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La electricidad
( Publicado en Revista Creces, Abril 2001 )
La electricidad es una de las formas de energía más utilizadas en el mundo
actual, empleándose para trabajos que van desde el simple encendido de una
ampolleta o la calefacción de una habitación, hasta las operaciones más
complejas que realiza un computador. En la sociedad moderna la electricidad
es parte de nuestra vida diaria. Sin ella no existiría la iluminación, el teléfono,
la radio, el televisor y muchos otros inventos que son parte integrante de
nuestro hogar. La producción, distribución, uso y confiabilidad de la energía
eléctrica son hechos tan habituales que sólo nos acordamos de ella cuando
ocurre un corte de luz o sucede un cortocircuito.
Unos 600 años A.C. los griegos descubrieron que al frotar una pieza de ámbar (resina
fósil) con un paño de seda, el ámbar adquiría la propiedad de atraer hacia sí cuerpos
pequeños tales como ramitas, cenizas y cabellos. Alrededor del 1.600 D.C. se introdujo
el término "electricidad" para describir este efecto, derivado de la palabra griega
elektron, que significa ámbar.
En 1.745, Benjamín Franklin demostró la naturaleza eléctrica de los rayos a través de
su célebre experimento de la llave encumbrada por un cometa durante una tormenta.
Franklin sugirió la existencia de dos tipos de electricidad o cargas eléctricas, que llamó
positiva y negativa.
En 1.800 Alessandro Volta generó una corriente eléctrica constante introduciendo dos
láminas de metal, una de cobre y otra de zinc, en una solución diluida de ácido
sulfúrico. La "pila" de Volta fue la primera batería.
El siguiente hecho importante en la historia de la electricidad ocurrió en 1.819, cuando
el científico danés Hans Christian Oersted encontró que la aguja magnética de una
brújula se desviaba cuando se hacía circular una corriente eléctrica por un alambre
cercano. Posteriormente, en 1.820, el francés Andre-Marie Ampere estableció la
fórmula matemática para calcular la fuerza magnética entre dos conductores por los
que circulan corrientes.
Un hito crucial de la historia de la electricidad fue el descubrimiento de la inducción
electromagnética, en 1831, por el inglés Michael Faraday, quien generaba electricidad a
partir del magnetismo mediante el movimiento de un imán en las cercanías de una
bobina de alambre metálico. El descubrimiento de Faraday marcó el rumbo para el
desarrollo de los generadores eléctricos, lo cual permitió que en 1.881 se pusiera en
marcha en Godalming, Surrey, la primera central eléctrica pública para la iluminación
de las calles de la ciudad.
El campo de fuerzas eléctricas
El efecto descrito para el ámbar también se puede observar si se frota un lápiz o una
peineta de plástico con un pedazo de lana o seda. El objeto de plástico después de ser
frotado con la lana puede atraer hacia sí pequeños trozos de papel picado. Las fuerzas
de atracción que actúan sobre los trozos de papel no necesitan que exista un contacto
entre ellos y el objeto de plástico ya que actúan a distancia a través del espacio.
Debido a esto, se concluye que los cuerpos cargados afectan de algún modo las
propiedades del medio que los rodea, ya que en su presencia los trozos de papel
experimentan fuerzas que de otro modo no existen.
En física se emplea el concepto de "campo" para referirse a esta perturbación o
alteración de las propiedades del medio que producen los cuerpos cargados. En el caso
del ámbar y del pedazo de plástico frotados con lana, los campos de fuerza generados
se llaman eléctricos. El concepto de campo se aplica también al caso de los imanes y de
la Tierra; los correspondientes campos de fuerzas se conocen como magnéticos y
gravitatorio, respectivamente. En la figura #1 se muestra una representación del
campo eléctrico generado por una esfera cargada.
En 1785 el físico francés Charles Coulomb determinó una expresión matemática que
describe la ley de fuerzas entre dos cargas eléctricas (y por ende de sus campos
eléctricos). Su ley nos dice que las cargas del mismo signo se repelen entre sí y las de
signos opuestos se atraen (ver figura #2).
La ley de Coulomb establece que la intensidad de la fuerza eléctrica entre dos cargas
depende de la magnitud de ellas y de la distancia que las separa. Experimentalmente
se demuestra que la intensidad de la fuerza varía con el inverso de la distancia elevada
al cuadrado; esto significa que si la distancia entre dos cargas se duplica, la fuerza
entre ellas se reduce a la cuarta parte y si la distancia se triplica la fuerza se reduce a
la novena parte.
Cuando una esfera cargada se encuentra ante otra, las superficies donde la intensidad
de la fuerza eléctrica es la misma se llaman superficies equipotenciales (ver figura #1).
En éstas la energía de la interacción eléctrica es constante en toda la superficie.
La energía eléctrica de una carga unitaria sobre una superficie equipotencial es el
voltaje de la superficie, y se mide en Volts. Su valor permite obtener la energía de un
cuerpo cargado multiplicando, simplemente, el voltaje de la superficie por la cantidad
de carga eléctrica del cuerpo.
A mayor voltaje, mayor energía. Como los sistemas en la naturaleza tienden a los
estados de mínima energía, la corriente eléctrica se produce cuando las cargas se
mueven desde las zonas de mayor potencial hacia las de menor.
La corriente eléctrica
En los metales y algunos otros materiales, ciertas partículas con carga eléctrica
negativa, llamadas electrones, pueden moverse libremente a través de los mismos.
Estos materiales se llaman conductores. Cuando se conectan los polos de una batería
mediante un conductor, se crea una diferencia de potencial a través de este último y
por lo tanto, se origina un campo eléctrico dentro del conductor. Los electrones en
presencia del campo experimentan fuerzas eléctricas que los mueven desde las zonas
de mayor energía eléctrica a las de menor, generando un flujo de electrones dentro del
conductor. Este flujo o movimiento de cargas eléctricas en el material constituye una
corriente eléctrica cuyo sentido se considera desde el polo positivo de la batería hacia el
negativo. Se llama corriente directa (C.D.), a aquella en que el flujo de cargas es
siempre en la misma dirección; se dice que la corriente es alterna (C.A.) si la dirección
del flujo varía alternadamente entre un sentido y el opuesto.
En 1.827, el físico alemán Georg Simon Ohm descubrió que la intensidad de la corriente
eléctrica que fluye por un material es proporcional a la diferencia de potencial (voltaje)
aplicado a través de él. Su famosa ley plantea que la diferencia de potencial entre dos
puntos de un conductor es igual al producto de la corriente eléctrica que circula entre
los puntos por una constante característica del material llamada resistencia eléctrica.
Luego, cuando se aplica un cierto voltaje a un conductor, la magnitud de la corriente
generada es inversamente proporcional a la resistencia del conductor.
Medición de la corriente eléctrica. El ampere
En el sistema internacional de unidades, la magnitud o patrón básico empleado para
medir variables eléctricas es el Ampere. La definición adoptada en 1948 para el ampere
es: "Un Ampere corresponde a la corriente de intensidad constante que al circular por
dos alambres conductores rectos y paralelos, de sección transversal circular
despreciable y separados por una distancia de un metro en el vacío, produce entre ellos
una fuerza de Newton por cada metro de longitud".
Para medir corrientes eléctricas directas se emplea un instrumento llamado
galvanómetro. Este aparato opera basado en el principio que una aguja magnética
colocada cerca de un conductor por el cual circula una corriente eléctrica, se deflecta
perpendicularmente a la dirección de la corriente. La magnitud de la desviación de la
aguja depende de la intensidad de la corriente. En 1823 Johann Schweiger amplificó
este efecto utilizando una bobina para crear el primer galvanómetro operativo.
En la práctica, medir un Ampere con alta precisión es difícil de realizar en forma
directa, por lo que usualmente se lleva a cabo en forma indirecta a través del Watt
(unidad de potencia del sistema internacional). La potencia eléctrica generada en un
experimento controlado se compara con la potencia mecánica y utilizando una medida
precisa de resistencia se puede calcular la intensidad de corriente en amperes, usando
el hecho que la potencia disipada por un conductor es igual a la resistencia de éste
multiplicada por el cuadrado de la intensidad de la corriente que circula por el mismo.
En el futuro, los patrones de medida de corriente estarán basados, probablemente, en
detectar electrones individuales en movimiento a través de circuitos semiconductores
sofisticados. Así, por ejemplo, en un dispositivo que se está investigando en NPL
(National Physical Laboratory de Inglaterra), los electrones pueden ser transportados
individualmente por ondas acústicas superficiales (fonones), que se propagan a través
del dispositivo. La corriente medida es fácilmente comparada con la teoría ya que está
dada por la multiplicación de la carga del electrón por el número de estas partículas
que transporta la onda en cada segundo (o sea, la frecuencia de la onda).
Para medir voltajes en forma precisa se utiliza, por ejemplo, el efecto Josephson de
C.A. Debido a este efecto, la diferencia de potencial entre dos superconductores
separados por una estrecha brecha y expuesta a radiación electromagnética, toma
valores discretos que dependen de la constante de Josephson (Kj = 483.597,9 GHz/V)
y de la frecuencia, F, de la radiación. De este modo se puede medir un Volt con una
precisión de un centésimo de millonésima de Volt (0,000 000 01 V).
Fuentes de energía alternativa
La mayor parte de la potencia eléctrica utilizada a través del mundo se produce
mediante generadores que contienen un imán rotatorio movido, usualmente, por un
chorro de gas o líquido cuya presión se obtiene quemando combustibles fósiles
(petróleo, gas natural, etc.). Sin embargo, fuentes de energía renovables están siendo
utilizadas cada vez más a través del planeta. Así, por ejemplo, el gobierno de Inglaterra
se ha propuesto como meta para el 2.010 generar el 10% de la energía total que
necesitan, mediante fuentes de energía renovables. Entre las fuentes renovables se
incluyen los paneles solares, los generadores eólicos, las centrales hidroeléctricas y los
reactores nucleares. Los paneles solares convierten directamente la luz del Sol en
electricidad pero, en general, tienen baja potencia. La energía del viento se emplea en
forma directa para hacer rotar turbinas y así generar electricidad. Las centrales
hidroeléctricas convierten la energía cinética de caídas de agua en electricidad y las
centrales nucleares usan la energía contenida en el núcleo de los átomos para
reemplazar a la de los combustibles fósiles.
Vehículos eléctricos
Debido a los avances en los diseños de baterías eléctricas, los vehículos movidos por
energía eléctrica son una realidad, aun cuando su uso no se ha masificado. Diversas
empresas manufactureras de motores fabrican en forma usual vehículos eléctricos que
pueden viajar a velocidades de unos 100 km/h y necesitan recargarse cada 100 km.
Vehículos mixtos o de combustible "híbrido" también están siendo desarrollados y
combinan las mejores características de los motores eléctricos con las de los de
combustión interna para producir vehículos de baja contaminación, que alcanzan
buenas velocidades y también, desplazamientos considerables sin recargar energía.
Superconductores
Los superconductores son materiales, tales como metales y aleaciones, que presentan
cero resistencia a la corriente eléctrica a temperaturas muy bajas, típicamente
inferiores a -260°. Los superconductores se han empleado para construir electroimanes
poderosos, pero las temperaturas necesarias para que estos materiales exhiban sus
propiedades superconductoras son demasiado bajas, lo que ha impedido que su uso se
haya difundido.
En 1986, dos científicos que trabajaban en los laboratorios de IBM en Zurich, K.A.
Muller y J.G. Bednorz, realizaron uno de los hallazgos científicos más importantes de
los últimos tiempos. Nuevos tipos de materiales llamados superconductores de alta
temperatura, continuaban exhibiendo superconductividad a temperaturas mucho más
altas. Actualmente se han logrado superconductores hasta unos -200°.
Desafortunadamente estos materiales son quebradizos y no es fácil hacer alambres con
ellos. Si los superconductores se pudieran usar en cables para transportar energía
eléctrica, no ocurriría ninguna pérdida de energía en el transporte de la electricidad a
través del mundo.
Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl