Duda sobre electricidad: ¿Porque existe el cable neutro en el hogar y que función tiene?

Daré mi respuesta lo más asimilable que pueda pero a su vez, que se entienda bien el fenómeno. Para ello hay que conocer algunas sencillas claves.

Antes de nada, tener presente que la corriente eléctrica, en su más sentido fundamento, es tan solo un continuo intercambio de electrones entre los átomos del medio conductor que transmite esa energía eléctrica. Para empezar a asimilar estos conceptos básicos: la electricidad la constituye un flujo de electrones.

Como es sabido, toda la materia está formada por átomos, que a su vez, estos átomos están formados por tres tipos de subpartículas bien diferenciadas, protones, neutrones y electrones. Los protones, son los responsables de apotar la carga eléctrica positiva de todo átomo. Los neutrones, neutros eléctricamente, son los que en mayor medida aportan, junto a los protones, a la masa al átomo, mientras que los electrones, eléctricamente negativos, a pesar de su poca masa (su masa es prácticamente insignificante, siendo la subpartícula menos masiva de las que componen el átomo), aportan el equilibrio eléctrico al átomo, de manera que el número de protones (positivos) y de electrones (de potencial negativo) de cualquier átomo, es igual en número, convirtiéndolo en materia neutra desde el punto de vista eléctrico, como es el caso de la materia de todo el universo en condiciones normales.

(La excepción es cuando en un átomo existe una desigualdad entre su número de electrones y protones, en cuyo caso estaríamos hablando de partículas ionizadas (cargadas eléctricamente), es decir, con carga eléctrica definida, cuyo signo eléctrico irá en función de si la carencia o exceso se trata de electrones o de protones, determinando una carga eléctrica negativa el exceso de electrones o por el contrario positiva si ese átomo tiene más protones que electrones).

Para asimilar que es la electricidad en su más pura esencia hay primero que saber que es un conductor eléctrico y por qué y cómo se conduce la energía eléctrica, ya que no sería posible una corriente eléctrica sin un medio capaz de conducirla.

Pongamos un simple ejemplo:

Ponemos un generador eléctrico y una carga, por ejemplo una lámpara, conectada a través de un cable. El generador genera un flujo de electrones que circulan a través del cable hasta la lámpara.

Imaginemos que la energía eléctrica que se va a aportar desde el generador hasta la lámpara estuviese formada por un solo electrón. Pues bien, ese electrón que saliendo del generador va a ir hasta la lámpara no es conducido por el cable como si de una tubería se tratase, ese electrón ¨nacido¨ en el generador no es el que llegará hasta la lámpara tal cual, es decir, la conducción eléctrica no es como una autopista que proporciona a los electrones un camino desde un origen hasta su destino, si no que se producirá un intercambio de electrones de manera que los átomos que forman el cable conductor, aceptan los electrones que a ellos han llegado del generador, pero al aceptarlos se produce un desequilibrio eléctrico que provoca que esos átomos se vean obligados a ceder a su vez el exceso de electrones hasta conseguir un equilibrio eléctrico propio, de manera que cualquier material conductor cede el mismo número de electrones que acepta durante una conducción eléctrica.

Lo que diferencia a un material buen conductor eléctrico de uno mal conductor radica en el número de electrones que disponen sus átomos en sus capas más externas, es decir, en sus capas llamadas de ¨conducción¨, formadas por aquellos electrones del átomo que orbitan más alejados de su núcleo, núcleo que como se ha dicho, está formado por una agrupación de protones y neutrones.

Por lo tanto y por poner un ejemplo, el cobre, mejor conductor que el aluminio, conduce mejor la electricidad porque dispone de un mayor número de electrones orbitando en sus capas de conducción (capas más alejadas del núcleo), lo que provoca un mayor intercambio electrónico por unidad de tiempo (es como si por poner un ejemplo que ayude a asimilar este fenómeno dijésemos que el cobre fuese capaz de aceptar-emitir 100 electrones por segundo mientras que el aluminio lo hiciese a un ritmo de 50 electrones por segundo).

(La interacción entre electrones y protones de un mismo átomo funcionan por principios electromagnéticos, por lo tanto, el motivo de que los electrones más externos sean mas susceptibles de ser liberados del átomo durante una conducción eléctrica se debe a que están menos ligados al núcleo desde el punto de vista de las fuerzas de atracción) Este fenómeno de atracción se puede apreciar si situamos dos imanes con sus polos opuestos enfrentados. Si agarramos un imán con cada mano y los aproximamos con sus polos opuestos, experimentaremos que a medida que mas se acercan, mayor atracción experimentarán y por lo tanto, mayor fuerza habrá que ejercer para separarlos.

Otro aspecto importante en la conducción eléctrica es la resistividad del material conductor, que es la inversa de la conductividad (recordamos, una mayor conductividad de un material significa que posee un alto número de electrones en las capas de conducción de sus átomos) lo que significa que tener una alta conductividad lleva asociado tener una baja resistividad y viceversa.

Por lo tanto, la resistividad es la oposición que ejerce un material al intercambio de electrones durante una conducción eléctrica, en la cual también interviene la temperatura del material conductor, ya que una mayor temperatura supone una mayor vibración de sus átomos que a su vez, dificultarán en mayor medida la circulación del flujo de electrones.

También sea aclarado que cada electrón aceptado y cedido por un átomo durante una conducción eléctrica es intercambiado entre átomos contiguos, átomo por átomo, en dirección de la carga, lo que forma una corriente eléctrica producida por el flujo de electrones en movimiento, a modo de ¨efecto cadena¨.

Ahora, una vez sabido lo expuesto, se puede explicar simplificadamente las diferencias entre una corriente alterna y continua y también la cuestión de lo aquí preguntado, EL POR QUÉ DEL CONDUCTOR NEUTRO Y PARA QUÉ

Para empezar, exponer la más evidente de las diferencias entre continua y alterna (aquí es donde ha fallado el compañero keltiberi en su exposición sobre las corrientes del neutro).

La corriente continua es un flujo de electrones con una única dirección. Supongamos una instalación de corriente continua formada por una pila, dos conductores (positivo y negativo) y una lámpara. El flujo de electrones saldrá por el polo negativo de la pila recorriendo el cable negativo desde la pila hasta la lámpara, y tras atravesar el filamento de la lámpara, el flujo de electrones retornará por el conductor positivo de nuevo hacia la pila, cerrando el circuito, resultando que en cada uno de los dos conductores, circula un flujo de electrones que siempre mantiene la misma dirección (aunque sean direcciones opuestas entre negativo y positivo a modo de carretera de doble sentido de circulación).

En corriente alterna, el flujo de electrones va cambiando de dirección constantemente en vez de seguir una única dirección. Esto supone que cada conductor es positivo y negativo indistintamente porque de hecho, su polaridad va cambiando constantemente a una velocidad predeterminada.

Un conductor polar (de fase) en corriente alterna tendrá una polaridad positiva y negativa alternadamente, pasando por cero entre ambas, lo que provoca que cuando se halle dicho polo en polaridad negativa el flujo de electrones circulen en una dirección, cuando acabe el periodo negativo, al paso por cero, no existirá circulación de electrones y al alcanzar la polaridad positiva los electrones circularán en sentido contrario con respecto a como lo hacían cuando la polaridad era negativa, todo esto sobre un mismo conductor, a una frecuencia de 50 Hz en el caso europeo (50 ciclos por segundo).

La corriente alterna trifásica ya sea con o sin neutro es la que más ventajas tiene desde el punto de vista tecno-económico, tanto en infraestructura de generación, como en transporte, distribución y utilización, y por lo tanto es la adoptada por las compañías eléctricas en los sistemas de producción, transporte y distribucíón de la enegía eléctrica, siendo descartados otros tipos de sistemas polifásicos salvo para aplicaciones específicas.

La clave de la gran ventaja de un sistema trifásico es que proporciona un perfecto desfase vectorial de 120º entre las tres fases, que proporciona igualdad de tensiones entre las distintas fases así como una tensión estable en cualquiera de las fases en relación a tierra en caso de querer disponer de neutro, entre otras tantas ventajas.

Un sistema cuatrifásico supondría un encarecimiento de las instalaciones, mayor complejidad técnica, peor rendimiento, etc, mientras que un sistema bifásico de entrada ya imposibilita disponer de neutro para las redes de destribución en baja tensión a dos tensiones además de que encarece las instalaciones en cuanto a la relación costes-beneficios en comparación a un sistema trifásico.

Respondiendo a tu pregunta, el conductor neutro tiene varias funciones muy favorables. Por un lado permite disponer de dos tensiones, lo que abarata mucho a los receptores. Por ejemplo, las lámparas a 230 V son más económicas que si se diseñasen para 400 V. Al tiempo que se obtiene un tensión simple de 230 V también permite disponer de 400 V para ciertos receptores como motores eléctricos trifásicos, empleados normalmente por encima de los 4 CV o ciertos hornos industriales.

En definitiva y contestando a tu pregunta, el neutro tiene la función de proporcionarte, a través de una única red trifásica de 400 V capaz de abastecer a otros abonados con receptores a 400 V, una tensión adecuada a los receptores de tu casa (230 V para lo cual han sido diseñados). Además y no menos importante, la puesta a tierra del neutro en los centros de transformación garantizan un correcto funcionamiento de las protecciones diferenciales además de estabilizar el potencial de neutro, que de no ser así, en caso de desequilibrios de carga, caso muy común en las redes de distribución en baja tensión, provocaría peligrosas sobretensiones en los receptores conectados entre fase y neutro.

Y por último citar que en un sistema monofásico, la intensidad de corriente que circula por el neutro es igual a la de fase, ya que el flujo de electrones, a pesar de ser alterno y por lo tanto circular en dos direcciones alternadamente, siempre lo hace de neutro a fase o viceversa al ritmo de la frecuencia, de manera que la intensidad de corriente es igual entre fase y neutro, ya que el flujo de electrones circula desde la fase hacia la carga y de ésta sale por el neutro retornando, y cuando se invierte el periodo, momento en el que tras su paso por cero se ha invertido la polaridad del conductor de fase, el sentido de circulación se invierte, implicando que también se haya invertido el sentido de circulación del neutro, que siempre será inverso al sentido de circulación del conductor de fase, actuando como puro retorno en todos los casos (excepto en los pasos por cero de la función senoidal en los que la intensidad de corriente es cero)

Es por ello que a la hora de calcular la sección de los conductores o las caídas de tensión en líneas monofásicas, se ha de considerar como longitud de la línea, a efectos del cálculo eléctrico, la longitud real multiplicada por dos, debido al recorrido de ida y vuelta que realiza el flujo de electrones.

En cargas trifásicas, la intensidad que circula por el neutro es la resultante de la asimetría de cargas, es decir, aunque se trate de líneas de distribución a suministros mayoritariamente monofásicos, por el neutro solo circulará la diferencia de corriente concerniente a la asimetría, permitiendo de esta forma dimensionar el conductor de neutro con una sección inferior a la de los conductores de fase, bastando con que sea capaz de hacer circular la corriente de los desequilibrios.

En caso de una carga trifásica completamente simétrica o cargas 100% equilibradas, la intensidad resultante sobre el neutro será de cero amperios al no existir desequilibrios. Es por ello que a un motor trifásico no es necesario cablearle el neutro aunque se halle conectado en estrella, ya que unir al neutro de la instalación el punto neutro de la conexión estrella del motor no aporta nada, debido a que la resultante de la intensidad sobre neutro será de cero por la simetría de la carga, siendo innecesario cablear neutro.

No es estrictamente necesario el neutro para obtener suministro eléctrico, también se puede usar dos fases.

El neutro aparece de la configuración en estrella en el secundario de un transformador o en la salida de un generador, ambos trifásicos, y permite obtener una tensión raíz de 3 veces menor que entre fases. La tensión baja para alumbrado y cargas de poca potencia y la alta para cargas de mayor potencia. En España las tensiones trifásicas son de 230/400V y 133/230V. En esta ultima red se obtiene 230V a dos fases y alguna que otra instalación utiliza 130V fase-neutro (los antiguos 125V). En USA por ejemplo utiliza tensiones trifásicas de 120/208V, 240/416V y 277/480V.

También hay países que para potencias bajas usan transformadores de distribución monofásicos de toma media (3 hilos) en donde el neutro es la toma media y las fases los extremos, con una relación de voltajes del doble. El uso es el mismo que en trifásica, la tensión baja para alumbrado y cargas de poca potencia y la alta para cargas de mayor potencia.

Tanto en transformadores de distribución monofásicos como trifásicos (en España y por lo general en Europa solo se usan trifásicos) el neutro se conecta a tierra por seguridad y para referenciar las fases a tierra.

En un transformador monofásico 2 hilos el neutro lo hace la conexión a tierra de uno de los dos polos del secundario.

Fácil = La Fase es el Grifo (Canilla) y el Neutro, es el Desagüe... Con la particularidad de que en Electricidad, si no hay Desagüe, no hay Chorro.