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Electricidad
Electricidad
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La electricidad es un fenómeno físico que se manifiesta naturalmente en los rayos, las descargas eléctricas producidas por el rozamiento (electricidad estática) y en el funcionamiento de los sistemas nerviosos de los animales, incluidos los seres humanos.[1] Desde que, en 1831, Faraday descubriera la forma de producir corrientes eléctricas por inducción, se ha convertido en una de las formas de energía más importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facilidad de generación, distribución y al gran número de aplicaciones que tiene.
El origen de la electricidad son las cargas eléctricas, estáticas o en movimiento, y su interacción. Una carga eléctrica en reposo produce fuerzas sobre otras cargas. Si la carga eléctrica está en movimiento, produce también fuerzas magnéticas. Hay sólo dos tipos de carga eléctrica, las positivas y las negativas. Las cargas eléctricas elementales son los protones y los electrones, responsables de la formación de los átomos y moléculas, pero también hay otras partículas elementales cargadas.[2]
Electricidad y magnetismo son sólo dos aspectos diferentes del mismo fenómeno electromagnético descrito por las ecuaciones de Maxwell. El movimiento de una carga eléctrica con velocidad constante produce un campo magnético, la variación de un campo magnético produce un campo eléctrico y el movimiento acelerado de cargas eléctricas genera ondas electromagnéticas (como en las descargas de rayos que pueden escucharse en los receptores de radio AM).[3]
Debido a las crecientes aplicaciones de la electricidad en la generación de potencia, las telecomunicaciones y el procesamiento de información, uno de los principales desafíos contemporáneos es generarla de modo más eficiente y con el mínimo de perjuicios para el medio ambiente.
Historia de la electricidad
La historia de la electricidad ha evolucionado desde observaciones aisladas y simples especulaciones o intuiciones médicas (como el uso de peces eléctricos en enfermedades como la gota y el dolor de cabeza)[4] u objetos arqueológicos de interpretación discutible (la Batería de Bagdad[5] ) hasta la Revolución Científica del siglo XVII. Mientras todavía era considerada poco más que un espectáculo de salón, las primeras aproximaciones sucesivas al fenómeno eléctrico que pueden incluirse en el método científico fueron realizadas por investigadores sistemáticos como William Gilbert, Otto von Guericke, Du Fay, Pieter van Musschenbroek o William Watson. Estas observaciones empiezan a dar sus frutos con Luigi Galvani, Alessandro Volta, Charles-Augustin de Coulomb y Benjamin Franklin, y ya a comienzos del siglo XIX con André-Marie Ampère, Michael Faraday y Georg Ohm. No obstante, hasta la definición de las ecuaciones de Maxwell (1861-1865), no se alcanzó una teoría que unificara la electricidad y el magnetismo como dos manifestaciones de un mismo fenómeno.
El telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833) puede considerarse como la primera gran aplicación de la electricidad en las telecomunicaciones, mientras que los desarrollos tecnológicos clave de la primera revolución industrial quedaron totalmente al margen de ella. No sería hasta el final del siglo XIX cuando las aplicaciones económicas de la electricidad se convertirán en una de las fuerzas motrices de la segunda revolución industrial. Mas que de grandes teóricos, como Lord Kelvin, fue este el momento de ingenieros, como Zénobe Gramme, Nikola Tesla, George Westinghouse, Ernst Werner von Siemens, Alexander Graham Bell y sobre todo Thomas Alva Edison y su revolucionaria manera de entender la relación entre investigación y mercado capitalista. Los cambios de paradigma de la primera mitad del siglo XX (relativista y cuántico) situaron la electricidad en escalas hasta entonces ignoradas: atómica y subatómica.
La electrificación trajo consigo un enorme cambio social, desde cambios en el alumbrado hasta todo tipo de procesos industriales, transportes y telecomunicaciones. Lenin definió el socialismo como la suma de la electrificación y el poder de los soviets.[6] La sociedad de consumo que se creó en los países capitalistas dependió en gran medida de la utilización doméstica de la electricidad . La utilización de la energía eléctrica es también esencial para la sociedad de la información de la tercera revolución industrial que se viene produciendo desde la segunda mitad del siglo XX y únicamente puede comparárse en importancia la motorización dependiente del petróleo. Ambos procesos vienen exigiendo cantidades cada vez mayores de energía, lo que ha dado lugar a la crisis energética y la búsqueda de nuevas fuentes de energía, la mayoría para la generación eléctrica (energía nuclear y energías renovables principalmente).
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 una forma eficaz.
Electrostática
La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas, esto es, el campo electrostático de un cuerpo cargado.
Históricamente la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. En 1785 el físico francés Charles Coulomb publicó un tratado en el que se describían por primera vez cuantitativamente las fuerzas eléctricas, formulando las leyes de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas, usando la balanza de torsión para realizar sus medidas. En su honor estas leyes se conocen con el nombre de ley de Coulomb. Esta ley, junto con su elaboración matemática más sofisticada a través del teorema de Gauss y la derivación de los conceptos de campo eléctrico y potencial eléctrico, describen la práctica totalidad de los fenómenos electrostáticos.
Durante todo el siglo posterior se sucedieron avances significativos en el estudio de la electricidad, los fenómenos eléctricos producidos por cargas en movimiento en el interior de un material conductor. Finalmente, en 1864 el físico escocés James Clerk Maxwell unificó las leyes de la electricidad y el magnetismo en un conjunto reducido de leyes matemáticas.Con las ecuaciones de Maxwell[7] concluyeron definitivamente su estudio y explicación permitiendo demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobernaban los fenómenos magnéticos pueden ser estudiados en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.
Carga eléctrica
En física, carga eléctrica es la propiedad que poseen algunas partículas subatómicas y que se manifiesta mediante las fuerzas observadas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de las cuatro interacciones fundamentales, la Interacción electromagnética, siendo la partícula que transporta la información de estas interacciones el fotón. Estas fuerzas son de alcance infinito y no se manifiestan de forma inmediata, sino que tardan en manifestarse un tiempo 
, siendo c la velocidad de la luz en el medio en el que se transmite y d la distancia entre cargas.
Las dos partículas elementales cargadas que existen en la materia y que se encuentra de forma natural en nuestro planeta, son el electrón y el protón, aunque pueden encontrarse otras procedentes del exterior (como los muones o los piones). Cuando un átomo gana o pierde un electrón queda cargado eléctricamente. A estos átomos cargados se les denomina iones.
Los trabajos de investigación realizados en la segunda mitad del siglo XIX por el premio Nobel de Física Joseph John Thomson , que le llevaron en 1897 a descubrir el electrón y de Robert Millikan al medir su carga, fueron de gran ayuda para conocer la naturaleza discreta de la carga eléctrica.[8]
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la corriente eléctrica es de 1 amperio, y se corresponde con la carga de 6,24 × 1018 electrones aproximadamente. La carga más pequeña que se encuentra en la naturaleza es la del electrón (que es igual en magnitud a la del protón y de signo opuesto) 
C (1 eV en unidades naturales).
Fuerza entre cargas
Charles A. Coulomb fue el primero en describir en 1785 las características de las fuerzas entre cargas eléctricas.[9] Observando la torsión que sufría un hilo, del que colgaba una barra con una esfera cargada eléctricamente, al situar a distancias conocidas otra esfera cargada, pudo determinar que:
- Si se multiplica la carga de cualquiera de las esferas por un número q, la fuerza resultante se multiplica por el mismo valor q.
- Al aumentar la distancia entre las cargas un valor r, la fuerza disminuye en relación al cuadrado de ese mismo número r2.
Es decir: la magnitud de la fuerza con que interactúan dos cargas eléctricas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de las magnitudes de cada carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.[10]
Además, la dirección de la fuerza se mantiene en la linea que une ambas cargas y el sentido cambia dependiendo del signo de las cargas, dando lugar a fuerzas atractivas cuando las cargas son de signo opuesto y repulsivas cuando son iguales.[10]
La constante de proporcionalidad k depende del sistema de unidades considerado, tomando un valor arbitrario 1 en el vacío en el sistema cgs, 
en el SI o 
en el sistema no racionalizado.
Otra propiedad fundamental de estas fuerzas es el principio de superposición, gracias al cual, cuando hay más de dos cargas, las fuerzas resultantes pueden calcularse como la suma de las fuerzas entre cada par de cargas como si estuvieran aisladas de las demás.
Es decir, en su versión más completa, la ley de Coulomb de las fuerzas entre cargas eléctricas discretas y puntuales en reposo viene dada en el SI por:
Campo eléctrico
Potencial eléctrico (tensión eléctrica)
El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica (ley de Coulomb) para mover una carga positiva "q" desde el infinito (donde el potencial es cero) hasta ese punto. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria "q" desde el infinito hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Matemáticamente se expresa por:
Se denomina tensión eléctrica o voltaje a una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito cerrado. La diferencia de potencial también se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro.La tensión entre dos puntos de un campo eléctrico es igual al trabajo que realiza dicha unidad de carga positiva para transportarla desde el punto A al punto B.
- En el Sistema Internacional de Unidades, la diferencia de potencial se mide en voltios (V), al igual que el potencial. Otra de las formas de expresar la tensión entre dos puntos es en función de la intensidad de corriente y la resistencia existentes entre ellos; así se obtiene uno de los enunciados de la ley de Ohm, que dice:
Cuando por dos puntos de un circuito puede circular una corriente eléctrica, la polaridad de la caída de tensión viene determinada por la dirección convencional de la misma; esto es, del punto de mayor potencial al de menor.
- La fuerza electromotriz (FEM) es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico. Con carácter general puede explicarse por la existencia de un campo electromotor ε cuya circulación,∫ε ds, define la fuerza electromotriz del generador. Se define como el trabajo que el generador realiza para pasar por su interior la unidad de carga positiva del polo negativo al positivo, dividido por el valor en Coulombs de dicha carga.
Esto se justifica en el hecho de que cuando circula esta unidad de carga por el circuito exterior al generador, desde el polo positivo al negativo, es necesario realizar un trabajo o consumo de energía (mecánica, química, etcétera) para transportarla por el interior desde un punto de menor potencial (el polo negativo al cual llega) a otro de mayor potencial (el polo positivo por el cual sale).
La f.e.m. se mide en voltios, al igual que el potencial eléctrico.
Propiedades eléctricas de los materiales
Origen microscópico
La posibilidad de generar corrientes eléctricas en 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 de los materiales sólidos, cuando existe, se debe a los electrones más exteriores, ya que tanto los electrones interiores como los protones de los núcleos atómicos no pueden desplazarse con facilidad. Los materiales conductores por excelencia son metales como el cobre, que usualmente tienen un único electrón en la última capa electrónica. Estos electrones pueden pasar con facilidad a átomos contiguos, constituyendo los electrones libres responsables del flujo de corriente eléctrica. En otros materiales sólidos los electrones se liberan con dificultad constituyendo semiconductores, cuando la liberación puede ser producida por excitación térmica, o aisladores, cuando no se logra esta liberación.
Los mecanismos microscópicos de conducción eléctrica son diferentes en los materiales superconductores y en los líquidos. En los primeros, a muy bajas temperaturas y como consecuencia de fenómenos cuánticos, los electrones no interactúan con los átomos desplazándose con total libertad (resistividad nula). En los segundos, como en los electrólitos de las baterías eléctricas, la conducción de corriente es producida por el desplazamiento de átomos o moléculas completas ionizadas de modo positivo o negativo. Los materiales superconductores se usan en imanes superconductores para la generación de elevadísimos campos magnéticos.
En todos los materiales sometidos a campos eléctricos se modifican, en mayor o menor grado, las distribuciones espaciales relativas de las cargas negativas (electrones) y positivas (núcleos atómicos). Este fenómeno se denomina polarización eléctrica y es más notorio en los aisladores eléctricos debido a la ausencia de apantallamiento del campo eléctrico aplicado por los electrones libres. Los materiales con alta capacidad de polarización se usan en la construcción de condensadores eléctricos y se denominan dieléctricos. Aquellos cuya polarización es permanente (electretos y materiales ferroeléctricos) se usan para fabricar dispositivos como micrófonos.
Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica es una propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico. La resistividad eléctrica es una magnitud inversa a la conductividad.
Los materiales se clasifican según su conductividad eléctrica en conductores, dieléctricos, semiconductores ysuperconductores.
- Se llaman conductores eléctricos a los materiales que puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta 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 (p.e. 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 empleado universalmente 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 más ligero, 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.[11]
La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta magnitud, estableciendo el International Annealed Copper Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20ºC es igual a 0.58108 S/m.[12] A este valor es a lo que se llama 100% IACS y la conductividad del resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS pero existen excepciones como la plata o los cobres especiales de muy alta conductividad designados C-103 y C-110.[13]
- Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio,cerámica,plásticos, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y 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, 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 bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.
Resistividad eléctrica
Se le llama resistividad al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohms por metro (Ω·m, a veces también en Ω·mm²/m). Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. 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 resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.
La ley de Ohm describe la relación entre la intensidad de corriente que circula por un circuito, la tensión de esa corriente eléctrica y la resistencia que ofrece el circuito al paso de dicha corriente: la diferencia de potencial (V) es directamente proporcional a la intensidad de corriente (I) y a la resistencia (R). Se describe mediante la fórmula:
Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia.
Corriente eléctrica (Intensidad)
La corriente eléctrica es el flujo de portadores de carga eléctrica a través de un material sometido a una diferencia de potencial.
La intensidad de corriente (I) es la cantidad de carga eléctrica (Q) que atraviesa una sección (s) de un material por unidad de tiempo.
Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo posteriormente se observó, gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son negativas, estos son los electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional.
La densidad de corriente (σ) es la intensidad de corriente que atraviesa una sección por unidad de superficie de la sección (S).
La intensidad de corriente (I) en una sección dada de un conductor se define como la carga eléctrica (Q) que la atraviesa en una unidad de tiempo. El valor de la intensidad de corriente que atraviesa un circuito es determinante par acalcualr la sección de los elementos conductores del circuito.
Corriente continua
Corriente alterna
Corriente monofásica
Corriente trifásica
Circuito eléctrico
Circuito electrónico
Termoelectricidad
Electromagnetismo
Energía eléctrica
La energía eléctrica es la forma de energía más utilizada. Gracias a la flexibilidad en la generación y transporte, se ha convertido para la industria en la forma más extendida de consumo de energía. El transporte por líneas de alta tensión es muy ventajoso y el motor eléctrico tiene un rendimiento superior a las máquinas térmicas. Los inconvenientes de esta forma de energía son la imposibilidad de almacenamiento en grandes cantidades y que las líneas de transmisión son muy costosas.
Las instalaciones para generación y el transporte de la energía eléctrica utilizan generalmente corriente alterna, debido a que es más fácil reducir o elevar el voltaje por medio de transformadores. Para el transporte de una cantidad de energía dada, si se eleva la tensión disminuye la intensidad de corriente necesaria; esto disminuye las pérdidas, que son proporcionales al cuadrado de la intensidad. Posteriormente, para la distribución se reduce el voltaje en las subestaciones, que gradúan la tensión según se utilice en la industria (entre 33 kV y 380 Voltios) o en instalaciones domiciliarias (entre 220 y 110 V).
Una central eléctrica utiliza una fuerza motora para hacer girar un generador eléctrico con diversas fuentes de energía. Se pueden clasificar las centrales eléctricas según la energía aprovechada.
- Central hidroeléctrica: utiliza la energía obtenida en los saltos de agua (energía hidráulica).
- Central termoeléctrica: utiliza la energía obtenida de los combustibles fósiles (carbón, fueloil, etc.).
- Central nuclear: utiliza la energía obtenida mediante reactores nucleares.
- Centrales de recursos renovables: utiliza energía de recursos renovables: energía solar, eólica, mareomotriz y geotérmica.
La producción mundial en los últimos 40 años aumentó más del 1.300%: de 1 billón de kWh a 13 billones. El índice de producción refleja principalmente la importancia de las necesidades de las grandes potencias industriales. Estados Unidos ocupa el primer puesto, con más del 26%; le siguen China, con 8,5%; Japón, con 7,40% y Rusia con 5,80%. La electricidad de estos grandes productores es esencialmente de origen térmico: Estados Unidos, con 70%; China, con el 80%; Japón, con el 59% y Rusia, con el 66%. La electricidad de origen térmico representa un 63% de la producción mundial; le sigue la hidráulica, con el 19%; la nuclear, con el 17%; y se produce solamente un 1% con fuentes de energía eólica, solar y geotérmica.
Mediciones eléctricas
Unidades eléctricas del Sistema Internacional de Unidades
- Culombio, unidad de carga eléctrica, y su relación con el Amperio
- La introducción de las magnitudes eléctricas requiere el agregado de una nueva unidad fundamental a la Física, la de carga eléctrica. Esta unidad, que no puede derivarse de las de la Mecánica, fue originalmente denominada Coulomb (término castellanizado a Culombio cuyo símbolo es C) en honor a Charles-Augustin de Coulomb, primero que midió directamente la fuerza entre cargas eléctricas. Debido a la gran dificultad de medir directamente las cargas eléctricas con precisión, se ha tomado como unidad básica la de corriente eléctrica, que en el Sistema Internacional de Unidades es el Amperio. La unidad de carga resulta entonces una unidad derivada, de acuerdo a la siguiente definición:
- 1 Culombio es la cantidad de carga eléctrica que fluye durante 1 segundo a través de la sección de un conductor que transporta una intensidad constante de corriente eléctrica de 1 Amperio. Es decir:
- C = A · s
- Voltio (V). Unidad de potencial eléctrico y fuerza electromotriz.
- Definición: la diferencia de potencial a lo largo de un conductor cuando una corriente con una intensidad de un amperio utiliza un vatio de potencia.
- Ohmio (Ω). Unidad de resistencia eléctrica.
- Definición: un ohmio es la resistencia eléctrica que existe entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia de potencial constante de 1 voltio aplicada entre estos dos puntos produce, en dicho conductor, una corriente de intensidad 1 amperio, cuando no haya fuerza electromotriz en el conductor.
- Siemens (S). Unidad de conductancia eléctrica.
- Definición: Un siemens es la conductancia eléctrica que existe entre dos puntos de un conductor que tiene un ohmio de resistencia.
- Faradio (F). Unidad de capacidad eléctrica.
- Definición: Un faradio es la capacidad de un conductor con una diferencia de potencial de un voltio tiene como resultado una carga estática de un culombio.
- Tesla (T). Unidad de densidad de flujo magnético y inductividad magnética.
- Definición: Un tesla es una inducción magnética uniforme que, repartida normalmente sobre una superficie de un metro cuadrado, produce a través de esta superficie un flujo magnético total de un weber.
- Weber (Wb). Unidad de flujo magnético.
- Definición: Un weber es el flujo magnético que al atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 voltio si se anula dicho flujo en 1 segundo por decrecimiento uniforme.
- Henrio (H). Unidad de inductancia.
- Definición: Un henrio es la inductancia de un circuito en el que una corriente que varía a razón de un amperio por segundo da como resultado una fuerza electromotriz autoinducida de un voltio.
- Candela (Cd) . Unidad básica del SI de intensidad luminosa
- Definición: La candela es la unidad básica del SI de intensidad luminosa en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 × 1012 hercios y de la cual la intensidad radiada en esa dirección es 1/683 vatios por estereorradián.
- Lumen (lm). Unidad de flujo luminoso
- Definición: 1 lm = 1 cd·sr = 1 lx·m2 Si una fuente luminosa emite una candela de intensidad luminosa uniformemente en un ángulo sólido de un estereorradián, su flujo luminoso total emitido en ese ángulo es un lumen
- Lux (lx). Unidad de Iluminancia
- Definición: El lux (símbolo: lx) es la unidad derivada del Sistema Internacional de Medidas para la iluminancia o nivel de iluminación. Equivale a un a un lumen /m².
Instrumentos de medida
Potencia eléctrica
Suministro eléctrico
Generación de energía eléctrica
Transporte de energía eléctrica
Distribución de energía eléctrica
Almacenamiento de energía eléctrica
Máquinas eléctricas
En 1831 El físico y químico inglés Michael Faraday que fue discípulo del químico Humphry Davy, descubrió la inducción electromagnética, que ha permitido la construcción de dinamos, generadores y motores eléctricos. Pero fue en 1870 cuando el belga Zénobe Gramme perfeccionó los inventos de dinamos que existían y reinventó los primeros generadores comerciales a gran escala, que empezaron a funcionar en París en torno a 1870. Su diseño se conoce como la dinamo de Gramme.
Alternador
Nikola Tesla, un inventor Serbio-Americano fue quien descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882, el cual es la base de la maquinaria de corriente alterna. Él inventó el sistema de motores y generadores de corriente alterna polifásica que da energía al planeta. El generador eléctrico rotativo está destinado a producir fuerzas electromotrices que sean funciones sinusoidales del tiempo. Los alternadores monofásicos producen una sola fuerza electromotriz, los trifásicos producen tres y, en general, los de n fases producen n fuerzas electromotrices.[14] El alternador es una máquina destinada a transformar la energía mecánica en eléctrica, generando, mediante fenómenos de inducción, una corriente alterna. Los alternadores están fundados en el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético variable se crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa. Un alternador consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo magnético y el inducido que es el conductor el cual es atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo magnético. El tamaño de los alternadores es muy variable, desde los de tamaño enorme que hay en las centrales eléctricas, los ligeros que están situados en las torres eólicas o los pequeños alternadores que llevan instalados los automóviles y demás medios de tranporte.
Motor eléctrico
Desde que Faraday, describió en 1831 el proceso de inducción y generación de la corriente eléctrica se iniciaron las experiencias y proyectos que culmninaron con el invento y fabricación de los diferentes tipos de motores eléctricos que existen. El paso definitivo lo consiguió el ingeniero Nikola Tesla que en 1887 fabricó el primer motor asíncrono trifásico de corriente alterna. Un motor eléctrico es un dispositivo dinamoeléctrico encargado de transformar energía eléctrica en energía mecánica por medio de la interacción de campos magnéticos. Los motores son ampliamente utilizados en instalaciones industriales y electrodomésticos, por su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento. Los motores se fabrican desde potencias muy pequeñas hasta grandes potencias y con velocidades fijas, ajustables o variables. Tanto los motores de corriente alterna como los motores de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cuál establece que si un conductor por el cuál circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. Partiendo del hecho que cuando pasa corriente eléctrica por un conductor se produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante la rotación de un dispositivo llamado eje el cual lleva acoplado generalmente un polea de transmisión.
Transformador
El origen del transformador se remonta a 1851, cuando el físico alemán, Heinrich Daniel Ruhmkorff, diseñó la llamda Bobina de Ruhmkorff precursora de los transformadores modernos. Se denomina transformador a una máquina eléctrica carente de movimiento, que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia y la potencia con un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. El funcionamiento se produce cuando se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará, por inducción, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) .
La razón de transformación del voltaje entre el bobinado primario y el segundario depende del números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario. En el segundario habrá el triple de tensión.
Esta particularidad tiene su utilidad para el transporte de energía eléctrica a larga distancia, al poder efectuarse el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades y por tanto pequeñas pérdidas. El transformador ha hecho posible la distribución de energía eléctrica a todos los hogares, industrias, etc. Si no fuera por el transformador tendría que acortarse la distancia que separa a los generadores de electricidad de los consumidores. El transformador lo encontramos en muchos lugares, en las lámparas de bajo consumo, cargadores de pilas,vehículos, en sótanos de edificios, en las centrales hidroeléctricas y otros generadores de electricidad. Su tamaño puede variar desde muy pequeños a enormes transformadores que pueden pesar más de 500 Tm.[15]
Aplicaciones de la electricidad
Aparatos eléctricos portátiles
Climatización
Electroquímica
Iluminación física
Producción de calor
El físico británico James Prescott Joule descubrió en la década de 1860 que si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren con las moléculas del conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Este efecto es conocido como Efecto Joule en honor a su descubridor. Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como
donde:
-
- Q = energía calorífica producida por la corriente
- I = intensidad de la corriente que circula y se mide en amperios
- R = resistencia eléctrica del conductor y se mide en ohms
- t = tiempo el cual se mide en segundos
Así, la potencia disipada por efecto Joule será:
donde V es la diferencia de potencial entre los extremos del conductor.
Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del