Electricidad

Si alguna vez te has sentado a mirar una tormenta eléctrica, con poderosos rayos saliendo del cielo, tendrás una idea del poder de la electricidad. Un rayo es una descarga repentina y masiva de electricidad entre el cielo y el suelo. ¡La energía en un solo rayo es suficiente para encender 100 lámparas potentes durante todo un día o para hacer un par de cientos de miles de rebanadas de pan tostado!

La electricidad es la fuente de energía más versátil que tenemos; También es uno de los más nuevos: los hogares y las empresas lo han estado utilizando durante no más de cien años. La electricidad ha jugado una parte vital de nuestro pasado. Pero podría desempeñar un papel diferente en nuestro futuro, con muchos más edificios generando su propia energía eléctrica renovable utilizando paneles solares y turbinas eólicas. ¡Echemos un vistazo más de cerca a la electricidad y descubramos cómo funciona!

¿Qué es la electricidad?

La electricidad es un tipo de energía que puede acumularse en un lugar o fluir de un lugar a otro. Cuando la electricidad se acumula en un lugar, se conoce como electricidad estática (la palabra estática significa algo que no se mueve); La electricidad que se mueve de un lugar a otro se llama corriente eléctrica.

Electricidad estática

La electricidad estática a menudo ocurre cuando frotas una cosa con la otra. Si frotas un globo contra tu jersey 20 o 30 veces, encontrarás que el globo se te pega. Esto sucede porque frotar el globo le da una carga eléctrica (una pequeña cantidad de electricidad). La carga hace que se adhiera a su jersey como un imán, porque su jersey gana una carga eléctrica opuesta. Entonces, su jersey y el globo se atraen entre sí como los extremos opuestos de dos imanes.

¿Alguna vez has caminado sobre una alfombra o tela de nylon y has sentido una leve sensación de hormigueo? Luego tocó algo metálico, como la manija de la puerta o un grifo (llave de paso), y sintió un dolor agudo en la mano. Ese es un ejemplo de una descarga eléctrica. Cuando caminas por la alfombra, tus pies se frotan contra ella. Tu cuerpo acumula gradualmente una carga eléctrica, que es el hormigueo que puedes sentir. Cuando tocas el metal, la carga corre instantáneamente hacia la Tierra, y ese es el impacto que sientes.

Los rayos también son causados por la electricidad estática. A medida que las nubes de lluvia se mueven por el cielo, se frotan contra el aire a su alrededor. Esto los hace acumular una gran carga eléctrica. Finalmente, cuando la carga es lo suficientemente grande, salta a la Tierra como un rayo. A menudo puede sentir el hormigueo en el aire cuando se acerca una tormenta. Esta es la electricidad en el aire a tu alrededor. Lea más sobre esto en nuestro artículo sobre condensadores.

Cómo funciona la electricidad estática

La electricidad es causada por electrones, diminutas partículas que «orbitan» alrededor de los átomos. Cada electrón tiene una pequeña carga negativa. Un átomo normalmente tiene el mismo número de electrones y protones (partículas cargadas positivamente en su núcleo o centro), por lo que los átomos no tienen carga eléctrica general. Una pieza de goma está hecha de grandes cantidades de átomos llamados moléculas. Como los átomos no tienen carga eléctrica, las moléculas tampoco tienen carga, ni tampoco el caucho.

Supongamos que frotas un globo en tu jersey una y otra vez. A medida que mueve el globo hacia adelante y hacia atrás, le das energía. La energía de tu mano hace que el globo se mueva. A medida que se frota contra la tela en tu jersey, algunos de los electrones en las moléculas de goma se liberan y se acumulan en su cuerpo. Esto deja el globo con muy pocos electrones. Como los electrones tienen carga negativa, tener muy pocos electrones hace que el globo tenga una carga ligeramente positiva. Mientras tanto, su jersey gana estos electrones adicionales y se carga negativamente. Su jersey está cargado negativamente y el globo está cargado positivamente. Las cargas opuestas se atraen, por lo que su jersey se adhiere al globo.

Esa es una breve introducción a la electricidad estática. Encontrará mucho más al respecto (y por qué es causado por algo llamado triboelectricidad) en nuestro artículo principal sobre electricidad estática.

Una demostración clásica de electricidad estática que puede haber visto en su escuela. Cuando tocas la esfera de metal de un generador de electricidad estática de Van de Graaff, recibes una gran carga eléctrica y tu cabello literalmente se pone de punta. Cada mechón de cabello recibe la misma carga estática y las cargas similares se repelen, por lo que los pelos se separan unos de otros. Con un poco más de detalle: la esfera Van de Graaff acumula una gran carga positiva. Esto «succiona» los electrones (e) de su cuerpo y de los pelos en su cabeza, dejando cada mechón de cabello con una carga positiva que repele los otros pelos.

Corriente eléctrica

Cuando los electrones se mueven, transportan energía eléctrica de un lugar a otro. Esto se llama corriente eléctrica. Un rayo es un ejemplo de corriente eléctrica, aunque no dura mucho. Las corrientes eléctricas también están involucradas en la alimentación de todos los aparatos eléctricos que utiliza, desde lavadoras hasta linternas y desde teléfonos hasta reproductores de MP3. Estas corrientes eléctricas duran mucho más.

¿Has oído hablar de los términos energía potencial y energía cinética? Energía potencial significa energía que se almacena de alguna manera para su uso en el futuro. Un automóvil en la cima de una colina tiene energía potencial, porque tiene el potencial (o la capacidad) de rodar cuesta abajo en el futuro. Cuando rueda cuesta abajo, su energía potencial se convierte gradualmente en energía cinética (es la energía de un cuerpo que está en movimiento). Puede leer más sobre esto en nuestro artículo sobre energía.

La electricidad estática y la corriente eléctrica son como la energía potencial y la energía cinética. Cuando la electricidad se acumula en un lugar, tiene el potencial de hacer algo en el futuro. La electricidad almacenada en una batería es un ejemplo de energía potencial eléctrica. Puede usar la energía de la batería para encender una linterna, por ejemplo. Cuando enciende una linterna, la batería del interior comienza a suministrar energía eléctrica a la bombilla, por lo que emite luz. Todo el tiempo que se enciende la luz, la energía fluye de la batería a la bombilla. Con el tiempo, la energía almacenada en la batería se convierte gradualmente en luz (y calor) en la bombilla. Es por eso que la batería se agota.

Circuitos eléctricos

Para que ocurra una corriente eléctrica, debe haber un circuito. Un circuito es una ruta o circuito cerrado alrededor del cual fluye una corriente eléctrica. Por lo general, se crea un circuito uniendo componentes eléctricos con piezas de cable de alambre. Por lo tanto, en una linterna, hay un circuito simple con un interruptor, una bombilla y una batería unidos por unos pequeños trozos de alambre de cobre. Cuando enciende el interruptor, la electricidad fluye alrededor del circuito. Si hay una interrupción en cualquier parte del circuito, la electricidad no puede fluir. Si uno de los cables está roto, por ejemplo, la bombilla no se encenderá. Del mismo modo, si el interruptor está apagado, no puede fluir electricidad. Esta es la razón por la cual un interruptor a veces se llama interruptor de circuito.

Sin embargo, no siempre se necesitan cables para hacer un circuito. Hay un circuito formado entre una nube de tormenta y la Tierra por el aire en medio. Normalmente el aire no conduce electricidad. Sin embargo, si hay una carga eléctrica lo suficientemente grande en la nube, puede crear partículas cargadas en el aire llamadas iones (átomos que han perdido o ganado algunos electrones). Los iones funcionan como un cable invisible que une la nube de arriba y el aire de abajo. Los rayos fluyen a través del aire entre los iones.

Cómo se mueve la electricidad en un circuito

Los materiales como el cobre metálico que conducen electricidad (permiten que fluya libremente) se denominan conductores. Los materiales que no permiten que la electricidad pase a través de ellos tan fácilmente, como el caucho y el plástico, se llaman aislantes. ¿Qué hace que el cobre sea un conductor y el caucho un aislante?

Una corriente de electricidad es un flujo constante de electrones. Cuando los electrones se mueven de un lugar a otro, alrededor de un circuito, transportan energía eléctrica de un lugar a otro, como las hormigas que marchan cargando hojas. En lugar de transportar hojas, los electrones transportan una pequeña cantidad de carga eléctrica.

La electricidad puede viajar a través de algo cuando su estructura permite que los electrones se muevan fácilmente. Los metales como el cobre tienen electrones «libres» que no están unidos fuertemente a sus átomos principales. Estos electrones fluyen libremente a través de la estructura del cobre y esto es lo que permite que fluya una corriente eléctrica. En el caucho, los electrones están más unidos. No hay electrones «libres» y, como resultado, la electricidad realmente no fluye a través del caucho. Se dice que los conductores que permiten que la electricidad fluya libremente tienen una alta conductancia y una baja resistencia; los aislantes que no permiten que fluya la electricidad son lo opuesto: tienen una baja conductancia y una alta resistencia.

Para que la electricidad fluya, tiene que haber algo que empuje a los electrones. Esto se llama fuerza electromotriz (FEM). Una batería o toma de corriente crea la fuerza electromotriz que hace que fluya una corriente de electrones. Una fuerza electromotriz se conoce mejor como voltaje.

Corriente continua y corriente alterna

La electricidad puede moverse por un circuito de dos maneras diferentes. En la imagen general de arriba, puedes ver electrones corriendo alrededor de un circuito como los autos de carrera en una pista, siempre yendo en la misma dirección. Este tipo de electricidad se llama corriente continua (CC) y la mayoría de los juguetes y aparatos pequeños tienen circuitos que funcionan de esta manera.

Los electrodomésticos más grandes en su hogar usan un tipo diferente de electricidad llamada corriente alterna (CA). En lugar de fluir siempre de la misma manera, los electrones invierten la dirección constantemente, aproximadamente 50-60 veces por segundo. Aunque podría pensar que eso hace que sea imposible transportar energía alrededor de un circuito, ¡no es así!. Por lo tanto, ambos tipos de corriente pueden hacer que la lámpara funcione aunque fluyan de diferentes maneras. La mayoría de los otros aparatos eléctricos también pueden funcionar con corriente continua o alterna, aunque algunos circuitos necesitan CA para cambiarse a CC (o viceversa) para funcionar correctamente.

Electromagnetismo

La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados. Es posible que hayas visto electroimanes gigantes de acero trabajando en un depósito de chatarra. Un electroimán es un imán que se puede encender y apagar con electricidad. Cuando fluye la corriente, funciona como un imán; cuando la corriente se detiene, vuelve a ser una pieza de acero ordinaria y no magnetizada. Las grúas de chatarra recogen trozos de basura de metal al encender el imán. Para liberar la basura, apagan el imán nuevamente.

Los electro-imanes muestran que la electricidad puede producir magnetismo, pero ¿cómo funcionan? Cuando la electricidad fluye a través de un cable, crea un patrón invisible de magnetismo a su alrededor. Si coloca una aguja de la brújula cerca de un cable eléctrico y enciende o apaga la electricidad, puede ver que la aguja se mueve debido al magnetismo que genera el cable. El magnetismo es causado por el cambio de electricidad cuando enciende o apaga la corriente.

Así es como funciona un motor eléctrico. Un motor eléctrico es una máquina que convierte la electricidad en energía mecánica. En otras palabras, la energía eléctrica hace que el motor gire, y el motor puede conducir la maquinaria. En una lavadora de ropa, un motor eléctrico hace girar el tambor; En un taladro eléctrico, un motor eléctrico hace que la broca gire a alta velocidad y perfore el material. Un motor eléctrico es un cilindro lleno de imanes alrededor de su borde. En el medio, hay un núcleo hecho de alambre de hierro que esta envuelto varias veces. Cuando la electricidad fluye hacia el núcleo de hierro, crea magnetismo. El magnetismo creado en el núcleo empuja contra el magnetismo en el cilindro exterior y hace que el núcleo del motor gire. Lea más en nuestro artículo principal sobre motores eléctricos.

Haciendo electricidad

Así como la electricidad puede generar magnetismo, el magnetismo puede generar electricidad. Un dinamo se parece a un motor eléctrico en su interior. Cuando pedalea su bicicleta, el dinamo sujeta a la rueda delantera que gira. Dentro del dinamo, hay un núcleo pesado hecho de alambre de hierro envuelto firmemente, muy parecido al interior de un motor. El núcleo gira libremente dentro de algunos imanes fijos grandes. A medida que pedalea, el núcleo gira dentro de estos imanes exteriores y genera electricidad. La electricidad sale del dinamo y alimenta la lámpara de su bicicleta.

Los generadores eléctricos utilizados en las centrales eléctricas funcionan exactamente de la misma manera, solo que a una escala mucho mayor. En lugar de ser impulsados por las piernas de alguien, pedaleando furiosamente, estos grandes generadores son impulsados por vapor. El vapor se produce al quemar combustibles o mediante reacciones nucleares. Las centrales eléctricas pueden producir enormes cantidades de electricidad, pero desperdician mucha de la energía que producen. La energía tiene que fluir desde la planta, donde se produce, hasta los hogares, oficinas y fábricas donde se utiliza a lo largo de muchos kilómetros de cable de energía eléctrica. ¡Hacer electricidad en una planta de energía y entregarla a un edificio distante puede desperdiciar hasta dos tercios de la energía que originalmente estaba presente en el combustible!

Otro problema con las centrales eléctricas es que producen electricidad al quemar «combustibles fósiles» como el carbón, el gas o el petróleo. Esto crea contaminación y se suma al problema conocido como calentamiento global (la forma en que la Tierra se está calentando constantemente debido a la energía que la gente está usando). Otro problema con los combustibles fósiles es que los suministros son limitados y se están agotando constantemente.

Hay otras formas de hacer que la energía sea más eficiente, menos contaminante y no contribuya al calentamiento global. Estos tipos de energía se denominan renovables, porque pueden durar indefinidamente. Ejemplos de energía renovable incluyen turbinas eólicas y energía solar. A diferencia de las grandes centrales eléctricas, a menudo son formas mucho más eficientes de generar electricidad. Debido a que pueden ubicarse más cerca del lugar donde se usa la electricidad, se desperdicia menos energía transmitiendo energía por los cables.

Electricidad y electrónica

La electricidad consiste en utilizar corrientes relativamente grandes de energía eléctrica para realizar trabajos útiles, como manejar una lavadora o alimentar un taladro eléctrico. La electrónica es un tipo muy diferente de electricidad. Es una forma de controlar las cosas usando corrientes de electricidad increíblemente pequeñas, ¡a veces incluso electrones individuales! Supongamos que tiene una lavadora de ropa electrónica. Grandes corrientes de electricidad provienen de la toma de corriente (suministro de red) para hacer girar el tambor y calentar el agua. Pequeñas corrientes de electricidad operan los componentes electrónicos en la unidad programadora de la lavadora. Estas pequeñas corrientes controlan las corrientes más grandes, haciendo que el tambor gire hacia adelante y hacia atrás, iniciando y deteniendo el suministro de agua, y así sucesivamente. Lea más en nuestro artículo principal sobre electrónica.

El poder de la electricidad

Antes de la invención de la electricidad, las personas tenían que producir energía donde y cuando la necesitaran. Por lo tanto, tuvieron que hacer fuegos de leña o carbón para calentar sus hogares o cocinar alimentos. La invención de la electricidad cambió todo eso. Significaba que la energía podía hacerse en un lugar y luego suministrarse a largas distancias a donde fuera necesaria. La gente ya no tenía que preocuparse por generar energía para calentar o cocinar: todo lo que tenían que hacer era enchufar y encender, y la energía estaba allí tan pronto como la quisieran.

Otra cosa buena acerca de la electricidad es que es como un «lenguaje» común que todos los electrodomésticos modernos pueden «hablar». Puede manejar un automóvil usando la energía de la gasolina, o puede cocinar alimentos en una barbacoa en su jardín usando carbón, aunque no puede manejar su automóvil con carbón o cocinar alimentos con gasolina. Pero la electricidad es bastante diferente. Puede cocinar con él, manejar autos, calentar su hogar con él y cargar su teléfono celular con él. Esta es la gran belleza y el poder de la electricidad: es energía para todos, en todas partes y siempre.

Medición de la electricidad

Podemos medir la electricidad de diferentes maneras, pero algunas mediciones son particularmente importantes.

Voltaje

El voltaje es un tipo de fuerza eléctrica que hace que la electricidad se mueva a través de un cable y la medimos en voltios. Cuanto mayor sea el voltaje, más corriente tenderá a fluir. Por lo tanto, una batería de automóvil de 12 voltios generalmente producirá más corriente que una batería de linterna de 1.5 voltios.

Corriente

El voltaje, en sí mismo, no va a ninguna parte: es bastante incorrecto hablar sobre el voltaje que «fluye a través de» las cosas. Lo que se mueve a través del cable en un circuito es la corriente eléctrica: un flujo constante de electrones, medido en amperios (o amperes).

Potencia

Juntos, el voltaje y la corriente le dan potencia eléctrica. Cuanto mayor es el voltaje y mayor es la corriente, más potencia eléctrica tiene. Medimos la potencia eléctrica en unidades llamadas vatios.

La potencia eléctrica en un circuito es igual al voltaje × la corriente (en otras palabras: vatios = voltios × amperios). Entonces, si tiene una luz de 100 vatios (100 W) y sabe que su suministro de electricidad está clasificado como 120 voltios (voltaje doméstico típico en América), el flujo de corriente debe ser de 100/120 = 0.8 amperios. Si estás en Europa, es más probable que el voltaje de tu hogar sea de 230 voltios. Entonces, si usa la misma luz de 100 vatios, el flujo de corriente es de 100/230 = 0.4 amperios. La luz brilla igual en ambos continentes y utiliza la misma cantidad de energía en cada caso; en Europa usa un voltaje más alto y una corriente más baja; En los Estados Unidos, hay un voltaje más bajo y una corriente más alta.

Una nota rápida: 120 voltios y 230 voltios son los voltajes domésticos «nominales» o estándar, los voltajes que se supone que tiene, en teoría. En la práctica, su hogar podría tener más o menos voltaje que este, por diferentes tipos de razones, pero principalmente debido a qué tan lejos está de su planta de energía local o fuente de alimentación.