2.1.3. Unidades fundamentales del sistema SI

Introducción a las unidades fundamentales del SI

El Sistema Internacional de Unidades (SI) se asienta sobre una base matemática y física sólida constituida por siete unidades fundamentales. Estas unidades han sido seleccionadas y acordadas por la Conferencia General de Pesas y Medidas de forma que abarquen todos los campos observables de la física teórica y experimental. A partir de estas siete unidades de referencia independientes se construyen por derivación algebraica el resto de magnitudes secundarias, posibilitando que todas las mediciones técnicas compartan el mismo origen metrológico unificado.

Para los electricistas e instaladores industriales, conocer en profundidad el origen de estas unidades fundamentales es clave. Parámetros cotidianos en el armario eléctrico, como la constante de tiempo de un condensador en segundos o la temperatura admisible de las cubiertas plásticas de PVC en kelvin o grados celsius, no son definiciones arbitrarias, sino que están ligadas a los fenómenos físicos universales que gobiernan los materiales y la termodinámica del cobre.

Las siete unidades fundamentales y sus definiciones metrológicas

Las siete unidades que conforman el núcleo indestructible del Sistema Internacional son:

1. El metro ($m$): Unidad de longitud física. Se define a partir del valor numérico fijado de la velocidad de la luz en el vacío ($c = 299.792.458 \text{ m/s}$).
2. El kilogramo ($kg$): Unidad de masa. Redefinida en 2019 a partir del valor fijo de la constante de Planck ($h = 6.626.070.15 \times 10^{-34} \text{ kg}\cdot\text{m}^2\cdot\text{s}^{-1}$).
3. El segundo ($s$): Unidad de tiempo. Se define tomando el valor numérico fijado de la frecuencia de la transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133 ($\Delta\nu_{Cs} = 9.192.631.770 \text{ Hz}$).
4. El amperio ($A$): Unidad de intensidad de corriente eléctrica. Redefinido en 2019 a partir del valor de la carga elemental del electrón ($e = 1.602.176.634 \times 10^{-19} \text{ C}$).
5. El kelvin ($K$): Unidad de temperatura termodinámica. Se define fijando el valor numérico de la constante de Boltzmann ($k = 1.380.649 \times 10^{-23} \text{ J/K}$).
6. El mol ($mol$): Unidad de cantidad de sustancia. Contiene exactamente $6.022.140.76 \times 10^{23}$ entidades elementales (constante de Avogadro).
7. La candela ($cd$): Unidad de intensidad luminosa en una dirección dada.

La gran reforma de 2019 supuso un cambio paradigmático en la metrología mundial: se abandonaron definitivamente todos los artefactos físicos materiales (como el cilindro de platino de París para el kilogramo) y las unidades pasaron a definirse fijando los valores de constantes físicas elementales. Esto asegura la trazabilidad eterna e invariable en cualquier lugar del universo.

El Amperio y su Redefinición por la Carga Elemental

El amperio ($A$) es la unidad fundamental de corriente eléctrica. Hasta 2019, la definición oficial se basaba en un experimento teórico e idealizado propuesto por André-Marie Ampère: la fuerza mecánica que se ejercía entre dos hilos conductores rectilíneos paralelos de longitud infinita y sección circular despreciable suspendidos en el vacío. Esta definición era extremadamente compleja de reproducir en un laboratorio metrológico debido a la imposibilidad física de fabricar hilos de longitud infinita y sección nula.

La definición moderna del amperio se basa en el flujo exacto de la carga elemental ($e$). Un amperio se define formalmente como el paso de una corriente eléctrica equivalente a una carga neta de exactamente $1 / (1.602.176.634 \times 10^{-19})$ electrones fluyendo a través de una sección transversal cada segundo. De esta forma, el amperio queda directamente vinculado al culombio ($C$) y al segundo ($s$), lo que permite calibrar los multímetros digitales industriales con una precisión extrema utilizando dispositivos físicos basados en el efecto Josephson y el efecto Hall cuántico.

El Kelvin y la Gestión Térmica del Cuadro Eléctrico

La temperatura termodinámica se mide en kelvin ($K$). Aunque en el taller eléctrico y en la vida civil se emplean de forma ordinaria los grados Celsius (°C), la física de materiales exige utilizar la escala absoluta kelvin para los cálculos termodinámicos de disipación de calor. La relación matemática que vincula ambas escalas es una traslación constante definida por la temperatura del cero absoluto:

$$T(K) = t(^\circ\text{C}) + 273.15$$

Cuando un conductor de cobre incrementa su temperatura debido a la corriente de carga, su resistencia ohmica varía de forma lineal según su coeficiente de temperatura $\alpha$. La norma de cableado UNE exige verificar que, bajo condiciones extremas de carga de trabajo, la temperatura de los conductores no supere los $70^\circ\text{C}$ ($343.15\text{ K}$) para aislamientos termoplásticos de PVC, o los $90^\circ\text{C}$ ($363.15\text{ K}$) para aislamientos termoestables de XLPE, con el fin de evitar la fusión física de las cubiertas plásticas.

Cálculos Térmicos de Conductores mediante Código

La modelación matemática de las pérdidas de potencia y del incremento térmico en bornas del cuadro es vital para diseñar sistemas de refrigeración forzada que impidan fallos catastróficos por sobretemperatura en los PLCs.

# Script para convertir temperaturas Celsius a Kelvin y evaluar la seguridad del aislamiento.



def evaluar_seguridad_termica(temp_celsius, tipo_aislamiento="PVC"):

    """

    Convierte la temperatura a Kelvin y verifica si supera el límite de seguridad.

    """

    # Límites normalizados reglamentarios en Celsius

    limites = {

        "PVC": 70.0,

        "XLPE": 90.0,

        "EPR": 90.0

    }

    

    # Conversión física a escala absoluta Kelvin

    temp_kelvin = temp_celsius + 273.15

    limite_celsius = limites.get(tipo_aislamiento, 70.0)

    limite_kelvin = limite_celsius + 273.15

    

    print(f"?💡 ENSAYO TÉRMICO (Aislamiento: {tipo_aislamiento}):")

    print(f"  Temperatura Medida: {temp_celsius:.2f} °C | {temp_kelvin:.2f} K")

    print(f"  Límite Reglamentario: {limite_celsius:.2f} °C | {limite_kelvin:.2f} K")

    

    if temp_celsius > limite_celsius:

        sobrecalentamiento = temp_celsius - limite_celsius

        print(f"  ? PELIGRO: Exceso de {sobrecalentamiento:.2f} K. Riesgo de fusión del aislante.")

        return False

    else:

        margen = limite_celsius - temp_celsius

        print(f"  ? SEGURO: Margen térmico de {margen:.2f} K.")

        return True



# Simulación de mediciones termográficas tomadas en un embarrado de contactores

evaluar_seguridad_termica(72.5, "PVC")

print()

evaluar_seguridad_termica(81.0, "XLPE")