Electricidad

 

¿Qué es la electricidad?

Fundamentos: El átomo

Conductores y aislantes

Electromagnetismo

Formas de producir electricidad

Tipos de corriente eléctrica

Efectos que provoca la electricidad y para qué la usamos

Circuitos eléctricos

Resolución de circuitos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    QUÉ ES LA ELECTRICIDAD

    Electricidad: Es la forma de energía producida por el movimiento de electrones a través de un cuerpo.

    Además, la electricidad es la forma de energía más usada en nuestra vida cotidiana y por ello la rama técnica más importante que, junto con la mecánica, forma parte de cualquier mecanismo, máquina o sistema. La gran ventaja de la electricidad es la versatilidad o facilidad para ser convertida en otras formas de energía, la facilidad de su generación y el hecho de ser una forma de energía limpia y segura (otra cosa es la contaminación producida en su generación).

    Tras el invento de la bombilla incandescente por Edison, en 1879, la vida de la mayoría de las personas cambió radicalmente. La electricidad ha cambiado nuestra forma de vivir (lavadora, frigorífico, horno, radio, televisión, ascensor, etc.), de trabajar (maquinaria industrial, ordenadores, etc.), de comunicarnos (teléfonos, trenes, automóviles, ordenadores, etc.) o de disfrutar del tiempo libre (televisión, cine, conciertos, discotecas, videojuegos, etc.). Podemos decir que la electricidad mueve el mundo. Por eso es difícil imaginar nuestra vida sin electricidad.

    Según dijimos, la electricidad ofrece tantas ventajas porque se puede transformar en otras formas de energía con relativa facilidad. Veamos un ejemplo:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    FUNDAMENTOS: EL ÁTOMO

    La palabra electricidad deriva del griego "elektron" que significa "ámbar". Tales de Mileto (600 años A.C.) descubrió que, frotando una varilla de ámbar con un paño, aquélla atraía pequeños objetos como cabellos, plumas, etc. Se dice que la varilla se ha electrizado.

    No todas las materias poseen la propiedad de cargarse de electricidad y, aunque lo hagan, pueden comportarse de distintas maneras. El siguiente experimento explicará estas diferencias:

Fig. 1.1

    Se construye un péndulo con una bolita de médula de saúco y un hilo. Si ahora se le acerca una varilla de ámbar previamente cargada de electricidad (por frotamiento), la bolita se acerca a la varilla, pero en el momento que la toca, se siente repelida.

    La explicación es la siguiente:

    Inicialmente, la bolita estaba descargada y la varilla cargada. La varilla atrae la bolita (por tener cargas de distinto signo). Cuando se tocan, parte de la electricidad de la varilla pasa al péndulo cargándolo (ya tienen cargas del mismo signo) y entonces se repelen. Como el péndulo está cargado, si ahora se le aproxima otra varilla cargada por frotamiento, pero de vidrio, aquel será atraído hacia ésta.

    De esta experiencia se deduce:

            - Que existen dos tipos de electricidad: la que adquiere el vidrio y la que adquiere el ámbar.
            - Que la electricidad del mismo signo se repele, y de distinto tipo se atrae. Para distinguir estos dos tipos, se les da el nombre de "positivo" (+) y "negativo" (-).

    Estos fenómenos eléctricos se explican con la Teoría Atómica de Bhor:

    La materia está formada por moléculas y éstas, a su vez, por átomos. El átomo es, por tanto, la parte más pequeña de la materia. Pero, ¿de qué está constituido el átomo?.

    El modelo de Bhor nos da la siguiente explicación:

    Los átomos están formados por partículas aún más pequeñas: los protones y los neutrones, que se encuentran en el núcleo, y los electrones que se mueven alrededor del núcleo.

Diámetro del átomo  10-8 cm
Diámetro del electrón  10-13 cm
Masa del electrón  9,1 x 10-28 g
Masa del protón  1,673 x 10-24 g
Masa del neutrón  1,673 x 10-24 g
Carga del electrón  - 1,602 x 10-19 C
Carga del protón  +1,602 x 10-19 C


Fig. 1.2

    Veamos una animación:

    En cada capa hay uno o varios electrones. El número total de electrones de la corteza es igual al número de protones del núcleo, de tal manera que la carga eléctrica total de un átomo es nula.

Número de cargas negativas (electrones) = número de cargas positivas (protones) -> Conocido como número atómico (Z).

    Cuando un electrón salta de una capa a otra inferior, desprende energía radiante y para que un electrón salte de una capa a otra superior, es preciso comunicarle energía exterior.

    Un átomo es, como se ha dicho, eléctricamente neutro. Ahora bien, debido a fuerzas externas (generación de electricidad), puede perder o ganar electrones procedentes de otros átomos. En el caso de que gane o acepte electrones, se queda con exceso de carga negativa (es decir tiene más electrones que protones), por el contrario, cuando pierde o cede electrones, se queda con exceso de carga positiva (tiene más protones que electrones).

    En ambos casos, dicho átomo con exceso de carga (positiva o negativa) se comportará como si fuera él mismo una carga susceptible de moverse, siendo atraído o repelido, según el caso, por otras cargas. Debido a esa capacidad de moverse que tiene ahora ese átomo cargado se le da el nombre de ión (viajero, en griego).

El átomo que ha cedido electrones será un ión positivo o catión. 
El átomo que ha ganado electrones será un ión negativo o anión.

    En un átomo, los electrones están girando alrededor del núcleo formando capas. En cada una de ellas, la energía que posee el electrón es distinta. En efecto, en las capas muy próximas al núcleo, la fuerza de atracción entre éste (debido a los protones) y los electrones es muy fuerte, por lo que estarán fuertemente ligados. Ocurre lo contrario en las capas alejadas, en las que los electrones se encuentran débilmente ligados, por lo que resultará más fácil realizar intercambios electrónicos en las últimas capas y, por lo tanto, producir electricidad. 

    El hecho de que los electrones de un átomo tengan diferentes niveles de energía nos lleva a clasificarlos por el nivel energético (o banda energética)  en el que se encuentra cada uno de ellos.

    Por todo ello, para estudiar el comportamiento del átomo nos interesa la última capa porque es donde menos ligados están los electrones y más fácilmente pueden moverse provocando corriente eléctrica (a los electrones de esa última capa se les conoce con el nombre de electrones de Valencia) y, concretamente, las bandas que nos interesan son: la Banda de Valencia y la Banda de Conducción. 

    La Banda de Valencia es un nivel de energía en el que se realizan las combinaciones químicas. Los electrones situados en ella, pueden transferirse de un átomo a otro, formando iones que se atraerán debido a su diferente carga, o serán compartidos por varios átomos, formando moléculas.

    El átomo de Sodio (Na) tiene 11 electrones, 2 en la primera capa, 8 en la segunda y 1 en la tercera, y el Cloro (Cl) tiene 17 electrones, 2 en la primera, 8 en la segunda y 7 en la tercera. Debido a que todos los átomos tienden a tener 8 electrones en la última capa (regla o configuración del octete) el Sodio cederá 1 electrón al Cloro, con lo que el primero se quedará con 8 electrones en su ahora última capa, y en cambio el Cloro aceptará ese electrón pasando su última capa de 7 a tener 8 electrones.

    Así pues:        El átomo de Sodio, que ha perdido un electrón, se ha transformado en un ión positivo de Sodio:    Na -> Na+

                         El átomo de Cloro, que ha ganado un electrón, se ha transformado en un ión negativo de Cloro:    Cl -> Cl-

    Ambos se atraerán y formarán la molécula de Cloruro Sódico o Sal común (Cl Na)

    La Banda de conducción es un nivel de energía en el cual los electrones están aún más desligados del núcleo, de tal forma que, en cierto modo, todos los electrones (pertenecientes a esa banda) están compartidos por todos los átomos del sólido, y pueden desplazarse por éste formando una nube electrónica.

    Cuando a un electrón situado en la banda de valencia se le aporta energía del exterior, bien sea por temperatura, luz, etc., puede (al ganar energía) saltar a la banda de conducción, quedando en situación de poder desplazarse por el sólido y generar una corriente eléctrica.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    CONDUCTORES Y AISLANTES

    De lo anteriormente expuesto se concluye que hay sustancias que tienen más electrones en la Banda de Conducción que otras, o que un mismo material, cuando las condiciones exteriores cambian, se comporta de diferente manera. Cada capa electrónica puede tener un número determinado de electrones. En el caso de la última capa, que es la que origina la valencia o conducción, este número es de ocho, y todos los átomos tienden a completar su última capa con ocho electrones (regla del octete)

    Por ejemplo, un átomo que tenga siete electrones en la última capa, tendrá fuerte tendencia a captar uno de algún otro átomo cercano, convirtiéndose en un anión. En cambio, un átomo que tenga sólo un electrón en su última capa, tendrá tendencia a perderlo, quedándose con los ocho de la penúltima capa, y convirtiéndose en un catión. Estas posibilidades dependen del tipo de átomo, es decir del tipo de sustancia (hay 103 átomos distintos conocidos), y dan lugar a las combinaciones químicas o a la conducción eléctrica.

    La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres (en la Banda de Conducción) capaces de desplazarse se llama conductividad. 

    Estos materiales serán capaces, bajo la acción de fuerzas exteriores, de "conducir" la electricidad, ya que existen unas cargas eléctricas (los electrones) que pueden moverse en su interior.

    Basándose en el criterio de mayor o menor conductividad, se pueden clasificar los materiales en tres grupos: 

    Hasta ahora se ha hablado de la conducción eléctrica por medio de electrones; no obstante, existe otro mecanismo de conducción por medio de iones. Los gases y las disoluciones electrolíticas (disoluciones de sustancias iónicas, tales como ácidos, sales, álcalis) pueden conducir la electricidad por medio de iones. A este tipo de conductores, para distinguirlos de los metales, se les denomina conductores de segunda especie.

    Practica, arrastrando la palabra conductor o aislante a cada material que aparece en el siguiente ejercicio:

    Y ahora arrastra los materiales que sean conductores e insértalos en el circuito (entre los dos clips, que hacen de conectores):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    ELECTROMAGNETISMO

    Electricidad y magnetismo son dos fenómenos que están íntimamente relacionados. En ambos se producen fuerzas de atracción o repulsión, de tal forma que cuando se enfrentan dos polos magnéticos o dos cargas eléctricas del mismo tipo se repelen y cuando son dos polos o cargas de distinto tipo se atraen.

    Además, gracias a los descubrimientos de físicos como Oersted, Faraday, Lenz, etc., sabemos que una corriente eléctrica genera a su alrededor un campo magnético y que un campo magnético puede generar una corriente eléctrica.

    Alrededor de un conductor rectilíneo recorrido por corriente eléctrica se crea un campo magnético en cada punto del mismo formando circunferencias concéntricas (para averiguar el sentido de las líneas de fuerza magnéticas se sigue la regla del sacacorchos). Cuanta mayor sea la Intensidad de la corriente mayor será la Intensidad del campo magnético. Y conforme más alejados estemos del conductor menor será la fuerza de atracción/repulsión magnética; parecido a lo que sucede con el campo eléctrico creado por una carga.

    Si a dicho conductor le damos forma circular (una vuelta), en vez de rectilíneo, en el interior de dicho conductor se suman los campos magnéticos de todos los puntos, siendo el centro el punto de mayor Intensidad del campo. A este tipo de conductor se le llama espira. Y si en vez de una vuelta le damos n vueltas estaremos multiplicando n veces el campo magnético; este elemento recibe el nombre de bobina.

    Y sabemos que no todas las sustancias transmiten por igual el magnetismo, al igual que sucede con la electricidad. Recordemos que un imán atrae al hierro (y al níquel y al cobalto) y sus aleaciones, y esto hace que, a su vez, estos materiales puedan ser magnetizados permanentemente gracias a un campo magnético externo; propiedad conocida como ferromagnetismo, a diferencia de las sustancias paramagnéticas que son atraídas, pero no se convierten en imanes permanentes, y de las sustancias diamagnéticas que ni siquiera son atraídas, siendo incluso repelidas. Esto nos lleva a pensar en introducir una sustancia ferromagnética en el interior (como núcleo) de una bobina, convirtiéndose en un imán de origen eléctrico y conocido con el nombre de electroimán.

    En cuanto al efecto contrario (generar electricidad a partir de un campo magnético), hay que decir que si tenemos una bobina inmersa en un campo magnético, ésta cortará las líneas de fuerza magnéticas del campo. La condición para que se genere corriente eléctrica a través de la bobina es que haya una variación del campo magnético, y esto se consigue con un campo magnético variable o aportando movimiento (energía mecánica) para que, por ejemplo, al girar la bobina en presencia de un campo magnético fijo, el número de líneas de fuerza que corte la bobina cambie continuamente, creándose una corriente alterna. Estos generadores de corriente alterna se denominan alternadores.

    El experimento de Oersted

    En 1819 el físico danés H. C. Oersted estaba experimentando con circuitos, cuando ocurrió algo inesperado. Sobre la mesa de su laboratorio había una brújula cercana a los cables del circuito y comprobó con sorpresa que el imán de su aguja se desviaba cada vez que circulaba corriente por el cable.

    Observa en la siguiente animación el descubrimiento de Oersted:
 

    Gracias a este fenómeno podemos construir un electroimán, mucho más potente que los imanes naturales, simplemente haciendo pasar corriente eléctrica por un cable enrollado (bobina) alrededor de una pieza de hierro (núcleo).

  En este vídeo puedes observar el experimento que  realizó Oersted: cuando circula corriente eléctrica por  el circuito, la brújula detecta un campo magnético.

  Del mismo modo, cuando enrollamos el cable dando  varias vueltas alrededor de la brújula, esta detecta
 un campo magnético mayor.

Las corrientes eléctricas son las causantes de los campos magnéticos

    El experimento de Faraday

    Algunos años más tarde, en 1831, el físico inglés M. Faraday se preguntó lo siguiente: si con la corriente eléctrica se puede simular el efecto de un imán, ¿funcionará también al contrario? Es decir, ¿podré obtener corriente eléctrica a partir de un imán?

    Observa lo que comprobó Faraday con uno de sus experimentos:

    La respuesta a la pregunta que se había hecho Faraday era afirmativa: un imán crea una corriente eléctrica en un cable cuando el imán o el cable se ponen en movimiento (en realidad cuando varía el campo magnético que atraviesa el cable o bobina).

    Aquí tienes algunos otros de los experimentos que realizó Faraday:

 Este video muestra el experimento de Faraday.

 Como ves, cuando introducimos un imán en una  espira, comprobamos que la aguja detecta corriente  eléctrica.

 Esa corriente eléctrica circula por el cable, lo que quiere  decir que el movimiento del imán genera corriente  eléctrica en el circuito.

El movimiento
del imán genera
corriente eléctrica.

 

El giro de la
bobina genera
corriente eléctrica.

 Otro ejemplo de los experimentos de Faraday consiste en  dar vueltas rápidamente a una bobina situada en el interior de un campo magnético creado por unos  imanes.

 Observa en el vídeo que el movimiento de la bobina genera electricidad; ¡la bombilla se enciende!.

Cuando varía el campo magnético dentro de una bobina, se crea una corriente eléctrica.
 

    Este es el fundamento de las actuales centrales eléctricas. En los experimentos de Faraday, él mismo daba vueltas a una bobina introducida en un campo magnético. En las centrales eléctricas, es la fuerza del agua (central hidráulica), del viento (central eólica) o del vapor de agua (centrales térmicas) la que da vueltas a una enorme turbina acoplada (en el mismo eje) a un alternador.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        FORMAS DE PRODUCIR ELECTRICIDAD

    En orden de menor a mayor importancia (por la cantidad de electricidad generada):

        - Por frotamiento (aportando e. mecánica de fricción): Esta forma se debe a la fricción entre dos cuerpos, de distinto comportamiento eléctrico, que hace arrancar electrones de uno (ión positivo) y aportarlos al otro (ión negativo). Sólo produce electricidad estática, que en general es perjudicial, pero que el hombre ha sabido aprovechar en máquinas como la fotocopiadora.

        - Por presión (aportando e. mecánica de presión): Es la forma de producir electricidad gracias a la propiedad (piezoelectricidad) que poseen ciertos materiales (como el cristal de cuarzo) de desprender electrones al ser presionados. Genera muy poca corriente y por ello tiene un uso muy limitado. Citaremos como ejemplo el reloj-oscilador y el mechero de cocina.

        - Por calor (aportando e. térmica o calorífica): En esta ocasión aprovechamos la propiedad (termoelectricidad) de ciertos materiales de emitir electrones al ser calentados. Es el caso de los termopares y de los cátodos o electrodos que podemos ver en los tubos fluorescentes y en los tubos de imagen de los televisores TRC.

    Y las formas más importantes son:

        - Por luz (aportando e. luminosa): Al incidir la luz sobre ciertos materiales (fotoeléctricos) se genera una corriente eléctrica que, aunque pequeña, tiene la ventaja de ser continua, gratuita, inagotable y no contaminante. Es el caso de las fotocélulas solares que, conectando muchas de ellas (formando un panel solar), nos pueden proporcionar una gran cantidad de energía eléctrica.

        - Por acción química (aportando e. química): Mediante reacciones químicas podemos conseguir generar corriente continua de pequeño voltaje a un bajo precio. Es el caso de las pilas y baterías.

        - Por acción magnética y mecánica (aportando e. magnética y mecánica): Según lo descrito en el capítulo anterior, se consigue generar una gran cantidad de energía eléctrica al mover (girando) un bobinado dentro de un campo magnético (que puede estar creado por imanes o por electroimanes). Es el caso de las dinamos de las bicicletas y los alternadores de los vehículos y de las centrales eléctricas. En el caso de las centrales, el movimiento se consigue gracias a una turbina (un eje con unas aspas llamadas álabes) cuyos álabes son movidos por el aire (central eólica), por el agua (central hidráulica), por el vapor generado al calentar agua con algún combustible (centrales térmicas), ...

 

    Veamos con detalle los generadores más importantes:

    Células solares:

Para aprender cómo se fabrica una célula solar pincha sobre el enlace: http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/03_celula/01_basico/3_celula_05.htm

 

    Pilas y baterías:

 

 

    Alternadores y dinamos:

    Los alternadores (y dinamos) quedaron explicados en el capítulo de electromagnetismo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA

    Existen dos tipos básicos de corriente eléctrica:

        - Corriente Continua (c.c., en inglés d.c.): Es el tipo de corriente producido por las pilas, baterías y células solares, en las que el valor de tensión permanece constante a lo largo del tiempo, es decir, no va cambiando según el instante.

        - Corriente Alterna (c.a., en inglés a.c.): Es el tipo de corriente producido por los alternadores, en los que el voltaje va cambiando instante a instante y alternando valores positivos con negativos según una forma de onda senoidal. Esto es debido a la manera con que se produce la electricidad (girando el bobinado en el seno de un campo magnético). El valor eficaz de la corriente alterna que llega a nuestras casas es de 220V (380V si es trifásica) y varía con una frecuencia de 50 Hz, siendo el valor máximo o de pico de 311V.

    Para observar la forma de estas corrientes recurriremos a un aparato llamado osciloscopio (ORC) que puede medir las señales eléctricas en tiempo real. Veamos:

    Además, existe otro tipo de corriente llamada Corriente Pulsatoria, que es la producida por las dinamos y en la que el voltaje va cambiando instante a instante, pero sin alternar, ya que siempre son valores positivos. Es una especie de corriente alterna rectificada que, a efectos de cálculo, suele considerarse más una corriente continua.

    Y también mencionaremos otro tipo de corriente eléctrica, la señal eléctrica cuadrada, muy usada en los sistemas de control electrónicos y generada por osciladores o relojes de cristal de cuarzo para sincronizar el funcionamiento de los elementos del sistema. Es el caso de los ordenadores.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    EFECTOS QUE PROVOCA LA ELECTRICIDAD Y PARA QUÉ LA USAMOS

    Los efectos directos que provoca la corriente eléctrica a su paso por un cuerpo son dos:

        - Calor, debido a la fricción en el movimiento de los electrones, y

        - Un campo magnético, según lo explicado en el capítulo de electromagnetismo.

    En general estos efectos son perjudiciales ya que ambos pueden afectar negativamente a la salud de los seres vivos y dañar máquinas, aparatos y sistemas. Es peligroso el calor, pero también los campos magnéticos provocados por los aparatos eléctricos, unos más que otros. En general se aconseja usarlos lo menos posible (el tiempo estrictamente necesario) y tenerlos a la mayor distancia que podamos; a menor tiempo y a mayor distancia los efectos son menores.

    Las descargas eléctricas pueden producir desde pequeños calambres a serias quemaduras y contracciones musculares que pueden provocar la muerte.

Hay que adoptar algunas precauciones básicas:


 
- No se debe manipular el interior de ningún aparato eléctrico mientras está conectado a la red.

 
- No se debe tocar ningún aparato eléctrico que está encendido si tenemos las manos o los pies mojados. El motivo es que la humedad facilita notablemente el paso de la corriente eléctrica por nuestro cuerpo. Por eso es tan peligroso manejar aparatos eléctricos en el cuarto de baño.

    Por otra parte, el hombre ha sabido aprovechar estos efectos para su propio beneficio, inventando elementos y aparatos que han resuelto determinados problemas o que nos han hecho la vida más cómoda (¿a qué precio?). En general, usamos la electricidad para producir luz (bombillas, tubos fluorescentes, etc.), movimiento (motores), sonido (timbres) y, por supuesto, calor (resistencias como las de los radiadores eléctricos, vitrocerámicas, hornos, etc.) y magnetismo (electroimanes).

    Pensemos, eso sí, que con tan sólo el calor o el magnetismo que provoca la electricidad somos capaces de hacer funcionar todos esos aparatos. A modo de ejemplo citaremos que una bombilla (lámpara de incandescencia) produce luz gracias a que un trozo de metal (un filamento de Wolframio) se calienta hasta tal punto (unos 3000ºC) que emite luz blanca, o que un motor se mueve gracias a las fuerzas de atracción o repulsión magnéticas, al igual que el timbre, donde esas fuerzas de origen magnético se aprovechan para golpear un metal y producir sonido. Todo esto sin mencionar la rama de la electrónica, que explicamos en tema aparte. A continuación se explican con detalle estos usos de la electricidad.

    En efecto, se usa la electricidad en todos los sectores de nuestra sociedad. Dada su adaptabilidad, no existe ninguna actividad económica que no utilice la electricidad. Veamos algunos ejemplos:

    En las fábricas
    La industria utiliza aproximadamente la mitad de la energía eléctrica, una cuarta parte de su consumo de energía. La electricidad tiene muchos usos en las fábricas: se utiliza para mover motores, para obtener calor y frío, para procesos de tratamiento de superficies mediante electrólisis, etc. Una circunstancia reciente es que la industria no sólo es una gran consumidora de electricidad, sino que, gracias a la cogeneración, también empieza a ser productora.

    En el transporte
    Tan sólo el transporte público (incluyendo el tren) emplea energía eléctrica. No obstante, se lleva ya tiempo trabajando en versiones eléctricas de los vehículos de gasolina, pues supondrían una buena solución para los problemas de contaminación y ruido que genera el transporte en las ciudades. Incluso es posible (aunque no habitual) emplear la electricidad para hacer volar un avión.

El aparato diseñado por la NASA y AeroVironment convierte energía solar en energía mecánica para hacer volar un aeroplano, a través de la electricidad.

El avión está diseñado para moverse a unos 30 km de altura, a una velocidad de 40 km/h. Tiene un peso de 700 kg, incluyendo unos 100 kg de carga útil. Se cree que podrá sustituir a los satélites en muchas aplicaciones (teledetección y telecomunicaciones).
 

    En la agricultura
    Especialmente para los motores de riego, usados para elevar agua desde los acuíferos, y para otros usos mecánicos.

    En los hogares
    La electricidad se utiliza en los hogares para usos térmicos (calefacción, aire acondicionado, agua caliente y cocina), en competencia con otros combustibles como el butano, el gasóleo, el carbón y el gas natural, siendo la única energía empleada para la iluminación y los electrodomésticos.

    En el comercio, la administración y los servicios públicos (como los centros educativos)
    De manera similar a como se utiliza en el sector doméstico, con el elemento añadido de un uso cada vez mayor de los sistemas de procesamiento de la información y de telecomunicaciones, que necesitan electricidad para funcionar.
 

    ¿Para qué la usamos?

    La electricidad debe ser convertida en otras formas de energía para que se pueda realizar un trabajo útil. Un ejemplo típico es la conversión que tiene lugar en una lavadora.


    Aquí examinaremos las cuatro formas de conversión más habituales:

    En luz
    En movimiento
    En calor y frío

En sonido

    En energía química

En magnetismo
    Y el uso de una rama de la electricidad, la electrónica, para procesar información y formar sistemas de control y amplificación (se verá en tema aparte)

 

    Conversión de la electricidad en luz: iluminación

    Existen dos métodos básicos de producir luz a partir de la electricidad: Incandescencia y Fluorescencia.

    Las lámparas de incandescencia utilizan la propiedad de algunos materiales de emitir luz cuando la corriente eléctrica los calienta a elevadas temperaturas. Esto ocurre en el filamento (de wolframio o tungsteno) de las bombillas convencionales. Por desgracia, el proceso emite tanta luz como calor, por lo que es poco eficiente.


    Las lámparas de fluorescencia aprovechan la propiedad de ciertos materiales de emitir luz cuando incide sobre ellos un flujo de electrones. El proceso es mucho más "frío" que en el caso anterior y, por lo tanto, más eficiente. En estas lámparas se necesita un elemento que arranque el tubo, el cebador, y un elemento que ajuste la tensión del tubo, la reactancia. Inicialmente las láminas del cebador están abiertas, al cerrar el circuito se ioniza el gas del cebador y se ceba un arco.  El arco calienta las láminas, estas se deforman y hacen contactoSe cierra el circuito y la corriente calienta los filamentos de la lámpara  iniciándose una descarga oscura en el tubo.  Como ahora no se produce descarga en el cebador, las láminas se enfrían y se abren, lo cual produce una sobretensión, a través de la reactancia, que enciende el tubo (como se ve en el dibujo, cuando los filamentos se calientan emiten electrones y estos chocan contra el mercurio produciendo luz ultravioleta, invisible para el ojo humano, que al colisionar contra el revestimiento interior del tubo produce luz blanca). Como en esta situación la tensión en bornes del cebador es menor a la de cebado del arco, el gas no se calienta y no se deforman las láminas.

    Veamos, por último, los tipos de lámparas más comunes:

 

    Conversión de la electricidad en movimiento: los motores eléctricos

    Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica y se encuentran en todas partes: en las locomotoras del ferrocarril, el compresor del frigorífico, en la lavadora o el mecanismo de arrastre del reproductor de vídeo. Se pueden construir en todos los tamaños imaginables, y son mucho más adaptables, silenciosos y menos contaminantes que los motores de vapor o los de combustión (gasolina o diesel).

    En esencia consta de unas bobinas o electroimanes dispuestos alrededor de un eje que al ser recorridos por corriente eléctrica generan unos campos magnéticos que se enfrentan al campo magnético en el que están inmersos (producido por unos imanes o unos electroimanes) generando unas fuerzas de repulsión que hacen que se desplace el bobinado y, por consiguiente, gire el eje.

Un motor eléctrico no es más que un generador (dinamo o alternador) funcionando a la inversa; absorbe corriente eléctrica (y magnética) para producir movimiento.

    Y al cambiar la polaridad eléctrica aplicada al motor, cambia el sentido de giro del motor:

    Si quieres repasar y aprender más cosas sobre el motor, sigue la siguiente película flash realizada por el profesor Cristóbal Sánchez:

 

    Conversión de la electricidad en energía térmica: calor y frío

    La electricidad puede utilizarse para producir calor y para producir frío (conversiones muy distintas): calefacción, refrigeración, aire acondicionado, agua caliente y cocina.

    Un elemento conductor preparado para aguantar una gran temperatura, la resistencia, genera calor al ser recorrida por corriente. Esta propiedad se usa en estufas, radiadores, hornos convencionales, vitrocerámicas, etc. Los hornos microondas son algo más sofisticados: un magnetrón emite ondas de alta frecuencia (microondas) al recibir corriente eléctrica y estas ondas penetran en el alimento moviendo sus moléculas de agua y, por lo tanto, calentándolo. El microondas calienta por igual todas las partes del alimento mientras que en el horno el calor va de fuera hacia dentro.

    Para producir frío, la electricidad debe seguir un camino muy distinto: Se utiliza un circuito hidráulico cerrado por donde circula un gas y el proceso se completa gracias a un motor-compresor. Se basa en el llamado ciclo termodinámico de Carnot, y se necesita un fluido refrigerante (el gas) que pueda evaporar a una baja temperatura (algo superior a la temperatura ambiente). Antiguamente se empleaban fluidos clorofluorocarbonados, CFCs, que por su contribución a la destrucción de la capa de ozono se sustituyeron a partir de 1978 (protocolo de Montreal) por los actuales hidrofluorocarbonos, HFCs, aunque éstos también deben sustituirse (protocolo de Kyoto) al contribuir al calentamiento global por ser gases invernadero potentes.

    El circuito pasa por la parte interna y por la parte externa de la pared posterior del aparato siguiendo el siguiente ciclo:

  1. El fluido circula por la parte interna en estado líquido y frío, así que toma calor de los alimentos (y por consiguiente los enfría).

  2. Al aumentar la temperatura del fluido éste se evapora convirtiéndose en gas y así pasa a la parte exterior en donde, al circular por el serpentín, va cediendo el calor que tomó al ambiente hasta igualar su temperatura con la del exterior.

  3. Dicho fluido llega ahora al compresor como gas, a baja presión y a temperatura ambiente. El compresor lo comprime (reduce su volumen) y el fluido se licúa.

  4. Finalmente pasa a través de un estrechamiento hacia el interior. Ahí, al disminuir la presión, el fluido se expande y se enfría, quedando así en disposición de absorber nuevamente el calor de los alimentos y empezando un nuevo ciclo.

 

    Conversión de la electricidad en sonido: el timbre

    Un timbre, en general, consta de un electroimán que al paso de la corriente eléctrica genera un campo magnético. Este campo se aprovecha para atraer a una pieza de hierro móvil que golpeará a un elemento metálico, produciendo sonido. El elemento golpeador (martillo) puede impactar contra una campana, produciendo un único sonido, o puede impactar contra dos campanas (una al pulsar y otra al soltar el pulsador) produciendo el clásico din-don. Otra variante es hacer que suene (golpee) continuamente mientras pulsamos y para ello lo que hacemos es conectar el propio elemento móvil en serie con el circuito, lo que hará que interrumpa y permita el paso de corriente continuamente. Veamos:

 

    Conversión de la electricidad en magnetismo: electroimanes

    Además del uso en motores y timbres, los electroimanes se usan como potentes imanes en las grúas de los desguaces (para levantar los coches) y, sobre todo, en los alternadores de las centrales eléctricas y de los automóviles, gracias a que son más potentes que los imanes naturales y pueden controlarse (conectarse, desconectarse y regular su intensidad) eléctricamente.

 

    Conversión de la electricidad en energía química: la electrólisis

    La palabra electrólisis procede de electro (electricidad) y lisis (ruptura). Es el efecto contrario a una pila. Se trata de descomponer sustancias ionizadas llamadas electrolitos mediante una corriente eléctrica. Por ejemplo, al aplicar corriente al sulfato de cobre éste se separa en sus componentes. El cobre liberado es atraído por la carga eléctrica de la placa de metal y se deposita sobre ella como una fina capa de cobre metálico.

    El proceso electrolítico consiste en lo siguiente:

  • Se funde o se disuelve el electrolito en un determinado disolvente, con el fin de que dicha sustancia se separe en iones.

  • Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a un generador de c.c. y sumergidos en la disolución. El electrodo conectado al polo negativo se conoce como cátodo, y el conectado al positivo como ánodo.

  • Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones positivos (cationes) son atraídos al cátodo, mientras que los iones negativos (aniones) se desplazan hacia el ánodo.

 

    Veamos una animación de la hidrólisis del agua:

    Otro ejemplo de aplicación es la recarga de las baterías, donde el flujo de electrones de la corriente hace reaccionar el ácido sulfúrico con el sulfato de plomo, proporcionando otra vez óxido de plomo en un electrodo y plomo metálico en el otro, dejando a la batería lista para proporcionar otra vez energía eléctrica.

    La electrólisis de las sustancias permitió inferir que la materia es de naturaleza eléctrica.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    CIRCUITOS ELÉCTRICOS

    Un circuito eléctrico es el conjunto de elementos (operadores eléctricos) que se conectan entre sí para hacer circular una corriente eléctrica y provocar algún efecto.

    ¿Te has fijado alguna vez en cómo funciona una linterna? Al cerrar el interruptor de la linterna se produce una corriente eléctrica debido a la circulación continua de los electrones. Esa corriente eléctrica atraviesa los diferentes componentes del circuito. Mueve el cursor por los diferentes elementos y haz clic en el interruptor para encender la linterna:

    Para ello, necesitamos al menos los siguientes elementos:

        - Generador: Elemento que genera la corriente eléctrica: Pilas, baterías, células solares, dinamos, alternadores.

        - Conductor: Camino por el que circulan los electrones: Hilos, cables, pistas, barras, pletinas.

        - Receptor: Elemento que recibe la corriente eléctrica y la convierte en un efecto determinado: Lámparas, motores, timbres, resistencias, electroimanes.

    Y para mejorar dicho circuito se usan también los siguientes elementos:

        - Elementos de mando o maniobra, para controlar el paso de corriente a nuestro gusto o necesidad: Pulsadores, interruptores, conmutadores, cruzamientos.

        - Elementos de conexión, para poder conectar unos elementos con otros: Enchufes, portalámparas, portapilas, regletas de conexión.

        - Elementos de protección, para evitar daños innecesarios debidos a algún tipo de anomalía o avería: Fusibles, interruptores diferenciales, interruptores magnetotérmicos.

    Para representar un circuito se realizará un dibujo del mismo, un esquema, en el que aparecerán los diversos elementos que lo forman. Pero no se harán los dibujos reales sino que se emplearán unos símbolos normalizados, que son más rápidos de dibujar y son estándar a nivel internacional. Lo primero será, pues, aprender los símbolos de cada elemento.

    Símbolos básicos:

    Veamos la correspondencia entre el dibujo real y su símbolo:

    Y con estos símbolos ya podemos dibujar un circuito como el siguiente (esquema de una linterna), en el que se puede observar que el generador se dibuja a la izquierda, el receptor a la derecha y el elemento de mando en la parte superior, dejando abajo la conexión directa generador-receptor:

    Obviamente, para que circule la corriente eléctrica debe haber un camino cerrado (que empiece y finalice en el generador), y esto es lo que se aprovecha para cortar o permitir el paso de corriente mediante los elementos de mando.

    En el caso de los interruptores, al actuar sobre ellos la corriente circula o se corta indefinidamente hasta que volvamos a darles. Veamos:

    Y con pulsadores sería muy similar, sólo que en este caso la corriente circula (pulsador normalmente abierto) o se corta (pulsador normalmente cerrado) únicamente mientras tengamos pulsado.

 

    Practiquemos el dibujo de circuitos:

 

    Formas de conectar varios elementos o aparatos en un circuito:

    Los aparatos y dispositivos eléctricos pueden conectarse a un circuito de dos formas: En SERIE y en PARALELO.

    En Serie:

    En serie, los elementos se conectan uno a continuación del otro:

 Circuito eléctrico con seis bombillas conectadas en serie.

 Cuando colocamos las seis bombillas en línea, una a continuación de la otra sobre el mismo cable,  estamos realizando una conexión en serie.

 Como ves en el vídeo, cuando desconectamos una de las bombillas, todas dejan de funcionar.
 

    La conexión en serie es poco frecuente. Veamos qué ocurre cuando falta o se funde una bombilla:

 

    En Paralelo:

    En paralelo, los elementos se conectan bifurcando el camino y colocando cada elemento en un camino distinto, uniéndose por un lado los extremos iniciales y por otro lado los finales:

 Circuito eléctrico con tres bombillas conectadas en paralelo.

 Cuando el cable del circuito se bifurca y colocamos los elementos en distintos caminos, estamos realizando una conexión en paralelo.

 Como ves en el vídeo, cuando desconectamos una de las bombillas, las restantes siguen funcionando perfectamente.
 

    Casi todos los circuitos eléctricos que usamos están en paralelo. Veamos qué ocurre cuando falta o se funde una bombilla:

 

    RESUMEN:

 

    Para practicar lo aprendido realiza el siguiente ejercicio:

    Circuito Mixto: Es aquel circuito en el que los elementos (ya sean generadores, receptores o elementos de mando) no están todos en serie ni están todos en paralelo, sino que unos están en serie y estos, a su vez, están conectados en paralelo con otro/s o al revés. Veamos un ejemplo de circuito mixto, en este caso de interruptores:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    RESOLUCIÓN DE CIRCUITOS

 

        RESOLUCIÓN DE CIRCUITOS DE C.C.:

 

MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS

 

MAGNITUD

Símbolo

CONCEPTO

UNIDAD

Símbolo

RELACIONES

CARGA

ELÉCTRICA

Q

Cantidad de electricidad o número de electrones (e-) que tiene un cuerpo.

Culombio

C

 

1C=6,2·1018e-

 

INTENSIDAD

DE CORRIENTE

ELÉCTRICA

I

Cantidad de carga que atraviesa un conductor cada segundo. Es la magnitud eléctrica más importante.

Amperio

A

I=Q/t  (1A=1C/s)

Ley de Ohm: I=V/R

(1A=1V/W)

VOLTAJE

O TENSIÓN

ELÉCTRICA

U (V)

Diferencia de potencial eléctrico (d.d.p.) que existe entre dos puntos de un circuito1.

Voltio

V

VAB  ->  V=I·R

VAB=VA-VB=WB->A/Q

 

RESISTENCIA

ELÉCTRICA

R

Oposición que presenta todo cuerpo al paso de la corriente eléctrica.

Ohmio

W

R=V/I

R=r·l/S

[r]= W·mm2/m

POTENCIA

ELÉCTRICA

P

Es la energía eléctrica desarrollada (generada o consumida) cada segundo.

Vatio

W

P=V·I  (1W=1V·A)

(P=R·I2 ; P=V2/R)

P=E/t

ENERGÍA

ELÉCTRICA

E

Es la capacidad de realizar un trabajo de origen eléctrico.

Julio

(kilovatio-hora)

J

(kW·h)

E=P·t=V·I·t

1J=1W·s (1cal=4,18J)

1kW·h=3,6·106J

1 Si se trata de un generador se la llama fuerza electromotriz (f.e.m.), al ser el elemento que establece esa d.d.p., y se simboliza por e (para diferenciarla).

    En cuanto a la tensión o voltaje, hay que aclarar un concepto: En un circuito la electricidad fluye únicamente gracias a que existe una diferencia de potencial entre sus extremos. Eso sí, para que esa diferencia de potencial persista se necesita un generador, cuya única misión es establecer o mantener esa d.d.p.

    Para aclarar este hecho se puede recurrir a un símil hidráulico para comparar el circuito eléctrico con dos depósitos de agua situados a diferente altura y comunicados con una tubería (un conductor en el circuito eléctrico). El hecho de tener una diferencia de altura (d.d.p. en el circuito eléctrico) es suficiente para que el agua baje por gravedad y mueva a su paso un molino (un receptor en el circuito eléctrico). Eso sí, para que no se pare el molino (receptor) y siga circulando el agua (circulación de electrones en el circuito eléctrico) se necesita una bomba (un generador en el circuito eléctrico) que vuelva a subir el agua y mantenga esa diferencia de altura (d.d.p.). Además, en el circuito hidráulico podemos incorporar una llave de paso (en el circuito eléctrico sería un elemento de mando como el interruptor, que debido a esta analogía también es conocido como llave). Y en cuanto al generador, se puede considerar que la corriente eléctrica fluye dentro de él desde el negativo hasta el positivo (estableciendo la d.d.p.), para que en el exterior pueda fluir de positivo a negativo (igual que en la bomba el agua va de abajo a arriba, estableciendo la diferencia de altura, para que luego vaya de arriba a abajo por simple gravedad). Veamos:

 

    Y resolver un circuito eléctrico significa calcular las magnitudes básicas, Intensidad (I), Tensión (V) y Potencia (P), de todos y cada uno de los elementos del circuito. La Resistencia (R) suele ser un dato del circuito; en caso contrario también habrá que calcularla. Además, como todo cuerpo presenta una determinada resistencia cuando pasa por él una corriente eléctrica, podemos sustituir o representar cualquier receptor por una resistencia (únicamente a la hora de resolver el circuito).

La ley de Ohm es la fórmula más importante ya que relaciona las magnitudes básicas que intervienen en los circuitos eléctricos: I=V/R

    Practiquemos un poco:

 

    Criterio de signos: A la hora de resolver un circuito representaremos con una flecha el sentido de la Intensidad de corriente y con distintas flechas la tensión de cada elemento. Para ello se adopta el criterio convencional (antiguo) que supone que la corriente va desde el polo positivo al negativo por el exterior de la pila (aunque sabemos que en realidad va al contrario). Así, las flechas de las Intensidades se dibujan yendo del positivo al negativo del generador, mientras que en el caso de las tensiones la punta de la flecha indica el positivo del voltaje de ese elemento. Con ello:       

En un generador la corriente va a favor de la f.e.m.

En un receptor (se incluyen los conductores) el voltaje va en contra de la corriente.

    Asociación de elementos en un circuito:   

        En Serie: Observa en esta tabla cómo son las intensidades y los voltajes del circuito en serie:

INTENSIDAD VOLTAJE
 En este tipo de conexión, como solo hay  un camino para la corriente eléctrica, la  intensidad es la misma en cualquier
 punto del circuito.

 El voltaje varía de unos puntos a otros,  pues cada elemento necesita “su voltaje”  para funcionar.
 La suma de todos los voltajes ha de ser
 el que nos proporciona la pila.

                    - Todos son atravesados por la misma intensidad de corriente:

                                                                        Misma I         ITOTAL= I1 = I2 = I3 = ···

                    - La tensión total se reparte. Cada elemento tiene su propia tensión:

                                                                        Distinta V       VTOTAL= V1+V2+V3+ ···        

                    - Por ello:    RTOTAL= R1 + R2 + R3 + ···

En serie se suman las resistencias. Por lo tanto, aumenta la resistencia; la total será mayor que la mayor.

 

        En Paralelo: Observa en esta tabla cómo son las intensidades y los voltajes del circuito en paralelo:

INTENSIDAD VOLTAJE
 La intensidad de corriente se reparte
 entre los distintos caminos del circuito, y  la suma de las intensidades de todas
 las ramas es la intensidad total “que
 sale de la pila”.

 
 En cambio, el voltaje es el mismo en  todas las ramas del circuito: es el voltaje  que suministra la pila.
 

                    - Todos tienen la misma tensión:

                                                                        Misma V        VTOTAL= V1 = V2 = V3 = ···

                    - La intensidad total se reparte. Cada elemento es recorrido por una intensidad:

                                                                       Distinta I        ITOTAL= I1+I2+I3+ ···

                    - Por ello: RTOTAL =                        1                                   

                                                                             1    +     1    +    1   + ...

                                                           R1        R2     R3     

En paralelo se calcula como el inverso de la suma de los inversos. Por lo tanto, disminuye la resistencia; la total será menor que la menor.

        RESUMEN:

En la conexión en serie la intensidad es la misma en cualquier punto del circuito, pero el voltaje se reparte entre los distintos elementos.
En la conexión en paralelo la intensidad se reparte entre las diferentes ramas del circuito, pero el voltaje es el mismo en todas las ramas.

 

 

    Pasos para resolver un circuito:

        Circuito Serie:

        1º Se calcula la RT (como la suma de las resistencias de los elementos) para conocer la Resistencia equivalente del circuito, que será la que tenga que alimentar el generador.

        2º Se calcula la IT (IT= eT/RT) que debe suministrar el generador a todo el circuito.

        3º Como en un circuito serie la Intensidad que circula por todos los elementos es la misma, ya conocemos la I que recorre cada elemento por ser la misma que recorre el generador (IT = I1 = I2 = I3 = ···), por lo que podemos calcular su tensión con la ley de Ohm (V=I·R).

        4º Se calcula la Potencia de cada elemento (P=V·I) y se hace balance de potencia (la potencia total generada debe ser igual a la potencia total consumida: SPG = SPC).

 

        Circuito Paralelo:

        1º Se calcula la RT (como el inverso de la suma de los inversos) para conocer la Resistencia equivalente del circuito, que será la que tenga que alimentar el generador.

        2º Se calcula la IT (IT= eT/RT) que debe suministrar el generador a todo el circuito.

        3º Como en un circuito paralelo la Tensión que tienen todos los elementos es la misma, ya conocemos la V que tiene cada elemento por ser la misma que la f.e.m. del generador (VT = V1 = V2 = V3 = ···), por lo que podemos calcular su Intensidad con la ley de Ohm (I=V/R).

        4º Se calcula la Potencia de cada elemento (P=V·I) y se hace balance de potencia (la potencia total generada debe ser igual a la potencia total consumida: SPG = SPC).

 

        Circuito Mixto:

        1º Se calcula la RT, en esta ocasión paso a paso, por partes. Primero se calcula la resistencia equivalente de los elementos serie (o paralelo) que veamos y se hace un nuevo dibujo del circuito en el que sustituiremos esos elementos por su resistencia equivalente. Observamos de nuevo el circuito y volvemos a resolver el paralelo (o serie) que nos salga y dibujamos de nuevo el circuito sustituyendo estos últimos por su resistencia equivalente, y así hasta llegar a un circuito serie o paralelo puro, realizando tantos dibujos del circuito (nombrándolos como a, b, c, etc.) como sean necesarios.

        2º Se calcula la IT (IT= eT/RT) que deben suministrar las pilas.

        3º Por partes, aplicar la ley serie o paralelo (según el caso) y la ley de Ohm hasta sacar los valores de I y V de todos los elementos. Hay que empezar por el último dibujo del circuito, que será el más sencillo y donde dispondremos del dato de la IT, y después se irán resolviendo el resto de dibujos por orden hasta llegar al primero (a).

        4º Hallar la P de todos los elementos (P=V·I) y hacer balance de potencia (la potencia total generada debe ser igual a la potencia total consumida: SPG = SPC).