I.- Naturaleza de la Electricidad

Naturaleza de la Electricidad (Teoría atómica)

Elec 1La parte más pequeña de un material que aún conserva sus propiedades físicas, se denomina molécula. Son tan pequeñas que sólo se aprecian con la ayuda de potentes microscopios. Estas moléculas pueden dividirse en los denominados átomos y estos en partículas aun menores denominadas electrones, protones y neutrones. Los  protones y neutrones se encuentran inmóviles en la zona interior, en el denominado núcleo del átomo, mientras los electrones orbitan alrededor del núcleo. Los electrones disponen de la misma carga eléctrica que los protones, pero de signo contrario, siendo este equilibrio de cargas el que mantiene unidas las partículas que forman el átomo. Sin embargo, debido a la distancia que separa a los electrones del núcleo, y su movimiento orbital, es relativamente fácil romper este equilibrio. Aplicando energía desde el exterior podemos desprender electrones del átomo.

 

Por ejemplo:

Elec 2Si en un átomo de Litio, la suma de cargas eléctricas es nula.

3(+) + 3(-) = 0

  Si, suponiendo que por frotamiento, conseguimos transmitirle la suficiente energía como para arrancarle un electrón, el equilibrio de cargas eléctricas se pierde, ahora el átomo contiene 3 protones y 2 electrones.

3(+) + 2(-) = 1(+)

 

En este caso se dice que el átomo queda cargado positivamente (catión o ión positivo)Elec 3

 

 

 

 

 

 

 

Del mismo modo si lo que se consigue es añadir un electrón al átomo, este quedaría cargado negativamente (anión o ión negativo).

3(+) + 4(-) = 1 (-)

Elec 4

 

 

 

 

 

 

 

De esta manera, quitando o añadiendo electrones, se electriza el átomo y como consecuencia el material formado por infinidad de átomos.

La medida física que indica el exceso o defecto de electrones en un cuerpo se la denomina carga eléctrica. Se mide en Culombios. Un Culombio es la carga eléctrica equivalente a 6.300.000.000.000.000.000 electrones.


Conceptos eléctricos básicos

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.

Sin embargo, fue el filósofo griego Theophrastus (374-287 a.C.) el primero, que en un tratado escrito tres siglos después, estableció que otras sustancias tienen este mismo poder, dejando así constancia del primer estudio científico sobre la electricidad. Comprobando que no todos los materiales pueden adquirir tal propiedad o adquirirla en igual medida. Se atraen, por ejemplo, una barra de vidrio y otra de ebonita. Se repelen, sin embargo, dos barras de vidrio o dos de ebonita.

La experiencia ha demostrado la existencia de dos clases distintas de electricidad: a una se le llama positiva (+) y a la otra negativa (-). En 1733, el francés Francois de Cisternay Du Fay fue el primero en identificar la existencia de dos cargas eléctricas: Positiva y Negativa.

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. En 1776 Charles Agustín de Coulomb (1736-1806) inventó la balanza de torsión con la cual, midió con exactitud la fuerza entre las cargas eléctricas y corroboró que dicha fuerza era proporcional al producto de las cargas individuales e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Por lo anteriormente expuesto, se puede afirmar que los electrones no se ven, pero podemos notar sus efectos: la electricidad. De igual manera, podemos afirmar que en cualquier clase de material, se dan efectos eléctricos. Ahora bien, la materia es eléctricamente neutra y, en consecuencia, es necesario aplicar una energía externa que origine el desplazamiento de algunos electrones, dando lugar a fenómenos eléctricos. Por lo tanto, la electricidad se puede definir como una forma de energía originada por el movimiento ordenado de electrones.

 

Formas de Generación de la Electricidad

Dependiendo de la energía que se quiera transformar en electricidad, será necesario aplicar una determinada acción. Se podrá disponer de electricidad por los siguientes procedimientos:

Elec 5

De todas las energías enunciadas anteriormente, la empleada para producir electricidad en grandes cantidades es la magnética.

Su producción se basa en el hecho de que, al mover un conductor (material con gran movilidad de electrones) en presencia de un imán (campo magnético), en el conductor se produce un movimiento ordenado de electrones, como consecuencia de las fuerzas de atracción y repulsión originadas por el campo magnético.

En esta forma de producción de electricidad se basa el funcionamiento de los alternadores, motores y dinamos.

Elec 6

 

Elec 7Cualquier central eléctrica, basa su producción de electricidad en el giro de turbinas unidas a ejes de alternadores. Este giro se producirá por la caída de agua (central hidroeléctrica).

 

 

 

 

 

Elec 8O por el empuje de vapor de agua a presión. En función del origen del calor utilizado para producir vapor, podemos encontrarnos con centrales:

  • Térmicas: Queman combustibles fósiles (normalmente carbón).
  • Nucleares: Emplea combustibles atómicos (fusión nuclear).
  • Geotérmicas: Utilizan el calor del interior de la Tierra.
  • Solares: Utilizan el calor del Sol.

Elec 9Cabe mencionar en este apartado, el aumento de los parques eólicos. En ellos se emplean gran cantidad de aerogeneradores. Estos son pequeños alternadores cuyo giro se consigue mediante aspas movidas por la fuerza del viento.

Los electrones al moverse llevan consigo la electricidad de que están provistos, y su velocidad de desplazamiento es la misma que la de la luz, es decir 300.000 Km./seg.

 

 

 

 

Corriente Eléctrica

Elec 10El sentido de desplazamiento de los electrones es siempre desde el material cargado negativamente, al cargado positivamente. Por lo tanto, el movimiento de carga eléctrica se produce desde el cuerpo negativo al positivo. Este movimiento de electrones a través del circuito es lo que se llama corriente eléctrica (corriente de electrones).

Para crear y mantener la corriente eléctrica (movimiento de electrones), deben darse dos condiciones indispensables:

  1. Que haya una fuente de electrones o dispositivo para su generación (generador), pila, batería, fotocélula, etc.
  2. Que exista un camino, sin interrupción, en el exterior del generador, por el cual, circulen los electrones. A este camino se le conoce como conductor.

 

Además de estas dos condiciones indispensables, en la mayoría de los casos, existe un elemento llamado receptor o carga, que es el que recibe los electrones y aprovecha la energía de su movimiento para conseguir el efecto deseado: luz, calor, etc.

A todo este conjunto se le denomina circuito eléctrico. Si los conductores permanecen unidos al generador y al receptor, se dice que es un circuito cerrado. Los electrones se desplazan por el circuito exterior desde el polo negativo del generador a su polo positivo, y dentro del generador, desde el positivo al negativo.

Por lo contrario, cuando algún tramo del conductor se interrumpe, al no existir conexión entre el generador y el receptor, los electrones no pueden desplazarse por el circuito y, en consecuencia, no se establece la corriente eléctrica. En este caso, se dice que es un circuito abierto.

 

Corriente Continua y Corriente Alterna (AC/DC)

Ya sabemos que la corriente eléctrica es el movimiento de electrones; ahora bien, atendiendo al sentido del movimiento de los electrones y a su cantidad, se puede hacer la siguiente clasificación de corrientes eléctricas.

Elec 11Corriente continua: En cada instante los electrones circulan en la misma cantidad y sentido. Es el tipo de corriente generada por una pila o una batería.

 

 

 

 

 

Elec 12Corriente alterna: Dependiendo del instante, los electrones circularán en un sentido o en otro, siendo también variable su cantidad. Es el tipo de corriente más empleada, siendo esta de la que se dispone en cualquier enchufe eléctrico de una vivienda.

 

 

 

 

 

Efectos de la electricidad.

Los efectos de la corriente eléctrica se pueden clasificar en:

  • Luminosos.
  • Caloríficos.
  • Magnéticos.
  • Dinámicos.
  • Químico

Estos efectos suelen aparecer relacionados entre sí. Por ejemplo: una lámpara desprende calor y un calefactor eléctrico desprende luz.

El efecto magnético es el utilizado en los electroimanes: se puede conseguir un imán enrollando un conductor a una barra metálica, y haciendo circular una corriente eléctrica.

El efecto dinámico consiste en la producción de movimiento, como ocurre con un motor eléctrico.

El efecto químico es el que da lugar a la carga y descarga de las baterías eléctricas. También se emplea en los recubrimientos metálicos, cromados, dorados, etc.

 

 

Conductores y Aislantes

Debido a que la estructura de los materiales difiere notablemente de unos a otros, no todos los cuerpos permiten el paso de la corriente eléctrica con la misma facilidad.

A los que menor oposición presentan se les denomina materiales conductores. Entre ellos, destacan el oro y la plata; pero su elevado precio hace que sólo se empleen en aparatos electrónicos de precisión. Los materiales comúnmente empleados son el cobre y el aluminio. Son peores conductores pero muchísimo más económicos.

La experiencia nos enseña que hay ciertos materiales que se oponen casi totalmente al paso de corriente eléctrica. Estos reciben el nombre de materiales aislantes. Buenos ejemplos de aislante son la madera, el plástico, el papel, la porcelana, los barnices aislantes, etc. Obsérvese que se ha dicho que estos materiales se oponen “casi totalmente” al paso de la corriente eléctrica, queriendo con ello resaltar que aun sin favorecer el paso de electrones, en ciertas condiciones “especiales”, no existen materiales aislantes. No obstante, se consideran materiales no conductores, o sea, aislantes en condiciones normales.

 

Campos Eléctricos y Electromagnéticos

A través de la historia de la Física se puede apreciar la importancia que ha tenido el electromagnetismo, una de las principales revoluciones del siglo XIX que ha dado paso a grandes descubrimientos tecnológicos. Los primeros fenómenos magnéticos observados estaban ligados a los llamados imanes naturales, actualmente sabemos que los fenómenos magnéticos se deben a fuerzas originadas por cargas eléctricas en movimiento; en otras palabras, toda carga además de crear un campo eléctrico, cuando se desplaza origina en el espacio que le rodea una nueva perturbación que constituye un campo magnético.

Campos eléctricos tienen su origen en diferencias de voltaje: entre más elevado sea el voltaje, más fuerte será el campo que resulta. Campos magnéticos tienen su origen en las corrientes eléctricas una corriente más fuerte resulta en un campo más fuerte. Un campo eléctrico existe aun que no haya corriente. Cuando hay corriente, la magnitud del campo magnético cambiará con el consumo de poder, pero la fuerza del campo eléctrico quedará igual.

En presencia de una carga eléctrica positiva o negativa se producen campos eléctricos que ejercen fuerzas sobre las otras cargas presentes en el campo. La intensidad del campo eléctrico se mide en voltios por metro (V/m). Cualquier conductor eléctrico cargado genera un campo eléctrico asociado, que está presente aunque no fluya la corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la tensión, más intenso será el campo eléctrico a una determinada distancia del conductor.

Los campos eléctricos son más intensos cuanto menor es la distancia a la carga o conductor cargado que los genera y su intensidad disminuye rápidamente al aumentar la distancia. Los materiales conductores, como los metales, proporcionan una protección eficaz contra los campos magnéticos. Otros materiales, como los materiales de construcción y los árboles, presentan también cierta capacidad protectora. Por consiguiente, las paredes, los edificios y los árboles reducen la intensidad de los campos eléctricos de las líneas de conducción eléctrica situadas en el exterior de las casas. Cuando las líneas de conducción eléctrica están enterradas en el suelo, los campos eléctricos que generan casi no pueden detectarse en la superficie.

Los campos magnéticos se originan por el movimiento de cargas eléctricas. La intensidad de los campos magnéticos se mide en amperios por metro (A/m), aunque en las investigaciones sobre campos electromagnéticos los científicos utilizan más frecuentemente una magnitud relacionada, la densidad de flujo (en microteslas, µT). Al contrario que los campos eléctricos, los campos magnéticos sólo aparecen cuando se pone en marcha un aparato eléctrico y fluye la corriente. Cuanto mayor sea la intensidad de la corriente, mayor será la intensidad del campo magnético.

Al igual que los campos eléctricos, los campos magnéticos son más intensos en los puntos cercanos a su origen y su intensidad disminuye rápidamente conforme aumenta la distancia desde la fuente. Los materiales comunes, como las paredes de los edificios, no bloquean los campos magnéticos.

Electroimanes y Transformadores
Electroimán.-  Imán temporal constituido por una bobina cilíndrica de alambre arrollada en forma de espiral (solenoide), en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro. Cuando una corriente eléctrica recorre la bobina, se crea un fuerte campo magnético, paralelo a su eje. En el núcleo, las partículas de hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la dirección del campo, aumentando notablemente la fuerza del campo magnético generado por el solenoide. El núcleo se satura cuando todas las moléculas están alineadas, por lo que a partir de entonces el aumento de la corriente no incrementa la fuerza del campo magnético. Si se interrumpe la corriente, las moléculas se redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual.

Los electroimanes son componentes fundamentales de los circuitos automáticos y manuales de mando, y como frenos y embragues electromagnéticos. En los aceleradores de partículas se utilizan enormes electroimanes con núcleos de varios metros de diámetro. También se utilizan potentes electroimanes como grúas, para levantar hierro y chatarra en las plantas de recuperación y fundiciones.

Transformadores.-

Principio del funcionamiento. La base del funcionamiento de un transformador es también la inducción electromagnética. En la figura que se muestra bajo este texto ilustra el transformador fundamental que consiste en un núcleo de hierro y dos bobinados denominados primario y secundario. El núcleo proporciona un camino para el campo magnético y se construye generalmente de un gran número de chapas delgadas de un acero especial. El primario es el que recibe la energía de la línea y el secundario es el que da la energía a la carga.

Elec 14La teoría del funcionamiento de un transformador es la que sigue:
1. Cuando se conecta el primario a una fuente alterna, por el bobinado comienza a pasar una corriente alterna.

2. En cuanto fluye una corriente por un conductor se crea un campo magnético alrededor de él. Si la corriente cambia continuamente en magnitud y la polaridad, el campo magnético que se origina en el núcleo de hierro hará lo mismo.

3. El campo magnético alterno está, por tanto, continuamente expandiéndose y contrayéndose. Como el circuito magnético es cerrado, la variación del campo magnético es la misma en cualquier parte del núcleo.

4. Las líneas magnéticas al expandirse y contraerse cortarán a los conductores situados en cualquier parte del núcleo, y de acuerdo con el experimento de Faraday, en éstos aparecerá una fem inducida.

 

5. Como a cada conductor sobre el núcleo le corta el mismo flujo, la fem inducida por vuelta será la misma. Por tanto, el voltaje en cada bobinado será proporcional al número de vueltas; expresado matemáticamente, esto es
EP        NP
—— = ——
ES        NS
6. Se puede ver en esta ecuación que el voltaje del secundario se puede aumentar o disminuir eligiendo una relación de vueltas.

Funcionamiento del transformador cuando se carga. Si se conecta el secundario a una carga, pasará una corriente a través de la carga y también por el bobinado del secundario. La energía que consuma la carga tiene que proceder de la línea; de aquí que la carga en el primario tenga que variar como en el secundario. En la figura anterior se muestra que no existe conexión eléctrica entre los bobinados del primario y el secundario. La energía consumida por la carga se transfiere del secundario al primario por medio del flujo magnético. El rendimiento del transformador es muy alto, a menudo superior al 95 por 100; de aquí que los vatios en el secundario sean casi los mismos que en el primario. En estas condiciones las intensidades varían inversamente con los voltajes. Matemáticamente, esto es
EP        IP
—— = ——
ES        IS
Esta ecuación muestra que al elevar el voltaje con un transformador se disminuye la intensidad. Esta es la ventaja decisiva en los sistemas de transmisión de energía.
Rendimiento. Todos los generadores, motores, transformadores u otros aparatos que transforman energía de una forma a otra pierden parte de esta energía en el proceso. Si se emplea un motor de gasolina para hacer girar a un generador, el motor suministra energía mecánica al eje del generador, y esta energía se convierte en energía mecánica que pasa a la carga. Solo una parte de esta energía mecánica se transforma en energía eléctrica debido a las pérdidas por fricción y a las pérdidas en el hierro y el cobre del generador. El rendimiento es la expresión que se usa para indicar qué porción de la energía recibida por un aparato se aprovecha en la transformación. Se puede definir el rendimiento como la relación entre la salida y la entrada de cualquier aparato; matemáticamente se expresa como:
Salida
Rendimiento = ———–
Entrada