su órbita dentro del anillo principal constituye un pequeño hueco, según la luna ha ido “limpiando” la órbita de partículas de polvo (puedes ver ese hueco en la fotografía del anillo de arriba).

Además, Metis está condenada a ser consumida por su enorme esposo: las fuerzas de marea hacen que su órbita sea una ligera espiral hacia dentro, y un día caerá dentro de las espesas nubes jovianas y desaparecerá en las entrañas de Marduk. Lo mismo le sucederá a la siguiente luna interior, tan sólo 1 000 km más alejada de Júpiter que Metis: Adrastea.

Adrastea, que recibe su nombre de la ninfa hija de Zeus, es aún más pequeña que Metis: unos 20×16x14 km. Su posición casi en el extremo exterior del anillo principal nos hace pensar que es, aún más que Metis, la fuente esencial del material que lo compone, según es golpeada por partículas pequeñas y ligeramente más grandes: las partículas desprendidas de esta luna caen hacia dentro por el arrastre de Poynting-Robertson, con lo que el anillo se extiende de la luna hacia dentro. Pensamos que hay algunos objetos más en el anillo que también contribuyen a la continua renovación de las partículas de polvo, aunque son más pequeños que Metis o Adrastea y todavía no los hemos observado.

Adrastea, vista por Galileo (NASA).

Adrastea tiene el honor, aparte de ser uno de los tres satélites, junto con Fobos y Metis, que orbitan en menos tiempo que su planeta rota sobre sí mismo, en ser el primer satélite del Sistema Solar en ser descubierto desde fuera de la Tierra: lo hizo la Voyager 2 en 1979. Las imágenes de Adrastea que tenemos son muy malas, pero pensamos que puede ser bastante porosa y poco densa, con una gran cantidad de hielo en su interior. Como he dicho, su destino es el mismo de Metis: caer hacia el interior de Júpiter en el futuro, debido a las intensas fuerzas de marea.

Al igual que el anillo principal se extiende de Adrastea hacia dentro, los dos anillos exteriores de Júpiter tienen una estructura similar (de una luna hacia dentro). Ambos son muy tenues comparados con el principal, por lo que se denominan anillos difusos. El anillo difuso de Amaltea se extiende entre 129 000 km (donde acaba el principal) hasta la órbita de la luna Amaltea, a unos 182 000 km. Tan sutil es este anillo que sólo es visible, desde la Tierra, utilizando los telescopios Keck (de superficie) y Hubble (orbital). La razón de esta sutileza es probablemente el hecho de que, a esta distancia del planeta –aunque pequeña, bastante más grande que la de Metis o Adrastea–, los impactos son menos frecuentes.

Amaltea, vista por Galileo (NASA).

El origen del anillo difuso de Amaltea es, naturalmente, esa luna, Amaltea, que fue descubierta en 1892 desde un telescopio terrestre. Recibe el nombre de la ninfa Amaltea, que alimentó a Zeus siendo éste un bebé con leche de cabra, y se trata de un gigante comparada con Metis o Adrastea, aunque siga siendo un satélite muy pequeño: tiene unos 250×146x128 km. Como ves, la forma sigue siendo muy irregular, ya que la pequeña masa de la luna no puede ni soñar con compactarla en forma esférica por su propia gravedad, y los continuos impactos que sufre han abierto cráteres bastante grandes sobre su superficie. Sigue estando, naturalmente, lo suficientemente cerca del monstruo como para mostrar siempre la misma cara hacia Júpiter.

Galileo ha realizado las suficientes observaciones sobre Amaltea como para que podamos estimar su densidad: un 86% de la densidad del agua. En otras palabras, se trata de un cuerpo muy poroso y que probablemente contiene hielo en su interior. Un cuerpo de esta naturaleza no podría haber existido ahí hace mucho tiempo ya que, como vimos al hablar de las generalidades de Júpiter, en el pasado el gigante lo era aún más y estaba bastante más caliente, con lo que una luna tan porosa y helada se hubiera disgregado y desaparecido. Por tanto, pensamos que Amaltea es probablemente un asteroide capturado por la gravedad joviana.

Imagen artística de Amaltea sobre Júpiter (Rubber pile/Wikipedia/CC 3.0 Attribution Sharealike License)

Aunque las fotos de que disponemos son en blanco y negro, el análisis espectroscópico muestra que Amaltea es un satélite rojizo, con compuestos de azufre en la superficie, tal vez capturados de los emitidos por la luna Io, de la que hablaremos en una entrega posterior. Sin embargo, la cara frontal en el movimiento de la luna es de color más claro que la posterior: pensamos que los impactos son más frecuentes “por delante” en el movimiento de Amaltea, lo cual muestra más de su interior helado que en la cara posterior, más intacta.

El último anillo, el más tenue y el más externo de todos, es el anillo difuso de Tebe, de estructura y características similares –aunque más débil, como digo– a los del de Amaltea. De hecho, el de Tebe no tiene un límite interno bien definido, sino que se mezcla con el de Amaltea: de ahí que en el diagrama del principio del artículo ambos se superpongan de Amaltea hacia dentro. Hacia fuera, una vez más, el límite del anillo coincide más o menos con la órbita de Tebe, a unos 226 000 km de radio.

Esta cuarta luna interior de Júpiter, Tebe, recibe su nombre, como casi todos los planetas y satélites del Sistema, de la mitología; en este caso de la ninfa Tebe o Tebas –de la que proviene el nombre de la ciudad de Tebas–, uno de los innumerables amoríos de Zeus. Se trata una vez más de un satélite muy pequeño, y que sufre la agresión continua de los impactos de objetos de distintos tamaños, como sus compañeros: tiene unos 116×98x94 km y una forma muy irregular. Como los anteriores, siempre muestra la misma cara hacia Júpiter. Como Amaltea, el color de la cara “frontal” es diferente de la “posterior” en el movimiento de Tebe en su órbita, por la misma razón.

Tebe, vista por Galileo (NASA).

Tebe es tan pequeña, y algunos de los objetos que han impactado contra ella tan grandes, que algunos de los cráteres que adornan su superficie son comparables en tamaño al propio satélite. El más grande, que ves en la fotografía de arriba, tiene unos 40 km de diámetro y se llama Zeto, por el marido de Tebe.

En posteriores entregas hablaremos de otros satélites de Júpiter –que, como hemos dicho en alguna ocasión, tiene docenas–, pero aunque se trate en muchos casos de objetos más complejos e interesantes que estas rocas espaciales, no las olvides después: Metis, Adrastea, Amaltea y Tebe, hijas o amantes del gigante y consumidas poco a poco por su gravedad y la abrasión de los objetos menores que pueblan estas regiones tan cercanas a Júpiter. Muchas veces estas pequeñas lunas, embebidas en los anillos, son relegadas a un segundo plano por la magnificencia de Io y similares.

Pero olvidémonos por un momento de los satélites jovianos, a los que volveremos muy pronto, y miremos hacia el Leviatán de nuevo con ojos más perceptivos que los de Galileo: los de la misión Cassini-Huygens, que aún sigue en marcha en la actualidad, aunque no precisamente en Júpiter.

Lanzamiento de la misión Cassini-Huygens en 1997. Versión a 1760×1172 px (NASA).

El objetivo principal de esta misión es realmente Saturno y sus satélites, y de ella hablaremos más en profundidad cuando lleguemos a ese otro gigante del Sistema Solar; sin embargo, como tantas otras sondas cuyo destino se encuentra en las regiones exteriores del sistema, pasó bastante cerca de Júpiter, y nos regaló imágenes extraordinarias, debido a la mayor calidad de sus instrumentos ópticos que la de sus predecesoras –te aseguro que hoy sales de aquí con más de un fondo de pantalla espectacular, empezando por la primera foto del artículo–. Cassini fue lanzada el 15 de octubre de 1997, y alcanzó su máxima cercanía al planeta (unos 10 millones de kilómetros) el 30 de diciembre del año 2000; todavía le quedarían otros cuatro años para alcanzar Saturno.

Cassini obtuvo unas 26 000 imágenes de Júpiter, con una resolución mayor de la que nunca habíamos obtenido antes, incluso teniendo en cuenta que pasó más lejos que otras sondas anteriores. El mapa de Júpiter elaborado por esta sonda tiene una resolución de unos 60 km, lo cual no está nada mal. Cassini se aproximó a Júpiter desde un plano más o menos ecuatorial, con lo que fue capaz de ir tomando fotografías del planeta según éste rotaba (como recordarás, más o menos una vuelta cada diez horas) y, montando todas esas fotos, es posible tener composiciones como las dos siguientes, con las que tienes un mapa completo del hemisferio norte y del hemisferio sur del monstruo. Debido al ángulo de aproximación, los polos no salen muy bien, pero el resto es magnífico. Mis palabras sobran:

Hemisferio norte de Júpiter. Versión a 2231×2266 px (NASA).

Hemisferio sur de Júpiter. Versión a 2231×2266 px (NASA).

Aquí tienes otro mapa, en este caso una proyección cilíndrica. Como puedes ver, según aumenta la latitud y el ángulo de visión empeora, la calidad también sufre:

Versión a 4000×2400 px (NASA).

Sé que esto es una especie de sobrecarga de imágenes, pero si os enseño menos, no me quedo satisfecho, ¡tanta belleza! Ésta otra fue tomada el día de año nuevo de 2001; en ella se ve la luna Io sobre Júpiter, maravillosos los dos (de Io, por supuesto, hablaremos en su propio artículo):

Versión a 999×959 px (NASA).

Ya mostramos en un artículo anterior la animación del mapa cilíndrico con las nubes fluyendo, pero aquí tienes esa animación en una proyección esférica, en la que se ve el planeta mismo “vivo” durante diez días… suponiendo que siempre le diese el sol, claro, y que siempre estuvieras en el mismo punto de la superficie, pero sigue siendo fascinante:

Crédito: NASA.

Existen también otras animaciones maravillosas, pero de un tamaño que no quiero poner “a pelo” en la página, aquí. Y puedes ver muchas más imágenes tomadas por Cassini a su paso por Júpiter en esta página del JPL de la NASA.

Tras esta mirada tetrapartita al gigante, en la próxima entrega empezaremos a hablar sobre sus principales satélites, las lunas galileanas, descubiertas por el genial italiano en 1610.

Mecenas, colaboradores y amigos en general deberíais tener ya el correo “calentito”. El número de enero de la “revista” de El Tamiz es, como el del mes pasado, joviano y algo eléctrico. Los artículos:

• Desde la mazmorra, que sigue siendo tan soso como los anteriores, ¡lo siento!
• El Sistema Solar – Júpiter (III)
• [Electricidad I] Efecto Joule
• El Sistema Solar – Jupiter (IV), sin publicar
• El Sistema Solar – Asistencia gravitatoria, sin publicar

Mantenemos los formatos de números anteriores, para dar y tomar:

• PDF con imágenes para leer en pantalla
• PDF con sólo las imágenes imprescindibles, para impresión
• EPUB, FB2 y PRC (compatible con MOBI) como formatos de libro electrónico, gracias a johansolo
• HTML en su propia carpeta
• Texto plano para quienes quieran convertirlo a cualquier otra cosa.

Como siempre que los artículos tienen un gran contenido gráfico, como los del Sistema Solar, nuestra recomendación es que, si es posible, leáis las versiones con imágenes. Eso sí, johansolo ha conseguido que incluso las versiones de libro electrónico tengan las fotos, a un tamaño adecuado para verlas en los dispositivos correspondientes: no es lo mismo que verlo en pantalla grande, pero algo es algo.

¡Que os guste!

Sin embargo, de lo que no hemos hablado hasta ahora –algo que solventaremos hoy– es de cómo emplear la corriente eléctrica para algo útil. Porque claro, todo lo anterior es interesante, o al menos eso espero, pero generamos y mantenemos corrientes eléctricas para algo. Aunque hoy empezaremos a hablar de un fenómeno que puede parecer poco deseable en electricidad, terminaremos construyendo, en uno de nuestros experimentos mentales con materiales conductores, pilas y demás, nuestro primer circuito útil.

Pero empecemos hablando de la base teórica, un fenómeno empírico que se descubrió en cuanto empezaron a generarse corrientes eléctricas y que tú, avezado lector, eres ya capaz de explicar teóricamente utilizando los conocimientos que has adquirido a lo largo del bloque. De ahí que este artículo no sea muy denso teóricamente, pero sí un buen repaso de todo lo que hemos visto hasta ahora, y un refuerzo que debería hacerte consciente de lo que has aprendido. Hablemos sobre el efecto Joule.

Si realizaste el Experimento 5 del artículo anterior, observarías que, al conectar un cable a una pila, de modo que ambos electrodos de la pila están conectados, tanto la pila como el cabe se calientan bastante. Al igual que te sucedió a ti, este fenómeno fue probablemente observado por cualquiera que conectase circuitos relativamente cortos. Sin embargo, el primero en estudiarlo con detalle fue el genial físico inglés James Prescott Joule. De ahí que este calentamiento de los cuerpos cuando se ven recorridos por una corriente eléctrica suela denominarse efecto Joule, y la descripción más detallada de él, primera ley de Joule.

Desde luego, decir simplemente que “las cosas se calientan cuando las recorre una corriente eléctrica” es más bien pobre. En primer lugar, ¿por qué se calientan? Y en segundo lugar, ¿de qué depende cuánto se calientan? Ésas son las preguntas del físico. Además, como simios inventores que somos, surgen dos preguntas más de forma inevitable: ¿podemos evitar que suceda cuando no nos conviene que se produzca ese efecto?, y también ¿cómo podemos utilizar ese calentamiento para nuestro beneficio? A responder todas estas preguntas dedicaremos el artículo de hoy.

Causas del efecto Joule

Como he dicho antes, sólo hace falta aplicar el razonamiento lógico a los conocimientos que ya has adquirido anteriormente para responder, al menos de forma cualitativa, a las primeras preguntas. Antes de que tratemos de explicar por qué las cosas se calientan cuando las recorre una corriente eléctrica, y aunque no hayamos hablado de energía en este bloque, ni partamos de la base de que conozcas conceptos teóricos relacionados con ella, creo que es evidente –sobre todo si has realizado el Experimento 5 y lo has notado con tus propios sentidos– que el calentamiento está relacionado con la corriente eléctrica.

En primer lugar, cuando no hay corriente circulando, las cosas no se calientan, pero sí lo hacen cuando el circuito conduce corriente: de modo que ese calentamiento se debe probablemente al paso de la corriente, aunque no sepamos aún por qué. Otra manera de ver la relación es ésta: para calentar un cable como el que has utilizado en el experimento hace falta energía. ¿De dónde demonios salió la energía necesaria para aumentar su temperatura? La respuesta es, desde luego, que salió de la corriente eléctrica –y la energía de ésta, anteriormente, de la pila y las reacciones químicas que se produjeron en ella–. Sé que esto puede parecer de perogrullo, pero ambos argumentos muestran que el origen de ese calentamiento es el paso de corriente por los objetos. Pero ¿por qué iba la corriente eléctrica a calentar las cosas?

Cuando hablamos acerca de conductores y aislantes y de su cuantificación mediante resistencia y conductancia vimos que los materiales se comportan de maneras diferentes ante un desequilibrio de carga, debido a la cantidad de cargas móviles que tienen y a los obstáculos que esas cargas tienen para moverse. También vimos, al hablar de la intensidad de corriente, que la velocidad neta de los electrones en un conductor es minúscula. ¿Qué significa todo esto? Que, como dijimos en aquellos artículos, los electrones de cualquier material se mueven más o menos aleatoriamente, siendo desviados por los átomos y repelidos unos por otros, pero que –si hay un voltaje entre dos puntos del objeto– de manera neta sufren un “arrastre” en una dirección y sentido determinados: los que equilibrarán, en último término, el desequilibrio de carga que originó este movimiento de arrastre.

Toda esta parrafada sirve para recordarte un hecho importante: que los electrones de cualquier material real no se mueven con total libertad, sino que sufren desviaciones e impactos, interacciones con el resto del material, tanto más intensas cuanto peor conductor sea. En resumen, que los electrones no se parecen tanto a coches que circulan ordenadamente por una autopista, sino a coches en una carrera de “autos locos” en la que se producen choques y cambios de dirección continuos. Al cabo del tiempo, los coches de la carrera van avanzando por ella, pero de manera caótica y accidentada… salvo que se trate de un conductor absolutamente perfecto, por supuesto, en cuyo caso los electrones sí se moverían con absoluta libertad y orden. Pero estos continuos impactos no sólo afectan a los electrones, haciendo que su movimiento neto sea mucho más lento, también afectan a los átomos contra los que chocan los electrones, haciéndolos vibrar de manera más o menos violenta.

Movimientos electrónicos caóticos.

¿Ves la relación entre este caos y el efecto descrito por Joule? Los electrones van avanzando a trompicones por el conductor, dando trastazos a los átomos (y a los otros electrones) a diestro y siniestro, y el conductor se calienta. Dado que este bloque introductorio no supone conocimientos previos, no vamos a profundizar demasiado en esto –si quieres hacerlo, te invito a leer el cuadro amarillo de abajo–, de modo que tienes simplemente que creerme cuando te digo que la temperatura de un cuerpo es la medida de la agitación de los átomos o moléculas que lo forman. Los electrones, según avanzan, golpean todo a su paso, haciendo que los átomos del cuerpo vibren alrededor de sus posiciones de equilibrio con más intensidad. Es decir, calientan el material. Entendiendo la verdadera naturaleza caótica de la corriente eléctrica, el efecto Joule es una inevitabilidad.

De modo que ¿qué estaba sucendiendo en el Experimento 5 en el que conectaste el cable a la pila, sin nada más? Que los electrones empezaban a moverse pero, según avanzaban por el circuito, iban “dando codazos” a los átomos del cable y a los otros electrones, produciendo un calentamiento de todo el material. De hecho, una vez que la pila se gasta –o que desconectas el cable, claro– y los electrones dejan de sufrir ese arrastre debido a las reacciones de la pila, lo único que queda es esa elevación de temperatura del cable y la pila como rastro de que ahí hubo una corriente eléctrica. La energía química de la pila se convirtió en energía eléctrica y luego, finalmente, en energía calorífica (aunque de energía hablaremos más adelante en el bloque).

El efecto Joule, al ser inevitable dada la naturaleza de los materiales como conductores imperfectos, es algo que siempre está ahí, incluso aunque a veces no lo notes. Por ejemplo, si toco el cable que va del transformador de mi ordenador portátil al ordenador, no noto que esté caliente; sin embargo, sí está más caliente de lo que estaría si no hubiera una corriente eléctrica circulando por él, aunque en este caso se trata de un calentamiento tan leve que mis sentidos no pueden notarlo. Sin embargo, si has realizado el Experimento 5 habrás notado muy claramente ese calentamiento, luego debe haber factores que influyen en lo intenso que es el efecto Joule. Una vez más, no hace falta más que pensar con algo de cuidado sobre lo que ya sabes para comprender cuáles son esos factores de forma cualitativa, aunque el buen James Prescott Joule realizó cuidadosos experimentos para cuantificar exactamente cuáles eran y en qué medida influían.

En primer lugar, ya que el caos del movimiento de las cargas por el conductor depende de lo bueno o malo que sea, ése es el primer factor: un cuerpo con una conductancia muy alta (o una resistencia muy baja) sufrirá un calentamiento más leve que un mal conductor, de baja conductancia y alta resistencia. De hecho, el calentamiento es proporcional a la resistencia del cuerpo. Recuerda, por cierto, que la resistencia de un cuerpo no sólo depende del material del que está hecho, como vimos al hablar de esta magnitud: además de eso, cuanto más fino sea el conductor, mayor será la resistencia, y cuanto más largo, mayor será la resistencia. De modo que, al poder controlar hasta cierto punto la resistencia de un conductor mediante su forma física, es posible controlar a su vez el efecto Joule que depende de esa resistencia. Pero de eso hablaremos en un momento.

En segundo lugar, ya que el calentamiento se debe a los impactos de los electrones con lo que los rodea, es lógico llegar a la conclusión de que el calentamiento depende de la intensidad de corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la intensidad de corriente, más impactos se producirán en un intervalo de tiempo determinado, y por lo tanto más se calentará el conductor. De hecho, Joule comprobó que el efecto era proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente, pero de ese detalle y del porqué hablaremos en un bloque más elevado. Por ahora es suficiente con que veas que es lógico que haya más calentamiento cuanta más intensidad recorra el objeto.

Este segundo factor, desde luego, depende a su vez del voltaje que originó el movimiento de cargas: como hemos repetido varias veces a lo largo del bloque, una tensión mayor entre dos puntos origina un movimiento más violento de cargas y, por tanto, un mayor calentamiento. Como suele suceder en Física, a veces es más conveniente calcular cosas con una magnitud, a veces con otra, pero conceptualmente ambas son equivalentes, ya que no hay una sin la otra.

La clave de la cuestión es comprender el tándem de factores que determinan este calentamiento: cuanto mayor sea la resistencia y mayor sea la intensidad de corriente, mayor será el calentamiento del conductor. Como ves, responder las preguntas del físico no ha sido demasiado difícil recordando simplemente lo aprendido hasta ahora en el bloque. Tampoco debería ser difícil seguir respondiendo preguntas, en este caso de índole práctica, con lo que ya sabes.

Disminución del efecto Joule

Antes de nada, supongo que te darás cuenta de que el efecto Joule normalmente es nuestro “enemigo” a la hora de emplear la electricidad. No estoy hablando ya de casos extremos, en los que un calentamiento muy grande puede provocar heridas o incendios, sino en el simple calentamiento leve de un cable por el que fluye la corriente desde una central eléctrica hasta tu casa. Ese cable, que puede tener cientos de kilómetros de longitud, se calienta: eso es un hecho incontestable. Pero la energía que se está convirtiendo en calor a lo largo de todo el cable es energía que no puedes utilizar en tu casa… es energía esencialmente desaprovechada, ya que no te sirve para nada que ese cable que recorre el campo hasta llegar a tu casa se mantenga caliente.

De modo que, normalmente, intentamos que el efecto Joule sea tan leve como sea posible, para que la menor cantidad de energía se convierta en calor en los cables que utilizamos y podamos emplear casi toda en los lugares que nos interesan. Y, para conseguir esto, sólo hace falta recordar los dos factores: resistencia e intensidad de corriente.

El primero es sencillo: queremos utilizar conductores que tengan la menor resistencia posible, es decir, buenos conductores. Cuando la intensidad de corriente que va a circular por el cable es muy pequeña, entonces el efecto Joule es casi inapreciable y esto importa menos, pero cuando se trata de grandes intensidades de corriente es esencial que la resistencia sea minúscula, o el conductor se calienta muchísimo. De modo que, para empezar, tratamos de utilizar materiales que conduzcan muy bien la corriente eléctrica –es decir, que pongan el menor número de obstáculos posible–, como el oro, la plata o el cobre. Generalmente, claro, suele ser cobre, porque aunque no conduzca tan bien como los otros dos, es muchísimo más barato.

¡Pero recuerda que el tipo de material no es el único factor que determina la resistencia! Lo ideal es emplear conductores lo más cortos y gruesos posibles. Evidentemente, la longitud es algo en lo que no podemos elegir demasiado: si mi casa está a 100 km de una central eléctrica, la longitud mínima del cable es de 100 km hasta ella (y otros 100 km de vuelta, claro). Si mi ordenador puede funcionar hasta 2 m de un enchufe, el cable tiene que tener dos metros de ida y dos de vuelta.

Cable preparado para minimizar el efecto Joule a través del grosor.

Lo que sí podemos elegir es el grosor: cuanto más grueso el cable, menor será su resistencia, menor el número de impactos de unos electrones con otros y, por tanto, menor el calentamiento. El problema con esto, claro, es que un cable muy gordo es más caro, pesa mucho y es menos manejable. Por eso, cuando la corriente que va a circular por él es pequeña, no se fabrican demasiado gruesos, pero si miras los cables de los aparatos eléctricos de tu casa, verás que algunos son bastante gruesos, sobre todo los de los electrodomésticos que más intensidad de corriente consumen (como, por ejemplo, el frigorífico). Y, si alguna vez has visto el cable de un horno eléctrico en una industria o algún otro aparato de gran consumo, observarás que son realmente gruesos, para minimizar el efecto Joule en todo lo posible.

El segundo factor –la intensidad– no es tan sencillo como el primero. Lo ideal sería que la intensidad de corriente fuese lo más pequeña posible, y de ese modo el calentamiento sería mínimo. Pero claro, una intensidad nula significa que las cargas no se mueven, con lo que no hay calentamiento ¡porque no hay corriente eléctrica de ningún tipo! Lo que sí suele hacerse para transportar corrientes eléctricas distancias grandes es utilizar intensidades de corriente lo más pequeñas posibles, y luego elevar la intensidad de corriente cuando ésta se acerca a las casas que van a emplearla. Pero la verdad es que esto se escapa bastante del alcance de este bloque introductorio, y ya hablaremos de ello en otro momento.

Lo que me interesa que tengas muy claro no es sólo de qué factores depende el efecto Joule, sino que podemos controlarlo hasta cierto punto, como hemos visto. ¿Qué sucedió en el caso del circuito que construimos en el artículo anterior, simplemente con un cable y una pila? Que ahí no estábamos tratando de controlar nada, con lo que el efecto Joule se producía de manera global. Recuerda la Ley de Ohm, y comprenderás exactamente por qué el circuito se calienta tanto: al utilizar un simple cable para conectar los electrodos de la pila, es decir, un objeto que es un excelente conductor, la resistencia de nuestro circuito era muy pequeña y la conductancia, enorme. Como consecuencia de eso, cuando conectamos nuestro circuito (mental o incluso físicamente, si realizaste el experimento), una intensidad de corriente muy grande apareció en el circuito… y el efecto Joule aumenta tremendamente con la intensidad de corriente.

De hecho, esto recibe un nombre que ya has oído muchas veces, aunque no se explique a menudo lo que significa; lo que produjimos entonces fue un cortocircuito: un circuito sin los elementos necesarios para controlar el efecto Joule, en el que la resistencia es muy pequeña y la intensidad de corriente se hace muy grande. Claro, en el caso de nuestra patética pila, lo único que pasó fue que el cable y la pila se calentaron bastante, y la pila se agotaría relativamente rápido, pero ¿imaginas qué hubiera sucedido si hubiéramos conectado los extremos de nuestro cable a los polos de un enchufe de una casa? El efecto Joule hubiera sido muchísimo mayor, porque la tensión en el enchufe sería decenas de veces mayor que la de nuestra pila. De ahí que los cortocircuitos a menudo provoquen incendios. Afortunadamente, nuestras casas disponen de sistemas que detectan el flujo excesivo de electrones e interrumpen el paso de la corriente, pero antes de que puedan hacerlo puede haber un gran calentamiento, chispas, etc.

Aplicaciones del efecto Joule

La clave para “arreglar” nuestro circuito del artículo anterior es, por tanto, controlar el efecto Joule, es decir, hacer que se produzca justo cómo y dónde nosotros queremos. Necesitamos básicamente dos cosas: en primer lugar, hacer que nuestro cable no conduzca la corriente tan excelentemente bien, para que haya una menor intensidad y la pila no se gaste tan rápido. En segundo lugar, localizar el efecto Joule en una parte concreta, en vez de calentar el cable entero. Existen muchas maneras de lograr esto, pero aquí vamos a emplear una bastante inmediata y fácil de entender: una bombilla.

Imagina que nuestro cable, en vez de ser homogéneo como lo era antes, ahora no es igual en todas partes, sino que es un buen conductor en general, pero hay una pequeña sección del cable que es muy fino, con lo que es un conductor mucho peor que el resto (recuerda que cuanto más grueso es el conductor, mejor fluyen por él los electrones y menor es por tanto la resistencia). Además, hagamos la parte fina bastante larga, para que haya un gran número de impactos en esa sección y el efecto Joule sea aún más intenso:

Como puedes ver, hemos conseguido nuestros dos propósitos; por una parte, ese estrechamiento del cable hace que la resistencia haya aumentado, y la intensidad que circulará por nuestro circuito será menor que antes. Por otro, ahora el efecto Joule no se produce por todas partes igual: es mucho más intenso en el estrechamiento del cable. De hecho, en el resto del cable, debido a que ahora hay una intensidad de corriente bastante menor, apenas será apreciable el efecto –aunque el calentamiento, como hemos dicho antes, es inevitable y existe siempre–, y sólo lo notaremos en el estrechamiento.

De hecho, si el cable es lo suficientemente delgado –y su resistencia, por tanto, lo suficientemente alta–, se calentará muchísimo por el efecto Joule: tanto que se volverá incandescente y empezará a brillar con luz propia. Ese estrechamiento es nuestra bombilla. Existen, por cierto, otros tipos de bombillas que no son incandescentes, pero en este artículo vamos a fijarnos sólo en las incandescentes.

Sólo nos faltan dos detalles más para que nuestro circuito sea un primor; por un lado, cualquier cable tan fino que se calienta, al estar en contacto con el oxígeno del aire, se oxidará muy rápido, es decir, arderá, y nuestra “bombilla” no duraría ni dos segundos, con lo que tenemos que aislar ese trocito de cable del aire. Para ello, lo natural es encerrarlo en un recipiente hermético transparente, por ejemplo de vidrio, lleno de un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno, de modo que nada pueda arder dentro.

En segundo lugar, tal y como está nuestro circuito, siempre hay corriente circulando por él, de modo que necesitamos una manera de controlar el paso de los electrones. Debes haber entendido bien el artículo anterior con la pila y el cable para comprender esto: no hace falta más que romper el cable en un lugar determinado para que podamos hacer que los extremos se toquen o no, a nuestra voluntad. Si se tocan los extremos, se producirá el paso de los electrones por el circuito y la bombilla brillará; el circuito estará cerrado. Si, por el contrario, separamos los dos cables, el circuito estará abierto y no habrá paso de electrones. Ya sé que las palabras “abierto” y “cerrado” significan aquí exactamente lo contrario que en el caso de un grifo, pero tiene sentido expresarnos así, pues hace falta que todo el circuito esté cerrado, formando un camino continuo para los electrones, antes de que éstos puedan desplazarse por él.

Con estas dos mejoras, nuestro circuito completo –al que daremos un “repaso teórico” en un momento– tendrá esta forma:

Una vez que conectamos el cable, lo que sucede involucra todo lo que hemos visto en la serie hasta ahora, de modo que utilicémoslo para repasar conceptos:

El circuito, con la bombilla y la pila, no tiene carga eléctrica neta de ningún tipo: hay la misma cantidad de carga positiva que negativa. Estas cargas están esencialmente en reposo. Sin embargo, en cuanto los electrones pueden moverse por el circuito, el desequilibrio de cargas en la pila hará que empiecen a recorrer el cable, mientras se producen dos reacciones químicas en la pila que mantienen ese desequilibrio de carga. El movimiento de los electrones en todo el circuito es casi simultáneo, como las cuentas de un collar que empiezan a moverse sobre la cuerda, o una rueda de bicicleta que empieza a girar toda al mismo tiempo; sin embargo, el movimiento neto de cada electrón es lentísimo a lo largo del cable, y un electrón concreto tardará horas en dar una vuelta entera.

Según los electrones van avanzando por el cable, pierden energía al chocar con los átomos del material y unos con otros, pero no la pierden de manera continua: apenas pierden nada en los tramos en los que la resistencia es muy baja, como casi todo el cable, y pierden mucha, debido al gran número de impactos, en la bombilla en la que el cable es finísimo. Ahí, los átomos empiezan a vibrar con tal violencia debido al constante impacto de electrones, que la temperatura alcanza la de incandescencia y el cable brilla. La energía contenida en la pila se ha convertido en energía del movimiento de los electrones y, finalmente, en energía calorífica y luminosa en el filamento de la bombilla. Si abrimos el interruptor, el flujo de los electrones se detendrá casi al instante en todo el circuito, el filamento de la bombilla se enfriará y dejará de brillar.

Como ves, hemos conseguido por fin construir un circuito que emplea todos los conceptos que hemos visto hasta ahora de modo que no sólo hemos logrado un flujo constante de carga eléctrica por un objeto, sino que además hemos utilizado ese movimiento de carga para un fin útil: iluminar una habitación. Pero hay dos detalles que no quiero que se te pasen por alto, de modo que me detengo en ellos un momento:

En primer lugar, como puedes imaginar, podríamos haber hecho otras muchas cosas con los mismos conceptos aparte de iluminar algo. Seguro que alguna vez has visto una estufa eléctrica en la que un cable bastante fino y, sobre todo, muy largo, se enrolla alrededor de algún elemento cerámico. Cuando se enciende la estufa, el cable se pone al rojo vivo y calienta una habitación… o el agua de una tetera, o una caldera eléctrica para darte una ducha, o el fogón eléctrico de una cocina, o un horno… el efecto Joule, por sencillo que sea conceptualmente, tiene infinidad de usos, y todos se basan en lo mismo: en convertir el movimiento caótico de los electrones, a través de los impactos sobre los átomos, en energía calorífica.

En segundo lugar, imagina que nuestro cable, en vez de tener unos cuantos centímetros de largo, hubiera tenido tres kilómetros. Tú podrías tener tu pila en casa, con cables de tres kilómetros de longitud que llegasen hasta la mía, ¡y yo podría darle al interruptor y tener luz en mi casa, a 3 km de la fuente de energía, sin que ni tú ni yo tengamos que dar un paso! Ya sé que esto, acostumbrados como estamos a ello, no parece maravilloso… pero lo es. La corriente eléctrica nos permite utilizar de forma sencilla energía que se produce a distancias enormes de nosotros, y yo estoy escribiendo este artículo –y tú leyéndolo– gracias a este hecho. Desde luego, si nuestro cable hubiera tenido 3 km de largo, el efecto Joule a lo largo de todo el cable hubiera hecho que mi bombilla brillase menos, pero hubiera merecido la pena.

Como puedes ver, gran parte del interés de nuestro circuito involucra la energía que proviene de la pila y acaba convertida en calor en nuestra bombilla. Y precisamente de eso hablaremos en el próximo artículo del bloque, y ya nos quedan muy pocos para terminarlo: de energía y potencia eléctricas.

Ideas clave

Para afrontar el resto de entradas del bloque con garantías, debes tener claro lo siguiente:

• El movimiento de los electrones por un conductor imperfecto no es limpio, sino caótico y violento, con impactos continuos con átomos y otros electrones.

• Como consecuencia inevitable de estos impactos, cualquier objeto se calienta cuando lo recorre una corriente eléctrica. Este fenómeno se conoce como efecto Joule.

• El calentamiento por efecto Joule es mayor cuanto mayores son dos factores: la resistencia del conductor y la intensidad que lo recorre.

• Aunque el efecto Joule no es deseable en muchos casos, es la base de muchos de los aparatos eléctricos que empleamos de forma cotidiana, como las estufas o las bombillas.

Hasta la próxima

Nada mejor para comprender todo este embrollo que experimentarlo tú mismo, de modo que el experimento de hoy es precisamente eso — construir algunos circuitos sencillos que te permitan ver en acción los conceptos que hemos estudiado hasta ahora.

Rastro del impacto del fragmento “G” del cometa Shoemaker-Levy 9 sobre Júpiter, visto por el Hubble (NASA).

Entre las últimas misiones de las que hablamos en el artículo anterior –las Voyager– y la siguiente en pasar cerca de Júpiter pasó más de una década, en parte, como dijimos entonces, debido al desastre del Challenger. De hecho, salvo que seas muy joven, lo que estudiaste en el colegio sobre Marduk –como lo que estudié yo mismo– estaba basado en conocimiento obtenido básicamente hasta 1980. Hubo que esperar hasta 1992 para que otra sonda pasara cerca de Júpiter: se trataba de la sonda Ulises.

Ulises durante su construcción (NASA).

Sin embargo, el objetivo principal de Ulises no era Faetón, sino que sólo lo empleó, como tantas otras sondas, para alterar su trayectoria gracias a la brutal atracción gravitatoria del planeta. Ulises pasó a unos 450 000 km de Júpiter, y realizó algunas medidas que refinaron nuestro conocimiento sobre su campo magnético, pero ya que no disponía de cámaras, no nos proporcionó nuevas imágenes ni significó un gran avance en nuestra exploración de Júpiter. Para eso había que esperar dos años más: fue entonces cuando, por primera vez, una sonda fabricada por el hombre orbitaría de verdad alrededor de Júpiter, en vez de simplemente pasar cerca: la sonda Galileo, lanzada desde la Tierra en 1989 y que llegó a Júpiter en diciembre de 1995.

Galileo en la bahía de carga de la lanzadera Atlantis. Versión a 940×1000 px (NASA).

Pero las maravillas que Galileo nos mostró empezaron antes de que llegase a Júpiter, por pura casualidad. En 1993, cuando la sonda todavía estaba viajando hacia Marduk, se descubrió un cometa –nombrado en honor a sus descubridores–, el Shoemaker-Levy 9, que se movía alrededor de Júpiter en una órbita muy elíptica, y que probablemente había sido atrapado por el gigante cuando el cometa pasó cerca con la trayectoria y velocidad adecuadas, en las décadas de los 60 o 70. El caso es que la órbita del Shoemaker-Levy 9 hacía inevitable una colisión contra Júpiter: nunca jamás se había observado un impacto en directo entre dos objetos extraterrestres.

No sólo eso: aunque, como cualquier otro cometa, la masa del Shoemaker-Levy 9 no era muy grande (su núcleo tenía unos 5 km), el impacto contra el planeta se produciría a una velocidad –no, no hay ningún error tipográfico– de unos 216 000 km/h. Brutal. Como consecuencia de este cataclismo, probablemente podríamos ver algo de lo que había debajo de las nubes de Júpiter, según los trozos del cometa lanzasen al espacio material procedente de Júpiter. Según se acercaba la fecha, todos nuestros ojos, desde la Tierra y el espacio, se fijaron en Júpiter y en el pequeño y velocísimo cometa que se precipitaba sobre él: muchos telescopios terrestres, los telescopios espaciales Hubble y ROSAT, la sonda Ulises –que ya estaba a unas 2,6 UA¹ de Júpiter–, incluso la sonda Voyager 2, que ya había pasado incluso Neptuno y estaba a 44 UA del gigante.

Sólo había un problema: el impacto se produciría justo en la espalda de Júpiter, visto desde la Tierra… todos nuestros telescopios, de superficie y en órbita alrededor de nuestro planeta, no podrían ver nada en el momento del choque. Pero Galileo, que estaba tardando tantos años en llegar a Júpiter por sus complicadas vueltas y revueltas, utilizando los campos gravitatorios de varios planetas para no emplear demasiado combustible en llegar, estaba aproximándose a Júpiter desde fuera, se encontraba a 1,6 UA del planeta, y tendría un campo de visión perfecto de los impactos –más de uno, como veremos en un momento–. Como digo, fuimos afortunados, porque la trayectoria de la sonda había sido fijada años antes del descubrimiento del Shoemaker-Levy 9.

Fragmentos del Shoemaker-Levy 9 vistos por el Hubble. Versión a 1017×307 px (NASA).

Cuando el cometa fue descubierto, por cierto, ya no era un único objeto: aunque hablaremos de cometas cuando lleguemos a las regiones exteriores del Sistema Solar, las leves fuerzas de cohesión de esos delicados objetos no tienen comparación con las tremendas fuerzas de marea que Júpiter ejercía sobre el Shoemaker-Levy 9 al pasar cerca de él. Cuando los astrónomos lo observaron por primera vez, el cometa ya estaba roto en 21 trozos, desgajado por la gravedad del gigante, y todos ellos impactarían contra Júpiter, lo cual significaba muchos impactos diferentes, más información que obtener y más cosas que observar.

El primer impacto se produjo sobre la cara oculta de Júpiter el 16 de julio de 1994, y el impacto número 21 seis días más tarde. Durante esa semana, los trozos del Shoemaker-Levy 9 fueron penetrando bajo la capa de nubes del monstruo a velocidades estratosféricas, dejando un rastro de destrucción según se iban desintegrando en la atmósfera joviana, siempre observados por los ojos de Galileo. El espectáculo era aterrador, bellísimo, enorme, y lo vimos en directo.

De acuerdo con los instrumentos de Galileo, el primer impacto alcanzó una temperatura de 24 000 K — más caliente que la superficie del Sol y casi diez veces mayor que la temperatura necesaria para vaporizar –no fundir, ¡vaporizar!– el hierro. Como resultado, una gigantesca bola de fuego salió despedida de Júpiter y alcanzó una altitud sobre la cima de las nubes jovianas de 3 000 km. La bola de fuego duró lo suficiente, según se elevaba, como para que la rápida rotación de Júpiter nos la mostrarse a través de los ojos del Hubble, en esta secuencia estremecedora:

En total, la energía liberada por todos los fragmentos juntos fue de unas 600 veces la del arsenal nuclear de la Tierra entera. Galileo, desde luego, obtuvo las imágenes en el momento de los impactos, como las de esta secuencia que dura siete segundos:

En los lugares de los impactos empezaron a detectarse distintos elementos y compuestos químicos, utilizando la espectroscopía; algunos de ellos coincidían muy bien con lo que uno puede esperar que haya en un cometa, pero otros eran muy probablemente procedentes de Júpiter, despedidos hacia las capas más altas de la atmósfera por los tremendos impactos del cometa: y no se trataba de cosas que ya hubiéramos detectado antes, lo cual nos dio información sobre regiones más interiores de Júpiter que no hubieramos podido obtener sin la ayuda cataclísmica del Shoemaker-Levy 9.

Restos de los distintos impactos del cometa vistos por el Hubble (NASA).

Entre otras cosas, se detectaron cantidades sorprendentemente grandes de azufre, tanto puro –en su forma S₂– como en distintos compuestos, como sulfuro de hidrógeno (H₂S) y sulfuro de carbono (CS₂). Lo que no se detectó en cantidades apreciables, y sorprendió a los astrónomos, fueron compuestos del oxígeno (como óxidos de azufre) ni tampoco demasiada agua: o bien no había ni de lejos tanta agua en las capas bajas de la atmósfera joviana como los astrónomos habían supuesto, o bien los trozos del cometa no habían alcanzado esas capas más bajas, sino que se habían desintegrado antes. Hoy día pensamos que la segunda posibilidad es la más probable.

Aunque tuvimos mucha suerte con la posición de Galileo en el momento del impacto, no fue así en otro aspecto: la principal antena de comunicación de la sonda, mediante la cual debía habernos enviado cantidades ingentes de imágenes, no se abrió del todo, con lo que nunca recibimos tanta información como deberíamos haber obtenido, a pesar de que la sonda sí tomase más fotografías, no sólo del impacto sino de Júpiter y sus satélites. Aunque parezca extraño, la culpa puede haberla tenido el Challenger: Galileo había estado listo para el lanzamiento años antes de salir de la Tierra, pero el desastre del transbordador postergó su misión, y la sonda estuvo guardada años… y pensamos que, durante esos años, parte del lubricante de la antena puede haberse evaporado (y nadie se dio cuenta, algo que nunca debería haber ocurrido).

El intenso campo magnético y cinturones de partículas asociados a Júpiter, por cierto, de los que ya hablamos en la entrega anterior, también hicieron algunos estragos sobre Galileo, a pesar de que ya conocíamos su existencia y la sonda estaba más o menos preparada para el embate; hubo hasta 20 anomalías menores originadas por el violento entorno magnético del gigante, pero nada comparable al fiasco de la antena principal. Afortunadamente, la parte más importante de la sonda funcionó más o menos bien –no perfectamente, pero bueno– y nos permitió dar el siguiente paso fundamental en la exploración del gran Brihaspati: descender bajo la cima de las nubes.

Módulo de descenso atmosférico de Galileo (NASA).

Sí, lo que hacía a Galileo realmente especial es que llevaba consigo un módulo de entrada atmosférica de unos 340 kilos, que fue lanzado hacia el planeta cinco meses antes de que Galileo llegase a él, con el objeto de que penetrase bajo las nubes jovianas y, una vez frenado su descenso, abriese un paracaídas y descendiese lo más posible dentro de la atmósfera del planeta, tomando lecturas de absolutamente todo lo posible –temperatura, presión, velocidad del viento, espectroscopía, radiometría– antes de ser triturada, irremediablemente, por las presiones astronómicas en las capas bajas de la atmósfera joviana.

Aparte ya de la riqueza increíble de los 3,5 MB de información que nos envió el módulo de descenso, su propio diseño y construcción son una maravilla del ingenio humano, y quiero darte algunos datos para que, como a mí, espero que se te quede la boca abierta ante los números involucrados. El módulo llegó a la cima de la atmósfera joviana a unos 170 000 km/h. Sin embargo, a pesar de que esta velocidad es sólo ligeramente inferior a la del Shoemaker-Levy 9, el módulo no sólo no fue destruido en mil pedazos, sino que sobrevivió en una pieza con todos sus sistemas funcionando a la perfección.

En sólo dos minutos, el módulo frenó desde su vertiginosa velocidad inicial hasta valores inferiores a la velocidad del sonido, y soportó una aceleración máxima de unos 2 200 m/s², ¡unos 230 g! Tal fue la violencia del frenado que el escudo térmico en la “nariz” del módulo, que constituía la mitad de su masa total, perdió la mitad de su propia masa en el empeño, “pelándose” ante la tremenda presión y el calentamiento consecuente debido al frenado en la atmósfera joviana.

Una vez hubo frenado lo suficiente, y con una presión atmosférica de 0,4 bares –alrededor del 40% de la presión atmosférica en nuestra superficie–, el módulo se desprendió de su “sombrero” y liberó y abrió un paracaídas. La sonda Galileo, que se encontraba acercándose aún a Júpiter, localizó el módulo y ambos establecieron un canal de comunicación por radio. La cuestión es que el pequeño módulo no disponía de sistemas de comunicación lo suficientemente potentes como para que su información alcanzara la Tierra, de modo que enviaba los datos a Galileo para que éste, a su vez, actuase de repetidor y los mandase a la Tierra.

Secuencia del descenso del módulo atmosférico de Galileo (NASA).

A partir de ese momento, el pequeño módulo fue descendiendo más y más hacia el interior de la atmósfera del gigante, una mota de polvo insignificante en la inmensidad de Júpiter. Todo el tiempo, los instrumentos fueron enviándonos los datos recogidos, lo cual nos permitió obtener una cantidad ingente de información, contenida en esos preciosos 3,5 MB, sobre las condiciones atmosféricas y su composición.

En primer lugar, el pequeño módulo atravesó la exosfera del planeta, similar en comportamiento y condiciones a la de la Tierra: la temperatura es allí enorme, pero significa poco, porque hay un número muy pequeño de partículas y una presión, por tanto, despreciable, de modo que el propio concepto de “temperatura” no tiene demasiado sentido. Por debajo de ella había bien definida una termosfera, es decir, una región en la que la temperatura aumenta bruscamente con la altitud — con lo que la pequeña sonda, al descender, fue observando cómo la temperatura descendía según aumentaba la presión.

En la base de la termosfera, la presión es de 0,001 milibares, es decir, aún minúscula, y la temperatura es ya de unos -70 ºC. Por debajo de esa altitud, la temperatura se mantiene más o menos estable, disminuyendo muy ligeramente al descender: se trata de la estratosfera joviana, con un espesor de unos 270 km, aún por encima de las nubes. En la estratosfera hay ya cierta neblina muy tenue, constituida por hidrazina (N₂H₄) y algunos hidrocarburos aromáticos, pero todavía no sucede casi nada interesante por la estructura térmica, que minimiza los movimientos verticales en la atmósfera, como sucede en nuestra estratosfera.

En la base de la estratosfera, con una presión de unos 100 milibares (alrededor de 0,1 atmósferas) y una temperatura de unos -160 ºC, se encuentra la tropopausa y, por debajo, la troposfera del planeta, donde se producen casi todos los fenómenos meteorológicos, como en nuestro propio planeta. Por debajo de la tropopausa la cosa sí se pone interesante y, como vimos en el artículo anterior, muy violenta, pues además de una presión elevada, el perfil de temperatura, como en la Tierra, es el adecuado para ello: según bajas hacia el “suelo” (que no es tal, como veremos luego), la temperatura aumenta y la convección desempeña un papel fundamental en los procesos atmosféricos.

La composición de la atmósfera, como ya sospechábamos por las mediciones espectroscópicas realizadas desde la Tierra y por las sondas anteriores, era fundalmente hidrógeno molecular: alrededor del 81% de la masa de la atmósfera es H₂, y casi todo el resto es helio. Los demás elementos constituyen cantidades ínfimas de la atmósfera del gigante, aunque sus efectos –como las nubes, de las que hablaremos en un momento– sean bien visibles. Según el módulo descendía, detectó también compuestos simples: agua (H₂O), metano (CH₄), amoníaco (NH₃), fosfina (PH₃), dióxido de carbono (CO₂), monóxido de carbono (CO), etc.

En la alta troposfera, el módulo atravesó las primeras nubes, formadas por cristales de hielo de amoníaco, todavía a temperaturas muy por debajo de 0 ºC y a una presión muy similar a la que tenemos en la superficie terrestre, de alrededor de 1 atm. Ahí es donde suele tomarse el valor de “altitud 0″ en Júpiter, ya que como veremos luego no hay una superficie definida en el planeta como sucede en el nuestro.

A partir de ahí, la presión se vuelve cada vez más opresiva, aunque el módulo atmosférico estaba preparado para soportar presiones y temperaturas bastante grandes. Por debajo de las nubes de hielo de amoníaco, que son las que dan el color claro a los cinturones de los que hablamos en el artículo anterior, se encuentra una segunda capa de nubes, que en los cinturones está tapada por los cristales de amoníaco pero es visible en las zonas oscuras. Esta segunda capa de nubes está formada por distintos compuestos, y aún no tenemos una lista exacta, pero el módulo de Galileo detectó fundamentalmente sulfuro de amonio ((NH₄)₂S) e hidrosulfuro de amonio ((NH₄)SH), que dan el color ocre a las zonas.

Estructura vertical de la atmósfera de Júpiter (Wikipedia/CC 3.0 Attribution Sharealike License).

Imagina la escena si hubieses podido sobrevivir, montado en el módulo, a la aceleración extrema del frenado, sumergiéndote en esa atmósfera extraterrestre… descendiendo bajo las primeras nubes, más espesas que toda la troposfera terrestre, con otras nubes decenas de kilómetros por debajo de ti. Un horizonte más grande que cinco tierras extendido a tus pies, y nieve de amoníaco cayendo sobre ti mientras vientos de cientos de km/h hacen bandearte el paracaídas con una fuerza indescriptible y un ruido ensordecedor, y rayos descomunales iluminan tu viaje. Pronto alcanzarías la segunda capa de nubes más oscura, y nuevas turbulencias, y las cosas serían todavía más extrañas según la presión se hace opresiva.

Imagen artística del descenso del módulo de Galileo (NASA).

Esta segunda capa de nubes se encuentra ya a presiones de hasta tres veces la nuestra, y a temperaturas que, aunque todavía por debajo de 0 ºC, se van acercando poco a poco a este valor. De hecho, a presiones de entre 3 y 7 veces la existente en la superficie terrestre aparecen ya nubes de agua y temperaturas superiores a 0 ºC. Como recordarás, estas temperaturas son realmente tórridas para la región del Sistema Solar en la que nos encontramos, y existen fundamentalmente gracias a la contracción gravitatoria continua de Júpiter. Recuerda que, aunque estas nubes tengan una composición idéntica a las nuestras, y aunque la temperatura sea también similar a la de nuestra propia atmósfera a baja altitud, la presión es terriblemente alta, y la intensidad de los movimientos atmosféricos, vientos y tormentas, inimaginable para nosotros.

De hecho, las condiciones son tan extremadamente diferentes de las nuestras que son difíciles de asimilar. El pequeño módulo descendió más allá del lugar en el que se alcanza el punto crítico del hidrógeno (-240 ºC y unas 12 atm); por debajo de ese lugar no tiene siquiera sentido distinguir el hidrógeno molecular líquido del gas, ya que ambos se comportan esencialmente igual. Esto sucede para otros compuestos a temperaturas y presiones diferentes (para el agua, por ejemplo, a 374 ºC y 218 atm), pero la consecuencia final es que según nos adentrásemos más en la atmósfera de Marduk, nunca alcanzaríamos un cambio de fase gas-líquido ni gas-sólido, como sucede en la Tierra entre la atmósfera y el océano o los continentes… poco a poco la cosa se volvería más y más densa y caliente hasta convertirse en un gas-líquido de una densidad tremenda.

El módulo atmosférico siguió bajando hasta que, a una profundidad de 140 km por debajo de la “altitud 0″ y tras alrededor de una hora de descenso, los sensores avisaron de sobrecalentamiento y de un inminente daño en los circuitos… y luego dejó de transmitir. En ese momento, la presión era de 24 bares y la temperatura de unos 150 ºC. Poco tiempo después, si las condiciones siguieron modificándose de manera similar a la detectada por el módulo, el paracaídas se derritió, y algo más tarde lo haría el aluminio que formaba parte del módulo. La estructura principal, de titanio, aguantaría algunas horas más, ya hueca e inerte, hasta fundirse y luego vaporizarse. Los metales del módulo forman hoy parte del interior de Júpiter debido a su elevada densidad, en forma de fluidos supercríticos.

Desde luego, no sabemos con absoluta certeza lo que encontraríamos si siguiéramos sumergiéndonos en la atmósfera joviana más allá de lo que hizo el módulo de Galileo, pero sí tenemos una idea de lo que puede existir, de acuerdo con nuestros mejores modelos que concuerdan con los datos observados desde fuera. Como he dicho antes, el módulo nunca hubiera alcanzado una superficie, sino que hubiera seguido inmerso en ese hidrógeno convertido en un fluido supercrítico, una suerte de gas-líquido cada vez más caliente y denso, hasta que la presión y temperatura hubieran alcanzado otro par de valores fundamentales: 10 000 K y 2 000 000 bar (sí, unos dos millones de veces la presión atmosférica en la superficie terrestre).

En esas condiciones extremas, los propios átomos de hidrógeno que forman casi todo el gigante están tan comprimidos que los átomos se rompen y los electrones se acercan tanto unos a otros que su posición se aproxima a incumplir el principio de exclusión de Pauli. La presión gravitatoria es tan grande que supera incluso las tremendas fuerzas de repulsión entre ellos, provocando un conato de colapso gravitatorio, que sólo es evitado por una razón: el principio de exclusión de Pauli o, dicho con otras palabras, la presión de electrones degenerados. Ya hemos hablado de este concepto al estudiar las enanas blancas en La vida privada de las estrellas, pero básicamente la incertidumbre cuántica es lo único que evita que Júpiter se colapse y se convierta, debido a su propia gravedad, en un agujero negro.

De hecho, la densidad en el interior de Júpiter es mayor que en el centro del Sol, ya que nuestra estrella, al producir la fusión del hidrógeno en su interior, se encuentra en equilibrio hidrostático debido a la presión hacia fuera provocada por esa liberación de energía… que no existe en el caso de Júpiter. Desde luego, Júpiter no tiene la masa suficiente para superar la presión de electrones degenerados y convertirse en algo aún más exótico, como una estrella de neutrones, pero casi el 80% de la masa del gigante está degenerada de este modo, como una amalgama increíblemente densa de protones y electrones.

Este hidrógeno forma algo parecido a un metal, con una malla de núcleos con electrones que no pertenecen a ninguno en concreto, y de hecho se denomina hidrógeno metálico. Una vez alcanzados los terribles valores de presión y temperatura necesarios que he mencionado antes, nos zambulliríamos en este hidrógeno metálico, y no veríamos otra cosa según nos acercásemos hacia el núcleo del planeta hasta llegar prácticamente al centro, dada la abundancia del hidrógeno en Júpiter y las extremas condiciones de presión debido a su masa. Desde luego, la presión y temperatura seguirían aumentando según nos adentráramos en él, hasta alcanzar un valor de unos 36 000 K de temperatura y unos 40 millones de bares al llegar al núcleo.

Modelo del interior de Júpiter: en marrón el núcleo, en blanco el hidrógeno metálico, en azul-celeste-blanco la atmósfera inferior y en ocre las nubes.

Porque, a partir de las densitometrías realizadas por las sondas que hemos enviado al gigante, estamos relativamente seguros de que, más allá del hidrógeno metálico degenerado, hay un núcleo aún más denso, formado por las pequeñas cantidades de elementos realmente pesados –metales en su mayor parte– que formaron parte del planeta desde su formación. Desde luego, “pequeñas cantidades” es un término relativo al tamaño total de Júpiter; nuestros modelos sugieren un núcleo con una masa de entre 12 y 45 veces la Tierra. Y, una vez más, no tiene sentido hablar de un núcleo “rocoso” ni nada parecido, porque las presiones de decenas de millones de bares y esas temperaturas tan altas suponen que absolutamente todos los constituyentes del núcleo son fluidos supercríticos o materia degenerada.

Sin embargo, esto son modelos basados en datos no demasiado precisos, y hay quien piensa incluso que las corrientes de convección pueden haber “sacado” el núcleo del planeta hace mucho tiempo, y que Júpiter puede tener básicamente hidrógeno metálico hasta el centro. La sonda Juno, que enviaremos en 2011, tomará medidas mucho más precisas que ninguna que hayamos obtenido hasta ahora para poder escrutar con más exactitud las entrañas de Júpiter y determinar la naturaleza y tamaño de su núcleo, además de otras cosas, claro. Como puedes ver, Galileo sólo arañó la superficie del gigante, y aún nos queda mucho por saber de su interior.

Pero Galileo no sólo se dedicó a escudriñar el interior de Júpiter; como veremos más adelante, obtuvo preciosa información sobre sus lunas, y también sobre sus anillos que rodean a Brihaspati. Porque, además de docenas de satélites, este Leviatán tiene su propio sistema de anillos, delicados y etéreos, menos espectaculares que los de Saturno pero también fascinantes. Galileo fue una de las sondas que más información obtuvo sobre ellos, y de estos anillos hablaremos en la cuarta entrega sobre Júpiter. Además, nos acercaremos una vez más al gigante de la mano de la siguiente sonda en visitarlo, la Cassini, y sospecho que saldrás de ese artículo con un buen puñado de fondos de pantalla de los que hacen soñar.

1. Ya hemos hablado de las Unidades Astronómicas antes en la serie: 1 UA es la distancia media Tierra-Sol, unos 150 millones de kilómetros.

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 izquierda, los nuevos electrones que hemos llevado allí empezarán a moverse hacia la derecha 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…