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La electricidad se ocupa de las partículas cargadas
positivamente, como los protones, que se repelen mutuamente, y
de las partículas cargadas negativamente, como los electrones,
que también se repelen mutuamente. En cambio, las partículas
negativas y positivas se atraen entre sí. Este comportamiento
puede resumirse diciendo que las cargas del mismo signo se
repelen y las cargas de distinto signo se atraen.
2 ELECTROSTÁTICA
Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de
atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de
acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la
misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de
cada cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos
partículas con cargas q1 y q2 puede calcularse a partir de la
ley de Coulomb
según la cual la fuerza es proporcional al producto de las
cargas dividido entre el cuadrado de la distancia que las
separa. La constante de proporcionalidad K depende del medio
que rodea a las cargas. La ley se llama así en honor al físico
francés Charles de Coulomb.
Toda partícula eléctricamente cargada crea a su alrededor un
campo de fuerzas. Este campo puede representarse mediante
líneas de fuerza que indican la dirección de la fuerza
eléctrica en cada punto. Para mover otra partícula cargada de
un punto a otro del campo hay que realizar trabajo. La
cantidad de energía necesaria para efectuar ese trabajo sobre
una partícula de carga unidad se conoce como diferencia de
potencial entre ambos puntos. Esta magnitud se mide en
voltios. La Tierra, un conductor de gran tamaño que puede
suponerse sustancialmente uniforme a efectos eléctricos, suele
emplearse como nivel de referencia cero para la energía
potencial. Así, se dice que el potencial de un cuerpo cargado
positivamente es de tantos voltios por encima del potencial de
tierra, y el potencial de un cuerpo cargado negativamente es
de tantos voltios por debajo del potencial de tierra.
2.1 Propiedades eléctricas de los sólidos
El primer fenómeno eléctrico artificial que se observó fue la
propiedad que presentan algunas sustancias resinosas como el
ámbar, que adquieren una carga negativa al ser frotadas con
una piel o un trapo de lana, tras lo cual atraen objetos
pequeños. Un cuerpo así tiene un exceso de electrones. Una
varilla de vidrio frotada con seda tiene una capacidad similar
para atraer objetos no cargados, y atrae los cuerpos cargados
negativamente con una fuerza aún mayor. El vidrio tiene una
carga positiva, que puede describirse como un defecto de
electrones o un exceso de protones.
Cuando algunos átomos se combinan para formar sólidos,
frecuentemente quedan libres uno o más electrones, que pueden
moverse con facilidad a través del material. En algunos
materiales, llamados conductores, ciertos electrones se
liberan fácilmente. Los metales, en particular el cobre y la
plata, son buenos conductores.
Los materiales en los que los electrones están fuertemente
ligados a los átomos se conocen como aislantes, no conductores
o dieléctricos. Algunos ejemplos son el vidrio, la goma o la
madera seca.
Existe un tercer tipo de materiales en los que un número
relativamente pequeño de electrones puede liberarse de sus
átomos de forma que dejan un ‘hueco’ en el lugar del electrón.
El hueco, que representa la ausencia de un electrón negativo,
se comporta como si fuera una unidad de carga positiva. Un
campo eléctrico hace que tanto los electrones negativos como
los huecos positivos se desplacen a través del material, con
lo que se produce una corriente eléctrica. Generalmente, un
sólido de este tipo, denominado semiconductor, tiene una
resistencia mayor al paso de corriente que un conductor como
el cobre, pero menor que un aislante como el vidrio. Si la
mayoría de la corriente es transportada por los electrones
negativos, se dice que es un semiconductor de tipo n. Si la
mayoría de la corriente corresponde a los huecos positivos, se
dice que es de tipo p.
Si un material fuera un conductor perfecto, las cargas
circularían por él sin ninguna resistencia; por su parte, un
aislante perfecto no permitiría que se movieran las cargas por
él. No se conoce ninguna sustancia que presente alguno de
estos comportamientos extremos a temperatura ambiente. A esta
temperatura, los mejores conductores ofrecen una resistencia
muy baja (pero no nula) al paso de la corriente y los mejores
aislantes ofrecen una resistencia alta (pero no infinita). Sin
embargo, la mayoría de los metales pierden toda su resistencia
a temperaturas próximas al cero absoluto; este fenómeno se
conoce como superconductividad.
2.2 Cargas eléctricas
El electroscopio es un instrumento cualitativo empleado para
demostrar la presencia de cargas eléctricas. En la figura 1 se
muestra el instrumento tal como lo utilizó por primera vez el
físico y químico británico Michael Faraday. El electroscopio
está compuesto por dos láminas de metal muy finas (a, a_)
colgadas de un soporte metálico (b) en el interior de un
recipiente de vidrio u otro material no conductor (c). Una
esfera (d) recoge las cargas eléctricas del cuerpo cargado que
se quiere observar; las cargas, positivas o negativas, pasan a
través del soporte metálico y llegan a ambas láminas. Al ser
iguales, las cargas se repelen y las láminas se separan. La
distancia entre éstas depende de la cantidad de carga.
Pueden utilizarse tres métodos para cargar eléctricamente un
objeto: 1) contacto con otro objeto de distinto material (como
por ejemplo, ámbar y piel) seguido por separación; 2) contacto
con otro cuerpo cargado; 3) inducción.
El efecto de las cargas eléctricas sobre conductores y no
conductores se muestra en la figura 2. Un cuerpo cargado
negativamente, A, está situado entre un conductor neutro, B, y
un no conductor neutro, C. Los electrones libres del conductor
son repelidos hacia la zona del conductor alejada de A,
mientras que las cargas positivas se ven atraídas hacia la
zona próxima. El cuerpo B en su conjunto es atraído hacia A,
porque la atracción de las cargas distintas más próximas entre
sí es mayor que la repulsión de las cargas iguales más
separadas (las fuerzas entre las cargas eléctricas son
inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre
las cargas). En el no conductor, C, los electrones no pueden
moverse libremente, pero los átomos o moléculas del mismo se
reorientan de forma que sus electrones constituyentes estén lo
más lejos posible de A; el no conductor también es atraído por
A, pero en menor medida que el conductor.
El movimiento de los electrones en el conductor B de la figura
2 y la reorientación de los átomos del no conductor C
proporciona a esos cuerpos cargas positivas en los lados más
próximos a A y negativas en los lados más distantes de A. Las
cargas generadas de esta forma se denominan cargas inducidas.
3 MEDIDAS ELÉCTRICAS
El flujo de carga, o intensidad de corriente, que recorre un
cable conductor se mide por el número de culombios que pasan
en un segundo por una sección determinada del cable. Un
culombio por segundo equivale a 1 amperio, unidad de
intensidad de corriente eléctrica llamada así en honor al
físico francés André Marie Ampère. Véase el siguiente
apartado, Corriente eléctrica.
Cuando una carga de 1 culombio se desplaza a través de una
diferencia de potencial de 1 voltio, el trabajo realizado
equivale a 1 julio, unidad llamada así en honor al físico
británico James Prescott Joule. Esta definición facilita la
conversión de cantidades mecánicas en eléctricas.
Una unidad de energía muy usada en física atómica es el
electronvoltio (eV). Corresponde a la energía adquirida por un
electrón acelerado por una diferencia de potencial de 1
voltio. Esta unidad es muy pequeña y muchas veces se
multiplica por un millón o mil millones, abreviándose el
resultado como 1 MeV o 1 GeV.
4 CORRIENTE ELÉCTRICA
Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio
de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las cargas se
neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo
mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde
el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en
ingeniería eléctrica, se considera por convención que la
corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la carga
positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de
conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor
potencial hasta el punto de mayor potencial. Un sistema de esa
clase se denomina circuito eléctrico. La corriente que circula
por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye
siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si
fluye alternativamente en uno u otro sentido.
El flujo de una corriente continua está determinado por tres
magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la diferencia
de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina
fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es
la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide en amperios;
1 amperio corresponde al paso de unos
6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una
sección determinada del circuito. La tercera magnitud es la
resistencia del circuito. Normalmente, todas las sustancias,
tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al
flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la
corriente. La unidad empleada para cuantificar la resistencia
es el ohmio (Ω), que se define como la resistencia que limita
el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem
de 1 voltio. La ley de Ohm, llamada así en honor al físico
alemán Georg Simon Ohm, que la descubrió en 1827, permite
relacionar la intensidad con la fuerza electromotriz. Se
expresa mediante la ecuación e = I × R, donde e es la fuerza
electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R
es la resistencia en ohmios. A partir de esta ecuación puede
calcularse cualquiera de las tres magnitudes en un circuito
dado si se conocen las otras dos. Véase Medidores eléctricos.
Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable pueden
observarse dos efectos importantes: la temperatura del cable
aumenta y un imán o brújula colocado cerca del cable se
desvía, apuntando en dirección perpendicular al cable. Al
circular la corriente, los electrones que la componen
colisionan con los átomos del conductor y ceden energía, que
aparece en forma de calor. La cantidad de energía desprendida
en un circuito eléctrico se mide en julios. La potencia
consumida se mide en vatios; 1 vatio equivale a 1 julio por
segundo. La potencia P consumida por un circuito determinado
puede calcularse a partir de la expresión P = e × I, o la que
se obtiene al aplicar a ésta la ley de Ohm: P = I2 × R.
También se consume potencia en la producción de trabajo
mecánico, en la emisión de radiación electromagnética como luz
u ondas de radio y en la descomposición química.
5 ELECTROMAGNETISMO
El movimiento de la aguja de una brújula en las proximidades
de un conductor por el que circula una corriente indica la
presencia de un campo magnético (véase Magnetismo) alrededor
del conductor. Cuando dos conductores paralelos son recorridos
cada uno por una corriente, los conductores se atraen si ambas
corrientes fluyen en el mismo sentido y se repelen cuando
fluyen en sentidos opuestos. El campo magnético creado por la
corriente que fluye en una espira de alambre es tal que si se
suspende la espira cerca de la Tierra se comporta como un imán
o una brújula, y oscila hasta que la espira forma un ángulo
recto con la línea que une los dos polos magnéticos
terrestres.
Puede considerarse que el campo magnético en torno a un
conductor rectilíneo por el que fluye una corriente se
extiende desde el conductor igual que las ondas creadas cuando
se tira una piedra al agua. Las líneas de fuerza del campo
magnético tienen sentido antihorario cuando se observa el
conductor en el mismo sentido en que se desplazan los
electrones. El campo en torno al conductor es estacionario
mientras la corriente fluya por él de forma uniforme.
Cuando un conductor se mueve de forma que atraviesa las líneas
de fuerza de un campo magnético, este campo actúa sobre los
electrones libres del conductor desplazándolos y creando una
diferencia de potencial y un flujo de corriente en el mismo.
Se produce el mismo efecto si el campo magnético es
estacionario y el cable se mueve que si el campo se mueve y el
cable permanece estacionario. Cuando una corriente empieza a
circular por un conductor, se genera un campo magnético que
parte del conductor. Este campo atraviesa el propio conductor
e induce en él una corriente en sentido opuesto a la corriente
que lo causó (según la llamada regla de Lenz). En un cable
recto este efecto es muy pequeño, pero si el cable se arrolla
para formar una bobina, el efecto se amplía ya que los campos
generados por cada espira de la bobina cortan las espiras
vecinas e inducen también una corriente en ellas. El resultado
es que cuando se conecta una bobina así a una fuente de
diferencia de potencial, impide el flujo de corriente cuando
empieza a aplicarse la diferencia de potencial. De forma
similar, cuando se elimina la diferencia de potencial, el
campo magnético se desvanece, y las líneas de fuerza vuelven a
cortar las espiras de la bobina. La corriente inducida en
estas circunstancias tiene el mismo sentido que la corriente
original, y la bobina tiende a mantener el flujo de corriente.
Debido a estas propiedades, una bobina se resiste a los
cambios en el flujo de corriente, por lo que se dice que posee
inercia eléctrica o autoinducción. Esta inercia tiene poca
importancia en circuitos de corriente continua, ya que no se
observa cuando la corriente fluye de forma continuada, pero es
muy importante en los circuitos de corriente alterna (véase
más adelante el apartado Corrientes alternas).
6 CONDUCCIÓN EN LÍQUIDOS Y GASES
Cuando fluye una corriente eléctrica por un conductor
metálico, el flujo sólo tiene lugar en un sentido, ya que la
corriente es transportada en su totalidad por los electrones.
En cambio en los líquidos y gases, se hace posible un flujo en
dos sentidos debido a la ionización (véase Electroquímica). En
una solución líquida, los iones positivos se mueven en la
disolución de los puntos de potencial más alto a los puntos de
potencial más bajo; los iones negativos se mueven en sentido
opuesto. De forma similar, en los gases —que pueden ser
ionizados por radiactividad, por los rayos ultravioletas de la
luz solar, por ondas electromagnéticas o por un campo
eléctrico muy intenso— se produce un movimiento de iones en
dos sentidos que produce una corriente eléctrica a través del
gas. Véase Arco eléctrico; Iluminación eléctrica.
7 FUENTES DE FUERZA ELECTROMOTRIZ
Para producir un flujo de corriente en cualquier circuito
eléctrico es necesaria una fuente de fuerza electromotriz. Las
fuentes disponibles son las siguientes: 1) máquinas
electrostáticas, que se basan en el principio de inducir
cargas eléctricas por medios mecánicos; 2) máquinas
electromagnéticas, en las que se genera corriente desplazando
mecánicamente un conductor a través de un campo o campos
magnéticos; 3) células voltaicas, que producen una fuerza
electromotriz a través de una acción electroquímica; 4)
dispositivos que producen una fuerza electromotriz a través de
la acción del calor; 5) dispositivos que generan una fuerza
electromotriz por la acción de la luz; 6) dispositivos que
producen una fuerza electromotriz a partir de una presión
física, como los cristales piezoeléctricos (véase Efecto
piezoeléctrico).
8 CORRIENTES ALTERNAS
Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el
flujo de corriente en el conductor cambia de sentido tantas
veces como lo hace el movimiento físico del conductor. Varios
sistemas de generación de electricidad se basan en este
principio, y producen una forma de corriente oscilante llamada
corriente alterna. Esta corriente tiene una serie de
características ventajosas en comparación con la corriente
continua, y suele utilizarse como fuente de energía eléctrica
tanto en aplicaciones industriales como en el hogar. La
característica práctica más importante de la corriente alterna
es que su voltaje puede cambiarse mediante un sencillo
dispositivo electromagnético denominado transformador. Cuando
una corriente alterna pasa por una bobina de alambre, el campo
magnético alrededor de la bobina se intensifica, se anula, se
vuelve a intensificar con sentido opuesto y se vuelve a
anular. Si se sitúa otra bobina en el campo magnético de la
primera bobina, sin estar directamente conectada a ella, el
movimiento del campo magnético induce una corriente alterna en
la segunda bobina. Si esta segunda bobina tiene un número de
espiras mayor que la primera, la tensión inducida en ella será
mayor que la tensión de la primera, ya que el campo actúa
sobre un número mayor de conductores individuales. Al
contrario, si el número de espiras de la segunda bobina es
menor, la tensión será más baja que la de la primera.
La acción de un transformador hace posible la transmisión
rentable de energía eléctrica a lo largo de grandes
distancias. Si se quieren suministrar 200.000 vatios de
potencia a una línea eléctrica, puede hacerse con un voltaje
de 200.000 voltios y una corriente de 1 amperio o con un
voltaje de 2.000 voltios y una corriente de 100 amperios, ya
que la potencia es igual al producto de tensión y corriente.
La potencia perdida en la línea por calentamiento es igual al
cuadrado de la intensidad de la corriente multiplicado por la
resistencia. Por ejemplo, si la resistencia de la línea es de
10 ohmios, la pérdida de potencia con 200.000 voltios será de
10 vatios, mientras que con 2.000 voltios será de 100.000
vatios, o sea, la mitad de la potencia disponible. Véase
Generación y transporte de electricidad.
En un circuito de corriente alterna, el campo magnético en
torno a una bobina varía constantemente, y la bobina
obstaculiza continuamente el flujo de corriente en el circuito
debido a la autoinducción. La relación entre el voltaje
aplicado a una bobina ideal (es decir, sin resistencia) y la
intensidad que fluye por dicha bobina es tal que la intensidad
es nula cuando el voltaje es máximo, y es máxima cuando el
voltaje es nulo. Además, el campo magnético variable induce
una diferencia de potencial en la bobina de igual magnitud y
sentido opuesto a la diferencia de potencial aplicada. En la
práctica, las bobinas siempre presentan resistencia y
capacidad además de autoinducción. Véase Inducción
(electricidad).
Si en un circuito de corriente alterna se coloca un
condensador (también llamado capacitor) la intensidad de
corriente es proporcional al tamaño del condensador y a la
velocidad de variación del voltaje en el mismo. Por tanto, por
un condensador cuya capacidad es de 2 faradios pasará el doble
de intensidad que por uno de 1 faradio. En un condensador
ideal, el voltaje está totalmente desfasado con la intensidad.
Cuando el voltaje es máximo no fluye intensidad, porque la
velocidad de cambio de voltaje es nula. La intensidad es
máxima cuando el voltaje es nulo, porque en ese punto la
velocidad de variación del voltaje es máxima. A través de un
condensador circula intensidad —aunque no existe una conexión
eléctrica directa entre sus placas— porque el voltaje de una
placa induce una carga opuesta en la otra.
De los efectos indicados se deduce que si se aplica un voltaje
alterno a una bobina o condensador ideales, no se consume
potencia. No obstante, en todos los casos prácticos los
circuitos de corriente alterna presentan resistencia además de
autoinducción y capacidad, y se consume potencia. Esta
potencia consumida depende de la proporción relativa de las
tres magnitudes en el circuito.
9 HISTORIA
Es posible que el filósofo griego Tales de Mileto, que vivió
en torno al 600 a.C., ya supiera que el ámbar adquiere la
propiedad de atraer objetos ligeros al ser frotado. Otro
filósofo griego, Teofrasto, afirmaba en un tratado escrito
tres siglos después que otras sustancias poseen esa propiedad.
Sin embargo, el primer estudio científico de los fenómenos
eléctricos no apareció hasta el 1600 d.C., cuando se
publicaron las investigaciones del médico británico William
Gilbert, quien aplicó el término ‘eléctrico’ (del griego
elektron, ‘ámbar’) a la fuerza que ejercen esas sustancias
después de ser frotadas. También distinguió entre las acciones
magnética y eléctrica.
La primera máquina para producir una carga eléctrica fue
descrita en 1672 por el físico alemán Otto von Guericke.
Estaba formada por una esfera de azufre movida por una
manivela, sobre la que se inducía una carga cuando se apoyaba
la mano sobre ella. El científico francés Charles François de
Cisternay Du Fay fue el primero en distinguir claramente los
dos tipos diferentes de carga eléctrica: positiva y negativa.
El condensador más antiguo, la botella de Leyden, fue
desarrollado en 1745. Estaba formado por una botella de vidrio
recubierta por dos láminas de papel de estaño, una en el
interior y otra en el exterior. Si se cargaba una de las
láminas con una máquina electrostática, se producía una
descarga violenta si se tocaban ambas láminas a la vez.
El inventor estadounidense Benjamin Franklin dedicó mucho
tiempo a la investigación de la electricidad. Su famoso
experimento con una cometa o papalote demostró que la
electricidad atmosférica que provoca los fenómenos del
relámpago y el trueno es de la misma naturaleza que la carga
electrostática de una botella de Leyden. Franklin desarrolló
una teoría según la cual la electricidad es un ‘fluido’ único
que existe en toda la materia, y sus efectos pueden explicarse
por el exceso o la escasez de ese fluido.
La ley de que la fuerza entre cargas eléctricas es
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre
las cargas fue demostrada experimentalmente por el químico
británico Joseph Priestley alrededor de 1766. Priestley
también demostró que una carga eléctrica se distribuye
uniformemente sobre la superficie de una esfera metálica
hueca, y que en el interior de una esfera así no existen
cargas ni campos eléctricos. Charles de Coulomb inventó una
balanza de torsión para medir con precisión la fuerza que se
ejerce entre las cargas eléctricas. Con ese aparato confirmó
las observaciones de Priestley y demostró que la fuerza entre
dos cargas también es proporcional al producto de las cargas
individuales. Faraday, que realizó numerosas contribuciones al
estudio de la electricidad a principios del siglo XIX, también
desarrolló la teoría de las líneas de fuerza eléctricas.
Los físicos italianos Luigi Galvani y Alessandro Volta
llevaron a cabo los primeros experimentos importantes con
corrientes eléctricas. Galvani produjo contracciones
musculares en las patas de una rana aplicándoles una corriente
eléctrica. En 1800, Volta presentó la primera fuente
electroquímica artificial de diferencia de potencial, un tipo
de pila eléctrica o batería. La existencia de un campo
magnético en torno a un flujo de corriente eléctrica fue
demostrada por el científico danés Hans Christian Oersted en
1819, y en 1831 Faraday demostró que la corriente que circula
por una espira de cable puede inducir electromagnéticamente
una corriente en una espira cercana. Alrededor de 1840, James
Prescott Joule y el científico alemán Hermann von Helmholtz
demostraron que los circuitos eléctricos cumplen la ley de
conservación de la energía, y que la electricidad es una forma
de energía.
El físico matemático británico James Clerk Maxwell realizó una
contribución importante al estudio de la electricidad en el
siglo XIX; Maxwell investigó las propiedades de las ondas
electromagnéticas y la luz y desarrolló la teoría de que ambas
tienen la misma naturaleza. Su trabajo abrió el camino al
físico alemán Heinrich Hertz, que produjo y detectó ondas
eléctricas en la atmósfera en 1886, y al ingeniero italiano
Guglielmo Marconi, que en 1896 empleó esas ondas para producir
el primer sistema práctico de señales de radio.
La teoría de los electrones, que forma la base de la teoría
eléctrica moderna, fue presentada por el físico holandés
Hendrik Antoon Lorentz en 1892. El primero en medir con
precisión la carga del electrón fue el físico estadounidense
Robert Andrews Millikan, en 1909. El uso generalizado de la
electricidad como fuente de energía se debe en gran medida a
ingenieros e inventores pioneros de Estados Unidos, como
Thomas Alva Edison, Nikola Tesla o Charles Proteus Steinmetz.
Artículo enviado
por Dolores Mengual Sánchez, Valencia, España.
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