Historia de la electricidad
El fenómeno de la electricidad se ha 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.
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Mucho antes de que existiera algún conocimiento sobre la electricidad, la humanidad era consciente de las descargas eléctricas producidas por
peces eléctricos. 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.
4 Autores antiguos como
Plinio el Viejo o
Escribonio Largo, describieron el efecto adormecedor de las descargas eléctricas producidas por peces eléctricos y
rayas eléctricas. Además, sabían que estas descargas podían transmitirse por materias conductoras.
5 Los pacientes de enfermedades como
la gota y el dolor de cabeza se trataban con peces eléctricos, con la esperanza de que la descarga pudiera curarlos.
6 La primera aproximación al estudio del rayo y a su relación con la electricidad se atribuye a los árabes, que antes del siglo XV tenían una palabra 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. Concluyó que la fricción dotaba de magnetismo al ámbar, al contrario que minerales como la
magnetita, que no necesitaban frotarse.
7 8 9 Tales se equivocó al creer que esta atracción la producía un campo magnético, aunque más tarde la ciencia probaría que la relación entre el magnetismo y la electricidad. Según 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 dudoso que el artefacto fuera de naturaleza eléctrica.
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En el
siglo XVII, mientras la electricidad aún se consideraba poco más que un espectáculo de salón,
William Gilbert realizó un estudio cuidadoso de electricidad y magnetismo. Diferenció el efecto producido por trozos de
magnetita, de la electricidad estática producida al frotar ámbar.
9 Además, acuñó el término
neolatinoelectricus (que, a su vez, proviene de
ήλεκτρον [
elektron], la palabra griega para ámbar) para referirse a la propiedad de atraer pequeños objetos después de haberlos frotado.
11 Esto originó los términos
eléctrico y
electricidad, que aparecen por vez primera en 1646 en la publicación
Pseudodoxia Epidemica de
Thomas Browne.
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En el
siglo XVIII, se producen nuevas aproximaciones científicas al fenómeno, por parte de investigadores sistemáticos como
Henry Cavendish,
13 14 Du Fay,
15 van Musschenbroek16 y
Watson.
17 Sus observaciones empiezan a dar sus frutos con
Galvani,
18 Volta,
19 Coulomb20 y
Franklin,
21 y, ya a comienzos del siglo XIX, con
Ampère,
22 Faraday23 y
Ohm.
24 No obstante, el desarrollo de una teoría que unificara la electricidad con el magnetismo como dos manifestaciones de un mismo fenómeno llegó con la formulación de las
ecuaciones de Maxwell en
1865.
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Carga eléctrica
Interacciones entre cargas de igual y distinta naturaleza.
- Artículo principal: Carga eléctrica. Véanse también: Electrón, Protón e Ion.
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, que está compuesto de
partículas subatómicas cargadas como el
electrón y el
protón.
34 La carga puede transferirse entre los cuerpos por contacto directo o al pasar por un material conductor, generalmente metálico.
35 El término
electricidad estática se refiere 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.
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La presencia de carga da lugar a la fuerza electromagnética: una carga ejerce una
fuerza sobre las otras. Este efecto era conocido en la antigüedad, pero no comprendido.
37 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. A finales del siglo XVIII,
Charles-Augustin de Coulomb investigó este fenómeno. Dedujo que la carga se manifiesta de dos formas opuestas.
38 Este descubrimiento trajo el conocido axioma «objetos con la misma polaridad se repelen y con diferente polaridad se atraen».
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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.
40 41 La fuerza electromagnética es muy fuerte, la segunda después de la
interacción nuclear fuerte,
42 con la diferencia que esa fuerza opera sobre todas las distancias.
43 En comparación con la débil
fuerza gravitacional, la fuerza electromagnética que aleja a dos electrones es 10
42veces más grande que la atracción gravitatoria que los une.
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Una carga puede expresarse como positiva o negativa. Las cargas de los electrones y de los protones tienen signos contrarios. 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.
45 La cantidad de carga se representa por el símbolo
Q y se expresa en
culombios.
46 Todos los electrones tienen la misma carga, aproximadamente de -1.6022×10
−19 culombios. El protón tiene una carga igual pero de signo opuesto +1.6022×10
−19 coulombios. La carga no solo está presente en la
materia, sino también en la
antimateria: cada
antipartícula tiene una carga igual y opuesta a su correspondiente partícula.
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La carga puede medirse de diferentes maneras. Un instrumento muy antiguo es el
electroscopio, que aún se usa para demostraciones en las aulas, aunque ahora está superado por el
electrómetro electrónico.
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Corriente eléctrica
Un
arco eléctrico permite una demostración de la energía de la corriente eléctrica.
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.
51 Lo cierto es que, dependiendo de las condiciones, una corriente eléctrica puede consistir de un flujo de partículas cargadas en una dirección, o incluso simultáneamente en ambas direcciones. La convención positivo-negativo se usa normalmente para simplificar esta situación.
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El proceso por el cual la corriente eléctrica circula por un material se llama
conducción eléctrica. Su naturaleza varía, dependiendo de las partículas cargadas y el material por el cual están circulando. Ejemplos de corrientes eléctricas son 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 solo fracciones de milímetro por segundo,
52 el
campo eléctrico que las controla se propaga cercano a la
velocidad de la luz, permitiendo que las señales eléctricas se transmitan rápidamente por los cables.
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Campo eléctrico
Líneas de campo saliendo de una carga positiva hacia un conductor plano.
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 ubicadas en el campo. Un campo eléctrico actúa entre dos cargas de modo muy parecido al
campo gravitatorio que actúa sobre dos
masas. Como él, se extiende hasta el infinito y su valor es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
43 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.
44
Un campo eléctrico varía en el espacio, y su intensidad en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que percibiría una carga si estuviera ubicada en ese punto.
55 La carga de prueba 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.
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Potencial eléctrico
El concepto de potencial eléctrico tiene mucha relación con el de 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 necesita 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.
56 Por lo general se mide en
voltios, donde un voltio es el potencial que necesita un
julio de trabajo para atraer una carga de un
culombio desde el infinito. Esta definición formal de potencial tiene pocas aplicaciones prácticas. Un concepto más útil es el de
diferencia de potencial, que se define como 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 entre dos puntos específicos consumen la misma energía, y además con un único valor de diferencia de potencial.
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Electromagnetismo
A principios del siglo XIX,
Ørsted encontró evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. A partir de esa base, en 1861
Maxwell unificó los trabajos de
Ampère,
Sturgeon,
Henry,
Ohm y
Faraday, en un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno solo, el fenómeno electromagnético.
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Se trata de una
teoría de campos. Sus explicaciones y predicciones se basan en magnitudes físicas
vectoriales, que dependen 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.
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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.
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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
transitoriosy
estacionarios de los mismos.
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Propiedades eléctricas de los materiales
Configuración electrónica del átomo de
cobre. Sus propiedades conductoras se deben a la facilidad de circulación que tiene su electrón más exterior (4s).
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.
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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.
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Conductividad y resistividad
Conductor eléctrico de cobre.
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.
66 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.
64 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.
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- Conductores eléctricos. Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad, transmiten esta 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 cobreen 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.67
- 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.68
Producción y usos de la electricidad
Generación y transmisión
Hasta la invención de la pila voltaica en el siglo XVIII (
Volta, 1800) no se tenía una fuente viable de electricidad. La pila voltaica (y sus descendientes modernos, la
pila eléctrica y la
batería eléctrica), almacenaba energía químicamente y la entregaba según la demanda en forma de energía eléctrica.
69 La batería es una fuente común muy versátil que se usa para muchas aplicaciones, pero su almacenamiento de energía es limitado, y una vez descargado debe ser recargada (o, en el caso de la pila, reemplazada). Para una demanda eléctrica mucho más grande la energía debe generarse y transmitirse continuamente por líneas de transmisión conductoras.
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Por lo general, la energía eléctrica se genera mediante
generadores electromecánicos movidos por el vapor producido por distintas fuentes de energía primarias, en particular la
energía eólica,
hidráulica y
solar fotovoltaica, entre otras. La moderna
turbina de vapor inventada por
Charles Algernon Parsons en 1884 genera cerca del 80 % de la
energía eléctrica en el mundo usando una gran variedad de fuentes de energía. Este generador no tiene ningún parecido al generador de disco homopolar de Faraday, aunque ambos funcionan bajo el mismo principio electromagnético, que dice que al cambiar el campo magnético a un conductor produce una diferencia de potencial en sus terminales. La invención a finales del siglo XIX del
transformador implicó transmitir la energía eléctrica de una forma más eficiente. La transmisión eléctrica eficiente hizo posible generar electricidad en plantas generadoras, para después trasportarla a largas distancias, donde fuera necesaria.
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Debido a que la energía eléctrica no puede ser almacenada fácilmente para atender la demanda a una escala nacional, la mayoría de las veces se produce la misma cantidad que la que se demanda. Esto requiere de una bolsa eléctrica que hace predicciones de la demanda eléctrica, y mantiene una coordinación constante con las plantas generadoras. Se mantiene una cierta reserva de capacidad de generación en reserva para soportar cualquier anomalía en la red.
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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,
electrosoldadura,
motores eléctricos,
máquinas frigoríficas,
aire acondicionado,
electroimanes,
telecomunicaciones,
electroquímica,
electroválvulas,
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. Cuando el campo eléctrico resultante supera la
rigidez dieléctrica del medio, se produce una descarga entre dos partes de una nube, entre dos nubes diferentes o entre la parte inferior de una nube y tierra. 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, es decir, luz.
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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, como el hierro, parece desmentida por la constatación de las inversiones periódicas de su sentido en el transcurso de las
eras geológicas, donde el polo norte magnético es remplazado por el sur y viceversa. Medido en tiempos humanos, sin embargo, 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.
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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.
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Mundo orgánico
Uso biológico
Algunos organismos, como los
tiburones, tienen la capacidad de detectar y responder a los cambios de los campos eléctricos, una habilidad conocida como
electrorrecepción.
78 Mientras que otros, denominados
electrogénicos, son capaces de producir grandes descargas eléctricas con fines defensivos u ofensivos. Algunos peces, como las
anguilas y las
rayas eléctricas pueden generar voltajes de hasta 2000 V y corrientes superiores a 1 A.
79 El potencial de acción también es responsable de la coordinación de actividades en ciertas plantas.
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