Electricidad
La electricidad (del
griego ήλεκτρον élektron, cuyo significado es ‘ámbar’)
es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo
de cargas
eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos
como los rayos,
la electricidad
estática, la inducción electromagnética o
el flujo de corriente
eléctrica. La electricidad es una forma de energía tan
versátil que tiene un sinnúmero de aplicaciones, por ejemplo: transporte, climatización, iluminación y computación.
La
electricidad se manifiesta mediante varios fenómenos y propiedades físicas:
· Carga
eléctrica: una propiedad de algunas partículas
subatómicas, que determina su interacción electromagnética.
La materia eléctricamente cargada produce y es influida por los campos
electromagnéticos.
· Corriente
eléctrica: un flujo o desplazamiento de partículas cargadas
eléctricamente por un material conductor; se mide en amperios.
· Campo
eléctrico: un tipo de campo electromagnético producido por
una carga eléctrica incluso cuando no se está moviendo. El campo eléctrico
produce una fuerza en toda otra carga, menor cuanto mayor sea la distancia que
separa las dos cargas. Además las cargas en movimiento producen campos
magnéticos.
· Potencial
eléctrico: es la capacidad que tiene un campo eléctrico de
realizar trabajo;
se mide en voltios.
· Magnetismo:
La corriente eléctrica produce campos magnéticos, y los campos magnéticos
variables en el tiempo generan corriente eléctrica.
La
electricidad se usa para generar:
· señales mediante sistemas electrónicos,
compuestos de circuitos
eléctricos que incluyen componentes activos
(tubos de
vacío, transistores, diodos y circuitos integrados)
y componentes pasivos como resistores, inductores y condensadores.
Historia de la electricidad
El fenómeno de la electricidad ha sido estudiado desde
la antigüedad, pero su estudio científico sistemático comenzó en los siglos
XVII y XVIII. A finales del siglo XIX los ingenieros lograron aprovecharla para
uso doméstico e industrial. La rápida expansión de la tecnología eléctrica la
convirtió en la columna vertebral de la sociedad industrial moderna.
Mucho
tiempo antes de que existiera algún conocimiento sobre la electricidad, la
humanidad era consciente de las descargas eléctricas producidas por peces eléctricos.
En textos del Antiguo
Egipto que datan del 2750 a. C. se
referían a estos peces como “los tronadores del Nilo”, descritos como los
“protectores” de los otros peces. Posteriormente, los peces eléctricos también
fueron descritos por los romanos, griegos,
árabes naturalistas y físicos.3 Autores
antiguos como Plinio el Viejo o Escribonio Largo, describieron el efecto de adormecimiento de
las descargas eléctricas producidas por peces eléctricos y rayas eléctricas;
además, sabían que estas descargas podían transmitirse por materias
conductoras.4 Los
pacientes que sufrían de enfermedades como la la gota y el dolor de cabeza se trataban con peces
eléctricos con la esperanza de que la fuerte sacudida pudiera curarlos.5Posiblemente
el primer acercamiento al estudio del rayo y su relación con la electricidad,
se atribuye a los árabes, que antes del siglo XV tenían la palabra árabe para
rayo (raad) aplicado al rayo eléctrico.
En
culturas antiguas del mediterráneo se sabía que ciertos objetos, como una barra
de ámbar, al frotarla con una lana o piel podía atraer objetos livianos como
plumas. Hacia el año 600 a. C. Tales de Mileto hizo
una serie de observaciones sobre electricidad
estática, donde creyó que la fricción dotaba de magnetismo
al ámbar, al contrario que minerales como la magnetita,
que no necesitaban frotarse. Tales se equivocó al creer que la
atracción era producida por un campo magnético, aunque más tarde la ciencia
probaría que hay una relación entre el magnetismo y la electricidad. De acuerdo
a una teoría controvertida, los partos podrían
haber conocido la electrodeposición,
basándose en el descubrimiento en 1936 de la Batería de
Bagdad, similar a una celda
voltaica, aunque es incierto si el artefacto era de
naturaleza eléctrica.
Mientras
la electricidad se consideraba todavía poco más que un espectáculo de salón en
el siglo siglo XVII, William Gilbert
realizó un estudio cuidadoso de electricidad y magnetismo, diferenciando el
efecto producido por trozos de magnetita,
de la electricidad estática producida al frotar ámbar. Además,
acuñó el término neolatíno electricus (que
a su vez proviene deήλεκτρον [elektron], la palabra griega
para ámbar) para referirse a la propiedad de atraer pequeños objetos después de
haberlos frotado.10 Esto
dio alcance al uso de "eléctrico" y "electricidad",
haciendo su primera aparición en 1646 en la publicación Pseudodoxia
Epidemica de Thomas Browne.
Posteriormente,
se hicieron nuevas aproximaciones científicas al fenómeno en el siglo XVIII por
investigadores sistemáticos como Henry Cavendish,
Du Fay, van Musschenbroek
y Watson.
Estas observaciones empiezan a dar sus frutos con Galvani, Volta,
Coulomb y Franklin,
y, ya a comienzos del siglo XIX, con Ampère, Faraday
y Ohm. No
obstante, el desarrollo de una teoría que unificara la electricidad con el
magnetismo como dos manifestaciones de un mismo fenómeno llegó hasta la
formulación de las ecuaciones
de Maxwell en 1865.
Los
desarrollos tecnológicos que produjeron la Primera
Revolución Industrial no hicieron uso de la electricidad. Su
primera aplicación práctica generalizada fue el telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833),
que revolucionó las telecomunicaciones.
La generación de electricidad industrialmente
comenzó cuando, a fines del siglo XIX, se extendió la iluminación eléctrica de
las calles y las casas. La creciente sucesión de aplicaciones que esta forma de
la energía produjo hizo de la electricidad una de las principales fuerzas motrices
de la Segunda Revolución Industrial.
Este fue un tiempo de grandes inventores, como Gramme,
Westinghouse,
von
Siemens o Alexander
Graham Bell. Entre ellos destacaron Nikola Tesla y Thomas
Alva Edison, cuya revolucionaria manera de entender la
relación entre investigación y mercado
capitalista convirtió la innovación tecnológica en una
actividad industrial.
Conceptos
Carga eléctrica
La
carga eléctrica es una propiedad de la materia que se manifiesta mediante fuerzas
de atracción y repulsión. La carga se origina en el átomo,
el cual está compuesto de partículas
subatómicas cargadas como el electrón y
el protón.
La carga puede transferirse entre los cuerpos por contacto directo,
o al pasar por un material conductor, generalmente metálicos. El
término electricidad
estática hace referencia a la presencia de carga en un
cuerpo, por lo general causado por dos materiales distintos que se frotan entre
sí, transfiriéndose carga uno al otro.
La
presencia de carga da lugar a la fuerza electromagnética: una carga ejerce una fuerza sobre
las otras, un efecto que era conocido en la antigüedad, pero no comprendido.
Una bola liviana, suspendida de un
hilo, podía cargarse al contacto con una barra de vidrio cargada previamente
por fricción con un tejido. Se encontró que si una bola similar se cargaba con
la misma barra de vidrio, se repelían entre sí. Este fenómeno fue investigado a
finales del siglo XVIII por Charles-Augustin de Coulomb,
que dedujo que la carga se manifiesta de dos formas opuestas.37 Este
descubrimiento trajo el conocido axioma "objetos con la misma
polaridad se repelen y con diferente polaridad se atraen".
La
fuerza actúa en las partículas cargadas entre sí, y además la carga tiene
tendencia a extenderse sobre una superficie conductora. La magnitud de la
fuerza electromagnética, ya sea atractiva o repulsiva, se expresa por la ley de Coulomb,
que relaciona la fuerza con el producto de las cargas y tiene una relación
inversa al cuadrado de la distancia entre ellas. La fuerza
electromagnética es muy fuerte, la segunda después de la interacción nuclear fuerte,
con la diferencia que esa fuerza opera sobre
todas las distancias. En comparación con la débil fuerza gravitacional,
la fuerza electromagnética que aleja a dos electrones es 10 veces
más grande que la atracción gravitatoria que los une.
Las
cargas de los electrones y de los protones tienen signos contrarios, además una
carga puede expresarse como positiva o negativa. Por convención, la carga que
tiene electrones se asume negativa y la de los protones, positiva, una
costumbre que empezó con el trabajo de Benjamin Franklin. La cantidad de carga se
representa por el símbolo Q y se expresa en culombios.
Los electrones tiene la misma carga de aproximadamente -1.6022×10−19 culombios.
El protón tiene una carga que es igual y opuesta +1.6022×10−19 colombios.
La carga no sólo está presente en la materia,
sino también por la antimateria,
cada antipartícula tiene
una carga igual y opuesta a su correspondiente partícula.
La
carga puede medirse de diferentes maneras, un instrumento muy antiguo es
el electroscopio,
que aún se usa para demostraciones en las aulas, ahora superado por el electrómetro electrónico.
Corriente eléctrica
Se
conoce como corriente
eléctrica al movimiento de cargas eléctricas. La corriente
puede estar producida por cualquier partícula
cargada eléctricamente en movimiento; lo más
frecuente es que sean electrones, pero cualquier otra carga en movimiento se
puede definir como corriente. Según el Sistema Internacional,
la intensidad de una corriente eléctrica se mide en amperios,
cuyo símbolo es A.
Históricamente,
la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó
como sentido convencional de circulación de la corriente el flujo de cargas
desde el polo positivo al negativo. Más adelante se observó, que en los metales
los portadores de carga son electrones, con carga negativa, y que se desplazan
en sentido contrario al convencional. Lo cierto es que,
dependiendo de las condiciones, una corriente eléctrica puede consistir de un
flujo de partículas cargadas en una dirección, o incluso en ambas direcciones
al mismo tiempo. La convención positivo-negativo se usa normalmente para
simplificar esta situación.
El
proceso por el cual la corriente eléctrica circula por un material se
llama conducción
eléctrica, y su naturaleza varía dependiendo de las
partículas cargadas y el material por el cual están circulando. Son ejemplos de
corrientes eléctricas la conducción metálica, donde los electrones recorren
un conductor
eléctrico, como el metal, y la electrólisis,
donde los iones(átomos cargados)
fluyen a través de líquidos. Mientras que las partículas pueden moverse muy
despacio, algunas veces con una velocidad
media de deriva de sólo fracciones de milímetro por segundo,34 el campo
eléctrico que las controla se propaga cerca a la velocidad
de la luz, permitiendo que las señales eléctricas se
transmitan rápidamente por los cables.
La
corriente produce muchos efectos visibles, que han hecho que se reconozca su
presencia a lo largo de la historia. En 1800, Nicholson y Carlisle descubrieron
que el agua podía descomponerse por la corriente de una pila voltaica en un
proceso que se conoce como electrólisis;
trabajo que posteriormente fue ampliado por Michael Faraday en
1833.
La corriente a través de una resistencia
eléctrica produce un aumento de la temperatura, un
efecto que James
Prescott Joule estudió matemáticamente en 1840 (ver efecto Joule).
Campo eléctrico
El
concepto de campo
eléctrico fue introducido por Michael Faraday.
Un campo eléctrico se crea por un cuerpo cargado en el espacio que lo rodea, y
produce una fuerza que ejerce sobre otras cargas que están ubicadas en el
campo. Un campo eléctrico actúa entre dos cargas de modo muy parecido al campo
gravitatorio que actúa sobre dos masas, y como tal, se
extiende hasta el infinito y su valor es inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia.42 Sin
embargo, hay una diferencia importante: Mientras la gravedad siempre actúa como
atracción, el campo eléctrico puede producir atracción o repulsión. Si un
cuerpo grande como un planeta no tiene carga neta, el campo eléctrico a una
distancia determinada es cero. Por ello la gravedad es la fuerza dominante en
el universo, a pesar de ser mucho más débil.
Un
campo eléctrico varía en el espacio, y su fuerza en cualquier punto se define
como la fuerza (por unidad de carga) que se necesita para que una carga esté
inmóvil en ese punto.
La carga de ensayo debe de ser insignificante
para evitar que su propio campo afecte 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 una fuerza es un vector, entonces el campo eléctrico también es un
vector, con magnitud y
dirección. Específicamente, es un campo vectorial.
Potencial eléctrico
El concepto de potencial eléctrico tiene
mucha relación con el campo eléctrico. Una carga pequeña ubicada en un campo
eléctrico experimenta una fuerza, y para llevar esa carga a ese punto en contra
de la fuerza necesitó hacer un trabajo.
El potencial eléctrico en cualquier punto se define como la energía requerida
para mover una carga de ensayo ubicada en el infinito a ese punto. Por lo general se mide en voltios, donde un voltio es el
potencial en el que es necesario un julio
(unidad) de trabajo para atraer
una carga de un culombio desde el
infinito. Esta definición formal de potencial tiene una aplicación práctica,
aunque un concepto más útil es el de diferencia
de potencial, y es la energía requerida para mover una carga entre dos puntos
específicos. El campo eléctrico tiene la propiedad especial de ser conservativo, es decir que no importa
la trayectoria realizada por la carga de prueba; todas las trayectorias de dos
puntos específicos consumen la misma energía, y además con un único valor de
diferencia de potencial.
Electromagnetismo
Se
denomina electromagnetismo a la teoría física que unifica los
fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos son
obra de Faraday, pero fueron formulados por primera vez de modo completo por
Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones
diferenciales vectoriales, conocidas como ecuaciones
de Maxwell, que relacionan el campo eléctrico, el campo
magnético y sus respectivas fuentes materiales: densidad
de carga eléctrica, eléctrica, desplazamiento y corriente de desplazamiento.
A
principios del siglo XIX Ørsted encontró
evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban
relacionados. A partir de esa base Maxwell unificó
en 1861 los trabajos de físicos como Ampère, Sturgeon, Henry, Ohm yFaraday,
en un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno solo, el
fenómeno electromagnético.
Se
trata de una teoría de
campos; las explicaciones y predicciones que da se basan
en magnitudes físicas vectoriales y
son dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El
electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los que
intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello
campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre la materia.
Circuitos eléctricos
Un
circuito eléctrico es una interconexión de componentes eléctricos tales que la
carga eléctrica fluye en un camino cerrado, por lo general para ejecutar alguna
tarea útil. Los componentes
en un circuito eléctrico pueden ser muy variados, puede tener elementos como resistores, capacitores, interruptores, transformadores yelectrónicos.
Los circuitos electrónicos contienen componentes activos,
normalmente semiconductores,
exhibiendo un comportamiento no lineal, que requiere
análisis complejos. Los componentes eléctricos más simples son los pasivos y lineales.
El
comportamiento de los circuitos eléctricos que contienen solamente resistencias
y fuentes electromotrices de corriente continua está gobernado por las Leyes de
Kirchhoff. Para estudiarlo, el circuito se descompone en mallas eléctricas, estableciendo un sistema de ecuaciones lineales cuya
resolución brinda los valores de los voltajes y corrientes que circulan entre
sus diferentes partes.
La
resolución de circuitos de corriente alterna requiere la ampliación del
concepto de resistencia eléctrica, ahora ampliado por el de impedancia para
incluir los comportamientos de bobinas y condensadores.
La resolución de estos circuitos puede hacerse con generalizaciones de las
leyes de Kirchoff, pero requiere usualmente métodos matemáticos avanzados, como
el de Transformada
de Laplace, para describir los comportamientos transitorios y
estacionarios de los
mismos.
Propiedades eléctricas de los
materiales
Origen
microscópico
La
posibilidad de transmitir corriente eléctrica en los materiales depende de la
estructura e interacción de los átomos que los componen. Los átomos están
constituidos por partículas cargadas positivamente (los protones),
negativamente (los electrones) y neutras (los neutrones). La conducción
eléctrica en los conductores, semiconductores, y aislantes,
se debe a los electrones de la órbita exterior o portadores de carga,
ya que tanto los electrones interiores como los protones de los núcleos
atómicos no pueden desplazarse con facilidad. Los
materiales conductores por excelencia son metales, como el cobre, que usualmente
tienen un único electrón en la última capa
electrónica. Estos electrones pueden pasar con facilidad a
átomos contiguos, constituyendo los electrones libres responsables
del flujo de corriente eléctrica.
En
todos los materiales sometidos a campos eléctricos se modifican, en mayor o
menor grado, las distribuciones espaciales relativas de las cargas negativas y positivas.
Este fenómeno se denomina polarización
eléctrica y es más notorio en los aislantes eléctricos
debido a que gracias a este fenómeno se impide liberar cargas, y por lo tanto
no conducen, característica principal de estos materiales.
Conductividad
y resistencia
La
conductividad eléctrica es la propiedad de los materiales que cuantifica la
facilidad con que las cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un
campo eléctrico.64 La
resistividad es una magnitud inversa a la conductividad, aludiendo al grado de
dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos, dando una idea
de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de
resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo
indicará que es un buen conductor. Generalmente la resistividad de los metales
aumenta con la temperatura, mientras que la de los semiconductores disminuye
ante el aumento de la temperatura.
Los
materiales se clasifican según su conductividad eléctrica o resistividad en
conductores, dieléctricos, semiconductores y superconductores.
· Conductores
eléctricos. Son los materiales que, puestos en contacto con
un cuerpo cargado de electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su
superficie. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus
aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la
propiedad de conducir la electricidad, como son el grafito,
las soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material
en estado de plasma. Para el
transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso
doméstico o industrial, el metal más empleado es el cobre en forma de
cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio,
metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60 % de
la del cobre es, sin embargo, un material mucho menos denso, lo que favorece su
empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta
tensión. Para aplicaciones especiales se utiliza como conductor el oro.
· Dieléctricos.
Son los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser
utilizados como aislantes.
Algunos ejemplos de este tipo de materiales son vidrio, cerámica, plásticos, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana,
algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita.
Aunque no existen materiales absolutamente aislantes o conductores, sino
mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos (forrando
con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del usuario
determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente
cuando se encuentran en tensión, pueden producir una descarga)
y para confeccionar aisladores (elementos utilizados en las redes de
distribución eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya
contacto eléctrico). Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes
bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, es aislante
a temperatura ambiente y seco pero, bajo condiciones de frecuencia de la señal
y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.
La
conductividad se designa por la letra griega sigma minúscula (
) y se
mide en siemens por metro, mientras que la
resistividad se designa por la letra griega rho minúscula (ρ)
y se mide en ohms por metro (Ω•m, a veces también en Ω•mm²/m).
) y se
mide en siemens por metro, mientras que la
resistividad se designa por la letra griega rho minúscula (ρ)
y se mide en ohms por metro (Ω•m, a veces también en Ω•mm²/m).
Proceso en C++
#include <math.h>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
int opcion;
cout<<"********** MENU PRINCIPAL ********** \n\n";
cout<<"1)
INTENSIDAD DE CORRIENTE \n";
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EN UN CAMPO \n";
cout<<"3) POTENCIAL ELECTRICO
\n";
cout<<"4) RESISTIVIDAD ELECTRICA
\n";
cout<<"********************\n\n" ;
cout<<" Ingrese una opcion:"; cin>>opcion;
switch (opcion)
{
case 1:
{
cout<<"***** INTENSIDAD DE
CORRIENTE ***** \n\n";
int I, q, t;
cout<<"ingrese la carga
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"; cin>>t;
I=q/t;
cout<<"LA INTENSIDAD DE
CORREINTE ES: "<<I<<endl;
cout<<"********** \n\n";
}
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case 2:
{
cout<<"***** FUERZA SOBRE UNA
CARGA EN UN CAMPO ***** \n\n";
int F, q, E;
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"; cin>>q;
cout<<"ingrese intensidad de
campo electrico: "; cin>>E;
F = q*E;
cout<<"LA FUERZA SOBRE UNA CARGA
EN UN CAMPO ES: "<<F<<endl;
cout<<"********** \n\n";
}
break;
case 3:
{
cout<<"***** POTENCIAL ELECTRICO
***** \n\n";
int V, K, q, r;
cout<<"ingrese la
constante: "; cin>>K;
cout<<"ingrese carga
electrica: "; cin>>q;
cout<<"ingrese
distancia: "; cin>>r;
V=K*(q/r);
cout<<"EL POTENCIAL ELECTRICO ES:
"<<V<<endl;
cout<<"********** \n\n";
}
break;
case 4:
{
cout<<"***** RESISTIVIDAD ELECTRICA
*********** \n\n";
int P, r, a, l;
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electrica: "; cin>>r;
cout<<"ingrese el area
transversal: "; cin>>a;
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material: "; cin>>l;
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cout<<"**********
\n\n";
}
break;
}
cout<<endl; cout<<"\n";
system("PAUSE");
return
EXIT_SUCCESS;
}
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