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.
El electrón, el protón, el
neutrón.
El electrón
tiene una masa muy pequeña y una unidad de carga eléctrica, del
tipo que llamamos negativa.
El protón
tiene una masa mucho mayor que el electrón y también una unidad
de carga eléctrica, pero del tipo que llamamos positiva.
El neutrón
no tiene carga eléctrica y posee una masa igual que la del
protón.
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
El átomo está formado por núcleo
y corteza.
En el núcleo
se encuentran aglutinados protones y neutrones, en número
diferente según el elemento de que se trate.
Por ejemplo, el hidrógeno tiene un solo protón. En cambio el
sodio tiene once protones y doce neutrones.
La corteza
está formada por capas, en las cuales giran los electrones en
órbitas circulares alrededor del núcleo.
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:
CONDUCTORES:
Son aquellos con gran número de electrones en la
Banda de Conducción, es decir, con gran facilidad
para conducir la electricidad (gran conductividad).
Conductores son todos los metales (unos mejores que
otros), además de otras sustancias como el grafito. Buenos conductores son: el cobre, el
aluminio, el oro, la plata, el estaño. Malos conductores son: el hierro,
el plomo.
AISLANTES O
DIELÉCTRICOS: Son aquellos cuyos electrones
están fuertemente ligados al núcleo y por tanto, son
incapaces de desplazarse por el interior y,
consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por
ejemplo: la porcelana, el vidrio, los plásticos, la
madera, la mica, el aire.
SEMICONDUCTORES: Algunas sustancias son poco
conductoras, pero sus electrones pueden saltar
fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción si se les comunica energía exterior: son los
semiconductores, de gran importancia en el mundo de la electrónica.
Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el
Arseniuro de Galio.
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 usomuy 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 termoparesy 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 voltajea 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:
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. Inicialmentelas 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 contacto. Se
cierra el circuitoy 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:
El fluido circula por la parte interna en estado
líquido y frío, así que toma calor de los alimentos (y
por consiguiente los enfría).
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.
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.
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.
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 unreceptor
(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).
