Electricidad
Electricidad es un fenómeno: físico,
químico, natural, que llena toda la estructura molecular de un cuerpo y se
manifiesta a través de un flujo de electrones. Cuando una carga se encuentra en
reposo produce fuerzas
sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se desplaza produce también
fuerzas magnéticas. Hay dos tipos de carga eléctrica, llamadas positiva
y negativa.
La electricidad está presente en algunas
partículas subatómicas. La partícula fundamental más ligera que lleva carga
eléctrica es el electrón, que transporta una unidad de carga. Los átomos,
en circunstancias normales, contienen electrones, y a menudo los que están más
alejados del núcleo se desprenden con mucha facilidad.
En algunas sustancias, como los metales, proliferan los
electrones libres. De esta manera, un cuerpo queda cargado eléctricamente gracias
a la reordenación de los electrones.
Un átomo normal tiene cantidades iguales
de carga eléctrica positiva y negativa; por lo tanto, es eléctricamente neutro.
La cantidad de carga eléctrica transportada por todos los electrones del átomo,
que por convención es negativa, está equilibrada por la carga positiva,
localizada en el núcleo. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones quedará
cargado negativamente. Por lo contrario, con la ausencia de electrones, un
cuerpo queda cargado positivamente, debido a que hay más cargas eléctricas
positivas en el núcleo.
Historia
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| Tales de Mileto |
Hacia el año 600 a.c,
el filósofo griego Tales de Mileto observó que, frotando una
varilla de ámbar con
una piel o con lana, se podía crear pequeñas cargas, que atraían pequeños
objetos. También habían observado que si la frotaban mucho tiempo podían causar
la aparición de una chispa.
Cerca de Mileto, (en la actualidad Turquía),
se encuentra un sitio arqueológico llamado Magnesia, donde en la antigüedad se
encontraron trozos de magnetita. Los antiguos griegos observaron que los trozos
de este material se atraían entre sí, y también con pequeños objetos de hierro.
La palabra magneto (en español, imán) proviene del lugar donde se descubrió.
Un objeto encontrado en Iraq en 1938, fechado alrededor
de 250 a.c,
llamado la Batería de Bagdad, se asemeja a una celda
electroquímica. No se han encontrado documentos que evidencien su utilización,
aunque hay otras descripciones anacrónicas de dispositivos eléctricos en muros
egipcios y escritos antiguos.
En 1600, el científico
inglés William Gilbert publicó su libro De Magnete,
en donde utiliza la palabra latina electricus, derivada del griego elektron,
que significa ámbar, para describir los fenómenos descubiertos por los griegos.
También estableció las diferencias entre el magnetismo y la electricidad. Estas
investigaciones fueron continuadas en 1660 por Otto Von
Guericke, quien inventó un generador electrostático. Robert Boyle afirmó
en 1675 que
la atracción y repulsión pueden producirse en el vacío. Stephen Gray,
en 1729,
clasificó los materiales como conductores y aislantes. C.F. Du Fay fue
el primero en identificar los dos tipos de carga
eléctrica, que más tarde se llamarían positiva y negativa. Pieter Van Musschenbroek inventó
en 1745 la botella de
Leyden, un tipo de capacitor para
almacenar cargas eléctricas en gran cantidad. William
Watson experimentó con la botella Leyden, descubriendo en 1747 que una descarga
de electricidad estática es equivalente a una corriente eléctrica.
Benjamín Franklin, en 1752, experimentó con la
electricidad haciendo volar una cometa durante
una tormenta. Demostró que el relámpago es
debido a la electricidad. Como consecuencia de estas experimentaciones inventó
el pararrayos y
formuló una teoría sobre un fluido que explicara la presencia de cargas
positivas y negativas.
Charles-Augustin de Coulomb,
en 1777,
inventó una balanza de torsión para medir la fuerza de repulsión y atracción
eléctrica. Por este procedimiento formuló el principio de interacción de cargas
eléctricas (ley de Coulomb).
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| Michael Faraday |
Hans Christian Oersted,
en 1819,
observó que una aguja imantada se orientaba colocándose perpendicularmente a
un conductor por
el que se hacía pasar una corriente eléctrica. Siguiendo estas
investigaciones, Michael Faraday, en 1831, descubrió que se
generaba una corriente eléctrica en un conductor que se exponía a un campo
magnético variable.
Luigi Galvani, en 1790, descubrió,
accidentalmente, que se producen contracciones en los músculos de una rana u
otro animal cuando entran en contacto con metales cargados
eléctricamente. Alessandro Volta descubrió que las reacciones
químicas podían generar cargas positivas (cationes) y negativas (aniones).
Cuando un conductor une estas cargas, la diferencia de potencial eléctrico
(también conocido como voltaje) impulsa una corriente eléctrica a través del
conductor. La diferencia de potencial entre dos puntos se mide en unidades
de voltio,
en reconocimiento al trabajo de Volta. Humphry Davy,
en 1807,
trabajó con la electrólisis y aisló de esta forma los metales
alcalinos.
En 1821, el físico
alemán Thomas Seebeck descubrió que se producía
una corriente eléctrica por la aplicación de calor a la unión de
dos metales diferentes. Jean Peltier, en 1834, observó el fenómeno
opuesto: la absorción de calor mediante el paso de corriente en una unión de
materiales.
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| Georg Simon Ohm |
Georg Simon Ohm, en 1827, dio una relación (Ley de Ohm)
que liga la tensión entre dos puntos de un circuito y la intensidad de
corriente que pasa por él, definiendo la resistencia eléctrica. El físico
alemán Gustav Kirchoff expuso dos reglas,
llamadas Leyes de Kirchoff, con respecto a la
distribución de corriente eléctrica en un circuito eléctrico con derivaciones.
James Prescott Joule,
en 1841,
desarrolló una ley que establece la cantidad de calor que se produce en un
conductor por el paso de una corriente eléctrica. Wheatstone, en 1844, ideó su puente para medir resistencias
eléctricas.
En 1878, Thomas Alva Edison construyó la
primera lámpara incandescente con filamentos
de bambú
carbonizado. En 1901, Peter Hewitt inventa la lámpara de vapor de mercurio.
En 1873, el físico
británico James Clerk Maxwell publicó su obra
Tratado sobre electricidad y magnetismo, en donde, por primera vez, reúne en
cuatro ecuaciones la descripción de la
naturaleza de los campos electromagnéticos. Heinrich
Hertz extendió esta teoría y demostró que la electricidad puede
transmitirse en forma de ondas electromagnéticas, como la luz. Estas investigaciones
posibilitaron la invención del telégrafo sin cables y la radio.
Nikola Tesla experimentó
con alto voltaje y corriente alterna polifásica; de esa manera inventó el alternador
y el primer motor de inducción, en 1882.
Por medio de los trabajos de Johann Wilhelm Hittorf, Williams Crookes inventó en 1872 el tubo de rayos
catódicos. Utilizando un tubo de
Crookes, el físico alemán Wilhelm
Röntgen descubrió los rayos X. Joseph John Thomson, investigando el flujo de
rayos catódicos, descubrió el electrón.
En 1906,
el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, mediante su experimento de «la gota de aceite»,
determinó la carga del electrón.
Actualmente, la comprensión y control del
fenómeno eléctrico ha posibilitado la implantación de la electricidad en todos
los tipos de aplicaciones industriales del ser humano, e incluso en medicina (fisioterapia, electroterapia).
Energía eléctrica
La energía eléctrica es la forma de energía más utilizada. Gracias a la flexibilidad en la generación y transporte, se ha convertido para la industria en la forma más extendida de consumo de energía. El transporte por líneas de alta tensión es muy ventajoso y el motor eléctrico tiene un rendimiento superior a las máquinas térmicas. Los inconvenientes de esta forma de energía son la imposibilidad de almacenamiento en grandes cantidades y que las líneas de transmisión son muy costosas.
Las instalaciones para generación y el transporte de la
energía eléctrica utilizan generalmente corriente
alterna, debido a que es más fácil reducir o elevar el voltaje por
medio de transformadores. Para el transporte de una
cantidad de energía dada, si se eleva la tensión disminuye la intensidad de
corriente necesaria; esto disminuye las pérdidas, que son proporcionales al
cuadrado de la intensidad. Posteriormente, para la distribución se reduce el
voltaje en las subestaciones, que gradúan la tensión
según se utilice en la industria (entre 33 kV y 380 Voltios) o en
instalaciones domiciliarias (entre 220 y 110 V).
Una central eléctrica utiliza una fuerza
motora para hacer girar un generador eléctrico con diversas fuentes
de energía. Se pueden clasificar las centrales eléctricas según la energía
aprovechada.
- Central hidroeléctrica: utiliza la
energía obtenida en los saltos de agua (energía hidráulica).
- Central termoeléctrica: utiliza la
energía obtenida de los combustibles fósiles (carbón, fueloil,
etc.).
- Central
nuclear: utiliza la energía obtenida mediante reactores
nucleares.
- Centrales de recursos renovables:
utiliza energía de recursos renovables: energía solar, eólica, mareomotriz y geotérmica.
La producción mundial en los últimos 40
años aumentó más del 1.300%: de 1 billón de KWh a 13 billones. El
índice de producción refleja principalmente la importancia de las necesidades
de las grandes potencias industriales. Estados
Unidos ocupa el primer puesto, con más del 26%; le siguen China, con 8,5%; Japón,
con 7,40% y Rusia con
5,80%. La electricidad de estos grandes productores es esencialmente de origen
térmico: Estados Unidos, con 70%; China, con el 80%; Japón, con el 59% y Rusia,
con el 66%. La electricidad de origen térmico representa un 63% de la
producción mundial; le sigue la hidráulica, con el 19%; la nuclear, con el 17%;
y se produce solamente un 1% con fuentes de energía eólica, solar y geotérmica.
Corriente eléctrica
El flujo de cargas
eléctricas puede generarse en un conductor pero no existe en los aislantes. Algunos dispositivos eléctricos que
usan estas características eléctricas en los materiales se denominan
dispositivos electrónicos.
La ley de Ohm describe la relación entre la
intensidad y la tensión en una corriente eléctrica: la diferencia de potencial (V) es directamente proporcional
a la intensidad de corriente (I) y a la resistencia (R). Se describe mediante la fórmula:
La intensidad de corriente (I) en una sección dada de un conductor se define como
la carga eléctrica (Q) que la atraviesa en una unidad de tiempo.
Leyes de Kirchhoff
Las leyes (o Lemas) de Kirchhoff fueron formuladas por
Gustav Kirchhoff en 1845, mientras aún era estudiante. Son muy utilizadas en
ingeniería eléctrica para obtener los valores de la corriente y el potencial en
cada punto de un circuito eléctrico. Surgen de la aplicación de la ley de
conservación de la energía.
Estas leyes nos permiten resolver los circuitos utilizando
el conjunto de ecuaciones al que ellos responden.
Primera ley de Kirchhoff: La corriente entrante a un nodo es igual a la suma de las corrientes salientes. Del mismo modo se puede generalizar la primera ley de Kirchhoff diciendo que la suma de las corrientes entrantes a un nodo son iguales a la suma de las corrientes salientes.
Segunda ley de Kirchhoff: En un circuito cerrado, la suma de las tensiones de batería que se encuentran al recorrerlo siempre serán iguales a la suma de las caídas de tensión existente sobre los resistores.
