Energía eléctrica

energía eléctrica

La energía eléctrica proviene de las cargas eléctricas que se encuentran en movimiento y son llamadas electrones. La cantidad de energía se denomina según la velocidad de dichas cargas: por lo que mientras a más velocidad se muevan, más energía eléctrica van a transportar. Por ejemplo, imaginando que una carga eléctrica está representada por una pelota que se lanza contra una ventana, si no se lanza la pelota muy rápido, no tendrá suficiente energía para romper la ventana, pero si se lanza la pelota más rápido, tendrá más energía y podrá atravesar la ventana.

La energía eléctrica es la energía que se almacena en partículas cargadas dentro de un campo eléctrico (las áreas que rodean una partícula cargada). Es decir, las partículas cargadas crean campos eléctricos donde ejercen fuerza sobre otras partículas que se encuentran cargadas dentro del campo. El campo eléctrico aplica la fuerza a la partícula cargada, produciendo así que se mueva, resultando en la realización de un trabajo.

Es una de los tipos de energía más utilizados en todo el mundo. Ya que ésta se puede convertir fácilmente en cualquier otra forma de energía y se puede transportar de manera segura y eficiente a largas distancias. Como resultado, se utiliza en nuestra vida diaria más que cualquier otra fuente de energía.

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    ¿Qué es la energía eléctrica?

    Como bien sabemos, la energía es la capacidad que poseen los cuerpos para realizar y llevar a cabo una tarea o trabajo, y la electricidad es una forma de energía que consiste en el paso de electrones de un cuerpo a otro en donde a este desplazamiento de electrones se le llama corriente eléctrica, es decir, la energía eléctrica es un tipo de energía provocada por la corriente eléctrica, y la intensidad de ésta se mide en amperios (A).

    Antes, en el siglo XVIII se pensaba que la energía proveniente de los rayos era producto de la ira divina, hasta que Benjamín Franklin realizara observaciones que dieron pie a que afirmara que la electricidad es una especie de fluido y que esta energía proveniente de los rayos era similar a la producida en los laboratorios. En ese mismo siglo, se inventó la primera pila para obtener voltajes  través de una reacción química, esto realizado por Alessandro Volta.

    La producción y distribución de energía eléctrica a gran escala fue posible gracias al desarrollo del generador eléctrico, dispositivo que funciona en base al principio de inducción formulado en 1831 por el científico inglés Michael Faraday e independientemente por el científico estadounidense Joseph Henry.

    La energía eléctrica es el tipo de energía más común y de consumo inmediato que se utiliza en un sinfín de artefactos eléctricos que sirven en nuestros hogares, en las escuelas, en los trabajos, en las ciudades, industrias, etc. Siendo estos aparatos usados en el día a día funcionales gracias al trabajo de los campos eléctricos sobre los electrones que circulan por un cableado y se puede transformar a su vez en otros tipos de energía como lumínica, calórica, cinética y demás.

    Los electrones obtienen su energía de una fuente de voltaje (usualmente una batería, midiendo esa energía en voltios) y cuando estos electrones se mueven a través de un circuito (un circuito son componentes eléctricos que se interconectan en una trayectoria o conducto cerrado para trasladar una corriente eléctrica) chocan con los átomos de los elementos que están en los componentes del circuito.

    Y estos electrones se mueven y chocan con esos componentes y luego pierden, o mejor dicho, transfieren su energía al circuito y luego esa energía se convierte en calor, o luz o movimiento (dependiendo del fin del aparato) ocurriendo dicha transferencia de manera muy rápida ya que la estructura interna de los materiales son el resultado de las interacciones electroestáticas entre los electrones y los núcleos de los átomos que componen el circuito confiriéndole así propiedades eléctricas como la conductividad.

    El trasporte de cargas implica la transferencia de energía a una tasa que se conoce como potencia eléctrica. Los aparatos y dispositivos eléctricos se identifican por la potencia P y esto se refiere a la rapidez con la cual ellos pueden transformar la energía eléctrica que reciben en otras formas de energía dependiendo de su fin.

    La corriente  eléctrica nos indica la cantidad de carga que está pasando por el conductor en un intervalo de tiempo y en honor a André M. Ampere, la unidad de corriente se llama ampere o amperio. La energía eléctrica se da en fenómenos naturales como los rayos, por ejemplo, pero esta no sería útil si no fuera por los dispositivos que trasforman o la convierten en algo provechoso.

    Los avances en el conocimiento de la energía eléctrica se fueron relacionando con otros campos como la medicina, la biología, la ingeniera, entre otros, dando paso a interdisciplinas como la bioelectricidad.

    Corriente Eléctrica

    Los fenómenos de electrización ocurren cuando hay un intercambio de electrones entre objetos que tienen electrones de más y otros a los que le faltan electrones y cuando se acercan a una distancia considerada o se tocan directamente se equilibran la cantidad de electrones y se transfieren los electrones sobrantes al objeto que le falta y bajo este principio funcionan las fuentes de energía como las pilas.

    Estas tienen dos terminales en donde en uno tienen muchos electrones (de sobra) con respecto del otro terminal y así cuando se coloca algún conductor de una terminal a otro los electrones avanzan, ya que si tuvieran la misma cantidad de electrones las pilas o baterías no funcionarían y no entregarían de esta forma energía eléctrica. 

    La mayor parte de las aplicaciones prácticas de la electricidad se fundamentan en estas cargas en movimiento o mejor dicho en la corriente eléctrica.

    Ya que como se mencionó, los aparatos eléctricos como las neveras, los televisores y las lámparas, suelen funcionar gracias al paso de corriente de electrones y para que exista dicha circulación se debe producir en un material conductor. Aunque los materiales dependiendo de su estructura pueden conducir internamente carga eléctrica, no todos conducen tan bien la electricidad, ya que existen materiales conductores y otros aislantes.

    Entre los materiales aislantes se puede mencionar el vidrio, la madera, el caucho, las sales en estado sólido, las cerámicas, entre otros, ya que son materiales que no permiten la movilidad de los electrones porque quedan fuertemente unidos a los núcleos atómicos, mientras que en los materiales conductores como los mátales (oro, cobre, mercurio, hierro, etc) los electrones tienen mayor libertad de movimiento gracias a la estructura atómica de estos materiales.

    También existen conductores líquidos que se llaman electrolitos y son disoluciones que permiten la conductividad eléctrica (nuestro cuerpo también es un  medio conductor), pudiéndose producir corriente eléctrica por ejemplo, en una disolución acuosa de ácido sulfúrico, de una sal, de hidróxido de sodio, ect.

    Así mismo, se puede generar corriente eléctrica a través de un gas cuando un haz de iones o electrones a través de este (aunque los gases suelen ser malos conductores, por ejemplo el oxígeno es un aislante, aunque en el caso de una tormenta permite el paso de la corriente del rayo) o con el vacío entre dos posiciones a diferentes potenciales eléctricos.

    Para producir el movimiento de las cargas en un conductor se necesita aplicar una diferencia de potencial o voltaje y se puede producir un valor dado de potencia mediante cualquier combinación de valores de corriente y voltaje. Sin embargo, el trasporte de cargas está limitado por una fricción dentro del conductor que se opone a la fuerza eléctrica o lo que se podría llamar como resistencia eléctrica.

    Existen dos tipos de corriente eléctrica, la corriente continua y la corriente alterna. La corriente continua es cuando va en una sola dirección, mientras que cuando cambia en intervalos de tiempo de dirección es una corriente alterna. Cuando se genera una corriente directa la carga electrónica progresa en el dispositivo que recibe la energía siempre en la misma dirección y cuando la corriente es alterna, el flujo electrónico se mueve hacia adelante y hacia atrás en el dispositivo y en los cables conectados a él.

    Aunque cualquier tipo de la corriente es adecuada para muchas aplicaciones, la corriente alterna (CA) es la más disponible debido a la mayor eficiencia con la que se puede generar y distribuir, y la corriente continua (CC) suele tener aplicaciones industriales como procesos de galvanoplastia y electrometalúrgicos y para la mayoría de los dispositivos electrónicos.

    El campo Eléctrico

    Al igual que la Tierra genera a su alrededor un campo gravitatorio, una carga eléctrica también crea una zona de influencia llamada campo eléctrico, en donde se manifiesta las fuerzas repulsivas o las atractivas y la intensidad del campo eléctrico es la fuerza que ejerce una carga sobre la unidad de carga positiva situada en un punto del campo eléctrico.

    Cuando está en presencia de otra que se supone creadora del campo se ve atraída por ésta y tiene una energía potencial electroestática, si se trata de la carga eléctrica positiva a esa energía se denomina potencial electrico, V, y se mide en J/C (jouls/coulombs). La dirección del campo se toma como la dirección de la fuerza que ejercería sobre una carga de prueba positiva. El campo eléctrico está radialmente hacia afuera desde una carga positiva y radialmente hacia adentro hacia una carga puntual negativa.

    El campo eléctrico de una carga puntual se puede obtener de la ley de Coulomb, quien a la mitad del siglo XVIII estudió el comportamiento de las cargas eléctricas y estableció a ley que hoy en día lleva su nombre, observando que las fuerzas dependen del valor de las cargas así como de la distancia a la que se encuentren. Se puede decir que dos cargas se atraen o se repelen con una fuerza proporcional al producto de sus cargas eléctricas.

    La magnitud y la dirección del campo eléctrico se expresan mediante el valor de E, y el conocimiento del campo es todo lo que se necesita para determinar qué sucederá con las cargas eléctricas cercanas a ese punto en particular. La fuerza de un campo eléctrico E en cualquier punto puede definirse como la fuerza eléctrica, o de Coulomb, F ejercida por unidad de carga eléctrica positiva q en ese punto, o simplemente E = F / q.

    La presencia de un medio material siempre disminuye el campo eléctrico por debajo del valor que tiene en el vacío. El campo eléctrico se propaga a través del espacio como una onda radiada a la misma velocidad que la de la luz, estas ondas electromagnéticas indican que los campos eléctricos se generan no solo a partir de cargas eléctricas sino también a partir de campos magnéticos cambiantes.

    Entonces se puede decir que un campo eléctrico son las áreas que rodean una partícula cargada y se describe la interacción en dos etapas, la primera que una carga fuente modifica el espacio a su alrededor estableciendo un campo eléctrico, aunque esto no es inmediatamente, y la segunda etapa, que al colocar una carga en ese espacio esta se verá afectada por el campo que allí encuentre.

    Es importante decir que dentro de un conductor no debe haber campo eléctrico, este debe ser cero, en el caso estático, ya que si hubiera un campo en el interior ejercería una fuerza eléctrica sobre sus electrones libres con lo que no habría flujo ni equilibrio electrostático.

    Las Fuentes de Voltaje

    Para producir una corriente eléctrica se necesita conectar el conductor a dos cuerpos electrizados uno positivo y otro negativo pero hay un problema, y es que la corriente eléctrica generada no duraría mucho ya que en cuanto se descarguen los cuerpos y se alcance el equilibrio la corriente se acabaría.

    Es por esto que se requiere la presencia de un campo eléctrico y algún dispositivo que mantenga la diferencia de potencial, a estos dispositivos se conoce con el nombre de fuentes de fuerza electromotriz o fem y aunque en realidad no ejercen fuerza, generan voltajes, algunos de estos dispositivos son:

    • Los generadores electromecánicos: son máquinas que convierten la energía mecánica en energía eléctrica, por ejemplo los electroestáticos en donde una correa en movimiento se carga por fricción o los que aprovechan la energía potencial de una caída de agua.
    • La baterías: una batería sencilla consiste en dos electrodos de metales diferentes sumergidos en una solución ácida llamada electrolítica, y la función de las baterías (ya sean sencillas o más complejas) es proveer una diferencia de potencial debido a la energía liberada en reacciones químicas.
    • Los termopares: generan una diferencia de potencial al unir y calentar los dos metales diferentes que los constituye.
    • Las celdas solares: dispositivos que transforman la luz solar en energía eléctrica.
    •  Los piezoeléctricos: materiales que generan pequeños voltajes cuando se hace presión sobre ellos.

    Como se mencionó un generador eléctrico es cualquier máquina que convierte energía mecánica en electricidad para su transmisión y distribución a través de líneas eléctricas a clientes domésticos, comerciales e industriales y producen la energía eléctrica necesaria para automóviles, aviones, barcos y trenes.

    La primera central eléctrica pública con generador eléctrico comenzó a funcionar en Londres en enero de 1882 y ese mismo año se inauguró la segunda central de este tipo en la ciudad de Nueva York, y se utilizaron sistemas de CC, que resultaron ineficaces para la transmisión de energía a larga distancia, pero a principios de la década de 1890, se logró construir el primer generador de CA práctico en la central eléctrica de Lauffen en Alemania.

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