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Electricidad

La electricidad (del griego ήλεκτρον élektron, cuyo significado es ‘ámbar’)[1]​ es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica. Es una forma de energía tan versátil que tiene un sinnúmero de aplicaciones, por ejemplo: transporte, climatización, iluminación e Informática.[2]

Los rayos son un ejemplo de fenómeno eléctrico natural.

La electricidad se manifiesta mediante varios fenómenos y propiedades físicas:

  • Carga eléctrica: una propiedad de algunas partículas subatómicas, que determina su interacción electromagnética. La materia eléctricamente cargada produce y es influida por los campos electromagnéticos.
  • Corriente eléctrica: el flujo de electrones que circula por un conductor en un determinado momento. Se mide en amperios.
  • Campo eléctrico: un tipo de campo electromagnético producido por una carga eléctrica, incluso cuando no se está moviendo. El campo eléctrico produce una fuerza en toda otra carga, menor cuanto mayor sea la distancia que separa las dos cargas. Además, las cargas en movimiento producen campos magnéticos.
  • Potencial eléctrico: es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para atraer una carga positiva unitaria que desde el punto de referencia hasta el punto considerado, va en contra de la fuerza eléctrica y a velocidad constante.
  • Magnetismo: la corriente eléctrica produce campos magnéticos, y los campos magnéticos variables en el tiempo generan corriente eléctrica.

Historia de la electricidad

 
Un fragmento de ámbar como el que pudo utilizar Tales de Mileto en su experimentación del efecto triboeléctrico. El nombre en griego de este material (ελεκτρον, elektron) se utilizó para nombrar al fenómeno y la ciencia que lo estudia, a partir del libro De Magnetes, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure, de William Gilbert (1600).
 
Grabado mostrando la teoría del galvanismo según los experimentos de Luigi Galvani. De viribus electricitatis motu musculari commentarius, 1792.

La historia de la electricidad se refiere al estudio de la electricidad, al descubrimiento de sus leyes como fenómeno físico y a la invención de artefactos para su uso práctico. Como también se denomina electricidad a la rama de la ciencia que estudia el fenómeno y a la rama de la tecnología que lo aplica, la historia de la electricidad es la rama de la historia de la ciencia y de la historia de la tecnología que se ocupa de su surgimiento y evolución. El fenómeno de la electricidad se ha estudiado desde la antigüedad, pero su estudio científico comenzó en los siglos XVII y XVIII. A finales del siglo XIX, los ingenieros lograron aprovecharla para uso doméstico e industrial. La rápida expansión de la tecnología eléctrica la convirtió en la columna vertebral de la sociedad industrial moderna.[3]

Mucho antes de que existiera algún conocimiento sobre la electricidad, la humanidad era consciente de las descargas eléctricas producidas por peces eléctricos. Textos del Antiguo Egipto que datan del 2750 a. C. se referían a estos peces como «los tronadores del Nilo», descritos como los protectores de los otros peces. Posteriormente, los peces eléctricos también fueron descritos por los romanos, griegos, árabes, naturalistas y físicos.[4]​ Autores antiguos como Plinio el Viejo o Escribonio Largo,[5][6]​ describieron el efecto adormecedor de las descargas eléctricas producidas por peces eléctricos y rayas eléctricas. Además, sabían que estas descargas podían transmitirse por materias conductoras.[7]​ Los pacientes de enfermedades como la gota y el dolor de cabeza se trataban con peces eléctricos, con la esperanza de que la descarga pudiera curarlos.[6]​ La primera aproximación al estudio del rayo y a su relación con la electricidad se atribuye a los árabes, que antes del siglo XV tenían una palabra para rayo (raad) aplicado a la raya eléctrica.

En culturas antiguas del Mediterráneo se sabía que al frotar ciertos objetos, como una barra de ámbar, con lana o piel, se obtenían pequeñas cargas (efecto triboeléctrico) que atraían pequeños objetos, y frotando mucho tiempo podía causar la aparición de una chispa. Cerca de la antigua ciudad griega de Magnesia se encontraban las denominadas piedras de Magnesia, que incluían magnetita y los antiguos griegos observaron que los trozos de este material se atraían entre sí, y también a pequeños objetos de hierro. Las palabras magneto (equivalente en español a imán) y magnetismo derivan de ese topónimo. Hacia el año 600 a. C., el filósofo griego Tales de Mileto hizo una serie de observaciones sobre electricidad estática. Concluyó que la fricción dotaba de magnetismo al ámbar, al contrario que minerales como la magnetita, que no necesitaban frotarse.[8][9][10]​ Tales se equivocó al creer que esta atracción la producía un campo magnético, aunque más tarde la ciencia probaría la relación entre el magnetismo y la electricidad. Según una teoría controvertida, los partos podrían haber conocido la electrodeposición, basándose en el descubrimiento en 1936 de la batería de Bagdad,[11]​ similar a una celda voltaica, aunque es dudoso que el artefacto fuera de naturaleza eléctrica.[12]

Esas especulaciones y registros fragmentarios fueron el tratamiento casi exclusivo (con la notable excepción del uso del magnetismo para la brújula) que hay desde la Antigüedad hasta la Revolución científica del siglo XVII; aunque todavía entonces pasaba por ser poco más que una curiosidad para mostrar en los salones. Las primeras aportaciones que pueden entenderse como aproximaciones sucesivas al fenómeno eléctrico fueron realizadas como William Gilbert, que realizó un estudio cuidadoso de electricidad y magnetismo. Diferenció el efecto producido por trozos de magnetita, de la electricidad estática producida al frotar ámbar.[10]​ Además, acuñó el término neolatino electricus (que, a su vez, proviene de ήλεκτρον [elektron], la palabra griega para ámbar) para referirse a la propiedad de atraer pequeños objetos después de haberlos frotado.[13]​ Esto originó los términos eléctrico y electricidad, que aparecen por vez primera en 1646 en la publicación Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne.[14]

Esos estudios fueron seguidas por investigadores sistemáticos como von Guericke, Cavendish,[15][16]Du Fay,[17]van Musschenbroek[18]​ (botella de Leyden) o William Watson.[19]​ Las observaciones sometidas a método científico empiezan a dar sus frutos con Galvani,[20]Volta,[21]Coulomb[22]​ y Franklin,[23]​ y, ya a comienzos del siglo XIX, con Ampère,[24]Faraday[25]​ y Ohm. Los nombres de estos pioneros terminaron bautizando las unidades hoy utilizadas en la medida de las distintas magnitudes del fenómeno. La comprensión final de la electricidad se logró recién con su unificación con el magnetismo en un único fenómeno electromagnético descrito por las ecuaciones de Maxwell (1861-1865).[26]

Los desarrollos tecnológicos que produjeron la Primera Revolución Industrial no hicieron uso de la electricidad. Su primera aplicación práctica generalizada fue el telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833) —precedido por Gauss y Weber, 1822—, que revolucionó las telecomunicaciones.[27]​ La generación industrial de electricidad comenzó partir del cuarto final del siglo XIX , cuando se extendió la iluminación eléctrica de las calles y de las viviendas. La creciente sucesión de aplicaciones de esta forma de energía hizo de la electricidad una de las principales fuerzas motrices de la Segunda Revolución Industrial.[28]​ Más que de grandes teóricos como lord Kelvin, fue el momento de grandes ingenieros e inventores, como Gramme,[29]Tesla, Sprague, Westinghouse,[30]von Siemens[31]Graham Bell,[32]​ y, sobre todo, Alva Edison y su revolucionaria manera de entender la relación entre investigación científico-técnica y mercado capitalista, que convirtió la innovación tecnológica en una actividad industrial.[33][34]​. Los sucesivos cambios de paradigma de la primera mitad del siglo XX (relativista y cuántico) estudiarán la función de la electricidad en una nueva dimensión: atómica y subatómica.

 
Multiplicador de tensión Cockcroft-Walton utilizado en un acelerador de partículas de 1937, que alcanzaba un millón de voltios.

La electrificación no solo fue un proceso técnico, sino un verdadero cambio social de implicaciones extraordinarias, comenzando por el alumbrado y siguiendo por todo tipo de procesos industriales (motor eléctrico, metalurgia, refrigeración...) y de comunicaciones (telefonía, radio). Lenin, durante la Revolución bolchevique, definió el socialismo como la suma de la electrificación y el poder de los soviets,[35]​ pero fue sobre todo la sociedad de consumo que nació en los países capitalistas, la que dependió en mayor medida de la utilización doméstica de la electricidad en los electrodomésticos, y fue en estos países donde la retroalimentación entre ciencia, tecnología y sociedad desarrolló las complejas estructuras que permitieron los actuales sistemas de I+D e I+D+I, en que la iniciativa pública y privada se interpenetran, y las figuras individuales se difuminan en los equipos de investigación.

La energía eléctrica es esencial para la sociedad de la información de la tercera revolución industrial que se viene produciendo desde la segunda mitad del siglo XX (transistor, televisión, computación, robótica, internet...). Únicamente puede comparársele en importancia la motorización dependiente del petróleo (que también es ampliamente utilizado, como los demás combustibles fósiles, en la generación de electricidad). Ambos procesos exigieron cantidades cada vez mayores de energía, lo que está en el origen de la crisis energética y medioambiental y de la búsqueda de nuevas fuentes de energía, la mayoría con inmediata utilización eléctrica (energía nuclear y energías alternativas, dadas las limitaciones de la tradicional hidroelectricidad). Los problemas que tiene la electricidad para su almacenamiento y transporte a largas distancias, y para la autonomía de los aparatos móviles, son retos técnicos aún no resueltos de forma suficientemente eficaz.

El impacto cultural de lo que Marshall McLuhan denominó Edad de la Electricidad, que seguiría a la Edad de la Mecanización (por comparación a cómo la Edad de los Metales siguió a la Edad de Piedra), radica en la altísima velocidad de propagación de la radiación electromagnética (300 000 km/s) que hace que se perciba de forma casi instantánea. Este hecho conlleva posibilidades antes inimaginables, como la simultaneidad y la división de cada proceso en una secuencia. Se impuso un cambio cultural que provenía del enfoque en «segmentos especializados de atención» (la adopción de una perspectiva particular) y la idea de la «conciencia sensitiva instantánea de la totalidad», una atención al «campo total», un «sentido de la estructura total». Se hizo evidente y prevalente el sentido de «forma y función como una unidad», una «idea integral de la estructura y configuración». Estas nuevas concepciones mentales tuvieron gran impacto en todo tipo de ámbitos científicos, educativos e incluso artísticos (por ejemplo, el cubismo). En el ámbito de lo espacial y político, «la electricidad no centraliza, sino que descentraliza... mientras que el ferrocarril requiere un espacio político uniforme, el avión y la radio permiten la mayor discontinuidad y diversidad en la organización espacial».[36]

Usos

La electricidad se usa para generar:

Conceptos

Carga eléctrica

 
Interacciones entre cargas de igual y distinta naturaleza.
Artículo principal: Carga eléctrica. Véanse también: Electrón, Protón e Ion.

La carga eléctrica es una propiedad de la materia que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión. La carga se origina en el átomo, que está compuesto de partículas subatómicas cargadas como el electrón y el protón.[37]​ La carga puede transferirse entre los cuerpos por contacto directo o al pasar por un material conductor, generalmente metálico.[38]​ El término electricidad estática se refiere a la presencia de carga en un cuerpo, por lo general causado por dos materiales distintos que se frotan entre sí, transfiriéndose carga uno al otro.[39]

La presencia de carga da lugar a la fuerza electromagnética: una carga ejerce una fuerza sobre las otras. Este efecto era conocido en la antigüedad, pero no comprendido.[40]​ Una bola liviana, suspendida de un hilo, podía cargarse al contacto con una barra de vidrio cargada previamente por fricción con un tejido. Se encontró que si una bola similar se cargaba con la misma barra de vidrio, se repelían entre sí. A finales del siglo XVIII, Charles-Augustin de Coulomb investigó este fenómeno. Dedujo que la carga se manifiesta de dos formas opuestas.[41]​ Este descubrimiento trajo el conocido axioma «objetos con la misma polaridad se repelen y con diferente polaridad se atraen».[40][42]

La fuerza actúa en las partículas cargadas entre sí, y además la carga tiene tendencia a extenderse sobre una superficie conductora. La magnitud de la fuerza electromagnética, ya sea atractiva o repulsiva, se expresa por la ley de Coulomb, que relaciona la fuerza con el producto de las cargas y tiene una relación inversa al cuadrado de la distancia entre ellas.[43][44]​ La fuerza electromagnética es muy fuerte, la segunda después de la interacción nuclear fuerte,[45]​ con la diferencia que esa fuerza opera sobre todas las distancias.[46]​ En comparación con la débil fuerza gravitacional, la fuerza electromagnética que aleja a dos electrones es 1042 veces más grande que la atracción gravitatoria que los une.[47]

Una carga puede expresarse como positiva o negativa. Las cargas de los electrones y de los protones tienen signos contrarios. Por convención, la carga que tiene electrones se asume negativa y la de los protones, positiva, una costumbre que empezó con el trabajo de Benjamin Franklin.[48]​ La cantidad de carga se representa por el símbolo Q y se expresa en culombios.[49]​ Todos los electrones tienen la misma carga, aproximadamente de -1.6022×10−19 culombios. El protón tiene una carga igual pero de signo opuesto +1.6022×10−19 coulombios. La carga no solo está presente en la materia, sino también en la antimateria: cada antipartícula tiene una carga igual y opuesta a su correspondiente partícula.[50]

La carga puede medirse de diferentes maneras. Un instrumento muy antiguo es el electroscopio, que aún se usa para demostraciones en las aulas, aunque ahora está superado por el electrómetro electrónico.[51]

Corriente eléctrica

 
Un arco eléctrico permite una demostración de la energía de la corriente eléctrica.

Se conoce como corriente eléctrica al desplazamiento de cargas eléctricas por un conductor. La corriente puede estar producida por cualquier partícula cargada eléctricamente en movimiento. Lo más frecuente es que sean electrones, pero cualquier otra carga en movimiento se puede definir como corriente.[52]​ Según el Sistema Internacional, la intensidad de una corriente eléctrica se mide en amperios, cuyo símbolo es A.[53]

Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó como sentido convencional de circulación de la corriente el flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Más adelante se observó que, en los metales, los portadores de carga son electrones, con carga negativa, y que se desplazan en sentido contrario al convencional.[54]​ Lo cierto es que, dependiendo de las condiciones, una corriente eléctrica puede consistir en un flujo de partículas cargadas en una dirección, o incluso simultáneamente en ambas direcciones. La convención positivo-negativo se usa normalmente para simplificar esta situación.[52]

El proceso por el cual la corriente eléctrica circula por un material se llama conducción eléctrica. Su naturaleza varía, dependiendo de las partículas cargadas y el material por el cual están circulando. Ejemplos de corrientes eléctricas son la conducción metálica, donde los electrones recorren un conductor eléctrico, como un metal; y la electrólisis, donde los iones (átomos cargados) fluyen a través de líquidos. Mientras que las partículas pueden moverse muy despacio, algunas veces con una velocidad media de deriva de solo fracciones de milímetro por segundo,[55]​ el campo eléctrico que las controla se propaga cercano a la velocidad de la luz, permitiendo que las señales eléctricas se transmitan rápidamente por los cables.[56]

La corriente produce muchos efectos visibles, que han hecho que su presencia se reconozca a lo largo de la historia. En 1800, Nicholson y Carlisle descubrieron que el agua podía descomponerse por la corriente de una pila voltaica, en un proceso que se conoce como electrólisis. En 1833, Michael Faraday amplió este trabajo.[57]​ En 1840, James Prescott Joule descubrió que la corriente a través de una resistencia eléctrica aumenta la temperatura, fenómeno que en la actualidad se denomina Efecto Joule.[57]

Campo eléctrico

 
Líneas de campo saliendo de una carga positiva hacia un conductor plano.

El concepto de campo eléctrico fue introducido por Michael Faraday. Un campo eléctrico se crea por un cuerpo cargado en el espacio que lo rodea, y produce una fuerza que ejerce sobre otras cargas ubicadas en el campo. Un campo eléctrico actúa entre dos cargas de modo muy parecido al campo gravitatorio que actúa sobre dos masas. Como él, se extiende hasta el infinito y su valor es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.[46]​ Sin embargo, hay una diferencia importante: mientras la gravedad siempre actúa como atracción, el campo eléctrico puede producir atracción o repulsión. Si un cuerpo grande como un planeta no tiene carga neta, el campo eléctrico a una distancia determinada es cero. Por ello, la gravedad es la fuerza dominante en el universo, a pesar de ser mucho más débil.[47]

Un campo eléctrico varía en el espacio, y su intensidad en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que percibiría una carga si estuviera ubicada en ese punto.[58]​ La carga de prueba debe de ser insignificante, para evitar que su propio campo afecte el campo principal y también debe ser estacionaria para evitar el efecto de los campos magnéticos. Como el campo eléctrico se define en términos de fuerza, y una fuerza es un vector, entonces el campo eléctrico también es un vector, con magnitud y dirección. Específicamente, es un campo vectorial.[58]

 
El motor eléctrico aprovecha un efecto importante del electromagnetismo: una corriente a través de un campo magnético experimenta una fuerza en el mismo ángulo del campo y la corriente.

Potencial eléctrico

El concepto de potencial eléctrico tiene mucha relación con el de campo eléctrico. Una carga pequeña ubicada en un campo eléctrico experimenta una fuerza, y para llevar esa carga a ese punto en contra de la fuerza necesita hacer un trabajo. El potencial eléctrico en cualquier punto se define como la energía requerida para mover una carga de ensayo ubicada en el infinito a ese punto.[59]​ Por lo general se mide en voltios, donde un voltio es el potencial que necesita un julio de trabajo para atraer una carga de un culombio desde el infinito. Esta definición formal de potencial tiene pocas aplicaciones prácticas. Un concepto más útil es el de diferencia de potencial, que se define como la energía requerida para mover una carga entre dos puntos específicos. El campo eléctrico tiene la propiedad especial de ser conservativo, es decir que no importa la trayectoria realizada por la carga de prueba; todas las trayectorias entre dos puntos específicos consumen la misma energía, y además con un único valor de diferencia de potencial.[59]

Electromagnetismo

Se denomina electromagnetismo a la teoría física que unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos. Sus fundamentos son obra de Faraday, pero fueron formulados por primera vez de modo completo por Maxwell,[60][61]​ mediante cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales, conocidas como ecuaciones de Maxwell. Relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales: densidad de carga eléctrica, corriente eléctrica, desplazamiento eléctrico y corriente de desplazamiento.[62]

A principios del siglo XIX, Ørsted encontró evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. A partir de esa base, en 1861 Maxwell unificó los trabajos de Ampère, Sturgeon, Henry, Ohm y Faraday, en un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno solo, el fenómeno electromagnético.[63]

Se trata de una teoría de campos. Sus explicaciones y predicciones se basan en magnitudes físicas vectoriales, que dependen de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los que intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre la materia.

 
Un circuito eléctrico básico. La fuente de tensión V en la izquierda proporciona una corriente I al circuito, entregando energía eléctrica a la resistencia R. De la resistencia, la corriente regresa a la fuente, completando el circuito.

Circuitos eléctricos

Un circuito eléctrico es una interconexión de dos o más componentes eléctricos tales que la carga eléctrica fluye en una trayectoria cerrada, por lo general para ejecutar alguna tarea útil.[64]

Los componentes en un circuito eléctrico pueden ser muy variados, puede tener elementos como resistores, capacitores, interruptores, enchufes, transformadores y electrónicos. Los circuitos electrónicos contienen componentes activos, normalmente semiconductores, exhibiendo un comportamiento no lineal, que requiere análisis complejos. Los componentes eléctricos más simples son los pasivos y lineales.[65]

El comportamiento de los circuitos eléctricos que contienen solamente resistencias y fuentes electromotrices de corriente continua está gobernado por las leyes de Kirchhoff. Para estudiarlo, el circuito se descompone en mallas eléctricas, estableciendo un sistema de ecuaciones lineales cuya resolución brinda los valores de las tensiones y corrientes que entran o salen de sus nudos.[66]

La resolución de circuitos de corriente alterna requiere la ampliación del concepto de resistencia eléctrica, ahora ampliado por el de impedancia para incluir los comportamientos de bobinas y condensadores. La resolución de estos circuitos puede hacerse con generalizaciones de las leyes de Kirchoff, pero requiere usualmente métodos matemáticos avanzados, como el de Transformada de Laplace, para describir los comportamientos transitorios y estacionarios de los mismos.[66]

Propiedades de la electricidad

 
Configuración electrónica del átomo de cobre. Sus propiedades conductoras se deben a la facilidad de circulación que tiene su electrón más exterior (4s).

Origen microscópico

La posibilidad de transmitir corriente eléctrica en los materiales depende de la estructura e interacción de los átomos que los componen. Los átomos están constituidos por partículas cargadas positivamente (los protones), negativamente (los electrones) y neutras (los neutrones). La conducción eléctrica en los conductores, semiconductores, y aislantes, se debe a los electrones de la órbita exterior o portadores de carga, ya que tanto los neutrones interiores como los protones de los núcleos atómicos no pueden desplazarse con facilidad. Los materiales conductores por excelencia son metales que normalmente tienen un único electrón en la última capa electrónica, como el cobre. Estos electrones pueden pasar con facilidad a átomos contiguos, constituyendo los electrones libres responsables del flujo de corriente eléctrica.[67]

En todos los materiales sometidos a campos eléctricos se modifican, en mayor o menor grado, las distribuciones espaciales relativas de las cargas negativas y positivas. Este fenómeno se denomina polarización eléctrica y es más notorio en los aislantes eléctricos debido a que gracias a este fenómeno se impide liberar cargas, y por lo tanto no conducen, característica principal de estos materiales.[68]

Conductividad y resistividad

 
Conductor eléctrico de cobre.

La conductividad eléctrica es la propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico.[69]​ La resistividad es una magnitud inversa a la conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos, dando una idea de lo buen o mal conductor que es.[67]​ Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.[67]

Los materiales se clasifican según su conductividad eléctrica o resistividad en conductores, dieléctricos, semiconductores y superconductores.

  • Conductores eléctricos. Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad, transmiten esta a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como son el grafito, las soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el metal más empleado es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60 % de la del cobre es, sin embargo, un material mucho menos denso, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión. Para aplicaciones especiales se utiliza como conductor el oro.[70]
  • Dieléctricos. Son los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son vidrio, cerámica, plásticos, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita. Aunque no existen materiales absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos (forrando con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una descarga) y para confeccionar aisladores (elementos utilizados en las redes de distribución eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto eléctrico). Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, es aislante a temperatura ambiente y seco pero, bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.[71]

Producción y usos de la electricidad

Generación y transmisión

 
La energía eólica está tomando importancia en muchos países.

Hasta la invención de la pila voltaica en el siglo XVIII (Alessandro Volta, 1800) no se tenía una fuente viable de electricidad. La pila voltaica (y sus descendientes modernos, la pila eléctrica y la batería eléctrica), almacenaba energía químicamente y la entregaba según la demanda en forma de energía eléctrica.[72]​ La batería es una fuente común muy versátil que se usa para muchas aplicaciones, pero su almacenamiento de energía es limitado, y una vez descargado debe ser recargada (o, en el caso de la pila, reemplazada). Para una demanda eléctrica mucho más grande la energía debe generarse y transmitirse continuamente por líneas de transmisión conductoras.[73]

Por lo general, la energía eléctrica se genera mediante generadores electromecánicos que son dispositivos que utilizan el movimiento para mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos puntos. Es decir que transforman la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos. Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (FEM). Este sistema está basado en la ley de Faraday. Para lograr el movimiento se utiliza el del aire (eólica), agua (hidráulica), vapor u otros gases (térmica). La moderna turbina de vapor inventada por Charles Algernon Parsons en 1884 genera cerca del 80 % de la energía eléctrica en el mundo usando una gran variedad de fuentes de energía.

Otro dispositivo que genera electricidad es la célula fotovoltaica, y lo hace directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor.

 
Transmisión de energía eléctrica en Alta Tensión

Los conductores de electricidad ofrecen siempre una resistencia al paso de esta, por pequeña que sea, de modo que en el transporte se pierde carga eléctrica; a mayor distancia, mayor pérdida. Un aumento de tensión significa una disminución de la intensidad que circula por la línea, para transportar la misma potencia, y por tanto, las pérdidas por calentamiento de los conductores y por efectos electromagnéticos y, en consecuencia, menor pérdida energética. En consecuencia pueden utilizarse secciones menores de los conductores que la transportan, por eso, para llevar electricidad a grandes distancias, se debe hacer en la llamada Alta Tensión. Por el contrario en el uso corriente se debe emplear una tensión más reducida (normalmente entre 110 - 240 V) y eso implica cambios (tranformaciones) de tensión. La invención a finales del siglo XIX del transformador permitió transmitir la energía eléctrica de una forma más eficiente. La transmisión eléctrica eficiente hizo posible generar electricidad en plantas generadoras, para después trasportarla a largas distancias, donde fuera necesaria.[74]

Debido a que la energía eléctrica no puede ser almacenada fácilmente para atender la demanda a una escala nacional, la mayoría de las veces se produce la misma cantidad que la que se demanda. Esto requiere de una bolsa eléctrica que hace predicciones de la demanda eléctrica, y mantiene una coordinación constante con las plantas generadoras. Se mantiene una cierta reserva de capacidad de generación en reserva para soportar cualquier anomalía en la red.[75]

Aplicaciones de la electricidad

La electricidad tiene un sinfín de aplicaciones tanto para uso doméstico, industrial, medicinal y en el transporte. Solo para citar se puede mencionar a la iluminación y alumbrado, electrodomésticos, producción de calor, electrónica, robótica, telecomunicaciones, señales luminosas, climatización, máquinas frigoríficas, electrosoldadura, electroimanes, electroquímica, electroválvulas. También se aplica la inducción electromagnética para la construcción de motores movidos por energía eléctrica, que permiten el funcionamiento de innumerables dispositivos.[76]

Electricidad en la naturaleza

Mundo inorgánico

Descargas eléctricas atmosféricas

El fenómeno eléctrico más común del mundo inorgánico son las descargas eléctricas atmosféricas denominadas rayos y relámpagos. Debido al rozamiento de las partículas de agua o hielo con el aire, se produce la creciente separación de cargas eléctricas positivas y negativas en las nubes, separación que genera campos eléctricos. Cuando el campo eléctrico resultante supera la rigidez dieléctrica del medio, se produce una descarga entre dos partes de una nube, entre dos nubes diferentes o entre la parte inferior de una nube y tierra. Esta descarga ioniza el aire por calentamiento y excita transiciones electrónicas moleculares. La brusca dilatación del aire genera el trueno, mientras que el decaimiento de los electrones a sus niveles de equilibrio genera radiación electromagnética, es decir, luz.[77]

Campo magnético terrestre

Aunque no se puede verificar experimentalmente, la existencia del campo magnético terrestre se debe casi seguramente a la circulación de cargas en el núcleo externo líquido de la Tierra. La hipótesis de su origen en materiales con magnetización permanente, como el hierro, parece desmentida por la constatación de las inversiones periódicas de su sentido en el transcurso de las eras geológicas, donde el polo norte magnético es remplazado por el sur y viceversa. Medido en tiempos humanos, sin embargo, los polos magnéticos son estables, lo que permite su uso, mediante el antiguo invento chino de la brújula, para la orientación en el mar y en la tierra.[78]

El campo magnético terrestre desvía las partículas cargadas provenientes del Sol (viento solar). Cuando esas partículas chocan con los átomos y moléculas de oxígeno y nitrógeno de la magnetosfera, se produce un efecto fotoeléctrico mediante el cual parte de la energía de la colisión excita los átomos a niveles de energía tales que cuando dejan de estar excitados devuelven esa energía en forma de luz visible. Este fenómeno puede observarse a simple vista en las cercanías de los polos, en las auroras polares.[79]

Mundo orgánico

Uso biológico

El bioelectromagnetismo estudia el fenómeno consistente en la producción de campos electromagnéticos producidos por la materia viva (células, tejidos u organismos). Los ejemplos de este fenómeno incluyen el potencial eléctrico de las membranas celulares y las corrientes eléctricas que fluyen en nervios y músculos como consecuencia de su potencial de acción.[80]

Algunos organismos, como los tiburones, tienen la capacidad de detectar y responder a los cambios de los campos eléctricos, una habilidad conocida como electrorrecepción.[81]​ Mientras que otros, denominados electrogénicos, son capaces de producir grandes descargas eléctricas con fines defensivos u ofensivos. Algunos peces, como las anguilas y las rayas eléctricas pueden generar tensiones de hasta dos mil voltios y corrientes superiores a 1 A.[82]​ El potencial de acción también es responsable de la coordinación de actividades en ciertas plantas.[83]

Véase también

Referencias

  1. Real Academia Española y Asociación de Academias de la Lengua Española. «electricidad». Diccionario de la lengua española (23.ª edición). Consultado el 13 de mayo de 2015. 
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  3. Jones, D. A. (1991). «Electrical engineering: the backbone of society». Proceedings of the IEE: Science, Measurement and Technology 138 (1): 1-10. doi:10.1049/ip-a-3.1991.0001. 
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  5. Bullock, Theodore H. (2005), Electroreception, Springer, pp. 5-7, ISBN 0387231927 .
  6. Morris, Simon C. (2003). Life's Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe. Cambridge University Press. pp. 182-185. ISBN 0-521-82704-3. 
  7. Bullock, Theodore H. (2005), Electroreception, Springer, pp. 5-7, ISBN 0-387-23192-7 .
  8. Enciclopedia ilustrada Cumbre. México:Editorial Cumbre, S. A. 1958. 
  9. . Archivado desde el original el 9 de julio de 2008. Consultado el 17 de julio de 2008. 
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  12. Frood, Arran (27 de febrero de 2003), Riddle of 'Baghdad's batteries', BBC, consultado el 16 de febrero de 2008 .
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Enlaces externos

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electricidad, electricidad, griego, ήλεκτρον, élektron, cuyo, significado, ámbar, conjunto, fenómenos, físicos, relacionados, presencia, flujo, cargas, eléctricas, manifiesta, gran, variedad, fenómenos, como, rayos, electricidad, estática, inducción, electroma. La electricidad del griego hlektron elektron cuyo significado es ambar 1 es el conjunto de fenomenos fisicos relacionados con la presencia y flujo de cargas electricas Se manifiesta en una gran variedad de fenomenos como los rayos la electricidad estatica la induccion electromagnetica o el flujo de corriente electrica Es una forma de energia tan versatil que tiene un sinnumero de aplicaciones por ejemplo transporte climatizacion iluminacion e Informatica 2 Los rayos son un ejemplo de fenomeno electrico natural La electricidad se manifiesta mediante varios fenomenos y propiedades fisicas Carga electrica una propiedad de algunas particulas subatomicas que determina su interaccion electromagnetica La materia electricamente cargada produce y es influida por los campos electromagneticos Corriente electrica el flujo de electrones que circula por un conductor en un determinado momento Se mide en amperios Campo electrico un tipo de campo electromagnetico producido por una carga electrica incluso cuando no se esta moviendo El campo electrico produce una fuerza en toda otra carga menor cuanto mayor sea la distancia que separa las dos cargas Ademas las cargas en movimiento producen campos magneticos Potencial electrico es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para atraer una carga positiva unitaria que desde el punto de referencia hasta el punto considerado va en contra de la fuerza electrica y a velocidad constante Magnetismo la corriente electrica produce campos magneticos y los campos magneticos variables en el tiempo generan corriente electrica Indice 1 Historia de la electricidad 2 Usos 3 Conceptos 3 1 Carga electrica 3 2 Corriente electrica 3 3 Campo electrico 3 4 Potencial electrico 3 5 Electromagnetismo 3 6 Circuitos electricos 4 Propiedades de la electricidad 4 1 Origen microscopico 4 2 Conductividad y resistividad 5 Produccion y usos de la electricidad 5 1 Generacion y transmision 5 2 Aplicaciones de la electricidad 6 Electricidad en la naturaleza 6 1 Mundo inorganico 6 1 1 Descargas electricas atmosfericas 6 1 2 Campo magnetico terrestre 6 2 Mundo organico 6 2 1 Uso biologico 7 Vease tambien 8 Referencias 9 Bibliografia 10 Enlaces externosHistoria de la electricidad EditarEsta seccion es un extracto de Historia de la electricidad editar Un fragmento de ambar como el que pudo utilizar Tales de Mileto en su experimentacion del efecto triboelectrico El nombre en griego de este material elektron elektron se utilizo para nombrar al fenomeno y la ciencia que lo estudia a partir del libro De Magnetes Magneticisque Corporibus et de Magno Magnete Tellure de William Gilbert 1600 Grabado mostrando la teoria del galvanismo segun los experimentos de Luigi Galvani De viribus electricitatis motu musculari commentarius 1792 La historia de la electricidad se refiere al estudio de la electricidad al descubrimiento de sus leyes como fenomeno fisico y a la invencion de artefactos para su uso practico Como tambien se denomina electricidad a la rama de la ciencia que estudia el fenomeno y a la rama de la tecnologia que lo aplica la historia de la electricidad es la rama de la historia de la ciencia y de la historia de la tecnologia que se ocupa de su surgimiento y evolucion El fenomeno de la electricidad se ha estudiado desde la antiguedad pero su estudio cientifico comenzo en los siglos XVII y XVIII A finales del siglo XIX los ingenieros lograron aprovecharla para uso domestico e industrial La rapida expansion de la tecnologia electrica la convirtio en la columna vertebral de la sociedad industrial moderna 3 Mucho antes de que existiera algun conocimiento sobre la electricidad la humanidad era consciente de las descargas electricas producidas por peces electricos Textos del Antiguo Egipto que datan del 2750 a C se referian a estos peces como los tronadores del Nilo descritos como los protectores de los otros peces Posteriormente los peces electricos tambien fueron descritos por los romanos griegos arabes naturalistas y fisicos 4 Autores antiguos como Plinio el Viejo o Escribonio Largo 5 6 describieron el efecto adormecedor de las descargas electricas producidas por peces electricos y rayas electricas Ademas sabian que estas descargas podian transmitirse por materias conductoras 7 Los pacientes de enfermedades como la gota y el dolor de cabeza se trataban con peces electricos con la esperanza de que la descarga pudiera curarlos 6 La primera aproximacion al estudio del rayo y a su relacion con la electricidad se atribuye a los arabes que antes del siglo XV tenian una palabra para rayo raad aplicado a la raya electrica En culturas antiguas del Mediterraneo se sabia que al frotar ciertos objetos como una barra de ambar con lana o piel se obtenian pequenas cargas efecto triboelectrico que atraian pequenos objetos y frotando mucho tiempo podia causar la aparicion de una chispa Cerca de la antigua ciudad griega de Magnesia se encontraban las denominadas piedras de Magnesia que incluian magnetita y los antiguos griegos observaron que los trozos de este material se atraian entre si y tambien a pequenos objetos de hierro Las palabras magneto equivalente en espanol a iman y magnetismo derivan de ese toponimo Hacia el ano 600 a C el filosofo griego Tales de Mileto hizo una serie de observaciones sobre electricidad estatica Concluyo que la friccion dotaba de magnetismo al ambar al contrario que minerales como la magnetita que no necesitaban frotarse 8 9 10 Tales se equivoco al creer que esta atraccion la producia un campo magnetico aunque mas tarde la ciencia probaria la relacion entre el magnetismo y la electricidad Segun una teoria controvertida los partos podrian haber conocido la electrodeposicion basandose en el descubrimiento en 1936 de la bateria de Bagdad 11 similar a una celda voltaica aunque es dudoso que el artefacto fuera de naturaleza electrica 12 Esas especulaciones y registros fragmentarios fueron el tratamiento casi exclusivo con la notable excepcion del uso del magnetismo para la brujula que hay desde la Antiguedad hasta la Revolucion cientifica del siglo XVII aunque todavia entonces pasaba por ser poco mas que una curiosidad para mostrar en los salones Las primeras aportaciones que pueden entenderse como aproximaciones sucesivas al fenomeno electrico fueron realizadas como William Gilbert que realizo un estudio cuidadoso de electricidad y magnetismo Diferencio el efecto producido por trozos de magnetita de la electricidad estatica producida al frotar ambar 10 Ademas acuno el termino neolatino electricus que a su vez proviene de hlektron elektron la palabra griega para ambar para referirse a la propiedad de atraer pequenos objetos despues de haberlos frotado 13 Esto origino los terminos electrico y electricidad que aparecen por vez primera en 1646 en la publicacion Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne 14 Esos estudios fueron seguidas por investigadores sistematicos como von Guericke Cavendish 15 16 Du Fay 17 van Musschenbroek 18 botella de Leyden o William Watson 19 Las observaciones sometidas a metodo cientifico empiezan a dar sus frutos con Galvani 20 Volta 21 Coulomb 22 y Franklin 23 y ya a comienzos del siglo XIX con Ampere 24 Faraday 25 y Ohm Los nombres de estos pioneros terminaron bautizando las unidades hoy utilizadas en la medida de las distintas magnitudes del fenomeno La comprension final de la electricidad se logro recien con su unificacion con el magnetismo en un unico fenomeno electromagnetico descrito por las ecuaciones de Maxwell 1861 1865 26 Los desarrollos tecnologicos que produjeron la Primera Revolucion Industrial no hicieron uso de la electricidad Su primera aplicacion practica generalizada fue el telegrafo electrico de Samuel Morse 1833 precedido por Gauss y Weber 1822 que revoluciono las telecomunicaciones 27 La generacion industrial de electricidad comenzo partir del cuarto final del siglo XIX cuando se extendio la iluminacion electrica de las calles y de las viviendas La creciente sucesion de aplicaciones de esta forma de energia hizo de la electricidad una de las principales fuerzas motrices de la Segunda Revolucion Industrial 28 Mas que de grandes teoricos como lord Kelvin fue el momento de grandes ingenieros e inventores como Gramme 29 Tesla Sprague Westinghouse 30 von Siemens 31 Graham Bell 32 y sobre todo Alva Edison y su revolucionaria manera de entender la relacion entre investigacion cientifico tecnica y mercado capitalista que convirtio la innovacion tecnologica en una actividad industrial 33 34 Los sucesivos cambios de paradigma de la primera mitad del siglo XX relativista y cuantico estudiaran la funcion de la electricidad en una nueva dimension atomica y subatomica Multiplicador de tension Cockcroft Walton utilizado en un acelerador de particulas de 1937 que alcanzaba un millon de voltios La electrificacion no solo fue un proceso tecnico sino un verdadero cambio social de implicaciones extraordinarias comenzando por el alumbrado y siguiendo por todo tipo de procesos industriales motor electrico metalurgia refrigeracion y de comunicaciones telefonia radio Lenin durante la Revolucion bolchevique definio el socialismo como la suma de la electrificacion y el poder de los soviets 35 pero fue sobre todo la sociedad de consumo que nacio en los paises capitalistas la que dependio en mayor medida de la utilizacion domestica de la electricidad en los electrodomesticos y fue en estos paises donde la retroalimentacion entre ciencia tecnologia y sociedad desarrollo las complejas estructuras que permitieron los actuales sistemas de I D e I D I en que la iniciativa publica y privada se interpenetran y las figuras individuales se difuminan en los equipos de investigacion La energia electrica es esencial para la sociedad de la informacion de la tercera revolucion industrial que se viene produciendo desde la segunda mitad del siglo XX transistor television computacion robotica internet Unicamente puede compararsele en importancia la motorizacion dependiente del petroleo que tambien es ampliamente utilizado como los demas combustibles fosiles en la generacion de electricidad Ambos procesos exigieron cantidades cada vez mayores de energia lo que esta en el origen de la crisis energetica y medioambiental y de la busqueda de nuevas fuentes de energia la mayoria con inmediata utilizacion electrica energia nuclear y energias alternativas dadas las limitaciones de la tradicional hidroelectricidad Los problemas que tiene la electricidad para su almacenamiento y transporte a largas distancias y para la autonomia de los aparatos moviles son retos tecnicos aun no resueltos de forma suficientemente eficaz El impacto cultural de lo que Marshall McLuhan denomino Edad de la Electricidad que seguiria a la Edad de la Mecanizacion por comparacion a como la Edad de los Metales siguio a la Edad de Piedra radica en la altisima velocidad de propagacion de la radiacion electromagnetica 300 000 km s que hace que se perciba de forma casi instantanea Este hecho conlleva posibilidades antes inimaginables como la simultaneidad y la division de cada proceso en una secuencia Se impuso un cambio cultural que provenia del enfoque en segmentos especializados de atencion la adopcion de una perspectiva particular y la idea de la conciencia sensitiva instantanea de la totalidad una atencion al campo total un sentido de la estructura total Se hizo evidente y prevalente el sentido de forma y funcion como una unidad una idea integral de la estructura y configuracion Estas nuevas concepciones mentales tuvieron gran impacto en todo tipo de ambitos cientificos educativos e incluso artisticos por ejemplo el cubismo En el ambito de lo espacial y politico la electricidad no centraliza sino que descentraliza mientras que el ferrocarril requiere un espacio politico uniforme el avion y la radio permiten la mayor discontinuidad y diversidad en la organizacion espacial 36 Veanse tambien Historia del electromagnetismo Historia de la iluminacion Historia de la electroquimica Historia de la informaticay Cronologia de la ingenieria electrica y electronica Algunos de los grandes impulsores del conocimiento sobre la electricidad Coulomb 1736 1806 establecio las leyes cuantitativas de la electrostatica Galvani 1737 1798 famoso por sus investigaciones sobre los efectos de la electricidad en los musculos de los animales Volta 1745 1827 inventor de la pila Ampere 1775 1836 uno de los descubridores del electromagnetismo Faraday 1791 1867 descubridor de la induccion electromagneticaUsos EditarLa electricidad se usa para generar luz mediante bombillas en lamparas y otros objetos luminicos calor aprovechando el efecto Joule movimiento mediante motores que transforman la energia electrica en energia mecanica Senales mediante sistemas electronicos compuestos de circuitos electricos que incluyen componentes activos tubos de vacio transistores diodos y circuitos integrados y componentes pasivos como resistores inductores y condensadores Conceptos EditarCarga electrica Editar Interacciones entre cargas de igual y distinta naturaleza Articulo principal Carga electrica Veanse tambien Electron Proton e Ion La carga electrica es una propiedad de la materia que se manifiesta mediante fuerzas de atraccion y repulsion La carga se origina en el atomo que esta compuesto de particulas subatomicas cargadas como el electron y el proton 37 La carga puede transferirse entre los cuerpos por contacto directo o al pasar por un material conductor generalmente metalico 38 El termino electricidad estatica se refiere a la presencia de carga en un cuerpo por lo general causado por dos materiales distintos que se frotan entre si transfiriendose carga uno al otro 39 La presencia de carga da lugar a la fuerza electromagnetica una carga ejerce una fuerza sobre las otras Este efecto era conocido en la antiguedad pero no comprendido 40 Una bola liviana suspendida de un hilo podia cargarse al contacto con una barra de vidrio cargada previamente por friccion con un tejido Se encontro que si una bola similar se cargaba con la misma barra de vidrio se repelian entre si A finales del siglo XVIII Charles Augustin de Coulomb investigo este fenomeno Dedujo que la carga se manifiesta de dos formas opuestas 41 Este descubrimiento trajo el conocido axioma objetos con la misma polaridad se repelen y con diferente polaridad se atraen 40 42 La fuerza actua en las particulas cargadas entre si y ademas la carga tiene tendencia a extenderse sobre una superficie conductora La magnitud de la fuerza electromagnetica ya sea atractiva o repulsiva se expresa por la ley de Coulomb que relaciona la fuerza con el producto de las cargas y tiene una relacion inversa al cuadrado de la distancia entre ellas 43 44 La fuerza electromagnetica es muy fuerte la segunda despues de la interaccion nuclear fuerte 45 con la diferencia que esa fuerza opera sobre todas las distancias 46 En comparacion con la debil fuerza gravitacional la fuerza electromagnetica que aleja a dos electrones es 1042 veces mas grande que la atraccion gravitatoria que los une 47 Una carga puede expresarse como positiva o negativa Las cargas de los electrones y de los protones tienen signos contrarios Por convencion la carga que tiene electrones se asume negativa y la de los protones positiva una costumbre que empezo con el trabajo de Benjamin Franklin 48 La cantidad de carga se representa por el simbolo Q y se expresa en culombios 49 Todos los electrones tienen la misma carga aproximadamente de 1 6022 10 19 culombios El proton tiene una carga igual pero de signo opuesto 1 6022 10 19 coulombios La carga no solo esta presente en la materia sino tambien en la antimateria cada antiparticula tiene una carga igual y opuesta a su correspondiente particula 50 La carga puede medirse de diferentes maneras Un instrumento muy antiguo es el electroscopio que aun se usa para demostraciones en las aulas aunque ahora esta superado por el electrometro electronico 51 Corriente electrica Editar Articulo principal Corriente electrica Un arco electrico permite una demostracion de la energia de la corriente electrica Se conoce como corriente electrica al desplazamiento de cargas electricas por un conductor La corriente puede estar producida por cualquier particula cargada electricamente en movimiento Lo mas frecuente es que sean electrones pero cualquier otra carga en movimiento se puede definir como corriente 52 Segun el Sistema Internacional la intensidad de una corriente electrica se mide en amperios cuyo simbolo es A 53 Historicamente la corriente electrica se definio como un flujo de cargas positivas y se fijo como sentido convencional de circulacion de la corriente el flujo de cargas desde el polo positivo al negativo Mas adelante se observo que en los metales los portadores de carga son electrones con carga negativa y que se desplazan en sentido contrario al convencional 54 Lo cierto es que dependiendo de las condiciones una corriente electrica puede consistir en un flujo de particulas cargadas en una direccion o incluso simultaneamente en ambas direcciones La convencion positivo negativo se usa normalmente para simplificar esta situacion 52 El proceso por el cual la corriente electrica circula por un material se llama conduccion electrica Su naturaleza varia dependiendo de las particulas cargadas y el material por el cual estan circulando Ejemplos de corrientes electricas son la conduccion metalica donde los electrones recorren un conductor electrico como un metal y la electrolisis donde los iones atomos cargados fluyen a traves de liquidos Mientras que las particulas pueden moverse muy despacio algunas veces con una velocidad media de deriva de solo fracciones de milimetro por segundo 55 el campo electrico que las controla se propaga cercano a la velocidad de la luz permitiendo que las senales electricas se transmitan rapidamente por los cables 56 La corriente produce muchos efectos visibles que han hecho que su presencia se reconozca a lo largo de la historia En 1800 Nicholson y Carlisle descubrieron que el agua podia descomponerse por la corriente de una pila voltaica en un proceso que se conoce como electrolisis En 1833 Michael Faraday amplio este trabajo 57 En 1840 James Prescott Joule descubrio que la corriente a traves de una resistencia electrica aumenta la temperatura fenomeno que en la actualidad se denomina Efecto Joule 57 Campo electrico Editar Articulo principal Campo electrico Lineas de campo saliendo de una carga positiva hacia un conductor plano El concepto de campo electrico fue introducido por Michael Faraday Un campo electrico se crea por un cuerpo cargado en el espacio que lo rodea y produce una fuerza que ejerce sobre otras cargas ubicadas en el campo Un campo electrico actua entre dos cargas de modo muy parecido al campo gravitatorio que actua sobre dos masas Como el se extiende hasta el infinito y su valor es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia 46 Sin embargo hay una diferencia importante mientras la gravedad siempre actua como atraccion el campo electrico puede producir atraccion o repulsion Si un cuerpo grande como un planeta no tiene carga neta el campo electrico a una distancia determinada es cero Por ello la gravedad es la fuerza dominante en el universo a pesar de ser mucho mas debil 47 Un campo electrico varia en el espacio y su intensidad en cualquier punto se define como la fuerza por unidad de carga que percibiria una carga si estuviera ubicada en ese punto 58 La carga de prueba debe de ser insignificante para evitar que su propio campo afecte el campo principal y tambien debe ser estacionaria para evitar el efecto de los campos magneticos Como el campo electrico se define en terminos de fuerza y una fuerza es un vector entonces el campo electrico tambien es un vector con magnitud y direccion Especificamente es un campo vectorial 58 El motor electrico aprovecha un efecto importante del electromagnetismo una corriente a traves de un campo magnetico experimenta una fuerza en el mismo angulo del campo y la corriente Potencial electrico Editar Articulo principal Potencial electrico El concepto de potencial electrico tiene mucha relacion con el de campo electrico Una carga pequena ubicada en un campo electrico experimenta una fuerza y para llevar esa carga a ese punto en contra de la fuerza necesita hacer un trabajo El potencial electrico en cualquier punto se define como la energia requerida para mover una carga de ensayo ubicada en el infinito a ese punto 59 Por lo general se mide en voltios donde un voltio es el potencial que necesita un julio de trabajo para atraer una carga de un culombio desde el infinito Esta definicion formal de potencial tiene pocas aplicaciones practicas Un concepto mas util es el de diferencia de potencial que se define como la energia requerida para mover una carga entre dos puntos especificos El campo electrico tiene la propiedad especial de ser conservativo es decir que no importa la trayectoria realizada por la carga de prueba todas las trayectorias entre dos puntos especificos consumen la misma energia y ademas con un unico valor de diferencia de potencial 59 Electromagnetismo Editar Articulo principal Electromagnetismo Se denomina electromagnetismo a la teoria fisica que unifica los fenomenos electricos y magneticos Sus fundamentos son obra de Faraday pero fueron formulados por primera vez de modo completo por Maxwell 60 61 mediante cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales conocidas como ecuaciones de Maxwell Relacionan el campo electrico el campo magnetico y sus respectivas fuentes materiales densidad de carga electrica corriente electrica desplazamiento electrico y corriente de desplazamiento 62 A principios del siglo XIX Orsted encontro evidencia empirica de que los fenomenos magneticos y electricos estaban relacionados A partir de esa base en 1861 Maxwell unifico los trabajos de Ampere Sturgeon Henry Ohm y Faraday en un conjunto de ecuaciones que describian ambos fenomenos como uno solo el fenomeno electromagnetico 63 Se trata de una teoria de campos Sus explicaciones y predicciones se basan en magnitudes fisicas vectoriales que dependen de la posicion en el espacio y del tiempo El electromagnetismo describe los fenomenos fisicos macroscopicos en los que intervienen cargas electricas en reposo y en movimiento usando para ello campos electricos y magneticos y sus efectos sobre la materia Un circuito electrico basico La fuente de tension V en la izquierda proporciona una corriente I al circuito entregando energia electrica a la resistencia R De la resistencia la corriente regresa a la fuente completando el circuito Circuitos electricos Editar Articulos principales Circuitoy Analisis de circuitos Un circuito electrico es una interconexion de dos o mas componentes electricos tales que la carga electrica fluye en una trayectoria cerrada por lo general para ejecutar alguna tarea util 64 Los componentes en un circuito electrico pueden ser muy variados puede tener elementos como resistores capacitores interruptores enchufes transformadores y electronicos Los circuitos electronicos contienen componentes activos normalmente semiconductores exhibiendo un comportamiento no lineal que requiere analisis complejos Los componentes electricos mas simples son los pasivos y lineales 65 El comportamiento de los circuitos electricos que contienen solamente resistencias y fuentes electromotrices de corriente continua esta gobernado por las leyes de Kirchhoff Para estudiarlo el circuito se descompone en mallas electricas estableciendo un sistema de ecuaciones lineales cuya resolucion brinda los valores de las tensiones y corrientes que entran o salen de sus nudos 66 La resolucion de circuitos de corriente alterna requiere la ampliacion del concepto de resistencia electrica ahora ampliado por el de impedancia para incluir los comportamientos de bobinas y condensadores La resolucion de estos circuitos puede hacerse con generalizaciones de las leyes de Kirchoff pero requiere usualmente metodos matematicos avanzados como el de Transformada de Laplace para describir los comportamientos transitorios y estacionarios de los mismos 66 Propiedades de la electricidad Editar Configuracion electronica del atomo de cobre Sus propiedades conductoras se deben a la facilidad de circulacion que tiene su electron mas exterior 4s Origen microscopico Editar La posibilidad de transmitir corriente electrica en los materiales depende de la estructura e interaccion de los atomos que los componen Los atomos estan constituidos por particulas cargadas positivamente los protones negativamente los electrones y neutras los neutrones La conduccion electrica en los conductores semiconductores y aislantes se debe a los electrones de la orbita exterior o portadores de carga ya que tanto los neutrones interiores como los protones de los nucleos atomicos no pueden desplazarse con facilidad Los materiales conductores por excelencia son metales que normalmente tienen un unico electron en la ultima capa electronica como el cobre Estos electrones pueden pasar con facilidad a atomos contiguos constituyendo los electrones libres responsables del flujo de corriente electrica 67 En todos los materiales sometidos a campos electricos se modifican en mayor o menor grado las distribuciones espaciales relativas de las cargas negativas y positivas Este fenomeno se denomina polarizacion electrica y es mas notorio en los aislantes electricos debido a que gracias a este fenomeno se impide liberar cargas y por lo tanto no conducen caracteristica principal de estos materiales 68 Conductividad y resistividad Editar Articulos principales Conductividad electricay Resistividad Conductor electrico de cobre La conductividad electrica es la propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un campo electrico 69 La resistividad es una magnitud inversa a la conductividad aludiendo al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos dando una idea de lo buen o mal conductor que es 67 Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicara que es un buen conductor Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura mientras que la de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura 67 Los materiales se clasifican segun su conductividad electrica o resistividad en conductores dielectricos semiconductores y superconductores Conductores electricos Son los materiales que puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmiten esta a todos los puntos de su superficie Los mejores conductores electricos son los metales y sus aleaciones Existen otros materiales no metalicos que tambien poseen la propiedad de conducir la electricidad como son el grafito las soluciones salinas por ejemplo el agua de mar y cualquier material en estado de plasma Para el transporte de la energia electrica asi como para cualquier instalacion de uso domestico o industrial el metal mas empleado es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos Alternativamente se emplea el aluminio metal que si bien tiene una conductividad electrica del orden del 60 de la del cobre es sin embargo un material mucho menos denso lo que favorece su empleo en lineas de transmision de energia electrica en las redes de alta tension Para aplicaciones especiales se utiliza como conductor el oro 70 Dielectricos Son los materiales que no conducen la electricidad por lo que pueden ser utilizados como aislantes Algunos ejemplos de este tipo de materiales son vidrio ceramica plasticos goma mica cera papel madera seca porcelana algunas grasas para uso industrial y electronico y la baquelita Aunque no existen materiales absolutamente aislantes o conductores sino mejores o peores conductores son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos forrando con ellos los conductores electricos para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas electricos que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tension pueden producir una descarga y para confeccionar aisladores elementos utilizados en las redes de distribucion electrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto electrico Algunos materiales como el aire o el agua son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras El aire por ejemplo es aislante a temperatura ambiente y seco pero bajo condiciones de frecuencia de la senal y potencia relativamente bajas puede convertirse en conductor 71 Produccion y usos de la electricidad EditarGeneracion y transmision Editar Articulo principal Red electrica La energia eolica esta tomando importancia en muchos paises Hasta la invencion de la pila voltaica en el siglo XVIII Alessandro Volta 1800 no se tenia una fuente viable de electricidad La pila voltaica y sus descendientes modernos la pila electrica y la bateria electrica almacenaba energia quimicamente y la entregaba segun la demanda en forma de energia electrica 72 La bateria es una fuente comun muy versatil que se usa para muchas aplicaciones pero su almacenamiento de energia es limitado y una vez descargado debe ser recargada o en el caso de la pila reemplazada Para una demanda electrica mucho mas grande la energia debe generarse y transmitirse continuamente por lineas de transmision conductoras 73 Por lo general la energia electrica se genera mediante generadores electromecanicos que son dispositivos que utilizan el movimiento para mantener una diferencia de potencial electrica entre dos puntos Es decir que transforman la energia mecanica en electrica Esta transformacion se consigue por la accion de un campo magnetico sobre los conductores electricos Si se produce mecanicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo se generara una fuerza electromotriz FEM Este sistema esta basado en la ley de Faraday Para lograr el movimiento se utiliza el del aire eolica agua hidraulica vapor u otros gases termica La moderna turbina de vapor inventada por Charles Algernon Parsons en 1884 genera cerca del 80 de la energia electrica en el mundo usando una gran variedad de fuentes de energia Otro dispositivo que genera electricidad es la celula fotovoltaica y lo hace directamente a partir de la radiacion solar mediante un dispositivo semiconductor Transmision de energia electrica en Alta Tension Los conductores de electricidad ofrecen siempre una resistencia al paso de esta por pequena que sea de modo que en el transporte se pierde carga electrica a mayor distancia mayor perdida Un aumento de tension significa una disminucion de la intensidad que circula por la linea para transportar la misma potencia y por tanto las perdidas por calentamiento de los conductores y por efectos electromagneticos y en consecuencia menor perdida energetica En consecuencia pueden utilizarse secciones menores de los conductores que la transportan por eso para llevar electricidad a grandes distancias se debe hacer en la llamada Alta Tension Por el contrario en el uso corriente se debe emplear una tension mas reducida normalmente entre 110 240 V y eso implica cambios tranformaciones de tension La invencion a finales del siglo XIX del transformador permitio transmitir la energia electrica de una forma mas eficiente La transmision electrica eficiente hizo posible generar electricidad en plantas generadoras para despues trasportarla a largas distancias donde fuera necesaria 74 Debido a que la energia electrica no puede ser almacenada facilmente para atender la demanda a una escala nacional la mayoria de las veces se produce la misma cantidad que la que se demanda Esto requiere de una bolsa electrica que hace predicciones de la demanda electrica y mantiene una coordinacion constante con las plantas generadoras Se mantiene una cierta reserva de capacidad de generacion en reserva para soportar cualquier anomalia en la red 75 Aplicaciones de la electricidad Editar Articulo principal Aplicaciones de la electricidad La electricidad tiene un sinfin de aplicaciones tanto para uso domestico industrial medicinal y en el transporte Solo para citar se puede mencionar a la iluminacion y alumbrado electrodomesticos produccion de calor electronica robotica telecomunicaciones senales luminosas climatizacion maquinas frigorificas electrosoldadura electroimanes electroquimica electrovalvulas Tambien se aplica la induccion electromagnetica para la construccion de motores movidos por energia electrica que permiten el funcionamiento de innumerables dispositivos 76 Electricidad en la naturaleza EditarMundo inorganico Editar Descargas electricas atmosfericas Editar El fenomeno electrico mas comun del mundo inorganico son las descargas electricas atmosfericas denominadas rayos y relampagos Debido al rozamiento de las particulas de agua o hielo con el aire se produce la creciente separacion de cargas electricas positivas y negativas en las nubes separacion que genera campos electricos Cuando el campo electrico resultante supera la rigidez dielectrica del medio se produce una descarga entre dos partes de una nube entre dos nubes diferentes o entre la parte inferior de una nube y tierra Esta descarga ioniza el aire por calentamiento y excita transiciones electronicas moleculares La brusca dilatacion del aire genera el trueno mientras que el decaimiento de los electrones a sus niveles de equilibrio genera radiacion electromagnetica es decir luz 77 Campo magnetico terrestre Editar Aurora boreal Aunque no se puede verificar experimentalmente la existencia del campo magnetico terrestre se debe casi seguramente a la circulacion de cargas en el nucleo externo liquido de la Tierra La hipotesis de su origen en materiales con magnetizacion permanente como el hierro parece desmentida por la constatacion de las inversiones periodicas de su sentido en el transcurso de las eras geologicas donde el polo norte magnetico es remplazado por el sur y viceversa Medido en tiempos humanos sin embargo los polos magneticos son estables lo que permite su uso mediante el antiguo invento chino de la brujula para la orientacion en el mar y en la tierra 78 El campo magnetico terrestre desvia las particulas cargadas provenientes del Sol viento solar Cuando esas particulas chocan con los atomos y moleculas de oxigeno y nitrogeno de la magnetosfera se produce un efecto fotoelectrico mediante el cual parte de la energia de la colision excita los atomos a niveles de energia tales que cuando dejan de estar excitados devuelven esa energia en forma de luz visible Este fenomeno puede observarse a simple vista en las cercanias de los polos en las auroras polares 79 Mundo organico Editar Uso biologico Editar Articulo principal Bioelectromagnetismo El bioelectromagnetismo estudia el fenomeno consistente en la produccion de campos electromagneticos producidos por la materia viva celulas tejidos u organismos Los ejemplos de este fenomeno incluyen el potencial electrico de las membranas celulares y las corrientes electricas que fluyen en nervios y musculos como consecuencia de su potencial de accion 80 Algunos organismos como los tiburones tienen la capacidad de detectar y responder a los cambios de los campos electricos una habilidad conocida como electrorrecepcion 81 Mientras que otros denominados electrogenicos son capaces de producir grandes descargas electricas con fines defensivos u ofensivos Algunos peces como las anguilas y las rayas electricas pueden generar tensiones de hasta dos mil voltios y corrientes superiores a 1 A 82 El potencial de accion tambien es responsable de la coordinacion de actividades en ciertas plantas 83 Vease tambien EditarBateria electrica Calculo de secciones de lineas electricas Electronica Ingenieria electrica Energia electrica Historia de la electricidad Mediciones electricas Choque Electrico Sistema de suministro electrico Tension electricidad Termoelectricidad Electromecanica Nikola TeslaReferencias 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