Kitabı oxu: «Electrotecnia. ENAE0108»

Capítulo 1

Naturaleza de la electricidad

1. Introducción

A diario nos encontramos con que un objeto situado sobre una mesa no se caiga, que los sólidos y líquidos tengan una forma y volumen propios, la existencia de fuerzas como el rozamiento, la viscosidad etc., que suelen ser explicados por teorías y razonamientos que no arrojan luz sobre la naturaleza de las fuerzas que originan estos fenómenos.

En realidad, las fuerzas que dan lugar a estos sucesos tan diferentes tienen una naturaleza común: responden a interacciones eléctricas y magnéticas.

2. Concepto y leyes básicas

La electricidad es, con diferencia, la forma de energía más utilizada. Para comprender esta afirmación es fundamental conocer y entender en qué consiste realmente, así como las leyes básicas que la rigen.

2.1. El átomo y la carga eléctrica

La materia está constituida por átomos, los cuales tienen su carga positiva alojada en el núcleo. Las partículas responsables de la carga positiva se denominan protones y se sitúan en el núcleo junto con los neutrones (partículas sin carga). Por otro lado, en la corteza del átomo, se encuentran los electrones.

Estas partículas son las responsables de la carga negativa de los cuerpos. Se dice que un átomo es neutro (sin carga) cuando presenta el mismo número de protones que de electrones.

Cuando un cuerpo está cargado con carga positiva o negativa, significa que ha perdido o ganado electrones respectivamente. Estas pérdidas o ganancias de electrones se deben a interacciones con otros cuerpos, como puede ser el rozamiento.

Sabía que...

Sobre el año 580 a. C., el antiguo filósofo griego Thales de Mileto demostró, con ámbar, la propiedad de la atracción de los cuerpos cuando son fuertemente frotados.

2.2. Ley de Coulomb

Desde el siglo XVI, fecha en la cual se comenzó a estudiar de un modo sistemático la existencia de la electricidad, se realizaron múltiples experimentos que permitieron establecer la idea de que dos cuerpos cargados experimentaban entre sí fuerzas de atracción (cargas contrarias) o de repulsión (cargas iguales).

Sabía que...

La unidad de medición de la carga eléctrica es el culombio (C), siendo la del electrón: Qe= 1.6 × 10⁻¹⁹ C, o lo que es lo mismo: 0,00000000000000000016 C.

La cuantificación de estas fuerzas fue enunciada (en el siglo XVIII) por el francés Charles Augustín de Coulomb que, gracias a una serie de experimentos, llegó a la siguiente conclusión:

La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos cargados (positiva o negativamente) aumenta con la carga de los mismos y disminuye al incrementar la distancia que los separa.

Esta ley permite calcular la fuerza (F) de atracción o repulsión que existe entre dos cuerpos cargados (q1 y q2) separados por una distancia (r):

Donde q1 y q2 se expresan en culombios (C), r en metros (m) y F en Newton (N).

k es la denominada constante de Coulomb y su valor es siempre el mismo: k = 9 × 109 (9000000000) N m2 C−2.

Aplicación práctica

Aplique la ley de Coulomb para calcular la fuerza de repulsión entre dos cargas positivas (0,0002 C y 0,0004 C respectivamente) separadas estas 2 m.

SOLUCIÓN

Aplicando la ley de Coulomb:

 F = 9 × 109 · [(0.0002 · 0,0004)/(2)2];

 F = 9 × 109 · [(0.00000008)/4];

 F = 9 × 109 · [0.00000002];

 F = 9000000000 · 0.00000002 = 180 N

Ambas cargas se repelarán con una fuerza de 180 Newton (180 N).

Las investigaciones realizadas en el campo de la electricidad a partir del enunciado de esta ley permitieron que se descubriera tanto la existencia del electrón como los modelos que demostraron la naturaleza eléctrica de la materia.

Recuerde

La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos cargados (positiva o negativamente) aumenta con la carga de los mismos y disminuye al incrementar la distancia que los separa.

3. Propiedades y aplicaciones

Hasta ahora se puede afirmar que la esencia de la electricidad es la carga eléctrica, existiendo dos clases distintas: la positiva y la negativa.

Así pues, la carga eléctrica depende de la pérdida o ganancia de electrones, por lo que un cuerpo estará cargado negativamente si posee un exceso de electrones y, positivamente, en caso contrario.

3.1. Propiedades de la carga eléctrica

Las deducciones relacionadas con la carga eléctrica hicieron posible que se pudieran establecer dos propiedades fundamentales de la carga eléctrica: la cuantización y la conservación.

La carga eléctrica no puede darse en una cantidad numérica cualquiera, sino en múltiplos de una unidad fundamental conocida como cuanto. Esto significa que la carga eléctrica de un cuerpo no puede adquirir un valor cualquiera, sino únicamente múltiplos enteros del valor de la carga del electrón.

Esto explica la primera propiedad de la carga eléctrica: la cuantización, ya que, al depender del número de electrones captados o perdidos, el valor de la carga de un cuerpo es siempre múltiplo de la carga de un electrón.

Por otro lado, el principio de conservación de la carga eléctrica establece que no existe creación ni destrucción neta de la carga eléctrica, afirmando que, en todo proceso de naturaleza electromagnética la totalidad de la carga de un sistema aislado se conserva. Esto significa que, la carga no se crea ni se destruye: se transmite de un cuerpo a otro con el paso de los electrones.

3.2. Aplicaciones de la electricidad

En la actualidad, le energía eléctrica se usa para fabricar la casi absoluta totalidad de los objetos que se utilizan y está presente en toda actividad imaginable de la vida cotidiana. Es esencial para la sociedad actual y es la fuente energética (junto con el petróleo) más importante que existe.

Recuerde

El valor de la carga de un cuerpo es siempre múltiplo de la carga de un electrón.

Es imposible enumerar todas las aplicaciones de la electricidad, ya que se ha hecho imprescindible en campos tan extensos como la medicina, las telecomunicaciones, la producción de frío y calor, la iluminación, etc.

4. Corriente eléctrica

Cuando se extraen los electrones y son transportados de un lugar a otro a lo largo de un medio, como puede ser mediante un cable o hilo conductor, se origina lo que se denomina como corriente eléctrica, donde los electrones se mueven como consecuencia de la atracción de un cuerpo cargado positivamente (neutro).

Es posible que exista corriente eléctrica fuera de un conductor, como puede ser el flujo de electrones que se produce en el tubo de imagen de una televisión.

Sabía que...

Los metales son buenos conductores de la electricidad porque los electrones de las capas más externas de sus átomos están poco sujetos, por lo que poseen gran movilidad.

4.1. Tipos de corriente eléctrica

Existen dos tipos fundamentales de corriente eléctrica: la corriente continua (CC) y la alterna (CA):

1 Corriente continua (CC): se denomina corriente continua al flujo de electrones, a través de un conductor, en un mismo sentido (del polo positivo al negativo). Este tipo de corriente es generada normalmente por objetos de pequeño voltaje y recargables, como baterías de móviles, pilas, etc.

2 Corriente alterna (CA): aquí los electrones no circulan en un mismo sentido, cambiando continuamente tanto su magnitud como su trayectoria unas 50 veces por segundo. Este tipo de corriente es el que llega a las tomas de los hogares e industrias por ser más fácil de transportar.

5. Magnitudes eléctricas (energía, potencia, tensión, intensidad, frecuencia, factor de potencia, impedancia, resistencia, reactancia, etc.)
5.1. Tensión (V)

Cuando dos cuerpos con diferentes cargas se ponen en contacto, se origina entre ellos una circulación de electrones (desde el que tenga mayor carga negativa) que finaliza cuando las cargas de ambos cuerpos queda igualada. Al unir estos objetos, se establece entre ellos lo que se denomina como una diferencia de potencial o tensión.

La unidad de la tensión es el voltio (V) y suele medirse con un dispositivo denominado voltímetro.

5.2. Energía (E) o fuerza electromotriz (f.e.m.)

Para cargar un cuerpo es necesario producir un exceso o un defecto de electrones, siendo necesario un aporte energético. Esta energía se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.) y suele medirse también en voltios (V).

5.3. Potencia (P)

La potencia eléctrica se mide como energía por unidad de tiempo. Expresa la energía consumida o transportada en un intervalo de tiempo concreto. Se mide en vatios (W).

5.4. Intensidad (I)

La intensidad se expresa como la cantidad de electrones que fluyen a lo largo de un conductor por unidad de tiempo. Su unidad es el amperio (A) y para medirla se utiliza el amperímetro.

5.5. Resistencia (R)

La resistencia eléctrica expresa la oposición que ofrece un cuerpo al paso de la corriente eléctrica a través de él. La unidad de esta magnitud es el ohmio (Ω). En el caso de las resistencias, este término es equivalente a la impedancia.