¿Que es la Electricidad?
La electricidad se puede definir como una forma de energía originada por el movimiento ordenado de electrones. Otros tipos de energía son la mecánica, calorífica, solar, etc.
Dependiendo de la energía que se quiera transformar en electricidad, sera necesario aplicar una determinada acción. Se podrá disponer de electricidad por los siguientes procedimientos.
Electricidad por Frotamiento
Las primeras observaciones sobre fenómenos eléctricos se
realizaron ya en la antigua Grecia, cuando el filósofo Tales de Mileto (640-546
a.c.) comprobó que, al frotar barras de ámbar contra pieles curtidas, se
producía en ellas características de atracción que antes no poseían.
Es el mismo experimento que ahora se puede hacer frotando
una barra de plástico con un paño; acercándola luego a pequeños pedazos de
papel, los atrae hacia sí, como es característico en los cuerpos electrizados.
Todos estamos familiarizados con los efectos de la
electricidad estática, incluso algunas personas son más susceptibles que otras
a su influencia.
Ciertos usuarios de automóviles sienten sus efectos al
cerrar con la llave (un objeto metálico puntiagudo) o al tocar la chapa del
coche.
Creamos electricidad estática, cuando frotamos un bolígrafo
con nuestra ropa.
A continuación, comprobamos que el bolígrafo atrae pequeños
trozos de papel.
Lo mismo podemos decir cuando frotamos vidrio con seda o
ámbar con lana.
Para explicar cómo se origina la electricidad estática,
hemos de considerar que la materia está hecha de átomos, y los átomos de
partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente,
la materia es neutra, tiene el mismo número de cargas positivas y negativas.
Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus
electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones
cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie
tribo - eléctrica.
Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en
contacto con otro material, dicho material es más negativo en la serie tribo -
eléctrica.
Estos son algunos ejemplos de materiales ordenados de más
positivo a más negativo:
Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda,
papel, algodón, madera, ámbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón.
El vidrio frotado con seda provoca una separación de las
cargas porque ambos materiales ocupan posiciones distintas en la serie tribo -
eléctrica, lo mismo se puede decir del ámbar y del vidrio.
Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno
de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidad de
carga depende de la naturaleza de los materiales (de su separación en la serie
tribo - eléctrica), y del área de la superficie que entra en contacto.
Otro de los factores que intervienen es el estado de las
superficies, si son lisas o rugosas (la superficie de contacto es pequeña). La
humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para
que se recombinen las cargas.
La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto
que la humedad.
Habremos observado que frotando el bolígrafo con nuestra
ropa atrae a trocitos de papeles.
En las experiencias de aula, se frotan diversos materiales,
vidrio con seda, cuero, etc...
Se emplean bolitas de sauco electrizadas para mostrar las
dos clases de cargas y sus interacciones.
De estos experimentos se concluye que:
La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas
denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades
iguales de cada tipo de carga. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere
de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y
el otro, un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un
sistema aislado, la carga total o neta no cambia.
Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen.
Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se
atraen.
Si antes de empezar las experiencias, se aproximan una barra
de ebonita y a otra de vidrio, se comprobará que no existe electrificación
ninguna, pues no hay ni atracción ni repulsión. De esta manera, se llega a la
conclusión de que la electrización se produce por frotamiento y de que existe
algún agente común que no se comporta de igual forma en ambos materiales.
Efectivamente, un tipo de partículas llamadas electrones
abandonan en unos casos la barra, por acción del frotamiento, y otras veces
abandona el paño para pasar a la barra.
El exceso de electrones da lugar a cargas negativas, y su
falta a cargas positivas.
Los electrones son idénticos para todas las sustancias (los
de cobre son iguales que los del vidrio o la madera), siendo estas, las
partículas más importantes de las que se compone la materia, ya que disponen de
carga y movilidad para desplazarse por las sustancias. La diferencia entre dos
materiales vendrá dada, entre otras cosas, por la cantidad y movilidad de los
electrones que la componen.
A título de curiosidad, comentar que la masa de un electrón
es de:
0'0000000000000000000000000000009106 Kg.
Los conceptos de carga y movilidad son esenciales en el
estudio de la electricidad, ya que, sin ellos, no podría existir la corriente
eléctrica.
Electricidad por Acción Química
Dispositivo que convierte la energía química en eléctrica.
Todas las pilas consisten en un electrolito (que puede ser líquido, sólido o en
pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un
conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo
los recibe. Al conectar los electrodos al circuito que hay que alimentar, se
produce una corriente eléctrica. Véase Electroquímica.
Las pilas en las que el producto químico no puede volver a
su forma original una vez que la energía química se ha transformado en energía
eléctrica (es decir, cuando las pilas se han descargado), se llaman pilas
primarias o voltaicas. Las pilas secundarias o acumuladores son aquellas pilas
reversibles en las que el producto químico que al reaccionar en los electrodos
produce energía eléctrica, puede ser reconstituido pasando una corriente
eléctrica a través de él en sentido opuesto a la operación normal de la pila.
Entre los extremos de los metales, fuera del electrolito, se
genera una diferencia de potencial, o voltaje, que puede dar lugar a una
corriente eléctrica. En la pila de la figura 3 el zinc adquiere carga negativa,
mientras que el cobre adquiere cargas positivas. Al zinc se le llama cátodo y
el cobre recibe el nombre de ánodo. Así se tiene una fuente de electricidad
distinta a la generada por fricción. Con este medio químico para obtener
electricidad se abrieron nuevas posibilidades de aplicación práctica y
experimental.
La explicación de las reacciones químicas que ocurren en la
pila o celda voltaica se dio muchos años después, ya que en la época de Volta
la química apenas empezaba a desarrollarse como ciencia moderna. Solamente
diremos que, por un lado, el zinc adquiere un exceso de electrones, mientras que
por el otro, el ácido con el cobre da lugar a cargas eléctricas positivas. Al
unir el cobre con el zinc por medio de un alambre conductor, los electrones del
zinc se mueven a través del alambre, atraídos por las cargas del cobre y al
llegar a ellas se les unen formando hidrógeno.
Electricidad por Acción de la Luz
A medida que la luz solar se hace más intensa, el voltaje
que se genera entre las dos capas de la célula fotovoltaica aumenta.
Para ver el gráfico seleccione la opción
"Descargar" del menú superior
¿Cómo funciona una célula fotovoltaica?
Para ver el gráfico seleccione la opción
"Descargar" del menú superior
En ausencia de luz, el sistema no genera energía.
Cuando la luz solar incide sobre la placa, la célula empieza
a funcionar. Los fotones de la luz solar interaccionan con los electrones
disponibles e incrementan su nivel de energía.
Electricidad Térmica por Acción del Calor
Central de generación térmica:
Es el tipo de central donde se usa una turbina accionada por
vapor de agua inyectado a presión para mover el eje de los generadores
eléctricos. Se puede producir desde los 5 hasta los 5000 kwatts.
Las centrales térmicas convencionales y las térmicas nucleares
utilizan la energía contenida en el vapor a presión. El ejemplo más sencillo
consiste en conectar una tetera llena de agua hirviendo a una rueda de paletas,
enlazada a su vez a un generador. El chorro de vapor procedente de la tetera
mueve las paletas, y estas, el rotor.
Podemos conseguir vapor de muchas maneras: quemando carbón,
petróleo, gas o residuos urbanos, o bien aprovechando la gran cantidad de calor
que generan las reacciones de fisión nuclear. Incluso se puede producir vapor
concentrando la energía del sol.
El proceso seguido en todas las centrales térmicas
(convencionales o nucleares) tiene cuatro partes principales:
1. Generador de calor (puede ser una caldera para quemar
carbón, fuel, gas, biogás, biomasa o residuos urbanos, o bien un reactor
nuclear).
2. Circuito cerrado por donde circula el fluido que porta la
energía cinética necesaria (agua en fase líquida y en fase de vapor). El
generador de vapor tiene una gran superficie de contacto para facilitar la
transferencia de calor de la caldera. (En las centrales de gas de ciclo
combinado, el fluido es el propio gas en combustión).
3. Condensador o circuito de enfriamiento. Convierte el
vapor "muerto" de baja densidad en agua líquida de alta densidad,
apta para ser convertida de nuevo en vapor "vivo". El calor residual
del vapor "muerto" se transfiere a otro medio (generalmente un río o
un embalse).
4. La turbina convierte la energía cinética del vapor
"vivo" en movimiento rotatorio. Las ruedas de paletas se disponen una
tras otra, con diferentes configuraciones, para aprovechar toda la energía
contenida en el vapor a presión a medida que se expande y pierde fuerza. El
generador convierte el giro en corriente eléctrica, gracias al proceso de
inducción electromagnética.
Electricidad por Magnetismo
En 1819, el físico danés Hans Christian Oersted llevó a cabo
un importante descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser
desviada por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que mostraba una
conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado por el
científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre cables por
los que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés Dominique
François Arago, que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca de un cable
recorrido por una corriente. En 1831, el científico británico Michael Faraday
descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce
en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por
Oersted. Así, Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un campo
magnético, mientras que Faraday demostró que puede emplearse un campo magnético
para crear una corriente eléctrica. La unificación plena de las teorías de la
electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk Maxwell,
que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identificó la luz como
un fenómeno electromagnético (véase Física).
James Clerk Maxwell Conocido como uno de los científicos más
destacados del siglo XIX, James Clerk Maxwell desarrolló una teoría matemática
que relaciona las propiedades de los campos eléctricos y magnéticos. Los
trabajos de Maxwell lo llevaron a predecir la existencia de las ondas
electromagnéticas, e identificó la luz como un fenómeno electromagnético. Sus
investigaciones contribuyeron a algunos de los descubrimientos más importantes
en el campo de la física durante el siglo XX, incluidas la teoría de la
relatividad especial de Einstein y la teoría cuántica.Hulton Deutsch
Los estudios posteriores sobre el magnetismo se centraron
cada vez más en la comprensión del origen atómico y molecular de las
propiedades magnéticas de la materia. En 1905, el físico francés Paul Langevin
desarrolló una teoría sobre la variación con la temperatura de las propiedades
magnéticas de las sustancias paramagnéticas (ver más adelante), basada en la
estructura atómica de la materia. Esta teoría es uno de los primeros ejemplos
de la descripción de propiedades macroscópicas a partir de las propiedades de
los electrones y los átomos. Posteriormente, la teoría de Langevin fue ampliada
por el físico francés Pierre Ernst Weiss, que postuló la existencia de un campo
magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro. Este concepto,
combinado con la teoría de Langevin, sirvió para explicar las propiedades de
los materiales fuertemente magnéticos como la piedra imán.
Campos magnéticos y corrientes En 1813, Hans Christian
Oersted predijo que se hallaría una conexión entre la electricidad y el
magnetismo. En 1819 colocó una brújula cerca de un hilo recorrido por una
corriente y observó que la aguja magnética se desviaba. Con ello demostró que
las corrientes eléctricas producen campos magnéticos. Aquí vemos cómo las
líneas del campo magnético rodean el cable por el que fluye la corriente.©
Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.
Después de que Weiss presentara su teoría, las propiedades
magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada. La teoría del físico
danés Niels Bohr sobre la estructura atómica, por ejemplo, hizo que se
comprendiera la tabla periódica y mostró por qué el magnetismo aparece en los
elementos de transición, como el hierro, en los lantánidos o en compuestos que
incluyen estos elementos. Los físicos estadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y
George Eugene Uhlenbeck demostraron en 1925 que los electrones tienen espín y
se comportan como pequeños imanes con un ‘momento magnético’ definido. El
momento magnético de un objeto es una magnitud vectorial (véase Vector) que
expresa la intensidad y orientación del campo magnético del objeto. El físico
alemán Werner Heisenberg dio una explicación detallada del campo molecular de
Weiss en 1927, basada en la recientemente desarrollada mecánica cuántica (ver
Teoría cuántica). Más tarde, otros científicos predijeron muchas estructuras
atómicas del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades
magnéticas.
4 EL CAMPO MAGNÉTICO
Una barra imantada o un cable que transporta corriente
pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque
los objetos magnéticos producen un ‘campo magnético’. Los campos magnéticos
suelen representarse mediante ‘líneas de campo magnético’ o ‘líneas de fuerza’.
En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de
las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al
espacio entre las líneas. En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza
salen de un extremo y se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas
pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del
imán y otra fuera. En los extremos del imán, donde las líneas de fuerza están
más próximas, el campo magnético es más intenso; en los lados del imán, donde
las líneas de fuerza están más separadas, el campo magnético es más débil.
Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de imán producen
diferentes esquemas de líneas de fuerza. La estructura de las líneas de fuerza
creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo magnético puede
visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los imanes tienden a
orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Por tanto, una brújula, que
es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la dirección de
las líneas. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en
diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético, puede deducirse
el esquema de líneas de fuerza. Igualmente, si se agitan limaduras de hierro
sobre una hoja de papel o un plástico por encima de un objeto que crea un campo
magnético, las limaduras se orientan siguiendo las líneas de fuerza y permiten
así visualizar su estructura.
Los campos magnéticos influyen sobre los materiales
magnéticos y sobre las partículas cargadas en movimiento. En términos
generales, cuando una partícula cargada se desplaza a través de un campo
magnético, experimenta una fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de
la partícula y con la dirección del campo. Como la fuerza siempre es
perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven en trayectorias curvas.
Los campos magnéticos se emplean para controlar las trayectorias de partículas
cargadas en dispositivos como los aceleradores de partículas o los
espectrógrafos de masas.
5 TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS
Paramagnetismo El oxígeno líquido queda atrapado en el campo
magnético de un electroimán, porque el oxígeno (O2) es paramagnético. El
oxígeno tiene dos electrones desapareados cuyos momentos magnéticos se alinean
con el campo magnético externo. Cuando esto ocurre, las moléculas de O2 se
comportan como imanes minúsculos y quedan atrapadas entre los polos del
electroimán.Phototake NYC/Yoav Levy
Las propiedades magnéticas de los materiales se clasifican
siguiendo distintos criterios.
Una de las clasificaciones de los materiales magnéticos —que
los divide en diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos— se basa en la
reacción del material ante un campo magnético. Cuando se coloca un material
diamagnético en un campo magnético, se induce en él un momento magnético de
sentido opuesto al campo. En la actualidad se sabe que esta propiedad se debe a
las corrientes eléctricas inducidas en los átomos y moléculas individuales.
Estas corrientes producen momentos magnéticos opuestos al campo aplicado.
Muchos materiales son diamagnéticos; los que presentan un diamagnetismo más
intenso son el bismuto metálico y las moléculas orgánicas que, como el benceno,
tienen una estructura cíclica que permite que las corrientes eléctricas se
establezcan con facilidad.
El comportamiento paramagnético se produce cuando el campo
magnético aplicado alinea todos los momentos magnéticos ya existentes en los
átomos o moléculas individuales que componen el material. Esto produce un
momento magnético global que se suma al campo magnético. Los materiales
paramagnéticos suelen contener elementos de transición o lantánidos con
electrones desapareados. El paramagnetismo en sustancias no metálicas suele
caracterizarse por una dependencia de la temperatura: la intensidad del momento
magnético inducido varía inversamente con la temperatura. Esto se debe a que al
ir aumentando la temperatura, cada vez resulta más difícil alinear los momentos
magnéticos de los átomos individuales en la dirección del campo magnético.
Las sustancias ferromagnéticas son las que, como el hierro,
mantienen un momento magnético incluso cuando el campo magnético externo se
hace nulo. Este efecto se debe a una fuerte interacción entre los momentos
magnéticos de los átomos o electrones individuales de la sustancia magnética,
que los hace alinearse de forma paralela entre sí. En circunstancias normales,
los materiales ferromagnéticos están divididos en regiones llamadas ‘dominios’;
en cada dominio, los momentos magnéticos atómicos están alineados en paralelo.
Los momentos de dominios diferentes no apuntan necesariamente en la misma
dirección. Aunque un trozo de hierro normal puede no tener un momento magnético
total, puede inducirse su magnetización colocándolo en un campo magnético, que
alinea los momentos de todos los dominios. La energía empleada en la
reorientación de los dominios desde el estado magnetizado hasta el estado
desmagnetizado se manifiesta en un desfase de la respuesta al campo magnético
aplicado, conocido como ‘histéresis’.
Un material ferromagnético acaba perdiendo sus propiedades
magnéticas cuando se calienta. Esta pérdida es completa por encima de una
temperatura conocida como punto de Curie, llamada así en honor del físico
francés Pierre Curie, que descubrió el fenómeno en 1895. (El punto de Curie del
hierro metálico es de unos 770 °C).
Electricidad por Presión
Para ver el gráfico seleccione la opción
"Descargar" del menú superior
En esta figura podemos observar, la presión que ejerce las
corrientes de agua subterráneas, las mismas que accionan las turbinas que
posteriormente generan la energía eléctrica, este mismo proceso lo utilizan en
los barcos y grandes buques como energía alterna al sistema principal.
En la figura siguiente, podemos observar la presión que
ejerce el agua en una represa de agua, este sistema es el más utilizado.
Para ver el gráfico seleccione la opción
"Descargar" del menú superior
En las presas se genera electricidad liberando un flujo controlado
de agua a alta presión a través de un conducto forzado. El agua impulsa unas
turbinas que mueven los generadores y producen así una corriente eléctrica. A
continuación, esta corriente elevada de baja tensión pasa por un elevador de
tensión que la transforma
