Artes Industriales: Electricidad básica

Este fenómeno natural tan útil y necesario en la vida actual, no es perceptible sino a partir de sus efectos y aplicaciones, como pueden ser una bombilla encendida, un motor en movimiento (lavadora, aspiradora, licuadora, etc.) el calor de una plancha o un horno, el sonido de un radio o la imagen de un televisor entre otros.

Todas estas aplicaciones (y otras dadas en la industria) pueden explicarse como un movimiento de electrones bajo la acción de una fuerza electromotriz, que puede denominarse electricidad dinámica.

La electricidad es un fenómeno físico originado por cargas eléctricas estáticas o en movimiento y por su interacción. Cuando una carga se encuentra en reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se desplaza produce también fuerzas magnéticas. Hay dos tipos de cargas eléctricas, las llamadas positivas y las negativas. Las cargas de igual nombre se repelen y las de diferente carga se atraen.

La electricidad está presente en algunas partículas subatómicas. La partícula más ligera que lleva carga eléctrica es el electrón, que transporta una unidad de carga. Los átomos en circunstancias normales contienen electrones, y a menudo los que están más alejados del núcleo se desprenden con mucha facilidad. En algunas sustancias, como los metales, proliferan los electrones libres. De esta manera un cuerpo queda cargado eléctricamente gracias a la reordenación de los electrones. Un átomo normal tiene cantidades iguales de carga eléctrica positiva y negativa, por lo tanto es eléctricamente neutro. La cantidad de carga eléctrica transportada por todos los electrones del átomo, que por convención son negativas, esta equilibrada por la carga positiva localizada en el núcleo. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones quedará cargado negativamente. Por lo contrario, con la ausencia de electrones un cuerpo queda cargado positivamente, debido a que hay más cargas eléctricas positivas en el núcleo.

CORRIENTE ELÉCTRICA

Se llama corriente eléctrica al flujo de electrones. La corriente continua tiene un flujo constante mientras que la corriente alterna tiene un flujo de promedio cero, aunque no tiene un valor nulo todo el tiempo. Esta definición de corriente alterna implica que el flujo de electrones cambia de dirección continuamente.

El flujo de cargas eléctricas pueden generarse en un conductor pero no existen en los aislantes. Algunos dispositivos eléctricos que usan estas características eléctricas en los materiales se denominan dispositivos electrónicos.

Partiendo del concepto de fuerza, como toda causa capaz de alterar el movimiento o reposo de un cuerpo, se asume que la fuerza electromotriz es aquella que ocasiona el movimiento de electrones, conocido como corriente eléctrica. Para comprender mejor en que consiste, puede establecerse una sencilla análoga entre un circuito hidráulico y uno eléctrico.

ELECTROSTÁTICA

El conocimiento de la electricidad estática o en “reposo” se remonta a la antigua Grecia, donde se sabía que el ámbar (cuyo nombre griego es “electrón”, de aquí el origen de la palabra electricidad) después de ser frotado podía atraer objetos pequeños y livianos. Sólo hacia finales del siglo XVI, el físico William Gilbert experimentó con otros materiales aislantes que adquirían las mismas propiedades del ámbar. Sin embargo había otros cuerpos que no cumplían con ésta característica, es decir, no conservaban la carga eléctrica; esto dio pie a la primera clasificación de materiales en buenos y malos conductores.

Por convención se ha establecido que existen dos cargas: Una positiva, la que se genera a frotar una barra de vidrio, y una negativa, generada al frotar una barra ebonita. Varios científicos continuaron con as investigaciones de Gilbert, y entre otras conclusiones establecieron que:

Las cargas del mismo nombre se repelen y las de nombre contrario se atraen.
Las cargas eléctricas se transmiten de un cuerpo a otro por contacto, quedando cargado el segundo cuerpo con la electricidad del mismo
Si un cuerpo en estado neutro se aproxima a un cuerpo cargado, el cuerpo neutro tiende a polarización de forma semejante a un imán. La acción a distancia entre un cuerpo electrizado y uno neutro se explica admitiendo la existencia de una energía circundante, representada generalmente por “líneas de fuerza”
La carga de un cuerpo conductor aislado se localiza en su superficie distribuyéndose uniformemente sobre planos o superficies esféricas o acumulándose en puntas o aristas.

CORRIENTE CONTINUA

Al definir la electricidad como el movimiento de electrones puede asumirse que la corriente continua es aquella en la cual los electrones se desplazan de manera constante en un sólo sentido. Por convención se admite que dicho desplazamiento va del positivo al negativo.

ENERGÍA ELÉCTRICA
L a energía eléctrica es la forma de energía más utilizada. Gracias a la flexibilidad en la generación y transporte se ha convertido para la industria en la forma más extendida de consumo de energía. El transporte por líneas de alta tensión es muy ventajoso y el motor eléctrico tiene un rendimiento superior a las máquinas térmicas. Los inconvenientes de esta forma de energía son la imposibilidad de almacenamiento en grandes cantidades y que las líneas de transmisión son muy costosas.
Las instalaciones para generación y el transporte de la energía eléctrica utilizan generalmente corriente alterna, debido a que es más fácil reducir o elevar el voltaje por medio de transformadores. Para transportar la energía se eleva el voltaje para impedir que se produzcan caídas de tensión significativas y la consecuente pérdida en la eficiencia. Para el transporte de una cantidad de energía dada, si se eleva la tensión disminuye la intensidad de corriente necesaria, esto disminuye las pérdidas que son proporcionales al cuadrado de la intensidad. Posteriormente, para la distribución se reduce el voltaje en las subestaciones que gradúan la tensión según se utilicen en la industria (entre 33 KV y 380 Voltios) o en instalaciones domiciliarias (entre 220 y 110 V).

MAGNETISMO (del griego elektron, ámbar, y del latín magnes, - etis, imán)

Existe una estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo dado que son fenómenos complementarios en lo que tiene que ver con muchas de sus aplicaciones. El magnetismo puede considerarse como la facultad que posee un cuerpo (denominado genéricamente imán) para atraer o repeler a otros cuerpos según su material y carga eléctrica. Es posible diferenciar tres clases de imanes:
a. Imanes naturales: Variedad de óxido de hierro coincida como magnetita.

El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza (junto con la gravedad, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil).
Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que aún ambas fuerzas se denomina teoría electromagnética .

La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales ferromagnéticos como el hierro. Desde la antigüedad se ha constatado la interacción entre el hierro o minerales como la magnetita con el campo magnético terrestre, de forma que el polo norte de un imán tiende a apuntar al polo sur de otro.
En realidad, si se disponen de los instrumentos de medida adecuados, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo (como paramagnetismo y diamagnetismo). Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia.

b. Imanes artificiales: Su formarán se fundamenta en la transmisión de las propiedades magnéticas a una barra de acero, mediante diversos procedimientos. Sus formas más comunes son la cilíndrica, recta y de herradura.
c. Electroimanes: Consisten en piezas de hierro alrededor de las cuales se enrolla un conductor aislado. Las propiedades magnéticas aparecen cuando se hace circular una corriente eléctrica por el conductor. (Ver Electroimán).

Es notable la característica de los imanes que consiste en tener dos polos llamados Norte y Sur los cuales componen en dos mitades todo el imán, estos dos polos son indivisibles, o sea si tomamos un imán recto y lo partimos a la mitad cada una de estas mitades será un nuevo imán con dos polos Norte y Sur, y así sucesivamente en cada participan tendremos dos nuevos imanes. Esto es conocido en la física teórica como la imposibilidad de obtener un monopolo magnético. (figura)
Para caracterizar la interacción magnética de dos o más cuerpos, y mostrar cómo se transforma el espacio en las inmediaciones de un imán se utiliza el concepto de campo magnético, el cual se puede representar mediante las llamadas (ricas de fuerza ó líneas de inducción magnética, éstas líneas son como unos hilos invisibles que unen los polos Norte y Sur de un imán.

Brújula:
Instrumento formado por una aguja imantada suspendida sobre un eje, que gira a causa del campo magnético* terrestre y señala siempre aproximadamente la dirección N-S. Sirve para orientarse sobre la superficie de la Tierra.
Campo
Campo eléctrico: Región del espacio en la que se dejan sentir las fuerzas de atracción o repulsión que una carga eléctrica ejerce sobre otra de distinto o igual signo, respectivamente, situada en otro punto de ese espacio
Electromagnetismo
Electromagnetismo es la parte de la física que estudia los campos electromagnéticos, sus interacciones con la materia y, en general, la electricidad y el magnetismo. Estudio de los fenómenos producidos por la interrelación entre los campos eléctrico y magnético. Toda carga eléctrica en movimiento crea a su alrededor un campo magnético, con propiedades similares a las de un imán, y a su vez todo campo magnético ejerce una fuerza sobre los conductores por los que circula una corriente eléctrica o la crea en éstos cuando varía el flujo de líneas magnéticas que los atraviesa. De ello se deduce que la energía eléctrica puede ser transformada en trabajo mecánico (motor eléctrico) y que la energía mecánica puede convertirse en electricidad (fenómeno de inducción magnética).
El electromagnetismo estudia conjuntamente los fenómenos físicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, así como los relativos a los campos magnéticos y a sus efectos sobre diversas sustancias.
El electromagnetismo, por lo tanto estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos que se unen en una sola teoría, que se resumen en cuatro ecuaciones vectoriales que relacionan campos eléctricos y magnéticos conocidas como las ecuaciones

de Maxwell. Gracias a la invención de la pila se pudieron efectuar los estudios de los efectos magnéticos que se originan por el paso de corriente eléctrica a través de un conductor.
La idea propuesta y materializada por el físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879), quien luego de estudiar los fenómenos eléctricos y magnéticos concluyó que son producto de una misma interacción, denominada interacción electromagnética, lo que le llevó a formular, alrededor del año 1850, las ecuaciones antes citadas, que llevan su nombre, en las que se describe el comportamiento del campo electromagnético. Estas ecuaciones dicen esencialmente que:
- Existen portadores de cargas eléctricas, y las líneas del campo eléctrico parten desde las cargas positivas y terminan en las cargas negativas.
- No existen portadores de carga magnética; por lo tanto, el número de líneas del campo magnético que salen desde un volumen dado, debe ser igual al número de líneas que entran a dicho volumen.
- Un imán en movimiento, o, dicho de otra forma, un campo magnético variable, genera una corriente eléctrica llamada corriente inducida.
- cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.
ELECTROIMÁN:
Barra de hierro dulce que adquiere propiedades magnéticas al circular una corriente eléctrica por un hilo enrollado a su alrededor a modo de bobina, dando origen a un campo magnético. Cuando la corriente cesa, el hierro se desimanta. Se emplea en los electromotores, timbres, interruptores, para levantar chatarra, etc.
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Campo electromagnético: Espacio en el que se dan simultáneamente un campo eléctrico y otro magnético estrechamente relacionados entre sí.

ELECTROMAGNETISMO: SENTIDO CAMPO MAGNETICO

El primero en descubrir los efectos magnéticos de la corriente eléctrica fue el físico danés H. C. Oersted, quien en 1881 observó que la aguja de una brújula en as proximidades de un conductor eléctrico se desviaba cuando circulaba corriente por el conductor, o sea la aguja magnética experimentaba una desviación de su posición de equilibrio cuya magnitud dependía de la intensidad de la corriente y de la distancia entre el conductor y la aguja. La orientación final de la aguja imantada dependía también del sentido de circulación de la corriente.
La explicación de este fenómeno parte del hecho que alrededor de cualquier carga eléctrica en movimiento se forma un campo magnético perpendicular al vector velocidad de la partícula, cuya dirección se determina utilizando la regla de la mano derecha.(figura)

Por tanto si en vez de tener una carga puntual tenemos un flujo continuo de cargas por el interior de un conductor en e; sentido AB, tomando con el dedo pulgar el sentido de la corriente, la dirección del campo magnético será desde el centro de la mano hacia la punta de los dedos formando círculos concéntricos alrededor del conductor.(figura) VELOCIDAD

INDUCCIÓN

La inducción eléctrica fue descubierta en 1831 pode Maxwell. Gracias a la invención de la pila se pudieron efectuar los estudios de los efectos magnéticos que se originan por el paso de corriente eléctrica a través de un conductor.
La idea propuesta y materializada por el físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879), quien luego de estudiar los fenómenos eléctricos y magnéticos concluyó que son producto de una misma interacción, denominada interacción electromagnética, lo que le llevó a formular, alrededor del año 1850, las ecuaciones antes citadas, que llevan su nombre, en las que se describe el comportamiento del campo electromagnético. Estas ecuaciones dicen esencialmente que:
- Existen portadores de cargas eléctricas, y las líneas del campo eléctrico parten desde las cargas positivas y terminan en las cargas negativas.
  - No existen portadores de carga magnética; por lo tanto, el número de líneas del campo magnético que salen desde un volumen dado, debe ser igual al número de líneas que entran a dicho volumen.
  - Un imán en movimiento, o, dicho de otra forma, un campo magnético variable, genera una corriente eléctrica llamada corriente inducida.
  - cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.
  ELECTROIMÁN:
  Barra de hierro dulce que adquiere propiedades magnéticas al circular una corriente eléctrica por un hilo enrollado a su alrededor a modo de bobina, dando origen a un campo magnético. Cuando la corriente cesa, el hierro se desimanta. Se emplea en los electromotores, timbres, interruptores, para levantar chatarra, etc.
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  Campo electromagnético: Espacio en el que se dan simultáneamente un campo eléctrico y otro magnético estrechamente relacionados entre sí.
  
  ELECTROMAGNETISMO: SENTIDO CAMPO MAGNETICOr el físico inglés Miguel Faraday quien suponía que si una corriente puede producir un campo magnético, debería poder producirse corriente eléctrica mediante un campo magnético.
  Uno de los aparatos que Faraday usó en sus experimentos es de mucho interés histórico, ya que representa el prototipo de los transformadores de corriente alterna actuales. Consiste en un anillo de hierro provisto de dos bobinas de cobre aislado. Una de las bobinas se conecta a un galvanómetro y la otra a una pila. Cuando se cierra o abre el circuito, la aguja del galvanómetro oscila. De este y otros experimentos realizados con el empleo de imanes y bobinas, Faraday concluyó que:
  a. Cuando un imán se desplaza hacia una bobina y se introduce en su interior, se crea o «induce» una corriente eléctrica.
  b. La corriente es de dirección contraria cuando el imán se alejándose de la bobina, saliendo de su interior
  y desplaza
  
  CORRIENTE ELÉCTRICA ALTERNA
  
  La corriente eléctrica es uno de os fenómenos más importantes para la vida del hombre, a su producción, almacenamiento y distribución se dedican muchísimos recursos, y las mentes de los hombres más brillantes del mundo nos ayudaron a entender cómo utilizarla para nuestro provecho.
  Para producir corriente eléctrica es necesario transformar cualquier otro tipo de energía, ya sea hidráulica, eólica, nuclear ó la térmica al
  combustionar petróleo en el movimiento de de unos electroimanes, los cuales generarán por inducción una corriente alterna que luego se distribuirá por las redes de cableado. Ya que todos los materiales ofrecen resistencia al paso de a corriente, cada cierta distancia es necesario colocar transformar.
  
  ELECTRÓLISIS
  Las disoluciones de sales y ácidos en el agua son los llamados electrólitos, y son buenos conductores de la corriente eléctrica, esto se puede explicar ya que al disolverse en el líquido se forman iones positivos (cationes), e iones negativos (aniones), Si en esta disolución introducimos dos electrodos conectados a una fuente de poder, los iones se comenzarán a mover ordenadamente bajo la acción de fuerzas eléctricas de atracción y repulsión con los electrodos los cationes se desplazarán hacia el electrodo negativo, y los aniones hacia el electrodo positivo. Estos iones al llegara los electrodos se depositan en ellos dando lugar al fenómeno conocido como electrólisis.(figura)
  Este fenómeno es de gran importancia ya que nos permite transformar la energía eléctrica en energía química y almacenada de esta manera, tal es el caso de los acumuladores de los automóviles.