La electricidad es una parte importante de nuestra vida cotidiana y se transmite a nuestras ciudades mediante enormes líneas de transmisión. Comprender las bases de la electricidad y las leyes que rigen su funcionamiento es una parte esencial de la física.
¿Cuáles son las bases y leyes de la electricidad?
La electricidad se define como el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y el movimiento de cargas eléctricas.
Los rayos, la electricidad estática, nuestros aparatos electrónicos, las descargas eléctricas y muchos otros fenómenos están relacionados con el flujo de cargas eléctricas.
Veamos algunas de las características de una carga eléctrica individual:
- Un campo eléctrico E elemental se crea por la existencia de una carga eléctrica individual, que puede ser positiva o negativa. El campo también lo genera un cuerpo con carga eléctrica o un grupo de partículas cargadas.
- Un campo magnético H se crea por el movimiento de cargas eléctricas. Si las cargas eléctricas no se encuentran en movimiento no se puede generar un campo magnético.
- Una fuerza vectorial F actúa sobre una carga cuando se coloca en una zona donde hay un campo eléctrico. La ley de Coulomb determina la magnitud de esta fuerza. Si la carga se hallase en movimiento, la fuerza tendría una contribución de un campo magnético, si lo hubiera.
Corriente eléctrica
El flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo se conoce como corriente eléctrica. Se utiliza para alimentar circuitos eléctricos y dispositivos mecánicos.
La carga eléctrica Q que atraviesa una región dividida por el tiempo en el que hemos medido nos da el valor de la corriente, que se mide con la unidad del sistema internacional llamada amperio (A).
Potencial eléctrico
El potencial eléctrico, también conocido como voltaje (V), es el trabajo realizado por una fuerza externa al transportar una unidad de carga eléctrica del punto A al punto B.
Esto se hace contra un campo eléctrico sin aceleración y, generalmente, se mide en voltios (V). La diferencia de potencial eléctrico es análoga a la diferencia de energía potencial en un campo gravitatorio. Esta cantidad suele estar suministrada por dispositivos como pilas o baterías
En muchos de los problemas que te piden resolver en colegios o bachilleres, suele ser una magnitud dada.
Potencia eléctrica
La potencia eléctrica es una medida de la cantidad de energía eléctrica transmitida a través de un circuito eléctrico por unidad de tiempo. Es, por tanto, el trabajo W realizado por el circuito por unidad de tiempo t.
La unidad del sistema internacional de la potencia eléctrica es el vatio (W), que es igual a un Julio (la unidad de trabajo) en un segundo:
La energía eléctrica se produce mediante generadores eléctricos y se transfiere mediante la red eléctrica.
Resistencia y ley de Ohm
La resistencia es la oposición de un medio al flujo de la corriente eléctrica, y varía en función de cada medio. La unidad del sistema internacional de resistencia es el ohmio (Ω).
Una relación importante entre el potencial eléctrico, la corriente y la resistencia es la siguiente: para un potencial eléctrico fijo, la corriente y la resistencia son inversamente proporcionales entre sí. La expresión matemática se conoce como ley de Ohm, y es válida para muchos medios y objetos en cierto rango de intensidad y voltaje.
La ley de Ohm es:
Los conductores que cumplen esta ley, se conocen como conductores óhmicos, mientras que los que la cumplen solo en ciertos regímenes se llaman conductores no óhmicos.
Resistividad
La resistividad (ρ) de un material es una medida característica de la capacidad de resistencia de cada material. En concreto, la resistencia está relacionada con la resistividad para un conductor determinado a través de la relación entre sección transversal y longitud.
La unidad del sistema internacional de la resistividad es el ohmio por metro (Ω / m). La fórmula que relaciona resistividad y resistencia es la siguiente:
Donde: A es la sección transversal de un conductor y l su longitud.
La conductividad σ es el valor inverso de la resistividad; se define como la propiedad que determina la facilidad con que un conductor permite el flujo de carga.
Su fórmula es:
Componentes de circuitos eléctricos
Un componente de un circuito eléctrico es un dispositivo u objeto que se utiliza en los circuitos para almacenar energía, limitar el flujo de corriente o desempeñar otras funciones útiles.
Algunos ejemplos de componentes de circuitos son:
- Resistencias: se utilizan para obstruir el flujo de corriente. Debido a ciertas propiedades, se pueden utilizar con distintos fines (las bombillas, por ejemplo, son resistencias que emiten luz si, suficiente intensidad las atraviesa).
- Condensadores: se utilizan para almacenar energía eléctrica.
- Diodos: permiten el flujo de corriente en una sola dirección. Las luces LED son un ejemplo de ello.
- Fuentes: son dispositivos que generan voltaje/diferencia de potencial, como baterías o pilas.
- Inductores: se utilizan para almacenar energía de un campo magnético generado por la corriente que fluye a través de un circuito.
Superconductividad
- La superconductividad es la propiedad de un conductor de ofrecer una resistencia prácticamente nula al flujo de corriente.
- Los superconductores, por tanto, son materiales que pueden conducir de manera ideal a una temperatura conocida como temperatura crítica.
Para conocer las temperaturas críticas de algunos materiales, consulta la siguiente tabla:
Material | Temperatura crítica en Kelvin |
Galio | 1.1 |
Plomo | 7.2 |
Mercurio | 4.2 |
Tungsteno | 0.01 |
Tabla 1: materiales y temperaturas.
Las temperaturas críticas encontradas hasta ahora para cualquier material conductor son muy bajas, normalmente muy por debajo de cero Celsius y muy cerca de cero Kelvin (-273,15 Celsius); Esto dificulta poder utilizar superconductores para diversos fines.
¿Cuál es la historia de la electricidad?
Se han dedicado casi 300 años de estudio y desarrollo a la forma en que generamos, distribuimos, instalamos y utilizamos la electricidad, así como a los dispositivos que alimenta.
La electricidad se estudió y utilizó por primera vez en el siglo XVIII. Cientos de científicos de Inglaterra, Europa y el norte de América estudiaron la electricidad en la naturaleza durante los siguientes 150 años; pero, generarla fuera de la naturaleza supuso un reto.
La generación de electricidad no ocurrió de forma generalizada hasta finales del siglo XIX. Los eruditos internacionales dedicados al estudio científico puro y los empresarios —que hicieron sus propios descubrimientos importantes o crearon, promovieron y vendieron productos basados en las ideas de otras personas— ayudaron a allanar el camino para el amplio uso comercial de la electricidad.
He aquí una cronología de la evolución de la electricidad hasta finales del siglo XIX, donde Maxwell consiguió unificar la electricidad y el magnetismo. Esto sentó las bases del desarrollo de la teoría de relatividad especial de Einstein:
- 1752: Benjamin Franklin demuestra que el rayo y la electricidad son el mismo fenómeno.
- 1800: Alessandro Volta inventa la primera pila.
- 1821: Michael Faraday crea el primer motor eléctrico.
- 1826: Georg Ohm descubre la relación entre la resistencia, la corriente y la tensión. Esto se conoce como ley de Ohm.
- 1831: Michael Faraday inventa el anillo de inducción.
- 1832: Primera dinamo inventada en Francia por Hippolyte Pixii.
- 1834: Primer motor americano de corriente es construido por Thomas Davenport.
- 1835: Relé eléctrico inventado por Joseph Henry.
- 1839: William Robert Grove inventa la primera pila de combustible.
- 1860s: James Clerk Maxwell desarrolla la teoría de los campos electromagnéticos.
- 1876: Charles F. Brush inventa la dinamo de bobina abierta.
- 1878: La primera bombilla incandescente, inventada por Joseph Swan, se muestra a la Sociedad Química de Newcastle.
- 1879: Thomas Edison inventa la bombilla incandescente que funciona 40 horas.
- 1879: Se inventa la lámpara de arco voltaico.
- 1881: Se inventa el tranvía eléctrico por Gustave Trouvé.
- 1882: Apertura de la primera central eléctrica.
- 1883: Se inventa la bobina de Tesla.
- 1884: Se inventa el alternador eléctrico.
- 1886: Se desarrolla el transformador de bobina de inducción y el sistema eléctrico de corriente alterna.
- 1888: Nikola Tesla inventa el primer sistema moderno de corriente alterna.
- 1893: La corriente alterna se utiliza por primera vez para iluminar las farolas.
- 1897: J. J. Thomson descubre el electrón.
Electricidad - Puntos clave
- Un campo eléctrico se crea por la existencia de una carga eléctrica.
- El campo eléctrico incide en la carga eléctrica, si esta se mueve dentro de él.
- La unidad SI de la energía eléctrica es el vatio —con símbolo W,— que equivale a julios por segundo.
- La energía eléctrica es la energía aprovechada por el movimiento de los electrones.
- La resistencia es la oposición de un medio al flujo de la corriente eléctrica, y varía en función de cada medio.
- Un componente de un circuito eléctrico es un dispositivo u objeto que se utiliza en los circuitos para almacenar energía, limitar el flujo de corriente o desempeñar otras funciones útiles.
- La superconductividad es la propiedad de un conductor de ofrecer una resistencia prácticamente nula al flujo de corriente.
- La electricidad se estudió y utilizó por primera vez en el siglo XVIII y su estudio duró hasta finales del siglo XIX, cuando Maxwell consiguió unificar la electricidad y el magnetismo, lo que sentó las bases del desarrollo de la teoría de relatividad especial de Einstein.
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