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Electricidad, conceptos básicos y aplicaciones para personal técnico y estudiantes.

“Me lo contaron y lo olvidé, lo vi y lo entendí, lo construí y lo aprendí”. Confucio

¿Para qué ha servido la electricidad? La electricidad es la forma de energía más utilizada, debido a que puede transmitirse a gran distancia, se puede almacenar, y sobre todo, se puede transformar en otras energías y viceversa. Todo esto ha influido en la mejora de nuestra calidad de vida con avances tecnológicos como son: iluminación de viviendas, la TV., ordenadores, móviles, relojes, coches, industrias, y multitud de factores de nuestra vida que se pueden saber simplemente comparándolo con el modo de vida de hace 100 años.

Un poco de historia. Hace más de 2000 años que los griegos descubrieron la electricidad, al frotar ámbar con un trozo de tela, atrayendo pequeños trozos plumas, etc., de hecho la palabra “electricidad” deriva de la palabra griega “ámbar”. En 1749 se dio el primer gran paso cuando Benjamín Franklin analizó diminutas chispas de cuerpos cargados y gigantescas chispas de los rayos, hablando de flujo eléctrico y cómo se podía transferir de un lugar a otro, es decir, la corriente eléctrica. A partir de ahí hubo grandes descubrimientos, uno tras otro, hasta nuestros días, y sus diferentes aplicaciones, sobre todo en la electrónica.

A continuación se exponen algunas fechas y nombres relevantes que han contribuido al desarrollo y evolución de la electricidad a lo largo de la historia:

  • 600 AC: Tales de Mileto (624-548 a.c.) descubre que si se frota el ámbar, éste atrae a los objetos
  • más livianos.
  • 1800: Alessandro Volta (1745-1827) descubre la pila eléctrica.
  • 1819: Hans Oersted (1777-1851) descubre el efecto magnético de la corriente eléctrica, probando que la electricidad puede producir magnetismo.
  • 1821: Michael Faraday (1791-1867) describe el principio de la dinamo.
  • 1827: André Marie Ampère (1775-1836) descubre las leyes que relacionan la fuerza magnética con la corriente eléctrica.
  • 1827: George Ohm (1789-1854) establece la ley de la resistencia eléctrica.
  • 1831: Michael Faraday descubre la inducción electromagnética, confirmando así que el magnetismo puede producir electricidad.
  • 1879: Thomas Alva Edison inventa la lámpara eléctrica.
  • 1880: En Londres comienza a funcionar la primera central eléctrica destinada a iluminar una ciudad.
  • 1887: Se inicia el sistema de iluminación eléctrico en la ciudad de Buenos Aires.
  • 1908: Heike Kammerlingh Onnes (1853-1926) descubre el principio de la superconducción

¡Electricidad! ¿Cómo? Al frotar un globo o boli de plástico con una tela, se dice que se ha cargado de electricidad, es decir, que con el rozamiento se ha perdido o ganado electrones, y por tanto al acercarlo a un cuerpo en equilibrio de cargas, por ejemplo un trocito de papel, es atraído por el boli, o también puede hacerlo ¡la tela!. La materia está constituida de átomos, y éstos a su vez de electrones (-), protones (+) y neutrones (neutro), estableciéndose diversos tipos de cargas en los cuerpos: negativas (más electrones que protones), cargas positivas (menos electrones que protones), y sin carga (mismo nº de electrones que de protones), por lo que los átomos se atraen (diferente carga) o repelen (misma carga) entre sí. Los únicos que se mueven en un átomo son los electrones, y el flujo de estos electrones de un átomo a otro, es la electricidad.

Cuando podemos extraer los electrones y transportarlo de un lado a otro por medio de un conductor (cable eléctrico) se produce la corriente eléctrica, siendo los electrones atraídos por un cuerpo cargado positivamente o neutro, estableciéndose una diferencia de potencial o voltaje (V) entre las cargas (Ej.: 220 voltios), es decir, “el poder de atracción entre las cargas”, que junto a la resistencia (R) que tenga el conductor, así será la intensidad (I) con la que circule los electrones, es decir la corriente eléctrica. Tres magnitudes eléctricas a tener muy en cuenta V, R e I.

1. DEFINICIÓN DE ELECTRICIDAD.

Definición: Forma de energía basada en que la materia posee cargas positivas (protones) y cargas negativas (electrones), que puede manifestarse en reposo, como electricidad estática, o en movimiento, como corriente eléctrica, y que da lugar a la luz, el calor, los campos magnéticos, los movimientos y aplicaciones químicas.

¿Cómo se manifiesta la electricidad? Se manifiesta de tres formas fundamentalmente:

- Electrostática: cuando un cuerpo posee carga positiva o negativa, pero no se traslada a ningún sitio. Por ejemplo frotar un bolígrafo de plástico con una tela para atraer trozos de papel.

- Corriente continua (CC) : Cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, del polo negativo al positivo. Las pilas, las baterías de teléfonos móviles y de los coches producen CC, y también la utilizan pero transformada de CA a CC, los televisores, ordenadores, aparatos electrónicos, etc.

- Corriente alterna (CA) : No es una corriente verdadera, por que los electrones no circulan en un sentido único, sino alterno, es decir cambiando de sentido unas 50 veces por segundo, por lo que más bien oscilan, y por eso se produce un cambio de polos en el enchufe. Este tipo de corriente es la utilizada en viviendas, industrias, etc., por ser más fácil de transportar.

Ejemplos de utilización de los tipos de corrientes: Hay elementos como las bombillas de casa, motor eléctrico de la lavadora, etc., que funcionan directamente con la corriente alterna (CA). Las bombillas de casa en realidad no iluminan constantemente sino que se encienden y apagan 50 (60 en EEUU) veces en un segundo debido a la alternancia de la polaridad, solo que nuestros ojos no lo perciben. En cambio las bombillas de una linterna iluminan constantemente al ser alimentada por unas pilas de corriente continua (CC), o como los aparatos electrónicos como la televisión, ordenadores, que aunque se conecten a CA, transforman esa corriente a CC, mediante un transformador o fuente de alimentación para funcionar. Cuando se cargan los teléfonos móviles también se utiliza un transformador (voltaje) + rectificador (polaridad) para pasar la CA a CC.

¿Qué efectos puede tener la corriente eléctrica? Los efectos de la corriente eléctrica se pueden clasificar en:

  • Luminosos
  • Caloríficos
  • Magnéticos
  • Dinámicos
  • Químicos.

Los efectos luminosos y caloríficos suelen aparecer relacionados entre sí. Por ejemplo: una lámpara desprende luz y también calor, y un calefactor eléctrico desprende calor y también luz. Al circular la corriente, los electrones que la componen chocan con los átomos del conductor y pierden energía, que se transforma y se pierde en forma de calor. De estos hechos podemos deducir que, si conseguimos que un conductor eléctrico (cable) se caliente mucho sin que se queme, ese filamento podría llegar a darnos luz; en esto se fundamenta la lámpara. ¿Hay aire dentro de una bombilla de filamento? ¿Y en el tubo de un fluorescente?

El efecto magnético ¿Cómo se puede conseguir un imán? Enrollando un conductor a una barra metálica, y haciendo circular una corriente eléctrica, es decir, un electroimán. Otra actividad: acerca la aguja de una brújula (que es un imán) a un cable eléctrico. ¿Se desvía? ¿Por qué? Sí, se desvía. Porque la corriente eléctrica que atraviesa dicho cable genera a su alrededor un campo magnético, que atrae la aguja de la brújula.

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., mediante la electrolisis.

Forma de obtención de diversos tipos de energía:

Energía Acción
Mecánica Frotamiento
Mecánica Presión
Química Química
Magnética Magnetismo
Luminosa Luz
Calórica Calor

Al final, sólo es necesario inventar un aparato que sea capaz de transformar la energía eléctrica en esa otra energía que nosotros necesitamos: lámparas, motores, electroimanes, radiadores, cocinas, planchas, etc.

Circuitos eléctricos sencillos

Circulación de corriente en un circuito cerrado

Los circuitos eléctricos, al igual que los circuitos de agua de calefacción central, constan en su forma más simple de tres partes principales: a) un circuito cerrado a través del cual pasa la corriente; b) un dispositivo que es capaz de mover las cargas (o el agua) por todo el circuito, y e) un lugar donde la corriente realiza el trabajo útil aprovechable por nosotros. En un circuito eléctrico, las cargas (los electrones) fluyen a través de un circuito cerrado de cables, movidas de una cierta forma por una pila (por ejemplo, una pila de linterna), provocando que se ilumine una bombilla o que funcione un motor. En un circuito de calefacción central el agua caliente fluye a través de un circuito cerrado de tuberías, movida a lo largo del mismo por una bomba, y calienta un radiador para que a su vez caliente el aire que hay alrededor del mismo (Ver figura).

Figura: Circuitos comparativos eléctrico y de agua.

Es importante tener en cuenta que debe haber un circuito cerrado de cables o de tuberías de agua para mantener el flujo en todo momento. Sólo cuando están conectados ambos cables entre la lámpara y la pila, luce la lámpara; con un solo cable no funciona, puesto que es el flujo de electrones que pasa por la lámpara el que provoca que se caliente el filamento. Ocurre de forma similar con el radiador, se necesita un flujo de agua caliente para mantener el radiador más caliente que el aire circundante. (De todas formas, hay una dificultad si se lleva la analogía demasiado lejos, y es que en el circuito de agua debe haber también un calentador o una caldera, además de los componentes representados para calentar el agua.)

Si por cualquier razón se rompiera el circuito cerrado, por desconectar un cable o por apagar la bomba, por ejemplo, el flujo cesaría, provocando que la lámpara se apagara y que el radiador se enfriara.

2. ¿CÓMO SE GENERA LA ELECTRICIDAD?

 ¿De dónde viene la electricidad?

Enunciado: La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. (Einstein)

La electricidad es una energía, y lo único que hacemos es transformar una energía mecánica (pedalear en una bici / caída de agua de unas cataratas) mediante un dispositivo (dinamo / turbina generador) en energía eléctrica, o transformar energía química (compuestos químicos de una pila que reaccionan transfiriendo electrones de un polo a otro) a energía eléctrica. También hay otros sistemas de generación de energía eléctrica como son: energía solar mediante paneles fotovoltaicos, energía eólica mediante aerogeneradores, etc.

Dirección del flujo

Representamos las corrientes eléctricas circulando desde el terminal (+) de la pila pasando por los cables y aparatos hasta llegar al terminal (-), incluso aunque sabemos que los electrones (los elementos que se mueven realmente por el circuito) se mueven en sentido contrario. En los diagramas de circuitos se suelen representar las corrientes de arriba hacia abajo, pasando por los aparatos en los cuales se transfiere energía: lámparas, motores, bobinas, calentadores, etc. (Ver figura siguiente).

Figura. La dirección de la corriente se indica de (+) a (- )

¿Qué es lo que se pretende al generar la electricidad?

Lo que se pretende es “expulsar” a los electrones de las órbitas que están alrededor del núcleo de un átomo.

Para expulsar esos electrones se requiere cierta energía, y se pueden emplear 6 clases de energía:

  • a) Frotamiento: Electricidad obtenida frotando dos materiales.
  • b) Presión: Electricidad obtenida producida aplicando presión a un cristal (Ej.: cuarzo).
  • c) Calor: Electricidad producida por calentamiento en materiales.
  • d) Luz: Electricidad producida por la luz que incide en materiales fotosensibles.
  • e) Magnetismo: Electricidad producida por el movimiento de un imán y un conductor.
  • f) Química: Electricidad producida por reacción química de ciertos materiales.

En la práctica solamente se utilizan dos de ellas: la química (pila) y el magnetismo (alternador). Las otras formas de producir electricidad se utilizan pero en casos específicos.

 Métodos habituales de generar electricidad.

Hay tres métodos habituales para generar electricidad:

  • A) Dínamo y alternador
  • B) Pilas y baterías
  • C) Central eléctrica (turbina generador)

A) Dinamo (bicicleta) o alternador (automóvil)

Estas máquinas están compuestas por una parte móvil que gira, llamada rotor y una fija o estática llamada estator. El rotor se compone de unas bobinas de hilo de cobre que giran con el eje. El estator es un imán o electroimán que está fijo y que rodea al rotor.

Al girar el eje de la máquina, el imán crea sobre estas bobinas un campo magnético variable induciendo una tensión en los terminales de las bobinas. Esta tensión se saca fuera de la máquina por medio de unas escobillas o anillos rozantes.

También puede encontrarse una construcción inversa, es decir, el imán en el eje o rotor y la bobina en el estator. Esta tensión generada en la máquina puede ser continua o alterna, según la construcción o el montaje de los anillos rozantes.

Magnitud de la corriente que circula por un circuito

Una corriente eléctrica es un flujo de carga y la magnitud de la corriente indica la velocidad de ese flujo. Un experimento sencillo utilizando dos amperímetros (o el mismo amperímetro en dos sitios diferentes) mostrará el valor de la corriente que entra y de la que sale de la lámpara (Ver figura).

Figura. Medición de la corriente en diferentes puntos.

Podemos sorprendernos al comprobar que los amperímetros marcan la misma corriente tanto en la entrada como en la salida de la lámpara. Es un error común creer que la corriente se consume en la lámpara, entrando más cantidad de la que sale, pero si se tiene en cuenta la idea de «velocidad del flujo» se deduce que no es posible que desaparezca la corriente, a menos que se «salga» de alguna forma de la lámpara. (Piénsese en el flujo de agua a través de un radiador.)

Lo que ocurre dentro de la lámpara es que la energía eléctrica generada por la pila/se transforma en energía térmica y luminosa, como se transfiere en un radiador la energía de la caldera al aire de la habitación.

Figura. La corriente es la misma en todas partes en un circuito cerrado.

La corriente es la misma en todos los sitios en un circuito sencillo (Ver figura arriba), independientemente del lugar en que se mida y de cuántos componentes haya, incluso dentro de la pila, si se pudiera colocar dentro un amperímetro para medirla. De nuevo, el circuito de agua, donde el flujo de agua circula por la bomba y por los demás sitios, ofrece una comparación buena.

 

 

 

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