Electricidad.
La electricidad en un
fenómeno que muy a pesar del gran uso que tiene en la vida moderna, no se ha
podido definir aún .
La palabra electricidad (viene
del griego elektron, cuyo significado es ámbar), debido a que fue
mediante el frotamiento de un trozo de ambar que se realizaron las primeras
obsevaciones sobre ella.
Se puede decir sin
embargo que la electricidad es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la atracción
de cargas negativas o
positivas. La electricidad se manifiesta
en una gran variedad de fenómenos que observamos en nuestra vida tales como la iluminación, electricidad estática, inducción electromagnética ( timbre eléctrico) y
el flujo de corriente eléctrica
(circuitos).
La electricidad es tan
versátil que tiene un sin número de aplicaciones que incluyen el transporte, climatización, iluminación y computación. La electricidad es la
columna de la industria moderna, y se espera que se mantenga así en un futuro
cercano.
Historia de la
electricidad
Michael Faraday relacionó el
magnetismo con la electricidad.
La historia de la
electricidad como rama de la física comenzó con observaciones aisladas y
simples especulaciones o intuiciones médicas. Tales de Mileto fue el primero en
observar los fenómenos eléctricos cuando, al frotar una barra de ámbar con un paño, notó que la barra podía
atraer objetos livianos.
Las primeras
aproximaciones científicas al fenómeno fueron hechas en los siglos XVII y XVIII. por investigadores como Henry Cavendish, y Watson. Estas
observaciones empiezan a dar sus frutos con trabajos realizados por
científicos como Galvani, Volta, Coulomb16 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 no se alcanzó 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,
(se basó en el vapor) . Su primera aplicación práctica generalizada fue
el telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833), que
revolucionó las telecomunicaciones. La generación
masiva de electricidad comenzó cuando, a fines del siglo XIX, se extendió la
iluminación eléctrica de las calles y las casas. La creciente sucesión de
aplicaciones y usos que siguieron, hizo de la electricidad una de las principales
fuerzas motrices de la segunda
revolución industrial. Fue éste el
momento de grandes inventores como Gramme, Westinghouse, von Siemens y 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.
VIDEO CANTINFLAS CIENTÍFICO.
Conceptos. Carga eléctrica
<!--[endif]-->Interacciones
entre cargas de igual y distinta naturaleza.
La carga
eléctrica es una propiedad de la materia que permite experimentar una fuerza cuando hay otra materia cerca cargada
eléctricamente. La carga se origina en el átomo, el cual
tiene partículas cargadas que son el electrón y el protón. La carga neta de un sistema aislado se
mantendrá constante, a menos que una carga externa actúe sobre él. En el sistema, la carga puede transferirse
entre los cuerpos por contacto directo, o al pasar por un material conductor,
como un cable. El
término electricidad estática hace referencia a la presencia de carga en un
cuerpo, por lo general causado por que dos materiales distintos se frotan entre
sí, transfiriéndose carga uno al otro. (
ejemplo del peine frotado y los pedazos de papel).
La
presencia de carga da lugar a la fuerza electromágnetica: La carga ejerce una fuerza a las
otras, un efecto que era conocido en la antigüedad, pero no comprendido. Una bola liviana que estaba
suspendida de un hilo podía cargarse al contacto con una barra de vidrio que ya
había sido cargada por fricción con ropa.
Se encontró que si una bola similar se cargaba con la misma barra de
vidrio, se atraían 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. Este descubrimiento trajo el muy famoso
axioma "objetos
con la misma polaridad se repelen y con diferente polaridad se atraen". (Cargas
iguales se repelen, mientras que cargas diferentes se atraen).
La magnitud de la fuerza electromagnética, ya
sea atractiva o repulsiva, está dada por la ley de
Coulomb, que relaciona la fuerza con el producto de las cargas Q1 y Q2 y tiene una relación cuadrática inversa a la
distancia (R) entre ellas.
F = - K (Q1. Q2 )/ R2 K = Constante de prorporcionalidad
dieléctrica.
La carga
en los electrones y los protones tienen signos contrarios, además una cantidad
de carga puede ser expresada como positiva o negativa. Por convención, la carga
que posee los electrones se asume negativa y la de los protones positiva, La
cantidad de carga esta dada por el símbolo Q y se expresa en Culombios. Cada electrón posee la misma
carga de aproximadamente -1.6022×10-19 culombios. El
protón tiene una carga que es igual y opuesta +1.6022×10-19 coulombios.
Corriente eléctrica
Se conoce como corriente eléctrica al flujo o paso de
electrones a través de un conductor. Intensidad
de la corriente eléctrica es la carga (medida en Coulombios) que pasa por un
punto de un conductor en la unidad de tiempo (segundo) y se expresa por lo general en amperios (culombios / segundos).
Históricamente, se
definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de
circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al
negativo. Sin embargo, posteriormente se observó, que en los metales los
portadores de carga son electrones, con carga negativa, y se desplazan en
sentido contrario al convencional. Sin embargo, 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 es ampliamente usada para simplificar esta
situación.
El proceso por el cual
la corriente eléctrica pasa a través de un material se llama conducción eléctrica, y su naturaleza varía
dependiendo de las partículas cargadas y el material por el cual ellos están
viajando. Ejemplos de corrientes eléctricas incluyen la conducción metálica, donde
los electrones fluyen a través de 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 de deriva promedio de sólo
fracciones de un milímetro por segundo, 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.
Potencial eléctrico
Un par de pilas AA. El signo + indica la
polaridad de la diferencia de potencial entre las terminales de la batería.
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 hacer circular esa
carga de un punto a otro en contra de la fuerza se necesito aplicar trabajo. El potencial eléctrico en cualquier punto se define como la energía
requerida para mover una carga de prueba ubicada en el infinito a ese punto. Por lo general se mide en voltios, Un concepto más útil es el de diferencia de potencial (Voltaje), En nuestras residencias recibimos el servicio
de energía eléctrica doméstica el cual presenta un voltaje de 110 Voltios. Las baterías de carros , motos, celulares etc. son otros
ejemplos de elementos que proporcionan potenciales eléctricos para que puedan
funcionar aparatos de uso tan común.
Circuitos.
Un circuito eléctrico básico,
esta constituido por una fuente de tensión ( V) en la izquierda provee, la cual genera una corriente (I)
al circuito, entregándole energía eléctrica a los
aparatos (resistores) R.
Del resistor, la corriente regresa a la fuente, completando el circuito. Los circuitos pueden ser circuitos en serie,
circuotos en paralelo y circuitos mixtos.
Los
componentes en un circuito eléctrico pueden ser muy variados, puede tener
elementos como resistores, capacitores, interruptores, transformadores y electronicos.
El voltaje se relaciona con la resistencia
y la intensidad de corriente se relacionan por la Ley de Ohm :
V = I. R I = V/R R = V/I
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, corriente eléctrica, desplazamiento
eléctrico 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 y Faraday, en un conjunto de
ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno solo, el fenómeno
electromagnético.
Toda carga eléctrica que circula a
través de un conductor, genera en su entorno un campo Eléctrico, si se
dispone convenientemente un hilo conductor en espiras se genera un campo
magnético, esto es lo que se aplica en timbres eléctricos. Contrariamente si se dispone un hilo conductor
en medio de un campo magnético , se generará en este una corriente eléctrica,
ejemplo, micrófonos, parlantes..
Generación y transmisión
Hasta la
invención de la pila voltaica en el siglo XVIII no se tenía una fuente viable
de electricidad. La pila voltaica y su descendiente moderna, la batería eléctrica, almacenaba energía químicamente
y la entregaba según la demanda en forma de energía eléctrica.
Por lo
general, la energía eléctrica es generada por generadores electromecánicos controlados
por el vapor producido por combustibles fósiles, o por el calor generado por
reacciones nucleares, o de otras fuentes como la energía cinética extraída
del viento o el agua. La moderna turbina
de vapor. genera cerca del 80% de la energía eléctrica en el
mundo usando una gran variedad de fuentes de calentamiento. La invención a finales del siglo XIX del transformador implicó transmitir la energía eléctrica de
una forma más eficiente. La transmisión eléctrica eficiente significó en
permitir generar electricidad en plantas generadoras, para entonces ser
despachada a largas distancias donde fuera necesario.
La
demanda de la electricidad crece con una gran rapidez si una nación se
moderniza y su economía se desarrolla. Estados
Unidos tuvo un
aumento del 12% anual de la demanda en las tres primeras décadas del siglo XX. Las preocupaciones
medioambientales con la generación de energía eléctrica han hecho que se enfoque en las energías renovables, en particular la energía eólica e hidráulica. Mientras el debate continúe sobre el
impacto medioambiental de diferentes tipos de producción eléctrica, su forma
final será relativamente limpia.
Aplicaciones de la electricidad
La
electricidad tiene un sinfín de aplicaciones tanto para uso doméstico,
industrial, medicinal y en el transporte. Solo para citar se puede mencionar a
la electrónica, Generador eléctrico, Motor
eléctrico, Transformador, Maquinas frigoríficas, aire acondicionado,electroimanes, Telecomunicaciones, Electroquímica, electrovalvulas, Iluminación y alumbrado, Producción
de calor, Electrodomésticos, Robótica, Señales
luminosas. También se aplica la inducción electromagnética para la
construcción de motores movidos por energía eléctrica, que permiten el
funcionamiento de innumerables dispositivos.
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Electricidad
en la naturaleza
Mundo inorgánico
Descargas eléctricas atmosféricas
El fenómeno
eléctrico más común del mundo inorgánico son las descargas eléctricas
atmosféricas denominadas rayos y relámpagos. Debido al rozamiento de las partículas de
agua o hielo con el aire, se produce la creciente separación de cargas
eléctricas positivas y negativas en las nubes, separación que genera campos
eléctricos. Esta descarga ioniza el aire por calentamiento
y excita transiciones electrónicas moleculares. La brusca dilatación del aire
genera el trueno,
mientras que el decaimiento de los electrones a sus niveles de equilibrio
genera radiación electromagnética, luz.
El daño
que producen los rayos a las personas y sus instalaciones puede prevenirse
derivando la descarga a tierra, de modo inocuo, mediante pararrayos.
Campo magnético terrestre
Aunque no
se puede verificar experimentalmente, la existencia del campo magnético terrestre se debe casi seguramente a la circulación de
cargas en el núcleo externo líquido de la Tierra. La hipótesis de su origen en materiales
con magnetización permanente, Medido en tiempos humanos, los polos magnéticos son estables, lo que
permite su uso, mediante el antiguo invento chino de la brújula, para la
orientación en el mar y en la tierra.
El campo
magnético terrestre desvía las partículas cargadas provenientes del Sol (viento
solar). Cuando esas partículas chocan con los átomos y moléculas de oxígeno y nitrógeno de la magnetosfera, se
produce un efecto fotoeléctrico mediante el cual parte de la energía de la
colisión excita los átomos a niveles de energía tales que cuando dejan de estar
excitados devuelven esa energía en forma de luz visible. Este fenómeno puede
observarse a simple vista en las cercanías de los polos, en las auroras
polares.
Mundo
orgánico.
El bioelectromagnetismo (a veces denominado parcialmente como
bioelectricidad o biomagnetismo) es el fenómeno biológico presente en todos los seres
vivos, incluidas todas las plantas y los animales, consistente en la
producción de campos electromagnéticos (se manifiesten como eléctricos o magnéticos)
producidos por la materia
viva ( células, tejidos u organismos). Los
ejemplos de este fenómeno incluyen el potencial eléctrico de las membranas
celulares y las corrientes eléctricas que fluyen en nervios y músculos como consecuencia de su potencial de acción. No debe confundirse con la bioelectromagnética,
que se ocupa de los efectos de una fuente externa de electromagnetismo sobre
los organismos vivos.
Uso
biológico
Muchos peces y unos pocos mamíferos tienen la capacidad de
detectar la variación de los campos eléctricos en los que están inmersos, entre
los que se cuentan las rayas y los ornitorrincos. Esta
detección es hecha por neuronas especializadas llamadas neuromastos, que están
ubicadas en la línea lateral del pez.
La localización por medios eléctricos (electrorrecepción)
puede ser pasiva o activa. En la localización pasiva el animal sólo detecta la
variación de los campos eléctricos circundantes, a los que no genera. Los
"peces poco eléctricos" son capaces de generar campos eléctricos
débiles a través de órganos y circuitos especiales de neuronas, cuya única
función es detectar variaciones del entorno y comunicarse con otros miembros de
su especie. Los voltajes generados son inferiores a 1 V y las
características de los sistemas de detección y control varían grandemente de
especie a especie.
Algunos
peces, como las anguilas y las rayas
eléctricas son
capaces de producir grandes descargas eléctricas con fines defensivos u
ofensivos, son los llamados peces
eléctricos. Estos peces, también llamados "peces fuertemente
eléctricos", pueden generar voltajes de hasta 2.000 V y corrientes
superiores a 1 A.
FELICITACIONES HAS COMPLETADO TU TRABAJO DE RESUMEN, CON EL DEBERÁS RESPONDER AL CUESTIONARIO QUE TE SERÁ PRESENTADO EN CLASES.
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