Electricidad
Definición
La electricidad es el conjunto de fenómenos físicos asociados con la presencia y el movimiento de la carga eléctrica. Aunque inicialmente se consideró un fenómeno separado del magnetismo, desde el desarrollo de las ecuaciones de Maxwell, ambos se reconocen como parte de un fenómeno único: el electromagnetismo. Varios fenómenos comunes están relacionados con la electricidad, incluidos los rayos, la electricidad estática, la calefacción eléctrica, 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 él. La magnitud de esta fuerza está dada por la ley de Coulomb. Por lo tanto, si esa carga se moviera, 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 arbitrariamente elegido hasta ese punto sin aceleración y se mide típicamente en voltios. .
La electricidad es el corazón de muchas tecnologías modernas y se usa para:
- energía eléctrica donde la corriente eléctrica se usa para energizar el equipo;
- electrónica que trata con circuitos eléctricos que involucran componentes eléctricos activos tales 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 se mantuvo lento hasta los siglos XVII y XVIII. Incluso entonces, las aplicaciones prácticas de la electricidad eran pocas, y no fue hasta finales del siglo XIX que los ingenieros eléctricos pudieron ponerla en uso industrial y residencial. La rápida expansión de la tecnología eléctrica en este momento transformó la industria y la sociedad, convirtiéndose en una fuerza motriz para 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.
Historia
Mucho antes de que existiera el conocimiento de la electricidad, las personas estaban al tanto de los impactos de los peces eléctricos. Los textos egipcios antiguos que datan de 2750 aC se referían a estos peces como el "Tronador del Nilo", y los describieron como los "protectores" de todos los demás peces. Los milenios más tarde se informó sobre peces eléctricos por antiguos naturalistas y médicos griegos, romanos y árabes. Varios escritores antiguos, como Plinio el Viejo y Scribonius Largus, atestiguaron el efecto adormecedor de los choques eléctricos entregados por los bagres y los rayos eléctricos, y sabían que tales choques podían viajar a lo largo de objetos conductores. Los pacientes que sufrían dolencias como gota o dolor de cabeza fueron dirigidos a tocar el pez eléctrico con la esperanza de que la poderosa sacudida los pudiera curar. Posiblemente el enfoque más temprano y más cercano al descubrimiento de la identidad del rayo, ra'ad ( رعد ) aplicado al rayo eléctrico.
Las culturas antiguas de todo el Mediterráneo sabían que ciertos objetos, como varillas de ámbar, podían frotarse con pelo de gato para atraer objetos ligeros como plumas. Tales de Mileto hizo una serie de observaciones sobre la electricidad estática alrededor del 600 a. C., de lo cual él creía que la fricción hacía que el ámbar fuera magnético, en contraste con minerales como la magnetita, que no necesitaba frotarse. Thales era incorrecto al creer que la atracción se debía a un efecto magnético, pero luego la ciencia demostraría un vínculo entre el magnetismo y la electricidad. Según una teoría controvertida, los partos pueden haber tenido conocimiento de la galvanoplastia, basada en el descubrimiento de la Batería de Bagdad en 1936, que se asemeja a una celda galvánica, aunque no está claro si el artefacto era de naturaleza eléctrica.
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 cuidadoso de la electricidad y el magnetismo, distinguiendo el efecto de magnetita de la electricidad estática producida al frotar el ámbar. Él 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 frotada. Esta asociación dio lugar a las palabras inglesas "eléctrico" y "electricidad", que hicieron su primera aparición impresa en la Pseudodoxia Epidemica de 1646 de Thomas Browne .
El trabajo adicional se llevó a cabo en el siglo XVII y principios del siglo XVIII por Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray y CF du Fay. Más tarde en el siglo XVIII, Benjamin Franklin llevó a cabo 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 el fondo de una cuerda de cometa humedecida y voló la cometa en un cielo amenazado por tormentas. Una sucesión de chispas que saltaban desde la llave hasta el dorso de su mano demostraron que el rayo era de hecho de naturaleza eléctrica. También explicó el comportamiento aparentemente paradójico del frasco de Leyden como un dispositivo para almacenar grandes cantidades de carga eléctrica en términos de electricidad que consiste en cargas positivas y negativas.
En 1791, Luigi Galvani publicó su descubrimiento de la bioelectromagnética, demostrando que la electricidad era el medio por el cual las neuronas pasaban señales a los músculos. 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. El reconocimiento del electromagnetismo, la unidad de los fenómenos eléctricos y magnéticos, se debe a Hans Christian Ørsted y André-Marie Ampère en 1819-1820. Michael Faraday inventó el motor eléctrico en 1821, y Georg Ohm analizó matemáticamente el circuito eléctrico en 1827. La electricidad y el magnetismo (y la luz) se unieron definitivamente por James Clerk Maxwell, en particular en su "On Physical Lines of Force" en 1861 y 1862. .
Si bien a principios del siglo XIX se había producido un rápido progreso en la ciencia eléctrica, a fines del siglo XIX se producirían los mayores avances en ingeniería eléctrica. A través de gente como Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, William Thomson, 1er barón 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 ser una herramienta esencial para la vida moderna, convirtiéndose en una fuerza impulsora de la Segunda Revolución Industrial.
En 1887, Heinrich Hertz descubrió que los electrodos iluminados con luz ultravioleta crean chispas eléctricas con mayor facilidad. En 1905, Albert Einstein publicó un documento 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 llevó a la revolución cuántica. Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1921 por "su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico". El efecto fotoeléctrico también se emplea en fotocélulas como las que se pueden encontrar en los paneles solares y esto se usa con frecuencia para producir electricidad comercialmente.
El primer dispositivo de estado sólido fue el "detector de bigotes de gato" utilizado por primera vez en la década de 1900 en receptores de radio. Un alambre similar 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. En un componente de estado sólido, la corriente se limita a elementos sólidos y compuestos diseñados específicamente para cambiar y amplificar. El flujo de corriente se puede entender de dos formas: como electrones cargados negativamente y como deficiencias electrónicas cargadas positivamente llamadas agujeros. Estas cargas y agujeros se entienden en términos de física cuántica. El material de construcción es más a menudo un semiconductor cristalino.
El dispositivo de estado sólido se hizo propio con la invención del transistor en 1947. Los dispositivos de estado sólido comunes incluyen transistores, microprocesadores y RAM. Un tipo especializado de RAM llamado flash RAM se usa en unidades flash USB y, más recientemente, unidades de estado sólido para reemplazar unidades de discos duros con discos magnéticos que rotan mecánicamente. Los dispositivos de estado sólido prevalecieron en los años 50 y 60, durante la transición de tubos de vacío a diodos semiconductores, transistores, circuitos integrados (IC) y diodos emisores de luz (LED).
Conceptos
Carga eléctrica
La presencia de carga da lugar a una fuerza electrostática: las cargas ejercen una fuerza sobre la otra, un efecto que era conocido, aunque no entendido, en la antigüedad. Una bola liviana suspendida de un hilo se puede cargar tocándola con una varilla de vidrio que se ha cargado frotando con un paño. Si una pelota similar es cargada por la misma varilla de vidrio, se descubre que repela la primera: la carga actúa para separar las dos bolas. Dos bolas cargadas con una barra de ámbar frotada también se repelen entre sí. Sin embargo, si una bola se carga con la varilla de vidrio y la otra con una varilla de color ámbar, las dos bolas se atraen entre sí. Estos fenómenos fueron investigados a fines del siglo XVIII por Charles-Augustin de Coulomb, quien dedujo que la carga se manifiesta en dos formas opuestas. Este descubrimiento condujo al bien conocido axioma: los objetos cargados se repelen y los objetos cargados opuestos se atraen .
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 de cuadrado inverso a la distancia entre ellas. La fuerza electromagnética es muy fuerte, el segundo solo en fuerza para la interacción fuerte, pero a diferencia de esa fuerza opera en todas las distancias. En comparación con la fuerza gravitatoria mucho más débil, la fuerza electromagnética que empuja a dos electrones es 10 veces mayor que la atracción gravitacional que los une.
Un estudio ha demostrado que el origen de la carga proviene de ciertos tipos de partículas subatómicas que tienen la propiedad de carga eléctrica. La carga eléctrica genera e interactúa con la fuerza electromagnética, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los portadores de carga eléctrica más conocidos son el electrón y el protón. 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. Dentro del sistema, la carga se puede transferir entre los cuerpos, ya sea por contacto directo o pasando a lo largo de un material conductor, como un cable. El término informal electricidad estática se refiere a la presencia neta (o 'desequilibrio') de carga en un cuerpo, generalmente causada cuando se frotan materiales diferentes,
La carga de electrones y protones es de signo opuesto, por lo tanto, una cantidad de carga puede expresarse como negativa o positiva. Por convención, la carga transportada por los electrones se considera negativa, y eso por protones positivos, una costumbre que se originó con el trabajo de Benjamin Franklin. La cantidad de carga generalmente recibe el símbolo Q y se expresa en coulombs; cada electrón lleva la misma carga de aproximadamente -1.6022 × 10 culombios. El protón tiene una carga que es igual y opuesta, y por lo tanto + 1.6022 × 10 culombio. La carga es poseída no solo por la materia, sino también por la antimateria, teniendo cada antipartícula una carga igual y opuesta a su partícula correspondiente.
La carga puede medirse por varios medios, uno de los primeros instrumentos es el electroscopio de hoja de oro, que aunque aún se usa para demostraciones en el aula, ha sido reemplazado por el electrómetro electrónico.
Corriente eléctrica
El movimiento de la carga eléctrica se conoce como corriente eléctrica, cuya intensidad se mide generalmente en amperios. La corriente puede consistir en cualquier partícula cargada en movimiento; lo más común es que sean 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 aislador eléctrico.
Por convención histórica, una corriente positiva se define como tener la misma dirección de flujo que cualquier carga positiva que contiene, o para fluir desde la parte más positiva de un circuito hasta la parte más negativa. La corriente definida de esta manera se denomina corriente convencional. El movimiento de los 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. 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 positiva a negativa se usa 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 el metal y la electrólisis, donde los iones (átomos cargados) fluyen a través de los líquidos, o a través de plasmas como chispas eléctricas. Mientras que las partículas pueden moverse bastante lentamente, a veces con una velocidad de deriva promedio de fracciones de milímetro por segundo, el campo eléctrico que los impulsa se propaga a una velocidad cercana a la de la luz, permitiendo que las señales eléctricas pasen rápidamente a lo largo de los cables.
La actual causa varios efectos observables, que históricamente fueron el medio para reconocer su presencia. El agua que podría descomponerse con la corriente de una pila voltaica fue descubierta por Nicholson y Carlisle en 1800, un proceso ahora conocido como electrólisis. Su trabajo fue ampliado en gran medida por Michael Faraday en 1833. La corriente a través de una resistencia causa calentamiento localizado, un efecto que James Prescott Joule estudió matemáticamente en 1840. Uno de los descubrimientos más importantes relacionados con la corriente fue realizado accidentalmente por Hans Christian Ørsted en 1820, cuando Mientras preparaba una conferencia, vio la corriente en un cable que alteraba la aguja de una brújula magnética. Había descubierto el electromagnetismo, una interacción fundamental entre la electricidad y el magnetismo.
En aplicaciones de ingeniería o domésticas, la corriente a menudo se describe como corriente continua (CC) o corriente alterna (CA). Estos términos se refieren a cómo la corriente varía 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 al negativo. 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 esto toma la forma de una onda sinusoidal. Por lo tanto, la corriente alterna impulsa hacia adelante y hacia atrás dentro de un conductor sin que la carga mueva ninguna distancia neta en el tiempo. El valor promediado en el tiempo de una corriente alterna es cero, pero entrega energía en la primera dirección, y luego en la inversa. La corriente alterna se ve afectada por propiedades eléctricas que no se observan bajo corriente continua de estado estacionario, como inductancia y capacitancia. 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 del campo eléctrico fue presentado por Michael Faraday. Un cuerpo cargado crea un campo eléctrico en el espacio que lo rodea y da como resultado una fuerza ejercida sobre cualquier otra carga que se encuentre dentro del campo. El campo eléctrico actúa entre dos cargas de manera similar a la forma en que el campo gravitacional actúa entre dos masas, y al igual que este, se extiende hacia el infinito y muestra una relación de cuadrado inverso con la distancia. Sin embargo, hay una diferencia importante. La gravedad siempre actúa en atracción, atrayendo dos masas juntas, mientras que el campo eléctrico puede provocar atracción o repulsión. Debido a que los cuerpos grandes como los planetas generalmente no llevan carga neta, el campo eléctrico a una distancia generalmente es cero. Por lo tanto, la gravedad es la fuerza dominante a distancia en el universo, a pesar de ser mucho más débil.
Un campo eléctrico generalmente varía en el espacio, y su fuerza en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que sentiría una carga estacionaria, insignificante si se coloca en ese punto. 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 estacionario para evitar el efecto de los campos magnéticos. Como el campo eléctrico se define en términos de fuerza, y la fuerza es un vector, se deduce que un campo eléctrico también es un vector, que tiene tanto magnitud como dirección. Específicamente, es un campo vectorial.
El estudio de los campos eléctricos creados por cargas estacionarias se llama electrostática. El campo se puede visualizar mediante un conjunto de líneas imaginarias cuya dirección en cualquier punto es la misma que la del campo. Este concepto fue presentado por Faraday, cuyo término "líneas de fuerza" aún a veces ve el uso. Las líneas de campo son las rutas que una carga positiva de punto trataría de hacer, ya que se vio obligada 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. Las líneas de campo que emanan de cargas estacionarias tienen varias propiedades clave: primero, que se originan en cargas positivas y terminan en cargas negativas; segundo, que deben entrar en cualquier buen conductor en ángulos rectos, y tercero, que nunca se crucen ni se cierren sobre sí mismos.
Un cuerpo conductor hueco lleva toda su carga en su superficie exterior. El campo es por lo tanto cero en todos los lugares dentro del cuerpo. Este es el principio de funcionamiento 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 cuando se diseñan elementos de equipos de alto voltaje. Existe un límite finito para la intensidad del campo eléctrico que puede ser resistido por cualquier medio. Más allá de este punto, se produce una falla eléctrica y un arco eléctrico causa flashover entre las partes cargadas. El aire, por ejemplo, tiende a formarse un arco a través de pequeñas brechas en las intensidades del campo eléctrico que superan los 30 kV por centímetro. En espacios más grandes, su resistencia a la rotura es más débil, quizás 1 kV por centímetro. La ocurrencia natural más visible de esto es un rayo, causado cuando la carga se separa en las nubes por el aumento de las columnas de aire, 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.
La intensidad del campo se ve muy afectada por los objetos conductores cercanos, y es particularmente intensa cuando se ve obligado a curvarse alrededor de objetos puntiagudos. Este principio se explota en el pararrayos, cuya punta puntiaguda actúa para alentar el desarrollo de la descarga del rayo, en lugar de la construcción que sirve para proteger
Potencial eléctrico
El concepto de potencial eléctrico está estrechamente relacionado con el del campo eléctrico. Una pequeña carga colocada dentro de un campo eléctrico experimenta una fuerza, y para 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 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 que se debe gastar un joule de trabajo para llevar una carga de un culombio desde el infinito. Esta definición de potencial, aunque formal, tiene poca aplicación práctica, y un concepto más útil es la diferencia de potencial eléctrico, y es la energía requerida para mover una carga unitaria entre dos puntos específicos. Un campo eléctrico tiene la propiedad especial de que es conservador, lo que significa que el camino tomado por la carga de prueba es irrelevante: todas las trayectorias entre dos puntos especificados gastan la misma energía y, por lo tanto, se puede establecer un valor único para la diferencia de potencial. El voltaje está tan fuertemente identificado como la unidad de elección para la medición y descripción de la diferencia de potencial eléctrico que el término voltaje ve un mayor uso diario.
A efectos prácticos, es útil definir un punto de referencia común a los potenciales que puedan expresarse y compararse. Si bien esto podría ser 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 toma naturalmente el nombre de tierra o tierra. Se supone que la Tierra es una fuente infinita de cantidades iguales de carga positiva y negativa y, por lo tanto, no está cargada eléctricamente ni es recargable.
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 en alturas causada por un campo gravitacional, por lo que una carga 'caerá' a través del voltaje causado por un campo eléctrico. Como los mapas en relieve muestran líneas de contorno que marcan puntos de igual altura, se puede dibujar un conjunto de líneas que marcan puntos de igual potencial (conocidos como equipotenciales) alrededor de un objeto cargado electrostáticamente. Los equipotenciales cruzan todas las líneas de fuerza en ángulo recto. También deben estar paralelos a la superficie de un conductor, de lo contrario, esto produciría una fuerza que moverá los portadores de carga hasta el potencial de la superficie.
El campo eléctrico se definió formalmente como la fuerza ejercida por carga unitaria, pero el concepto de potencial permite una definición más útil y equivalente: el campo eléctrico es el gradiente local del potencial eléctrico. Generalmente expresado 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.
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 indicaba que existía 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 de la aguja de la brújula no la dirigió ni la alejó del cable que llevaba la corriente, sino que actuó en ángulo recto con ella. Las palabras ligeramente oscuras de Ørsted eran que "el conflicto eléctrico actúa de manera rotatoria". La fuerza también dependía de la dirección de la corriente, ya que si el flujo se invertía, la fuerza también lo hacía.
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 adicionalmente por Ampère, quien descubrió que dos cables paralelos que llevan corriente 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. La interacción está mediada por el campo magnético que produce cada corriente y forma la base para la definición internacional del amperio.
Esta relación entre los campos magnéticos y las corrientes es extremadamente importante, ya que condujo a la invención del motor eléctrico de Michael Faraday en 1821. El motor homopolar de Faraday consistía en un imán permanente en un charco de mercurio. Se permitió una corriente a través de un cable suspendido de un pivote encima del imán y se sumergió en el mercurio. El imán ejerció una fuerza tangencial en el cable, haciéndolo circular alrededor del imán durante el tiempo que se mantuvo la corriente.
La experimentación de Faraday en 1831 reveló que un cable que se movía perpendicularmente a un campo magnético desarrollaba una diferencia de potencial entre sus extremos. Un análisis adicional 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 velocidad de cambio del flujo magnético a través del ciclo. 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. El disco de Faraday era ineficaz y no tenía utilidad como generador práctico, pero mostraba la posibilidad de generar energía eléctrica utilizando el magnetismo, una posibilidad que sería asumida por aquellos que siguieron su trabajo.
Electroquímica
La capacidad de las reacciones químicas para producir electricidad y, a la inversa, la capacidad de la electricidad para conducir 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 células electroquímicas han evolucionado hasta convertirse en los diferentes tipos de baterías, galvanoplastia y celdas de electrólisis. El aluminio se produce en grandes cantidades de esta manera, y muchos dispositivos portátiles se alimentan eléctricamente con células recargables.
Circuitos eléctricos
Un circuito eléctrico es una interconexión de componentes eléctricos tal que la carga eléctrica se hace fluir a lo largo de un camino cerrado (un circuito), generalmente para realizar alguna tarea útil.
Los componentes en un circuito eléctrico pueden tomar muchas formas, que pueden incluir elementos tales como resistencias, condensadores, interruptores, transformadores y componentes electrónicos. Los circuitos electrónicos contienen componentes activos, generalmente semiconductores, y típicamente muestran un comportamiento no lineal que requiere un análisis complejo. Los componentes eléctricos más simples son aquellos que se denominan pasivos y lineales: aunque pueden almacenar energía temporalmente, no contienen ninguna fuente de ella y muestran respuestas lineales a los estímulos.
La resistencia es quizás el elemento de circuito pasivo más simple: como su nombre lo indica, resiste la corriente a través de él, disipando su energía en forma de calor. La resistencia es una consecuencia del movimiento de carga a través de un conductor: en metales, por ejemplo, la resistencia se debe principalmente a las colisiones entre los electrones y los 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 bajo estas condiciones se conocen como 'ohmicos'. El ohmio, la unidad de resistencia, fue nombrado en honor a Georg Ohm, y está simbolizado por la letra griega Ω.
El condensador es un desarrollo del frasco de Leyden y es un dispositivo que puede almacenar carga y, por lo tanto, almacenar energía eléctrica en el campo resultante. Consiste en dos placas conductoras separadas por una delgada capa dieléctrica aislante; en la práctica, las láminas metálicas delgadas se enrollan juntas, aumentando el área superficial por unidad de volumen y, por lo tanto, la capacidad. La unidad de capacitancia es el farad, 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 condensador conectado a una fuente de tensión origina inicialmente una corriente a medida que acumula carga; Sin embargo, esta corriente decaerá a medida que el condensador se llene, cayendo eventualmente a cero. Por lo tanto, un condensador no permitirá una corriente de estado estable, sino que lo bloquea.
El inductor es un conductor, generalmente una bobina de alambre, que almacena energía en un campo magnético en respuesta a la corriente que pasa a través de él. 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 tiempo de la corriente. La constante de proporcionalidad se denomina inductancia. La unidad de inductancia es el henry, llamado así por Joseph Henry, un contemporáneo de Faraday. Un henrio 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 cierto sentido inverso al del condensador: permitirá libremente una corriente inmutable, pero se opondrá a una corriente que cambia rápidamente.
Energia electrica
La energía eléctrica es la velocidad a la cual la energía eléctrica es transferida por un circuito eléctrico. La unidad de poder SI es el vatio, un joule 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 vataje se usa coloquialmente para indicar "potencia eléctrica en vatios". La potencia eléctrica en vatios producida por una corriente eléctrica I que consiste en una carga de Q coulombs cada t segundos que pasa a través de una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) de V es
dónde
- Q es carga eléctrica en coulombs
- t es el tiempo en segundos
- I 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 a partir de una amplia variedad de fuentes de energía. En general, la industria de la energía eléctrica suministra energía eléctrica a empresas y hogares. La electricidad generalmente se vende por kilovatios hora (3.6 MJ), que es el producto de la potencia en kilovatios multiplicado por el tiempo de funcionamiento en horas. Los servicios eléctricos miden la energía 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 una forma de energía de baja entropía y se puede convertir en movimiento u otras formas de energía con alta eficiencia.
Electrónica
La electrónica trata con circuitos eléctricos que involucran componentes eléctricos activos tales 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 es ampliamente utilizada en el procesamiento de la información, las telecomunicaciones y el procesamiento de señales. La capacidad de los dispositivos electrónicos para actuar como conmutadores hace posible el procesamiento de la información digital. Las tecnologías de interconexión como las placas de circuitos, la tecnología de empaquetado de productos electrónicos y otras formas variadas de infraestructura de comunicación completan la funcionalidad del circuito y transforman los componentes combinados en un sistema de trabajo regular.
Hoy en día, la mayoría de los dispositivos electrónicos usan componentes semiconductores para realizar control electrónico. El estudio de los dispositivos semiconductores y la tecnología relacionada se considera una rama de la física de estado sólido, mientras que el diseño y la construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos se someten a 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 un campo magnético. Por lo tanto, cuando cualquiera de los campos cambia en el tiempo, se induce necesariamente un campo del otro. Tal fenómeno tiene las propiedades de una onda, y se lo conoce naturalmente como una onda electromagnética. Las ondas electromagnéticas fueron analizadas teóricamente por James Clerk Maxwell en 1864. Maxwell desarrolló un conjunto de ecuaciones que podrían describir inequívocamente la interrelación entre el campo eléctrico, el campo magnético, la carga eléctrica y la corriente eléctrica. Además, podría demostrar que una ola así viajaría necesariamente a la velocidad de la luz, y así la luz misma era una forma de radiación electromagnética. Las leyes de Maxwell, que unifican la luz, los campos,
Por lo tanto, el trabajo de muchos investigadores permitió el uso de componentes electrónicos 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 aC, 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 el efecto triboeléctrico, puede levantar objetos ligeros y generar chispas, es extremadamente ineficiente. No fue sino hasta la invención de la pila voltaica en el siglo XVIII que se hizo disponible una fuente viable de electricidad. La pila voltaica, y su descendiente moderno, la batería eléctrica, almacenan energía químicamente y la hacen disponible bajo demanda en forma de energía eléctrica. La batería es una fuente de alimentación versátil y muy común que es ideal para muchas aplicaciones, pero su almacenamiento de energía es limitado, y una vez descargada debe desecharse o recargarse.
La energía eléctrica generalmente se genera mediante generadores electromecánicos impulsados por vapor producido a partir de la combustión de combustibles fósiles, o el calor liberado por las reacciones nucleares; o de otras fuentes como la energía cinética extraída del viento o del agua que fluye. La moderna turbina de vapor inventada por Sir Charles Parsons en 1884 hoy en día genera alrededor del 80 por ciento de la energía eléctrica en el mundo utilizando una variedad de fuentes de calor. Tales generadores no se parecen en nada al generador de discos homopolares de Faraday de 1831, pero aún confían en su principio electromagnético de que un conductor que conecta un campo magnético cambiante induce una diferencia de potencial en sus extremos. La invención a fines del siglo XIX del transformador significaba que la energía eléctrica podía transmitirse más eficientemente a un voltaje más alto pero a una corriente más baja.
Dado que la energía eléctrica no se puede almacenar fácilmente en cantidades lo suficientemente grandes como para satisfacer las demandas a escala nacional, en todo momento se debe producir exactamente tanto como se requiera. Esto requiere que los servicios de electricidad hagan predicciones cuidadosas de sus cargas eléctricas y mantengan una coordinación constante con sus estaciones de energía. Una cierta cantidad de generación siempre debe mantenerse en reserva para amortiguar una red eléctrica contra disturbios y pérdidas inevitables.
La demanda de electricidad crece con gran rapidez a medida que una nación se moderniza y se desarrolla su economía. Los Estados Unidos mostraron un aumento del 12% en la demanda durante cada año de las tres primeras décadas del siglo XX, una tasa de crecimiento que ahora experimentan economías emergentes como las de India o China. Históricamente, la tasa de crecimiento de la demanda de electricidad ha superado a la de otras formas de energía.
Las preocupaciones ambientales con la generación de electricidad han llevado a un mayor enfoque en la generación a partir de fuentes renovables, en particular de la energía eólica e hidroeléctrica. Si bien se puede esperar que el debate continúe sobre el impacto ambiental de los diferentes medios de producción de electricidad, su forma final es relativamente limpia.
Aplicaciones
La electricidad es una forma muy conveniente de transferir energía, y se ha adaptado a un número enorme y creciente de usos. La invención de una práctica bombilla incandescente en la década de 1870 hizo 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 enormemente los riesgos de incendio dentro de las casas y fábricas. Se establecieron servicios públicos en muchas ciudades que apuntan al floreciente mercado de la iluminación eléctrica. A finales del siglo XX y en los tiempos modernos, la tendencia ha comenzado a fluir en la dirección de la desregulación en el sector de la energía eléctrica.
El efecto de calentamiento Joule resistivo empleado en las bombillas de filamentos 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 mayoría de la generación eléctrica ya ha requerido la producción de calor en una estación de energía. Varios países, como Dinamarca, han emitido leyes que restringen o prohíben el uso de calefacción eléctrica resistiva en edificios nuevos. Sin embargo, la electricidad sigue siendo una fuente de energía altamente práctica para calefacción y refrigeración, con aire acondicionado / bombas de calor que representan un sector en crecimiento para la demanda de electricidad para calefacción y refrigeración, cuyos efectos las empresas eléctricas están cada vez más obligadas a aceptar.
La electricidad se usa 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 de telégrafos intercontinentales y transatlánticos en la década de 1860, la electricidad permitió las comunicaciones en minutos en todo el mundo. La fibra óptica y la comunicación 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 potencia motriz. Un motor estacionario como un cabrestante se proporciona fácilmente con un suministro de potencia, pero un motor que se mueve con su aplicación, como un vehículo eléctrico, está obligado a llevar consigo una fuente de alimentación, como una batería, o para recoger la corriente de un contacto deslizante como un pantógrafo. Los vehículos propulsados eléctricamente se usan en el transporte público, como los autobuses y trenes eléctricos, y un número creciente de vehículos eléctricos a batería de propiedad privada.
Los dispositivos electrónicos hacen uso del transistor, tal vez uno de los inventos más importantes del siglo XX, y un componente 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 centímetros cuadrados.
Electricidad y el mundo natural
Efectos fisiológicos
Un voltaje aplicado a un cuerpo humano causa una corriente eléctrica a través de los tejidos, y aunque la relación no es lineal, cuanto mayor es la tensión, mayor es la corriente. 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 puede detectarse como un efecto de electrovibración bajo ciertas condiciones. Si la corriente es suficientemente alta, causará contracción muscular, fibrilación del corazón y quemaduras de tejido. La falta de cualquier signo 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, conduciendo a veces a la electricidad como un método de tortura. La muerte causada por una descarga eléctrica se conoce como electrocución.
Fenómenos eléctricos en la naturaleza
La electricidad no es una invención humana, y puede observarse en varias formas en la naturaleza, una manifestación prominente de la cual es el rayo. Muchas interacciones familiares a nivel macroscópico, como el tacto, la fricción o la unión química, se deben a interacciones entre campos eléctricos en la escala atómica. Se cree que el campo magnético de la Tierra surge de una dínamo natural de corrientes circulantes en el núcleo del planeta. Ciertos cristales, como el cuarzo o incluso el azúcar, generan una diferencia de potencial en sus rostros cuando se someten a presión externa. Este fenómeno se conoce como piezoelectricidad, del piezein griego (πιέζειν), que significa presionar, 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, tiene lugar un pequeño cambio en las dimensiones físicas.
Algunos organismos, como los tiburones, son capaces de detectar y responder a los cambios en los campos eléctricos, una capacidad conocida como electrorecepción, mientras que otros, denominados electrogénicos, pueden generar tensiones ellos mismos para servir como un arma depredadora o defensiva. El orden Gymnotiformes, cuyo ejemplo más conocido es la anguila eléctrica, detecta o aturde a su presa a través de altos voltajes generados a partir de células musculares modificadas llamadas electrocitos. 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 las neuronas y los músculos. Una descarga eléctrica estimula este sistema y hace que los músculos se contraigan. Los potenciales de acción también son responsables de coordinar actividades en ciertas plantas.
Percepción cultural
En 1850, William Gladstone le preguntó al científico Michael Faraday por qué la electricidad era valiosa. Faraday respondió: "Un día señor, puede cobrar impuestos".
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. La cultura popular de la época en consecuencia lo describe a menudo como una fuerza misteriosa y casi mágica que puede matar a los vivos, revivir a los muertos o doblegar las leyes de la naturaleza. Esta actitud comenzó con los experimentos de 1771 de Luigi Galvaniin, en los que se demostró que las patas de las ranas muertas se contraen con la aplicación de la electricidad animal. La "revitalización" o reanimación de personas aparentemente muertas o ahogadas se informó en la literatura médica poco después del trabajo de Galvani. Estos resultados fueron conocidos por Mary Shelley cuando ella escribió Frankenstein (1819), aunque ella no nombra 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 creció la familiaridad pública con la electricidad como elemento vital de la Segunda Revolución Industrial, sus usuarios fueron más a menudo arrojados con una luz positiva, como los trabajadores que "mueren los dedos al final de sus guantes" al unir y reedificar los cables vivos "en El poema de Rudyard Kipling de 1907 Hijos de Marta . Todos los tipos de vehículos propulsados eléctricamente tenían historias de aventuras como las de Jules Verne y los libros de Tom Swift . Los maestros de la electricidad, ficticios o reales -incluidos científicos como Thomas Edison, Charles Steinmetzor Nikola Tesla- fueron popularmente concebidos como poseedores de poderes mágicos.
Con la electricidad dejando de ser una novedad y convirtiéndose en una necesidad de la vida cotidiana en la segunda mitad del siglo 20, se requiere una atención particular de la cultura popular solo cuando deja de fluir, un evento que generalmente indica un desastre. Las personas que lo mantienen fluyendo, como el héroe sin nombre de la canción de Jimmy Webb, "Wichita Lineman" (1968), a menudo se presentan como figuras heroicas y mágicas.