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La electricidad es el conjunto de fenómenos físicos asociados a la presencia y movimiento de materia que tiene la propiedad de carga eléctrica . La electricidad está relacionada con el magnetismo , y ambos forman parte del fenómeno del electromagnetismo , como lo describen las ecuaciones de Maxwell . Varios fenómenos comunes están relacionados con la electricidad, incluidos los rayos , la electricidad estática , el calentamiento eléctrico , las descargas eléctricas y muchos otros.
La presencia de una carga eléctrica, que puede ser positiva o negativa, produce un campo eléctrico . El movimiento de cargas eléctricas es una corriente eléctrica y produce un campo magnético .
Cuando se coloca una carga en un lugar con un campo eléctrico distinto de cero, una fuerza actuará sobre ella. La magnitud de esta fuerza viene dada por la ley de Coulomb . Si la carga se mueve, el campo eléctrico estaría trabajando en la carga eléctrica. Por lo tanto, podemos hablar de potencial eléctrico en un cierto punto del espacio, que es igual al trabajo realizado por un agente externo al transportar una unidad de carga positiva desde un punto de referencia elegido arbitrariamente hasta ese punto sin ninguna aceleración y generalmente se mide en voltios. .
La electricidad está en el corazón de muchas tecnologías modernas y se utiliza para:
- energía eléctrica donde se usa corriente eléctrica para energizar equipos;
- electrónica que se ocupa de los circuitos eléctricos que involucran componentes eléctricos activos como tubos de vacío , transistores , diodos y circuitos integrados , y tecnologías de interconexión pasiva asociadas.
Los fenómenos eléctricos se han estudiado desde la antigüedad, aunque el progreso en la comprensión teórica fue lento hasta los siglos XVII y XVIII. La teoría del electromagnetismo se desarrolló en el siglo XIX y, a fines de ese siglo, los ingenieros eléctricos estaban dando a la electricidad un uso industrial y residencial . La rápida expansión de la tecnología eléctrica en este momento transformó la industria y la sociedad, convirtiéndose en una fuerza impulsora de la Segunda Revolución Industrial . La extraordinaria versatilidad de la electricidad significa que se puede aplicar a un conjunto casi ilimitado de aplicaciones que incluyen transporte , calefacción , iluminación , comunicaciones y computación.. La energía eléctrica es ahora la columna vertebral de la sociedad industrial moderna. [1]
Historia
Mucho antes de que existiera algún conocimiento sobre la electricidad, la gente estaba al tanto de las descargas de los peces eléctricos . Los textos del Antiguo Egipto que datan de 2750 a. C. se refieren a estos peces como el "Tronador del Nilo " y los describen como los "protectores" de todos los demás peces. Los peces eléctricos fueron nuevamente reportados milenios después por los naturalistas y médicos griegos , romanos y árabes antiguos . [2] Varios escritores antiguos, como Plinio el Viejo y Scribonius Largus , atestiguaron el efecto adormecedor de las descargas eléctricas aplicadas por el bagre eléctrico.y rayos eléctricos , y sabía que tales descargas podían viajar a lo largo de objetos conductores. [3] A los pacientes que padecían dolencias como gota o dolor de cabeza se les indicó que tocaran peces eléctricos con la esperanza de que la poderosa sacudida pudiera curarlos. [4]
Las culturas antiguas del Mediterráneo sabían que ciertos objetos, como varillas de ámbar , podían frotarse con la piel de un gato para atraer objetos ligeros como plumas. Tales de Mileto hizo una serie de observaciones sobre la electricidad estática alrededor del año 600 a. C., a partir de las cuales creía que la fricción hacía que el ámbar se volviera magnético , en contraste con minerales como la magnetita , que no necesitaban frotarse. [5] [6] [7] [8] Thales estaba equivocado al creer que la atracción se debía a un efecto magnético, pero la ciencia posterior probaría un vínculo entre el magnetismo y la electricidad. Según una controvertida teoría, los partospuede haber tenido conocimiento de galvanoplastia , basado en el descubrimiento de 1936 de la Batería de Bagdad , que se asemeja a una celda galvánica , aunque no se sabe si el artefacto era de naturaleza eléctrica. [9]
La electricidad seguiría siendo poco más que una curiosidad intelectual durante milenios hasta 1600, cuando el científico inglés William Gilbert escribió De Magnete , en el que hizo un estudio detenido de la electricidad y el magnetismo, distinguiendo el efecto imán de la electricidad estática producida al frotar el ámbar. [5] Acuñó la nueva palabra latina electricus ("de ámbar" o "como ámbar", de ἤλεκτρον, elektron , la palabra griega para "ámbar") para referirse a la propiedad de atraer objetos pequeños después de ser frotados. [10]Esta asociación dio lugar a las palabras inglesas "eléctrica" y "electricidad", que hizo su primera aparición en la impresión en Thomas Browne 's Pseudodoxia Epidemica de 1646. [11]
Otto von Guericke , Robert Boyle , Stephen Gray y CF du Fay llevaron a cabo trabajos adicionales en el siglo XVII y principios del XVIII . [12] Más adelante en el siglo XVIII, Benjamin Franklin realizó una extensa investigación en electricidad, vendiendo sus posesiones para financiar su trabajo. En junio de 1752, se dice que colocó una llave de metal en la parte inferior de una cuerda de cometa humedecida y la hizo volar en un cielo amenazado por tormentas. [13] Una sucesión de chispas que saltaron de la llave al dorso de su mano mostró que los rayos eran de hecho de naturaleza eléctrica. [14] También explicó el comportamiento aparentemente paradójico [15]del tarro de Leyden como un dispositivo para almacenar grandes cantidades de carga eléctrica en términos de electricidad que consta de cargas tanto positivas como negativas. [12]
En 1791, Luigi Galvani publicó su descubrimiento de la bioelectromagnetismo , demostrando que la electricidad era el medio por el cual las neuronas pasaban señales a los músculos. [16] [17] [12] La batería de Alessandro Volta , o pila voltaica , de 1800, hecha de capas alternas de zinc y cobre, proporcionó a los científicos una fuente de energía eléctrica más confiable que las máquinas electrostáticas utilizadas anteriormente. [16] [17] El reconocimiento del electromagnetismo , la unidad de los fenómenos eléctricos y magnéticos, se debe a Hans Christian Ørsted y André-Marie Ampèreen 1819-1820. Michael Faraday inventó el motor eléctrico en 1821, y Georg Ohm analizó matemáticamente el circuito eléctrico en 1827. [17] La electricidad y el magnetismo (y la luz) fueron definitivamente vinculados por James Clerk Maxwell , en particular en su " On Physical Lines of Force " en 1861 y 1862. [18]
Si bien a principios del siglo XIX se había producido un rápido progreso en la ciencia eléctrica, a finales del siglo XIX se produciría el mayor progreso en la ingeniería eléctrica . A través de personas como Alexander Graham Bell , Ottó Bláthy , Thomas Edison , Galileo Ferraris , Oliver Heaviside , Ányos Jedlik , William Thomson, 1st Baron Kelvin , Charles Algernon Parsons , Werner von Siemens , Joseph Swan , Reginald Fessenden , Nikola Tesla y George Westinghouse, la electricidad pasó de ser una curiosidad científica a una herramienta imprescindible para la vida moderna.
En 1887, Heinrich Hertz [19] : 843–44 [20] descubrió que los electrodos iluminados con luz ultravioleta crean chispas eléctricas con mayor facilidad. En 1905, Albert Einstein publicó un artículo que explicaba los datos experimentales del efecto fotoeléctrico como el resultado de la energía de la luz transportada en paquetes discretos cuantificados, energizando electrones. Este descubrimiento condujo a la revolución cuántica . Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921 por "su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico". [21] El efecto fotoeléctrico también se emplea en fotocélulas.como el que se puede encontrar en los paneles solares y se utiliza con frecuencia para producir electricidad comercialmente.
El primer dispositivo de estado sólido fue el " detector de bigotes de gato " que se utilizó por primera vez en la década de 1900 en receptores de radio. Un alambre parecido a un bigote se coloca ligeramente en contacto con un cristal sólido (como un cristal de germanio ) para detectar una señal de radio por el efecto de unión de contacto. [22] En un componente de estado sólido, la corriente se limita a elementos sólidos y compuestos diseñados específicamente para cambiarla y amplificarla. El flujo de corriente se puede entender de dos formas: como electrones cargados negativamente y como deficiencias de electrones cargados positivamente llamados huecos.. Estas cargas y huecos se entienden en términos de física cuántica. El material de construcción suele ser un semiconductor cristalino . [23] [24]
La electrónica de estado sólido se impuso con la aparición de la tecnología de transistores . El primer transistor en funcionamiento, un transistor de contacto puntual basado en germanio , fue inventado por John Bardeen y Walter Houser Brattain en Bell Labs en 1947, [25] seguido por el transistor de unión bipolar en 1948. [26] Estos primeros transistores eran relativamente voluminosos dispositivos que eran difíciles de fabricar en serie . [27] : 168 Fueron seguidos por el MOSFET basado en silicio(transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico, o transistor MOS), inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. [28] [29] [30] Fue el primer transistor verdaderamente compacto que pudo ser miniaturizado y producido en masa para una amplia gama de usos, [27] : 165,179 que conducen a la revolución del silicio . [31] Los dispositivos de estado sólido comenzaron a prevalecer a partir de la década de 1960, con la transición de los tubos de vacío a los diodos semiconductores , transistores, chips de circuitos integrados (IC), MOSFET y diodos emisores de luz. Tecnología (LED).
El dispositivo electrónico más común es el MOSFET, [29] [32] que se ha convertido en el dispositivo más fabricado en la historia. [33] Los dispositivos MOS de estado sólido comunes incluyen chips de microprocesador [34] y memoria semiconductora . [35] [36] Un tipo especial de memoria semiconductora es la memoria flash , que se utiliza en unidades flash USB y dispositivos móviles , así como en la tecnología de unidad de estado sólido (SSD) para reemplazar la unidad de disco duro (HDD) de disco magnético giratorio mecánicamente . tecnología.
Conceptos
Carga eléctrica
La presencia de carga da lugar a una fuerza electrostática: las cargas se ejercen una fuerza entre sí, un efecto que se conocía, aunque no se entendía, en la antigüedad. [19] : 457 Una bola liviana suspendida de una cuerda se puede cargar tocándola con una varilla de vidrio que se ha cargado frotando con un paño. Si una bola similar es cargada por la misma barra de vidrio, se encuentra que repele la primera: la carga actúa para separar las dos bolas. Dos bolas que están cargadas con una varilla de ámbar frotada también se repelen entre sí. Sin embargo, si una bola es cargada por la barra de vidrio y la otra por una barra de color ámbar, las dos bolas se atraen entre sí. Estos fenómenos fueron investigados a finales del siglo XVIII por Charles-Augustin de Coulomb., quien dedujo que ese cargo se manifiesta en dos formas opuestas. Este descubrimiento llevó al axioma bien conocido: los objetos con cargas similares se repelen y los objetos con cargas opuestas se atraen . [19]
La fuerza actúa sobre las propias partículas cargadas, por lo que la carga tiende a extenderse lo más uniformemente posible sobre una superficie conductora. La magnitud de la fuerza electromagnética, ya sea atractiva o repulsiva, viene dada por la ley de Coulomb , que relaciona la fuerza con el producto de las cargas y tiene una relación inversa al cuadrado con la distancia entre ellas. [37] [38] : 35 La fuerza electromagnética es muy fuerte, sólo superada en fuerza por la interacción fuerte , [39] pero a diferencia de esa fuerza, opera en todas las distancias. [40] En comparación con la fuerza gravitacional mucho más débil, la fuerza electromagnética que separa dos electrones es 10 42 veces mayor que la de la atracción gravitacional que los une. [41]
La carga se origina a partir de ciertos tipos de partículas subatómicas , cuyos portadores más familiares son el electrón y el protón . La carga eléctrica da lugar e interactúa con la fuerza electromagnética , una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. El experimento ha demostrado que la carga es una cantidad conservada , es decir, la carga neta dentro de un sistema eléctricamente aislado siempre permanecerá constante independientemente de los cambios que tengan lugar dentro de ese sistema. [42] Dentro del sistema, la carga puede transferirse entre cuerpos, ya sea por contacto directo o pasando a lo largo de un material conductor, como un cable. [38] : 2–5El término informal electricidad estática se refiere a la presencia neta (o 'desequilibrio') de carga en un cuerpo, generalmente causada cuando materiales diferentes se frotan entre sí, transfiriendo carga de uno a otro.
La carga de electrones y protones es de signo opuesto, por lo que una cantidad de carga puede expresarse como negativa o positiva. Por convención, la carga transportada por los electrones se considera negativa y la de los protones positiva, una costumbre que se originó con el trabajo de Benjamin Franklin . [43] A la cantidad de carga se le suele dar el símbolo Q y se expresa en culombios ; [44] cada electrón tiene la misma carga de aproximadamente -1,6022 × 10 -19 culombio . El protón tiene una carga que es igual y opuesta, y por lo tanto + 1,6022 × 10 −19 culombio. La carga está poseída no solo por la materia , sino también por la antimateria., teniendo cada antipartícula una carga igual y opuesta a su partícula correspondiente. [45]
La carga se puede medir por varios medios, uno de los primeros instrumentos fue el electroscopio de hoja de oro , que aunque todavía se usa para demostraciones en el aula, ha sido reemplazado por el electrómetro electrónico . [38] : 2–5
Corriente eléctrica
El movimiento de la carga eléctrica se conoce como corriente eléctrica , cuya intensidad generalmente se mide en amperios . La corriente puede consistir en partículas cargadas en movimiento; más comúnmente son electrones, pero cualquier carga en movimiento constituye una corriente. La corriente eléctrica puede fluir a través de algunas cosas, conductores eléctricos , pero no fluirá a través de un aislante eléctrico . [46]
Por convención histórica, una corriente positiva se define como que tiene la misma dirección de flujo que cualquier carga positiva que contiene, o fluye desde la parte más positiva de un circuito a la parte más negativa. La corriente definida de esta manera se llama corriente convencional . El movimiento de electrones cargados negativamente alrededor de un circuito eléctrico , una de las formas más familiares de corriente, se considera positivo en la dirección opuesta a la de los electrones. [47] Sin embargo, dependiendo de las condiciones, una corriente eléctrica puede consistir en un flujo de partículas cargadas en cualquier dirección, o incluso en ambas direcciones a la vez. La convención de positivo a negativo se utiliza ampliamente para simplificar esta situación.
El proceso por el cual la corriente eléctrica pasa a través de un material se denomina conducción eléctrica y su naturaleza varía con la de las partículas cargadas y el material a través del cual viajan. Los ejemplos de corrientes eléctricas incluyen la conducción metálica, donde los electrones fluyen a través de un conductor como un metal, y la electrólisis , donde los iones ( átomos cargados ) fluyen a través de líquidos, o a través de plasmas como chispas eléctricas. Si bien las partículas en sí pueden moverse con bastante lentitud, a veces con una velocidad de deriva promedio de solo fracciones de milímetro por segundo, [38] : 17 el campo eléctricoque los impulsa se propaga a una velocidad cercana a la de la luz , lo que permite que las señales eléctricas pasen rápidamente a lo largo de los cables. [48]
La corriente provoca varios efectos observables, que históricamente fueron el medio para reconocer su presencia. Nicholson y Carlisle descubrieron en 1800 que el agua podría descomponerse por la corriente de una pila voltaica , un proceso que ahora se conoce como electrólisis . Su trabajo fue ampliado en gran medida por Michael Faraday en 1833. La corriente a través de una resistencia provoca un calentamiento localizado, un efecto que James Prescott Joule estudió matemáticamente en 1840. [38] : 23-24 Uno de los descubrimientos más importantes relacionados con la corriente fue realizado accidentalmente por Hans Christian Ørsteden 1820, cuando, mientras preparaba una conferencia, presenció cómo la corriente en un cable perturbaba la aguja de una brújula magnética. [49] Había descubierto el electromagnetismo , una interacción fundamental entre la electricidad y el magnetismo. El nivel de emisiones electromagnéticas generadas por los arcos eléctricos es lo suficientemente alto como para producir interferencias electromagnéticas , que pueden ser perjudiciales para el funcionamiento de los equipos adyacentes. [50]
En aplicaciones de ingeniería o domésticas, la corriente se describe a menudo como corriente continua (CC) o corriente alterna (CA). Estos términos se refieren a cómo varía la corriente en el tiempo. La corriente continua, producida por ejemplo a partir de una batería y requerida por la mayoría de los dispositivos electrónicos , es un flujo unidireccional desde la parte positiva de un circuito a la negativa. [51] : 11 Si, como es más común, este flujo es transportado por electrones, viajarán en la dirección opuesta. La corriente alterna es cualquier corriente que invierte la dirección repetidamente; casi siempre toma la forma de una onda sinusoidal . [51] : 206–07Por lo tanto, la corriente alterna pulsa hacia adelante y hacia atrás dentro de un conductor sin que la carga se mueva ninguna distancia neta a lo largo del tiempo. El valor promediado en el tiempo de una corriente alterna es cero, pero entrega energía primero en una dirección y luego en la inversa. La corriente alterna se ve afectada por propiedades eléctricas que no se observan en la corriente continua en estado estable , como la inductancia y la capacitancia . [51] : 223–25 Sin embargo, estas propiedades pueden volverse importantes cuando los circuitos están sujetos a transitorios , como cuando se energizan por primera vez.
Campo eléctrico
El concepto de campo eléctrico fue introducido por Michael Faraday . Un campo eléctrico es creado por un cuerpo cargado en el espacio que lo rodea y da como resultado una fuerza ejercida sobre cualquier otra carga colocada dentro del campo. El campo eléctrico actúa entre dos cargas de manera similar a como actúa el campo gravitacional entre dos masas y, al igual que él, se extiende hacia el infinito y muestra una relación de cuadrado inverso con la distancia. [40]Sin embargo, existe una diferencia importante. La gravedad siempre actúa en atracción, juntando dos masas, mientras que el campo eléctrico puede resultar en atracción o repulsión. Dado que los cuerpos grandes, como los planetas, generalmente no tienen carga neta, el campo eléctrico a una distancia suele ser cero. Por tanto, la gravedad es la fuerza dominante a distancia en el universo, a pesar de ser mucho más débil. [41]
Un campo eléctrico generalmente varía en el espacio, [52] y su fuerza en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que sentiría una carga estacionaria insignificante si se colocara en ese punto. [19] : 469–70 La carga conceptual, denominada " carga de prueba ", debe ser extremadamente pequeña para evitar que su propio campo eléctrico perturbe el campo principal y también debe ser estacionaria para evitar el efecto de los campos magnéticos . Como el campo eléctrico se define en términos de fuerza , y la fuerza es un vector , que tiene tanto magnitud como dirección , se deduce que un campo eléctrico es un campo vectorial .[19] : 469–70
El estudio de los campos eléctricos creados por cargas estacionarias se llama electrostática . El campo puede visualizarse mediante un conjunto de líneas imaginarias cuya dirección en cualquier punto es la misma que la del campo. Este concepto fue introducido por Faraday, [53] cuyo término " líneas de fuerza " todavía se utiliza a veces. Las líneas de campo son los caminos que una carga puntual positiva buscaría hacer cuando se viera forzada a moverse dentro del campo; sin embargo, son un concepto imaginario sin existencia física, y el campo impregna todo el espacio intermedio entre las líneas. [53]Las líneas de campo que emanan de cargas estacionarias tienen varias propiedades clave: primero, que se originan con cargas positivas y terminan con cargas negativas; segundo, que deben entrar en ángulo recto a cualquier buen conductor, y tercero, que nunca se crucen ni se cierren sobre sí mismos. [19] : 479
Un cuerpo conductor hueco lleva toda su carga en su superficie exterior. Por tanto, el campo es cero en todos los lugares del interior del cuerpo. [38] : 88 Este es el principio operativo de la jaula de Faraday , una carcasa metálica conductora que aísla su interior de los efectos eléctricos externos.
Los principios de la electrostática son importantes al diseñar elementos de equipos de alto voltaje . Existe un límite finito para la intensidad del campo eléctrico que puede soportar cualquier medio. Más allá de este punto, se produce una avería eléctrica y un arco eléctrico provoca una descarga disruptiva entre las partes cargadas. El aire, por ejemplo, tiende a formar un arco a través de pequeños huecos con intensidades de campo eléctrico que superan los 30 kV por centímetro. En espacios más grandes, su resistencia a la ruptura es más débil, quizás 1 kV por centímetro. [54] La ocurrencia natural más visible de esto es un rayo., causado cuando la carga se separa en las nubes por columnas de aire ascendentes, y eleva el campo eléctrico en el aire a más de lo que puede soportar. El voltaje de una gran nube de rayos puede ser tan alto como 100 MV y tener energías de descarga de hasta 250 kWh. [55]
La intensidad del campo se ve muy afectada por los objetos conductores cercanos y es particularmente intensa cuando se ve obligada a curvarse alrededor de objetos puntiagudos. Este principio se explota en el pararrayos , cuya punta afilada actúa para estimular el desarrollo del rayo allí, más que en el edificio al que sirve para proteger [56] : 155
Potencial eléctrico
El concepto de potencial eléctrico está íntimamente ligado al de campo eléctrico. Una pequeña carga colocada dentro de un campo eléctrico experimenta una fuerza, y haber llevado esa carga a ese punto contra la fuerza requiere trabajo . El potencial eléctrico en cualquier punto se define como la energía requerida para llevar lentamente una carga de prueba unitaria desde una distancia infinita hasta ese punto. Por lo general, se mide en voltios , y un voltio es el potencial por el cual se debe gastar un julio de trabajo para traer una carga de un culombio desde el infinito. [19] : 494–98 Esta definición de potencial, aunque formal, tiene poca aplicación práctica, y un concepto más útil es el dediferencia de potencial eléctrico , y es la energía requerida para mover una unidad de carga entre dos puntos especificados. Un campo eléctrico tiene la propiedad especial de ser conservador , lo que significa que el camino tomado por la carga de prueba es irrelevante: todos los caminos entre dos puntos especificados gastan la misma energía y, por lo tanto, se puede establecer un valor único para la diferencia de potencial. [19] : 494–98 El voltio está tan fuertemente identificado como la unidad de elección para la medición y descripción de la diferencia de potencial eléctrico que el término voltaje tiene un mayor uso diario.
Para fines prácticos, es útil definir un punto de referencia común con el que se puedan expresar y comparar los potenciales. Si bien esto podría estar en el infinito, una referencia mucho más útil es la Tierra misma, que se supone que tiene el mismo potencial en todas partes. Este punto de referencia, naturalmente, toma el nombre de tierra o suelo . Se supone que la Tierra es una fuente infinita de cantidades iguales de carga positiva y negativa y, por lo tanto, no tiene carga eléctrica y no es recargable. [57]
El potencial eléctrico es una cantidad escalar , es decir, solo tiene magnitud y no dirección. Puede verse como análogo a la altura : así como un objeto liberado caerá a través de una diferencia de alturas causada por un campo gravitacional, así una carga "caerá" a través del voltaje causado por un campo eléctrico. [58] Como los mapas en relieve muestran curvas de nivel que marcan puntos de igual altura, se puede dibujar un conjunto de líneas que marcan puntos de igual potencial (conocidas como equipotenciales ) alrededor de un objeto cargado electrostáticamente. Los equipotenciales cruzan todas las líneas de fuerza en ángulos rectos. También deben estar paralelos a un conductor.superficie, de lo contrario esto produciría una fuerza que movería los portadores de carga hasta igualar el potencial de la superficie.
El campo eléctrico se definió formalmente como la fuerza ejercida por unidad de carga, pero el concepto de potencial permite una definición más útil y equivalente: el campo eléctrico es el gradiente local del potencial eléctrico. Por lo general, expresada en voltios por metro, la dirección del vector del campo es la línea de mayor pendiente de potencial y donde los equipotenciales se encuentran más cerca entre sí. [38] : 60
Electroimanes
El descubrimiento de Ørsted en 1821 de que existía un campo magnético alrededor de todos los lados de un cable que transportaba una corriente eléctrica indicó que había una relación directa entre la electricidad y el magnetismo. Además, la interacción parecía diferente de las fuerzas gravitacionales y electrostáticas, las dos fuerzas de la naturaleza entonces conocidas. La fuerza sobre la aguja de la brújula no la dirigió hacia el cable conductor de corriente ni lo alejó del mismo, sino que actuó en ángulo recto con él. [49] Las palabras de Ørsted fueron que "el conflicto eléctrico actúa de manera rotatoria". La fuerza también dependía de la dirección de la corriente, porque si el flujo se invirtió, la fuerza también lo hizo. [59]
Ørsted no entendió completamente su descubrimiento, pero observó que el efecto era recíproco: una corriente ejerce una fuerza sobre un imán y un campo magnético ejerce una fuerza sobre una corriente. El fenómeno fue investigado más a fondo por Ampère , quien descubrió que dos cables conductores de corriente paralelos ejercen una fuerza sobre el otro: dos cables que conducen corrientes en la misma dirección se atraen entre sí, mientras que los cables que contienen corrientes en direcciones opuestas se separan. [60] La interacción está mediada por el campo magnético que produce cada corriente y forma la base para la definición internacional del amperio . [60]
Esta relación entre los campos magnéticos y las corrientes es extremadamente importante, ya que condujo a la invención del motor eléctrico por Michael Faraday en 1821. El motor homopolar de Faraday consistía en un imán permanente colocado en un charco de mercurio . Se permitió una corriente a través de un cable suspendido de un pivote sobre el imán y se sumergió en el mercurio. El imán ejerció una fuerza tangencial sobre el cable, haciéndolo girar alrededor del imán mientras se mantuviera la corriente. [61]
La experimentación de Faraday en 1831 reveló que un cable que se movía perpendicularmente a un campo magnético desarrolló una diferencia de potencial entre sus extremos. Un análisis más detallado de este proceso, conocido como inducción electromagnética , le permitió establecer el principio, ahora conocido como ley de inducción de Faraday , de que la diferencia de potencial inducida en un circuito cerrado es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético a través del bucle. La explotación de este descubrimiento le permitió inventar el primer generador eléctrico en 1831, en el que convirtió la energía mecánica de un disco de cobre giratorio en energía eléctrica. [61] Disco de Faraday era ineficiente e inútil como generador práctico, pero mostraba la posibilidad de generar energía eléctrica mediante el magnetismo, posibilidad que sería asumida por los posteriores a su obra.
Electroquímica
La capacidad de las reacciones químicas para producir electricidad y, a la inversa, la capacidad de la electricidad para impulsar reacciones químicas tiene una amplia gama de usos.
La electroquímica siempre ha sido una parte importante de la electricidad. Desde la invención inicial de la pila Voltaic, las celdas electroquímicas se han convertido en muchos tipos diferentes de baterías, celdas de galvanoplastia y electrólisis. El aluminio se produce en grandes cantidades de esta manera, y muchos dispositivos portátiles se alimentan eléctricamente mediante pilas recargables.
Circuitos eléctricos
Un circuito eléctrico es una interconexión de componentes eléctricos de manera que se hace que la carga eléctrica fluya a lo largo de un camino cerrado (un circuito), generalmente para realizar alguna tarea útil.
Los componentes de un circuito eléctrico pueden adoptar muchas formas, que pueden incluir elementos como resistencias , condensadores , interruptores , transformadores y electrónica . Los circuitos electrónicos contienen componentes activos , generalmente semiconductores , y por lo general exhiben un comportamiento no lineal , lo que requiere un análisis complejo. Los componentes eléctricos más simples son los que se denominan pasivos y lineales : si bien pueden almacenar energía temporalmente, no contienen fuentes de ella y exhiben respuestas lineales a los estímulos. [62] : 15–16
La resistencia es quizás el elemento de circuito pasivo más simple: como sugiere su nombre, resiste la corriente a través de ella, disipando su energía en forma de calor. La resistencia es una consecuencia del movimiento de la carga a través de un conductor: en los metales, por ejemplo, la resistencia se debe principalmente a las colisiones entre electrones e iones. La ley de Ohm es una ley básica de la teoría de circuitos , que establece que la corriente que pasa a través de una resistencia es directamente proporcional a la diferencia de potencial a través de ella. La resistencia de la mayoría de los materiales es relativamente constante en un rango de temperaturas y corrientes; Los materiales en estas condiciones se conocen como "óhmicos". El ohmio , la unidad de resistencia, fue nombrado en honor aGeorg Ohm , y está simbolizado por la letra griega Ω. 1 Ω es la resistencia que producirá una diferencia de potencial de un voltio en respuesta a una corriente de un amperio. [62] : 30–35
El condensador es un desarrollo del vaso de Leyden y es un dispositivo que puede almacenar carga y, por lo tanto, almacenar energía eléctrica en el campo resultante. Consta de dos placas conductoras separadas por una fina capa dieléctrica aislante ; en la práctica, las láminas de metal delgadas se enrollan juntas, aumentando el área superficial por unidad de volumen y por lo tanto la capacitancia . La unidad de capacitancia es el faradio , llamado así por Michael Faraday , y dado el símbolo F: un faradio es la capacitancia que desarrolla una diferencia de potencial de un voltio cuando almacena una carga de un culombio. Un capacitor conectado a una fuente de voltaje inicialmente genera una corriente a medida que acumula carga; Sin embargo, esta corriente decaerá con el tiempo a medida que se llene el condensador, y finalmente caerá a cero. Por lo tanto, un condensador no permitirá una corriente de estado estable , sino que la bloqueará. [62] : 216–20
El inductor es un conductor, generalmente una bobina de alambre, que almacena energía en un campo magnético en respuesta a la corriente que lo atraviesa. Cuando la corriente cambia, el campo magnético también lo hace, induciendo un voltaje entre los extremos del conductor. El voltaje inducido es proporcional a la tasa de cambio de la corriente en el tiempo. La constante de proporcionalidad se denomina inductancia . La unidad de inductancia es el Henry , llamado así por Joseph Henry., contemporáneo de Faraday. Un henry es la inductancia que inducirá una diferencia de potencial de un voltio si la corriente a través de él cambia a una velocidad de un amperio por segundo. El comportamiento del inductor es, en algunos aspectos, inverso al del condensador: permitirá libremente una corriente invariable, pero se opone a una que cambia rápidamente. [62] : 226–29
Energia electrica
La energía eléctrica es la velocidad a la que la energía eléctrica se transfiere mediante un circuito eléctrico . La unidad de potencia del SI es el vatio , un julio por segundo .
Energía eléctrica, como la energía mecánica , es la tasa de hacer el trabajo , medida en vatios , y representado por la letra P . El término potencia se usa coloquialmente para significar "potencia eléctrica en vatios". La potencia eléctrica en vatios producida por una corriente eléctrica I que consiste en una carga de Q culombios cada t segundos que pasa por una diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ) de V es
dónde
- Q es carga eléctrica en culombios
- t es el tiempo en segundos
- Yo es corriente eléctrica en amperios
- V es potencial eléctrico o voltaje en voltios
La generación de electricidad a menudo se realiza con generadores eléctricos , pero también puede ser suministrada por fuentes químicas como baterías eléctricas o por otros medios de una amplia variedad de fuentes de energía. La energía eléctrica es generalmente suministrada a empresas y hogares por la industria de la energía eléctrica . La electricidad se vende normalmente por kilovatios hora (3,6 MJ), que es el producto de la potencia en kilovatios multiplicada por el tiempo de funcionamiento en horas. Las empresas de servicios eléctricos miden la potencia utilizando medidores de electricidad , que mantienen un total acumulado de la energía eléctrica entregada a un cliente. A diferencia de los combustibles fósiles, la electricidad es de baja entropía.forma de energía y se puede convertir en movimiento o en muchas otras formas de energía con alta eficiencia. [63]
Electrónica
La electrónica se ocupa de circuitos eléctricos que involucran componentes eléctricos activos como tubos de vacío , transistores , diodos , optoelectrónica , sensores y circuitos integrados , y tecnologías de interconexión pasiva asociadas. El comportamiento no lineal de los componentes activos y su capacidad para controlar los flujos de electrones hace posible la amplificación de señales débiles y la electrónica se usa ampliamente en el procesamiento de información , telecomunicaciones y procesamiento de señales . La capacidad de los dispositivos electrónicos para actuar como interruptores.hace posible el procesamiento de la información digital. Las tecnologías de interconexión, como las placas de circuitos , la tecnología de empaquetado electrónico y otras formas variadas de infraestructura de comunicación, completan la funcionalidad del circuito y transforman los componentes mixtos en un sistema de trabajo regular .
Actualmente, la mayoría de los dispositivos electrónicos utilizan componentes semiconductores para realizar el control de electrones. El estudio de los dispositivos semiconductores y la tecnología relacionada se considera una rama de la física del estado sólido , mientras que el diseño y la construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos se incluyen en la ingeniería electrónica .
Onda electromagnética
El trabajo de Faraday y Ampère mostró que un campo magnético variable en el tiempo actuaba como fuente de un campo eléctrico, y un campo eléctrico variable en el tiempo era una fuente de campo magnético. Por tanto, cuando uno de los campos cambia en el tiempo, necesariamente se induce un campo del otro. [19] : 696–700 Este fenómeno tiene las propiedades de una onda y, naturalmente, se lo denomina onda electromagnética . Las ondas electromagnéticas fueron analizadas teóricamente por James Clerk Maxwell en 1864. Maxwell desarrolló un conjunto de ecuaciones que podían describir sin ambigüedades la interrelación entre campo eléctrico, campo magnético, carga eléctrica y corriente eléctrica. Además, podía demostrar que tal onda viajaría necesariamente en elvelocidad de la luz y, por tanto, la luz misma era una forma de radiación electromagnética. Las leyes de Maxwell , que unifican la luz, los campos y la carga, son uno de los grandes hitos de la física teórica. [19] : 696–700
Así, el trabajo de muchos investigadores permitió el uso de la electrónica para convertir señales en corrientes oscilantes de alta frecuencia y, a través de conductores de forma adecuada, la electricidad permite la transmisión y recepción de estas señales a través de ondas de radio a distancias muy largas.
Producción y usos
Generación y transmisión
En el siglo VI a. C., el filósofo griego Tales de Mileto experimentó con varillas de ámbar y estos experimentos fueron los primeros estudios sobre la producción de energía eléctrica. Si bien este método, ahora conocido como efecto triboeléctrico , puede levantar objetos ligeros y generar chispas, es extremadamente ineficaz. [64] No fue hasta la invención de la pila voltaica en el siglo XVIII que se dispuso de una fuente viable de electricidad. La pila voltaica, y su descendiente moderno, la batería eléctrica , almacenan energía químicamente y la ponen a disposición bajo demanda en forma de energía eléctrica. [64]La batería es una fuente de energía versátil y muy común que es ideal para muchas aplicaciones, pero su almacenamiento de energía es finito y, una vez descargada, debe desecharse o recargarse. Para grandes demandas eléctricas, la energía eléctrica debe generarse y transmitirse continuamente a través de líneas de transmisión conductoras.
La energía eléctrica se genera normalmente por electro-mecánicos generadores accionados por vapor producido a partir de combustibles fósiles de combustión, o el calor liberado por las reacciones nucleares; o de otras fuentes como la energía cinética extraída del viento o del agua corriente. La turbina de vapor moderna inventada por Sir Charles Parsons en 1884 genera hoy alrededor del 80 por ciento de la energía eléctrica en el mundo utilizando una variedad de fuentes de calor. Dichos generadores no se parecen al generador de discos homopolares de Faraday de 1831, pero todavía se basan en su principio electromagnético de que un conductor que une un campo magnético cambiante induce una diferencia de potencial en sus extremos.[65] La invención a fines del siglo XIX del transformador significó que la energía eléctrica se podía transmitir de manera más eficiente a un voltaje más alto pero a una corriente más baja. La transmisión eléctrica eficientesignificaba, a su vez, que la electricidad podía generarse en centrales eléctricas centralizadas, donde se beneficiaba de las economías de escala , y luego enviarse a distancias relativamente largas a donde se necesitaba. [66] [67]
Dado que la energía eléctrica no se puede almacenar fácilmente en cantidades lo suficientemente grandes para satisfacer las demandas a escala nacional, en todo momento se debe producir exactamente la cantidad necesaria. [66] Esto requiere que las empresas eléctricas hagan predicciones cuidadosas de sus cargas eléctricas y mantengan una coordinación constante con sus centrales eléctricas. Siempre se debe mantener una cierta cantidad de generación en reserva para proteger la red eléctrica contra perturbaciones y pérdidas inevitables.
La demanda de electricidad crece con gran rapidez a medida que una nación se moderniza y su economía se desarrolla. Estados Unidos mostró un aumento del 12% en la demanda durante cada año de las tres primeras décadas del siglo XX, [68] una tasa de crecimiento que ahora están experimentando economías emergentes como las de India o China. [69] [70] Históricamente, la tasa de crecimiento de la demanda de electricidad ha superado a la de otras formas de energía. [71] : 16
Las preocupaciones ambientales con la generación de electricidad han llevado a un mayor enfoque en la generación a partir de fuentes renovables , en particular a partir de la energía eólica y solar . Si bien se puede esperar que continúe el debate sobre el impacto ambiental de los diferentes medios de producción de electricidad, su forma final es relativamente limpia. [71] : 89
Aplicaciones
La electricidad es una forma muy conveniente de transferir energía y se ha adaptado a un número enorme y creciente de usos. [72] La invención de una bombilla incandescente práctica en la década de 1870 llevó a que la iluminación se convirtiera en una de las primeras aplicaciones de energía eléctrica disponibles al público. Aunque la electrificación trajo consigo sus propios peligros, reemplazar las llamas desnudas de la iluminación de gas redujo en gran medida los riesgos de incendio dentro de los hogares y las fábricas. [73] Se establecieron servicios públicos en muchas ciudades dirigidos al floreciente mercado de la iluminación eléctrica. A finales del siglo XX y en los tiempos modernos, la tendencia ha comenzado a fluir hacia la desregulación en el sector de la energía eléctrica. [74]
El efecto de calentamiento resistivo de Joule empleado en las bombillas de filamento también tiene un uso más directo en el calentamiento eléctrico . Si bien esto es versátil y controlable, puede verse como un desperdicio, ya que la mayor parte de la generación eléctrica ya ha requerido la producción de calor en una central eléctrica. [75] Varios países, como Dinamarca, han promulgado leyes que restringen o prohíben el uso de calefacción eléctrica resistiva en edificios nuevos. [76] Sin embargo, la electricidad sigue siendo una fuente de energía muy práctica para la calefacción y la refrigeración , [77] con aire acondicionado / bombas de calor.lo que representa un sector en crecimiento para la demanda de electricidad para calefacción y refrigeración, cuyos efectos las empresas eléctricas están cada vez más obligadas a adaptarse. [78]
La electricidad se utiliza en las telecomunicaciones y, de hecho, el telégrafo eléctrico , demostrado comercialmente en 1837 por Cooke y Wheatstone , fue una de sus primeras aplicaciones. Con la construcción de los primeros sistemas telegráficos transcontinentales y luego transatlánticos en la década de 1860, la electricidad había permitido las comunicaciones en minutos en todo el mundo. La fibra óptica y las comunicaciones por satélite han tomado una parte del mercado de los sistemas de comunicaciones, pero se puede esperar que la electricidad siga siendo una parte esencial del proceso.
Los efectos del electromagnetismo se emplean más visiblemente en el motor eléctrico , que proporciona un medio limpio y eficiente de fuerza motriz. Un motor estacionario, como un cabrestante, se suministra fácilmente con un suministro de energía, pero un motor que se mueve con su aplicación, como un vehículo eléctrico , está obligado a llevar consigo una fuente de energía, como una batería, oa recoger corriente de un contacto deslizante como un pantógrafo . Los vehículos de propulsión eléctrica se utilizan en el transporte público, como los autobuses y trenes eléctricos, [79] y un número cada vez mayor de coches eléctricos de batería de propiedad privada.
Los dispositivos electrónicos hacen uso del transistor , quizás uno de los inventos más importantes del siglo XX, [80] y un bloque de construcción fundamental de todos los circuitos modernos. Un circuito integrado moderno puede contener varios miles de millones de transistores miniaturizados en una región de solo unos pocos centímetros cuadrados. [81]
Electricidad y mundo natural
Efectos fisiológicos
Un voltaje aplicado a un cuerpo humano provoca una corriente eléctrica a través de los tejidos y, aunque la relación no es lineal, cuanto mayor es el voltaje, mayor es la corriente. [82] El umbral de percepción varía con la frecuencia de suministro y con la ruta de la corriente, pero es de aproximadamente 0,1 mA a 1 mA para la electricidad de frecuencia de red, aunque una corriente tan baja como un microamperio se puede detectar como un efecto de electrovibración bajo ciertas condiciones. [83] Si la corriente es lo suficientemente alta, provocará contracción muscular, fibrilación del corazón y quemaduras de tejidos . [82]La falta de cualquier señal visible de que un conductor esté electrificado hace que la electricidad sea un peligro particular. El dolor causado por una descarga eléctrica puede ser intenso, lo que a veces lleva a que la electricidad se emplee como método de tortura . La muerte causada por una descarga eléctrica se conoce como electrocución . La electrocución sigue siendo el medio de ejecución judicial en algunas jurisdicciones, aunque su uso se ha vuelto más raro en los últimos tiempos. [84]
Fenómenos eléctricos en la naturaleza
La electricidad no es una invención humana y se puede observar en varias formas en la naturaleza, una manifestación prominente de la cual son los rayos . Muchas interacciones familiares a nivel macroscópico, como el tacto , la fricción o los enlaces químicos , se deben a interacciones entre campos eléctricos a escala atómica. Se cree que el campo magnético de la Tierra surge de una dinamo natural de corrientes circulantes en el núcleo del planeta. [85] Ciertos cristales, como el cuarzo , o incluso el azúcar , generan una diferencia de potencial en sus caras cuando se someten a presión externa. [86]Este fenómeno se conoce como piezoelectricidad , del griego piezein (πιέζειν), que significa prensa, y fue descubierto en 1880 por Pierre y Jacques Curie . El efecto es recíproco, y cuando un material piezoeléctrico se somete a un campo eléctrico, se produce un pequeño cambio en las dimensiones físicas. [86]
§ La bioelectrogénesis en la vida microbiana es un fenómeno destacado en la ecología de suelos y sedimentos resultante de la respiración anaeróbica . La pila de combustible microbiana imita este omnipresente fenómeno natural.
Algunos organismos, como los tiburones , son capaces de detectar y responder a cambios en los campos eléctricos, una habilidad conocida como electrorrecepción , [87] mientras que otros, denominados electrogénicos , pueden generar voltajes ellos mismos para servir como un arma depredadora o defensiva. [3] El orden Gymnotiformes , del cual el ejemplo más conocido es la anguila eléctrica , detecta o aturde a sus presas a través de altos voltajes generados a partir de células musculares modificadas llamadas electrocitos . [3] [4] Todos los animales transmiten información a lo largo de sus membranas celulares con pulsos de voltaje llamados potenciales de acción., cuyas funciones incluyen la comunicación del sistema nervioso entre neuronas y músculos . [88] Una descarga eléctrica estimula este sistema y hace que los músculos se contraigan. [89] Los potenciales de acción también son responsables de coordinar las actividades en determinadas plantas. [88]
Percepción cultural
En 1850, William Gladstone le preguntó al científico Michael Faraday por qué la electricidad era valiosa. Faraday respondió: "Un día, señor, puede gravarlo". [90]
En el siglo XIX y principios del XX, la electricidad no formaba parte de la vida cotidiana de muchas personas, incluso en el mundo occidental industrializado . En consecuencia, la cultura popular de la época lo describía a menudo como una fuerza misteriosa y cuasi mágica que puede matar a los vivos, revivir a los muertos o alterar las leyes de la naturaleza. [91] Esta actitud comenzó con los experimentos de 1771 de Luigi Galvani en los que se demostró que las patas de las ranas muertas se contraían con la aplicación de electricidad animal . La "revitalización" o reanimación de personas aparentemente muertas o ahogadas se informó en la literatura médica poco después del trabajo de Galvani. Mary Shelley conocía estos resultados cuando escribióFrankenstein (1819), aunque no menciona el método de revitalización del monstruo. La revitalización de los monstruos con electricidad más tarde se convirtió en un tema común en las películas de terror.
A medida que crecía la familiaridad del público con la electricidad como el elemento vital de la Segunda Revolución Industrial , sus portadores fueron proyectados con mayor frecuencia en una luz positiva, [92] como los trabajadores que "se mueven con los dedos en la punta de los guantes mientras desmenuzan y repiten a los vivos cables "en el poema de 1907 de Rudyard Kipling Sons of Martha . [92] Los vehículos de propulsión eléctrica de todo tipo aparecieron en grandes historias de aventuras como las de Jules Verne y los libros de Tom Swift . [92] Los maestros de la electricidad, ya sea ficticia o real, incluidos científicos como Thomas Edison , Charles Steinmetz oNikola Tesla, popularmente se concibió con poderes mágicos. [92]
Dado que la electricidad dejó de ser una novedad y se convirtió en una necesidad de la vida cotidiana en la segunda mitad del siglo XX, requirió especial atención por parte de la cultura popular solo cuando deja de fluir [92], un evento que generalmente indica un desastre. [92] Las personas que lo mantienen fluyendo, como el héroe sin nombre de la canción de Jimmy Webb " Wichita Lineman " (1968), [92] todavía son elegidos como figuras heroicas, parecidas a magos. [92]
Ver también
- La ley circuital de Ampère conecta la dirección de una corriente eléctrica y sus corrientes magnéticas asociadas.
- Energía potencial eléctrica , la energía potencial de un sistema de cargas.
- Mercado de la electricidad , venta de energía eléctrica.
- Analogía hidráulica , una analogía entre el flujo de agua y la corriente eléctrica
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enlaces externos
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 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la electricidad . |
- Capítulo Conceptos básicos de electricidad dellibro y la serie Lessons In Electric Circuits Vol 1 DC .
- "Cien años de electricidad", mayo de 1931, Mecánica popular
- Vista ilustrada de cómo funciona el sistema eléctrico de una casa estadounidense
- Electricidad en todo el mundo
- Conceptos erróneos sobre la electricidad
- Electricidad y magnetismo
- Comprensión de la electricidad y la electrónica en aproximadamente 10 minutos
- Informe del Banco Mundial sobre subsidios al agua, la electricidad y los servicios públicos
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