Electricidad

La electricidad es el conjunto de fenómenos físicos asociados a la presencia y movimiento de la materia que tiene la propiedad de carga eléctrica. La electricidad está relacionada con el magnetismo, siendo ambos parte del fenómeno del electromagnetismo, tal como lo describen las ecuaciones de Maxwell. Varios fenómenos comunes están relacionados con la electricidad, incluidos los rayos, la electricidad estática, el calentamiento eléctrico, las descargas eléctricas y muchos otros.

La presencia de una carga eléctrica, que puede ser positiva o negativa, produce un campo eléctrico. El movimiento de cargas eléctricas es una corriente eléctrica y produce un campo magnético.

Cuando se coloca una carga en un lugar con un campo eléctrico distinto de cero, una fuerza actuará sobre ella. La magnitud de esta fuerza viene dada por la ley de Coulomb. Si la carga se mueve, el campo eléctrico estaría realizando un trabajo sobre la carga eléctrica. Por lo tanto, podemos hablar de potencial eléctrico en un punto determinado del espacio, que es igual al trabajo realizado por un agente externo al transportar una unidad de carga positiva desde un punto de referencia elegido arbitrariamente hasta ese punto sin ninguna aceleración y normalmente se mide en voltios..

La electricidad está en el corazón de muchas tecnologías modernas y se utiliza para:

• Energía eléctrica donde la corriente eléctrica se utiliza para energizar equipos;
• Electrónica que se ocupa de circuitos eléctricos que involucran componentes eléctricos activos como tubos de vacío, transistores, diodos y circuitos integrados, y tecnologías de interconexión pasiva asociadas.

Los fenómenos eléctricos se han estudiado desde la antigüedad, aunque el progreso en la comprensión teórica siguió siendo lento hasta los siglos XVII y XVIII. La teoría del electromagnetismo se desarrolló en el siglo XIX y, a fines de ese siglo, los ingenieros eléctricos estaban poniendo la electricidad para uso industrial y residencial. La rápida expansión de la tecnología eléctrica en este momento transformó la industria y la sociedad, convirtiéndose en un motor de la Segunda Revolución Industrial. La extraordinaria versatilidad de la electricidad significa que puede destinarse a un conjunto casi ilimitado de aplicaciones que incluyen transporte, calefacción, iluminación, comunicaciones y computación. La energía eléctrica es ahora la columna vertebral de la sociedad industrial moderna.

Historia

Mucho antes de que existiera el conocimiento de la electricidad, la gente era consciente de las descargas de los peces eléctricos. Los textos del antiguo Egipto que datan de 2750 a. C. se referían a estos peces como el "Tronador del Nilo" y los describían como los "protectores" de todos los demás peces. Los peces eléctricos fueron nuevamente reportados milenios después por los antiguos naturalistas y médicos griegos, romanos y árabes. Varios escritores antiguos, como Plinio el Viejo y Scribonius Largus, atestiguaron el efecto adormecedor de las descargas eléctricas producidas por el bagre eléctrico y los rayos eléctricos, y sabían que tales descargas podían viajar a lo largo de objetos conductores. A los pacientes que sufrían dolencias como gota o dolor de cabeza se les indicó que tocaran peces eléctricos con la esperanza de que la poderosa sacudida pudiera curarlos.

Las culturas antiguas del Mediterráneo sabían que ciertos objetos, como las varillas de ámbar, podían frotarse con piel de gato para atraer objetos ligeros como plumas. Tales de Mileto hizo una serie de observaciones sobre la electricidad estática alrededor del año 600 a. C., a partir de las cuales creía que la fricción hacía que el ámbar fuera magnético, en contraste con minerales como la magnetita, que no necesitaban frotarse. Tales se equivocó al creer que la atracción se debía a un efecto magnético, pero más tarde la ciencia probaría un vínculo entre el magnetismo y la electricidad. Según una teoría controvertida, los partos pueden haber tenido conocimiento de la galvanoplastia, según el descubrimiento de 1936 de la batería de Bagdad, que se asemeja a una celda galvánica, aunque no se sabe si el artefacto era de naturaleza eléctrica.

La electricidad seguiría siendo poco más que una curiosidad intelectual durante milenios hasta 1600, cuando el científico inglés William Gilbert escribió De Magnete, en el que hizo un estudio cuidadoso de la electricidad y el magnetismo, distinguiendo el efecto de la piedra imán de la electricidad estática producida al frotar ámbar. Acuñó la palabra latina nueva electricus ("de ámbar" o "como el ámbar", de ἤλεκτρον, elektron, la palabra griega para "ámbar") para referirse a la propiedad de atraer objetos pequeños después de frotarlos. Esta asociación dio lugar a las palabras inglesas "electric" y "electricity", que hicieron su primera aparición impresa en Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne de 1646.

Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray y CF du Fay realizaron más trabajos en el siglo XVII y principios del XVIII. Más tarde, en el siglo XVIII, Benjamin Franklin realizó una extensa investigación sobre la electricidad y vendió sus posesiones para financiar su trabajo. En junio de 1752, se dice que colocó una llave de metal en la parte inferior de una cuerda de cometa humedecida y voló la cometa en un cielo amenazado por tormentas. Una sucesión de chispas saltando de la llave al dorso de su mano mostró que los rayos eran de naturaleza eléctrica. También explicó el comportamiento aparentemente paradójico de la botella de Leyden como dispositivo para almacenar grandes cantidades de carga eléctrica en términos de electricidad que consta de cargas tanto positivas como negativas.

En 1791, Luigi Galvani publicó su descubrimiento de la bioelectromagnética, demostrando que la electricidad era el medio por el cual las neuronas transmitían señales a los músculos. La batería o pila voltaica de Alessandro Volta, de 1800, hecha de capas alternas de zinc y cobre, proporcionó a los científicos una fuente de energía eléctrica más confiable que las máquinas electrostáticas utilizadas anteriormente. El reconocimiento del electromagnetismo, la unidad de los fenómenos eléctricos y magnéticos, se debe a Hans Christian Ørsted y André-Marie Ampère en 1819-1820. Michael Faraday inventó el motor eléctrico en 1821 y Georg Ohm analizó matemáticamente el circuito eléctrico en 1827.La electricidad y el magnetismo (y la luz) fueron vinculados definitivamente por James Clerk Maxwell, en particular en su "On Physical Lines of Force" en 1861 y 1862.

Si bien a principios del siglo XIX se produjo un rápido progreso en la ciencia eléctrica, a fines del siglo XIX se vería el mayor progreso en la ingeniería eléctrica. A través de personas como Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, William Thomson, 1st Baron Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Swan, Reginald Fessenden, Nikola Tesla y George Westinghouse, la electricidad pasó de ser una curiosidad científica a una herramienta esencial para la vida moderna.

En 1887, Heinrich Hertz descubrió que los electrodos iluminados con luz ultravioleta crean chispas eléctricas más fácilmente. En 1905, Albert Einstein publicó un artículo que explicaba que los datos experimentales del efecto fotoeléctrico eran el resultado de la energía de la luz que se transportaba en paquetes cuantificados discretos, que energizaban a los electrones. Este descubrimiento condujo a la revolución cuántica. Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921 por "su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico". El efecto fotoeléctrico también se emplea en fotocélulas, como las que se pueden encontrar en los paneles solares, y esto se usa con frecuencia para producir electricidad comercialmente.

El primer dispositivo de estado sólido fue el "detector de bigotes de gato" que se utilizó por primera vez en el siglo XX en los receptores de radio. Un alambre con forma de bigote se pone ligeramente en contacto con un cristal sólido (como un cristal de germanio) para detectar una señal de radio por el efecto de la unión de contacto. En un componente de estado sólido, la corriente se limita a elementos sólidos y compuestos diseñados específicamente para cambiarla y amplificarla. El flujo de corriente se puede entender en dos formas: como electrones cargados negativamente y como deficiencias de electrones cargados positivamente llamados agujeros. Estas cargas y agujeros se entienden en términos de física cuántica. El material de construcción suele ser un semiconductor cristalino.

La electrónica de estado sólido se hizo realidad con la aparición de la tecnología de transistores. El primer transistor en funcionamiento, un transistor de contacto puntual a base de germanio, fue inventado por John Bardeen y Walter Houser Brattain en Bell Labs en 1947, seguido por el transistor de unión bipolar en 1948. Estos primeros transistores eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar. sobre una base de producción en masa. Fueron seguidos por el MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal o transistor MOS) basado en silicio, inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. Fue el primer transistor verdaderamente compacto que podía ser miniaturizados y producidos en masa para una amplia gama de usos, lo que llevó a la revolución del silicio.Los dispositivos de estado sólido comenzaron a prevalecer a partir de la década de 1960, con la transición de los tubos de vacío a los diodos semiconductores, transistores, chips de circuitos integrados (IC), MOSFET y tecnología de diodos emisores de luz (LED).

El dispositivo electrónico más común es el MOSFET, que se ha convertido en el dispositivo más fabricado de la historia. Los dispositivos MOS de estado sólido comunes incluyen chips de microprocesador y memoria de semiconductores. Un tipo especial de memoria semiconductora es la memoria flash, que se utiliza en unidades flash USB y dispositivos móviles, así como en la tecnología de unidad de estado sólido (SSD) para reemplazar la tecnología de unidad de disco duro (HDD) de disco magnético giratorio mecánicamente.

Conceptos

Carga eléctrica

La presencia de carga da lugar a una fuerza electrostática: las cargas ejercen una fuerza entre sí, un efecto que se conocía, aunque no se entendía, en la antigüedad.Una bola liviana suspendida de una cuerda puede cargarse tocándola con una varilla de vidrio que a su vez ha sido cargada frotando con un paño. Si una bola similar es cargada por la misma barra de vidrio, se encuentra que repele a la primera: la carga actúa para separar las dos bolas. Dos bolas cargadas con una barra de ámbar frotada también se repelen. Sin embargo, si una bola se carga con la barra de vidrio y la otra con una barra de ámbar, se encuentra que las dos bolas se atraen entre sí. Estos fenómenos fueron investigados a finales del siglo XVIII por Charles-Augustin de Coulomb, quien dedujo que la carga se manifiesta de dos formas opuestas. Este descubrimiento condujo al conocido axioma: los objetos con carga similar se repelen y los objetos con carga opuesta se atraen.

La fuerza actúa sobre las propias partículas cargadas, por lo que la carga tiende a distribuirse lo más uniformemente posible sobre una superficie conductora. La magnitud de la fuerza electromagnética, ya sea de atracción o de repulsión, viene dada 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. La fuerza electromagnética es muy fuerte, sólo superada en fuerza por la interacción fuerte, pero a diferencia de esa fuerza, opera en todas las distancias. En comparación con la fuerza gravitacional mucho más débil, la fuerza electromagnética que separa dos electrones es 10 veces mayor que la atracción gravitatoria que los une.

La carga se origina a partir de ciertos tipos de partículas subatómicas, cuyos portadores más familiares son el electrón y el protón. La carga eléctrica genera e interactúa con la fuerza electromagnética, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los experimentos han demostrado que la carga es una cantidad conservada, es decir, la carga neta dentro de un sistema eléctricamente aislado siempre permanecerá constante independientemente de los cambios que se produzcan dentro de ese sistema. Dentro del sistema, la carga puede transferirse entre cuerpos, ya sea por contacto directo o pasando a lo largo de un material conductor, como un cable. El término informal electricidad estática se refiere a la presencia neta (o 'desequilibrio') de carga en un cuerpo, generalmente causada cuando se frotan materiales diferentes, transfiriendo carga de uno a otro.

La carga de los electrones y los protones es de signo opuesto, por lo que una cantidad de carga puede expresarse como negativa o positiva. Por convención, la carga que llevan los electrones se considera negativa y la de los protones positiva, una costumbre que se originó con el trabajo de Benjamin Franklin. La cantidad de carga generalmente se da con el símbolo Q y se expresa en culombios; cada electrón lleva la misma carga de aproximadamente -1,6022 × 10 coulomb. El protón tiene una carga que es igual y opuesta y, por tanto, +1,6022 × 10 coulomb. La carga la posee no solo la materia, sino también la antimateria, cada antipartícula tiene una carga igual y opuesta a su partícula correspondiente.

La carga se puede medir por varios medios, uno de los primeros instrumentos fue el electroscopio de pan de oro, que aunque todavía se usa para demostraciones en el aula, ha sido reemplazado por el electrómetro electrónico.

Corriente eléctrica

El movimiento de carga eléctrica se conoce como corriente eléctrica, cuya intensidad suele medirse en amperios. La corriente puede consistir en cualquier partícula cargada en movimiento; más comúnmente estos son electrones, pero cualquier carga en movimiento constituye una corriente. La corriente eléctrica puede fluir a través de algunas cosas, conductores eléctricos, pero no fluirá a través de un aislante eléctrico.

Por convención histórica, una corriente positiva se define como aquella que tiene la misma dirección de flujo que cualquier carga positiva que contenga, o que fluya desde la parte más positiva de un circuito hacia la parte más negativa. La corriente definida de esta manera se llama corriente convencional. El movimiento de electrones cargados negativamente alrededor de un circuito eléctrico, una de las formas de corriente más conocidas, se considera positivo en la dirección opuesta a la de los electrones. Sin embargo, dependiendo de las condiciones, una corriente eléctrica puede consistir en un flujo de partículas cargadas en cualquier dirección, o incluso en ambas direcciones a la vez. La convención de positivo a negativo se usa ampliamente para simplificar esta situación.

El proceso por el cual la corriente eléctrica pasa a través de un material se denomina conducción eléctrica y su naturaleza varía con la de las partículas cargadas y el material a través del cual viajan. Los ejemplos de corrientes eléctricas incluyen la conducción metálica, donde los electrones fluyen a través de un conductor como el metal, y la electrólisis, donde los iones (átomos cargados) fluyen a través de líquidos o plasmas, como chispas eléctricas. Si bien las partículas en sí pueden moverse con bastante lentitud, a veces con una velocidad de deriva promedio de solo fracciones de milímetro por segundo, el campo eléctrico que las impulsa se propaga a una velocidad cercana a la de la luz, lo que permite que las señales eléctricas pasen rápidamente a lo largo de los cables.

La corriente provoca varios efectos observables, que históricamente fueron el medio para reconocer su presencia. Nicholson y Carlisle descubrieron en 1800 que el agua podía ser descompuesta por la corriente de una pila voltaica, un proceso que ahora se conoce como electrólisis. Su trabajo fue ampliamente ampliado por Michael Faraday en 1833. La corriente a través de una resistencia provoca un calentamiento localizado, un efecto que James Prescott Joule estudió matemáticamente en 1840. Uno de los descubrimientos más importantes relacionados con la corriente fue hecho accidentalmente por Hans Christian Ørsted en 1820, cuando, mientras preparaba una conferencia, fue testigo de cómo la corriente en un cable perturbaba la aguja de una brújula magnética.Había descubierto el electromagnetismo, una interacción fundamental entre la electricidad y el magnetismo. El nivel de emisiones electromagnéticas generadas por arcos eléctricos es lo suficientemente alto como para producir interferencias electromagnéticas, que pueden ser perjudiciales para el funcionamiento de los equipos adyacentes.

En aplicaciones domésticas o de ingeniería, la corriente a menudo se describe como corriente continua (CC) o corriente alterna (CA). Estos términos se refieren a cómo varía la corriente en el tiempo. La corriente continua, como la que se produce, por ejemplo, a partir de una batería y la que requieren la mayoría de los dispositivos electrónicos, es un flujo unidireccional desde la parte positiva de un circuito hacia la negativa. Si, como es más común, este flujo es transportado por electrones, estarán viajando en la dirección opuesta. La corriente alterna es cualquier corriente que invierte la dirección repetidamente; casi siempre esto toma la forma de una onda sinusoidal.Por lo tanto, la corriente alterna pulsa de un lado a otro dentro de un conductor sin que la carga se mueva ninguna distancia neta con el tiempo. El valor promediado en el tiempo de una corriente alterna es cero, pero entrega energía primero en una dirección y luego en la inversa. La corriente alterna se ve afectada por propiedades eléctricas que no se observan en corriente continua de estado estable, como la inductancia y la capacitancia. Sin embargo, estas propiedades pueden volverse importantes cuando los circuitos están sujetos a transitorios, como cuando se activan por primera vez.

Campo eléctrico

Michael Faraday introdujo el concepto de campo eléctrico. Un campo eléctrico es creado por un cuerpo cargado en el espacio que lo rodea y da como resultado una fuerza ejercida sobre cualquier otra carga colocada dentro del campo. El campo eléctrico actúa entre dos cargas de forma similar a como actúa el campo gravitatorio entre dos masas, y como este, se extiende hacia el infinito y muestra una relación inversa al cuadrado con la distancia. Sin embargo, hay una diferencia importante. La gravedad siempre actúa en atracción, juntando dos masas, mientras que el campo eléctrico puede resultar en atracción o repulsión. Dado que los cuerpos grandes, como los planetas, generalmente no tienen carga neta, el campo eléctrico a distancia suele ser cero. Así, la gravedad es la fuerza dominante a distancia en el universo, a pesar de ser mucho más débil.

Un campo eléctrico generalmente varía en el espacio, y su intensidad en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que sentiría una carga estacionaria e insignificante si se colocara en ese punto. La carga conceptual, denominada "carga de prueba", debe ser extremadamente pequeña para evitar que su propio campo eléctrico altere 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 la fuerza es un vector, que tiene tanto magnitud como dirección, se sigue que un campo eléctrico es un campo vectorial.

El estudio de los campos eléctricos creados por cargas estacionarias se llama electrostática. El campo puede visualizarse mediante un conjunto de líneas imaginarias cuya dirección en cualquier punto es la misma que la del campo. Este concepto fue introducido por Faraday, cuyo término 'líneas de fuerza' todavía se usa a veces. Las líneas de campo son los caminos que una carga positiva puntual buscaría hacer al ser forzada a moverse dentro del campo; sin embargo, son un concepto imaginario sin existencia física, y el campo impregna todo el espacio intermedio entre las líneas.Las líneas de campo que emanan de cargas estacionarias tienen varias propiedades clave: primero, que se originan en cargas positivas y terminan en cargas negativas; segundo, que deben entrar en cualquier buen conductor en ángulo recto, y tercero, que nunca se crucen ni se cierren sobre sí mismos.

Un cuerpo conductor hueco lleva toda su carga en su superficie exterior. Por lo tanto, el campo es cero en todos los lugares dentro del cuerpo. Este es el principio operativo de la jaula de Faraday, una carcasa de metal conductor que aísla su interior de los efectos eléctricos externos.

Los principios de la electrostática son importantes cuando se diseñan elementos de equipos de alto voltaje. Existe un límite finito para la intensidad del campo eléctrico que puede soportar cualquier medio. Más allá de este punto, se produce una ruptura eléctrica y un arco eléctrico provoca una descarga disruptiva entre las partes cargadas. El aire, por ejemplo, tiende a formar un arco a través de pequeños espacios con intensidades de campo eléctrico que superan los 30 kV por centímetro. En espacios más grandes, su fuerza de ruptura es más débil, quizás 1 kV por centímetro. La ocurrencia natural más visible de esto es el relámpago, causado cuando la carga se separa en las nubes por columnas de aire ascendentes, y eleva el campo eléctrico en el aire a más de lo que puede soportar. El voltaje de una gran nube de rayos puede ser de hasta 100 MV y tener energías de descarga de hasta 250 kWh.

La intensidad del campo se ve muy afectada por los objetos conductores cercanos, y es particularmente intensa cuando se fuerza a curvarse alrededor de objetos puntiagudos. Este principio se explota en el pararrayos, cuya punta afilada actúa para estimular el desarrollo del rayo allí, en lugar del edificio que sirve para proteger.

Potencial eléctrico

El concepto de potencial eléctrico está íntimamente ligado al de campo eléctrico. Una pequeña carga colocada dentro de un campo eléctrico experimenta una fuerza, y llevar esa carga a ese punto contra la fuerza requiere trabajo. El potencial eléctrico en cualquier punto se define como la energía requerida para llevar una carga de prueba unitaria desde una distancia infinita lentamente hasta ese punto. Por lo general, se mide en voltios, y un voltio es el potencial por el cual se debe gastar un julio de trabajo para traer una carga de un culombio desde el infinito. Esta definición de potencial, aunque formal, tiene poca aplicación práctica, y un concepto más útil es el de diferencia de potencial eléctrico, y es la energía requerida para mover una unidad de carga entre dos puntos específicos. Un campo eléctrico tiene la propiedad especial de que esconservativo, lo que significa que el camino tomado por la carga de prueba es irrelevante: todos los caminos entre dos puntos específicos gastan la misma energía y, por lo tanto, se puede establecer un valor único para la diferencia de potencial. El voltio está tan fuertemente identificado como la unidad de elección para medir y describir la diferencia de potencial eléctrico que el término voltaje tiene un mayor uso diario.

A efectos prácticos, es útil definir un punto de referencia común con el que se puedan expresar y comparar los potenciales. Si bien esto podría estar en el infinito, una referencia mucho más útil es la Tierra misma, que se supone que tiene el mismo potencial en todas partes. Este punto de referencia toma naturalmente el nombre de tierra o suelo. Se supone que la Tierra es una fuente infinita de cantidades iguales de carga positiva y negativa y, por lo tanto, no tiene carga eléctrica ni carga.

El potencial eléctrico es una cantidad escalar, es decir, solo tiene magnitud y no dirección. Puede verse como algo análogo a la altura: así como un objeto liberado caerá a través de una diferencia de alturas causada por un campo gravitatorio, una carga 'caerá' a través del voltaje causado por un campo eléctrico. Como los mapas en relieve muestran líneas de contorno que marcan puntos de igual altura, se puede dibujar un conjunto de líneas que marcan puntos de igual potencial (conocidas como equipotenciales) alrededor de un objeto con carga electrostática. Las equipotenciales cruzan todas las líneas de fuerza en ángulo recto. También deben estar paralelos a la superficie de un conductor, de lo contrario, esto produciría una fuerza que moverá los portadores de carga para igualar el potencial de la superficie.

El campo eléctrico se definió formalmente como la fuerza ejercida por unidad de carga, pero el concepto de potencial permite una definición más útil y equivalente: el campo eléctrico es el gradiente local del potencial eléctrico. Usualmente expresada en voltios por metro, la dirección del vector del campo es la línea de mayor pendiente de potencial, y donde las equipotenciales se encuentran más juntas.

Electroimanes

El descubrimiento de Ørsted en 1821 de que existía un campo magnético alrededor de todos los lados de un cable que transportaba una corriente eléctrica indicó que había una relación directa entre la electricidad y el magnetismo. Además, la interacción parecía diferente de las fuerzas gravitatorias y electrostáticas, las dos fuerzas de la naturaleza conocidas entonces. La fuerza sobre la aguja de la brújula no la dirigía hacia o desde el cable que transportaba corriente, sino que actuaba en ángulo recto con respecto a él. Las palabras de Ørsted fueron que "el conflicto eléctrico actúa de manera giratoria". La fuerza también dependía de la dirección de la corriente, porque si el flujo se invertía, la fuerza también lo hacía.

Ørsted no entendió completamente su descubrimiento, pero observó que el efecto era recíproco: una corriente ejerce una fuerza sobre un imán y un campo magnético ejerce una fuerza sobre una corriente. El fenómeno fue investigado más a fondo por Ampère, quien descubrió que dos cables paralelos que llevan corriente ejercen una fuerza entre sí: dos cables que conducen corrientes en la misma dirección se atraen entre sí, mientras que los cables que contienen corrientes en direcciones opuestas se separan. La interacción está mediada por el campo magnético que produce cada corriente y forma la base para la definición internacional del amperio.

Esta relación entre los campos magnéticos y las corrientes es extremadamente importante, ya que condujo a la invención del motor eléctrico de Michael Faraday en 1821. El motor homopolar de Faraday consistía en un imán permanente sentado en una piscina de mercurio. Se permitió una corriente a través de un cable suspendido de un pivote sobre el imán y sumergido en el mercurio. El imán ejerció una fuerza tangencial sobre el alambre, haciéndolo girar alrededor del imán mientras se mantuvo la corriente.

La experimentación de Faraday en 1831 reveló que un cable que se movía perpendicularmente a un campo magnético desarrollaba una diferencia de potencial entre sus extremos. Un análisis posterior de este proceso, conocido como inducción electromagnética, le permitió establecer el principio, ahora conocido como ley de inducción de Faraday, de que la diferencia de potencial inducida en un circuito cerrado es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético a través del bucle. La explotación de este descubrimiento le permitió inventar el primer generador eléctrico en 1831, en el que convirtió la energía mecánica de un disco de cobre giratorio en energía eléctrica.El disco de Faraday era ineficaz y sin utilidad como generador práctico, pero mostraba la posibilidad de generar energía eléctrica a partir del magnetismo, posibilidad que sería retomada por quienes siguieron su trabajo.

Electroquímica

La capacidad de las reacciones químicas para producir electricidad y, a la inversa, la capacidad de la electricidad para impulsar reacciones químicas tiene una amplia gama de usos.

La electroquímica siempre ha sido una parte importante de la electricidad. Desde la invención inicial de la pila voltaica, las celdas electroquímicas han evolucionado hasta convertirse en los diferentes tipos de baterías, galvanoplastia y celdas de electrólisis. El aluminio se produce en grandes cantidades de esta manera, y muchos dispositivos portátiles se alimentan eléctricamente mediante celdas recargables.

Circuitos eléctricos

Un circuito eléctrico es una interconexión de componentes eléctricos de modo que la carga eléctrica fluya a lo largo de un camino cerrado (un circuito), generalmente para realizar alguna tarea útil.

Los componentes de un circuito eléctrico pueden adoptar muchas formas, que pueden incluir elementos como resistencias, condensadores, interruptores, transformadores y componentes electrónicos. Los circuitos electrónicos contienen componentes activos, normalmente semiconductores, y suelen mostrar un comportamiento no lineal, lo que requiere un análisis complejo. Los componentes eléctricos más simples son los que se denominan pasivos y lineales: si bien pueden almacenar energía temporalmente, no contienen fuentes de ella y exhiben respuestas lineales a los estímulos.

La resistencia es quizás el más simple de los elementos de un circuito pasivo: como sugiere su nombre, resiste la corriente a través de ella, disipando su energía en forma de calor. La resistencia es una consecuencia del movimiento de carga a través de un conductor: en los metales, por ejemplo, la resistencia se debe principalmente a colisiones entre electrones e iones. La ley de Ohm es una ley básica de la teoría de circuitos, que establece que la corriente que pasa a través de una resistencia es directamente proporcional a la diferencia de potencial a través de ella. La resistencia de la mayoría de los materiales es relativamente constante en un rango de temperaturas y corrientes; los materiales en estas condiciones se conocen como 'óhmicos'. El ohm, la unidad de resistencia, fue nombrado en honor a Georg Ohm, y está simbolizado por la letra griega Ω.

El condensador es un desarrollo de la botella de Leyden y es un dispositivo que puede almacenar carga y, por lo tanto, almacenar energía eléctrica en el campo resultante. Consta de dos placas conductoras separadas por una fina capa dieléctrica aislante; en la práctica, las láminas metálicas delgadas se enrollan juntas, lo que aumenta el área superficial por unidad de volumen y, por lo tanto, la capacitancia. La unidad de capacitancia es el farad, llamado así por Michael Faraday, y dado el símbolo F: un faradio es la capacitancia que desarrolla una diferencia de potencial de un voltio cuando almacena una carga de un culombio. Un capacitor conectado a una fuente de voltaje genera inicialmente una corriente a medida que acumula carga; sin embargo, esta corriente decaerá con el tiempo a medida que el condensador se llene, y eventualmente caerá a cero. Por lo tanto, un condensador no permitirá una corriente de estado estable, sino que la bloqueará.

El inductor es un conductor, generalmente una bobina de alambre, que almacena energía en un campo magnético en respuesta a la corriente que lo atraviesa. Cuando la corriente cambia, el campo magnético también lo hace, induciendo un voltaje entre los extremos del conductor. El voltaje inducido es proporcional a la tasa de cambio de la corriente en el tiempo. La constante de proporcionalidad se denomina inductancia. La unidad de inductancia es el Henry, llamado así por Joseph Henry, un contemporáneo de Faraday. Un henry es la inductancia que inducirá una diferencia de potencial de un voltio si la corriente que lo atraviesa cambia a razón de un amperio por segundo. El comportamiento del inductor es, en algunos aspectos, inverso al del condensador: permitirá libremente una corriente invariable, pero se opone a una que cambia rápidamente.

Energia electrica

La potencia eléctrica es la velocidad a la que la energía eléctrica es transferida por un circuito eléctrico. La unidad SI de potencia es el vatio, un julio por segundo.

La potencia eléctrica, como la potencia mecánica, es la tasa de trabajo, medida en vatios y representada por la letra P. El término potencia se usa coloquialmente para significar "energía eléctrica en vatios". La potencia eléctrica en vatios producida por una corriente eléctrica I que consiste en una carga de Q culombios cada t segundos que atraviesa una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) de V es

dondeQ es la carga eléctrica en culombiost es el tiempo en segundosI es la corriente eléctrica en amperiosV es potencial eléctrico o voltaje en voltios

La generación de electricidad a menudo se realiza mediante un proceso de conversión de energía mecánica en electricidad. Dispositivos como turbinas de vapor o turbinas de gas están involucrados en la producción de energía mecánica, que se transmite a los generadores eléctricos que producen la electricidad. La electricidad también puede ser suministrada por fuentes químicas como baterías eléctricas o por otros medios de una amplia variedad de fuentes de energía. La energía eléctrica generalmente es suministrada a empresas y hogares por la industria de energía eléctrica. La electricidad generalmente se vende por kilovatio hora (3,6 MJ), que es el producto de la potencia en kilovatios multiplicado por el tiempo de funcionamiento en horas. Las empresas de servicios eléctricos miden la energía utilizando medidores de electricidad, que mantienen un total actualizado de la energía eléctrica entregada a un cliente. A diferencia de los combustibles fósiles,

Electrónica

La electrónica trata con circuitos eléctricos que involucran componentes eléctricos activos como tubos de vacío, transistores, diodos, optoelectrónica, sensores y circuitos integrados, y tecnologías de interconexión pasiva asociadas. El comportamiento no lineal de los componentes activos y su capacidad para controlar los flujos de electrones hace posible la amplificación de señales débiles y la electrónica se usa ampliamente en el procesamiento de información, telecomunicaciones y procesamiento de señales. La capacidad de los dispositivos electrónicos para actuar como interruptores hace posible el procesamiento de información digital. Las tecnologías de interconexión, como placas de circuitos, tecnología de empaquetado de productos electrónicos y otras formas variadas de infraestructura de comunicación, completan la funcionalidad del circuito y transforman los componentes mixtos en un sistema de trabajo regular.

Hoy en día, la mayoría de los dispositivos electrónicos utilizan componentes semiconductores para realizar el control de electrones. El estudio de los dispositivos semiconductores y la tecnología relacionada se considera una rama de la física del estado sólido, mientras que el diseño y la construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos pertenecen a la ingeniería electrónica.

Onda electromagnética

El trabajo de Faraday y Ampère mostró que un campo magnético variable en el tiempo actuaba como fuente de un campo eléctrico, y un campo eléctrico variable en el tiempo era una fuente de campo magnético. Por lo tanto, cuando cualquiera de los campos cambia en el tiempo, necesariamente se induce un campo del otro.Tal fenómeno tiene las propiedades de una onda y, naturalmente, se denomina onda electromagnética. Las ondas electromagnéticas fueron analizadas teóricamente por James Clerk Maxwell en 1864. Maxwell desarrolló un conjunto de ecuaciones que podían describir sin ambigüedades la interrelación entre el campo eléctrico, el campo magnético, la carga eléctrica y la corriente eléctrica. Además, pudo demostrar que tal onda viajaría necesariamente a la velocidad de la luz y, por lo tanto, la luz misma era una forma de radiación electromagnética. Las Leyes de Maxwell, que unifican luz, campos y carga, son uno de los grandes hitos de la física teórica.

Así, el trabajo de muchos investigadores permitió el uso de la electrónica para convertir señales en corrientes oscilantes de alta frecuencia y, a través de conductores de forma adecuada, la electricidad permite la transmisión y recepción de estas señales a través de ondas de radio en distancias muy largas.

Producción y usos

Generación y transmisión

En el siglo VI aC, el filósofo griego Tales de Mileto experimentó con varillas de ámbar y estos experimentos fueron los primeros estudios sobre la producción de energía eléctrica. Si bien este método, ahora conocido como efecto triboeléctrico, puede levantar objetos livianos y generar chispas, es extremadamente ineficiente. No fue hasta la invención de la pila voltaica en el siglo XVIII que se dispuso de una fuente viable de electricidad. La pila voltaica y su descendiente moderno, la batería eléctrica, almacenan energía químicamente y la hacen disponible bajo demanda en forma de energía eléctrica.La batería es una fuente de energía versátil y muy común que es ideal para muchas aplicaciones, pero su almacenamiento de energía es finito y, una vez descargada, debe desecharse o recargarse. Para grandes demandas eléctricas, la energía eléctrica debe generarse y transmitirse continuamente a través de líneas de transmisión conductoras.

La energía eléctrica generalmente se genera mediante generadores electromecánicos impulsados ​​por vapor producido a partir de la combustión de combustibles fósiles o el calor liberado por reacciones nucleares; o de otras fuentes, como la energía cinética extraída del viento o del agua corriente. La turbina de vapor moderna inventada por Sir Charles Parsons en 1884 genera hoy alrededor del 80 por ciento de la energía eléctrica en el mundo usando una variedad de fuentes de calor. Dichos generadores no se parecen al generador de disco homopolar de Faraday de 1831, pero aún se basan en su principio electromagnético de que un conductor que une un campo magnético cambiante induce una diferencia de potencial entre sus extremos.La invención a fines del siglo XIX del transformador significó que la energía eléctrica podría transmitirse de manera más eficiente a un voltaje más alto pero a una corriente más baja. La transmisión eléctrica eficiente significaba, a su vez, que la electricidad podía generarse en centrales eléctricas centralizadas, donde se beneficiaba de economías de escala, y luego enviarse a distancias relativamente largas hasta donde se necesitaba.

Dado que la energía eléctrica no se puede almacenar fácilmente en cantidades lo suficientemente grandes como para satisfacer la demanda a escala nacional, en todo momento se debe producir exactamente la cantidad que se requiere. Esto requiere que las empresas de servicios públicos de electricidad hagan predicciones cuidadosas de sus cargas eléctricas y mantengan una coordinación constante con sus centrales eléctricas. Siempre se debe mantener en reserva una cierta cantidad de generación para amortiguar una red eléctrica contra perturbaciones y pérdidas inevitables.

La demanda de electricidad crece con gran rapidez a medida que una nación se moderniza y su economía se desarrolla. Estados Unidos mostró un aumento de la demanda del 12% durante cada año de las tres primeras décadas del siglo XX, un ritmo de crecimiento que ahora están experimentando economías emergentes como las de India o China. Históricamente, la tasa de crecimiento de la demanda de electricidad ha superado a la de otras formas de energía.

Las preocupaciones ambientales con la generación de electricidad han llevado a un mayor enfoque en la generación a partir de fuentes renovables, en particular, eólica y solar. Si bien se puede esperar que continúe el debate sobre el impacto ambiental de los diferentes medios de producción de electricidad, su forma final es relativamente limpia.

Aplicaciones

La electricidad es una forma muy conveniente de transferir energía y se ha adaptado a un número enorme y creciente de usos. La invención de una práctica bombilla incandescente en la década de 1870 hizo que la iluminación se convirtiera en una de las primeras aplicaciones de energía eléctrica disponibles al público. Aunque la electrificación trajo consigo sus propios peligros, reemplazar las llamas desnudas de la iluminación de gas redujo en gran medida los riesgos de incendio dentro de los hogares y las fábricas. Se establecieron empresas de servicios públicos en muchas ciudades dirigidas al floreciente mercado de la iluminación eléctrica. A finales del siglo XX y en los tiempos modernos, la tendencia ha comenzado a fluir en la dirección de la desregulación en el sector de la energía eléctrica.

El efecto de calentamiento Joule resistivo empleado en las bombillas de luz de filamento también tiene un uso más directo en la calefacción eléctrica. Si bien esto es versátil y controlable, puede verse como un desperdicio, ya que la mayor parte de la generación eléctrica ya ha requerido la producción de calor en una central eléctrica. Varios países, como Dinamarca, han promulgado leyes que restringen o prohíben el uso de calefacción eléctrica resistiva en edificios nuevos. Sin embargo, la electricidad sigue siendo una fuente de energía muy práctica para la calefacción y la refrigeración, y las bombas de calor/aire acondicionado representan un sector en crecimiento para la demanda de electricidad para calefacción y refrigeración, cuyos efectos las empresas eléctricas se ven cada vez más obligadas a adaptarse.

La electricidad se utiliza en las telecomunicaciones y, de hecho, el telégrafo eléctrico, demostrado comercialmente en 1837 por Cooke y Wheatstone, fue una de sus primeras aplicaciones. Con la construcción de los primeros sistemas de telégrafo transcontinentales y luego transatlánticos en la década de 1860, la electricidad había permitido las comunicaciones en minutos en todo el mundo. La fibra óptica y las comunicaciones por satélite se han hecho con una parte del mercado de los sistemas de comunicaciones, pero cabe esperar que la electricidad siga siendo una parte esencial del proceso.

Los efectos del electromagnetismo se emplean más visiblemente en el motor eléctrico, que proporciona un medio limpio y eficiente de fuerza motriz. Un motor estacionario, como un cabrestante, recibe fácilmente un suministro de energía, pero un motor que se mueve con su aplicación, como un vehículo eléctrico, está obligado a transportar una fuente de energía, como una batería, o a recolectar corriente de un contacto deslizante como un pantógrafo. Los vehículos eléctricos se utilizan en el transporte público, como autobuses y trenes eléctricos, y un número cada vez mayor de automóviles eléctricos alimentados por batería son de propiedad privada.

Los dispositivos electrónicos utilizan el transistor, quizás uno de los inventos más importantes del siglo XX, y un componente fundamental de todos los circuitos modernos. Un circuito integrado moderno puede contener muchos miles de millones de transistores miniaturizados en una región de sólo unos pocos centímetros cuadrados.

La electricidad y el mundo natural.

Efectos fisiológicos

Un voltaje aplicado a un cuerpo humano provoca una corriente eléctrica a través de los tejidos, y aunque la relación no es lineal, cuanto mayor es el voltaje, mayor es la corriente. El umbral de percepción varía con la frecuencia de suministro y con la trayectoria de la corriente, pero es de aproximadamente 0,1 mA a 1 mA para la electricidad de frecuencia de red, aunque una corriente tan baja como un microamperio puede detectarse como un efecto de electrovibración bajo ciertas condiciones. Si la corriente es lo suficientemente alta, provocará contracción muscular, fibrilación del corazón y quemaduras en los tejidos.La falta de cualquier señal visible de que un conductor está electrificado hace que la electricidad sea un peligro particular. El dolor causado por una descarga eléctrica puede ser intenso, por lo que en ocasiones se emplea la electricidad como método de tortura. La muerte causada por una descarga eléctrica se conoce como electrocución. La electrocución sigue siendo el medio de ejecución judicial en algunas jurisdicciones, aunque su uso se ha vuelto más raro en los últimos tiempos.

Fenómenos eléctricos en la naturaleza.

La electricidad no es un invento humano, y puede observarse en varias formas en la naturaleza, una manifestación destacada de las cuales son los rayos. Muchas interacciones conocidas a nivel macroscópico, como el tacto, la fricción o los enlaces químicos, se deben a interacciones entre campos eléctricos a escala atómica. Se cree que el campo magnético de la Tierra surge de una dínamo natural de corrientes circulantes en el núcleo del planeta. Ciertos cristales, como el cuarzo o incluso el azúcar, generan una diferencia de potencial en sus caras cuando se someten a una presión externa. Este fenómeno se conoce como piezoelectricidad, del griego piezein(πιέζειν), que significa presionar, y fue descubierto en 1880 por Pierre y Jacques Curie. El efecto es recíproco, y cuando un material piezoeléctrico se somete a un campo eléctrico, se produce un pequeño cambio en las dimensiones físicas.

§La bioelectrogénesis en la vida microbiana es un fenómeno prominente en la ecología de suelos y sedimentos que resulta de la respiración anaeróbica. La pila de combustible microbiana imita este omnipresente fenómeno natural.

Algunos organismos, como los tiburones, pueden detectar y responder a los cambios en los campos eléctricos, una habilidad conocida como electrorrecepción, mientras que otros, denominados electrogénicos, pueden generar voltajes por sí mismos para servir como arma depredadora o defensiva. El orden Gymnotiformes, del cual el ejemplo más conocido es la anguila eléctrica, detectan o aturden a sus presas mediante altos voltajes generados a partir de células musculares modificadas llamadas electrocitos. Todos los animales transmiten información a lo largo de sus membranas celulares con pulsos de voltaje llamados potenciales de acción, cuyas funciones incluyen la comunicación por parte del sistema nervioso entre las neuronas y los músculos. Una descarga eléctrica estimula este sistema y hace que los músculos se contraigan.Los potenciales de acción también son responsables de coordinar actividades en ciertas plantas.

Percepción cultural

En 1850, William Gladstone le preguntó al científico Michael Faraday por qué la electricidad era valiosa. Faraday respondió: "Un día, señor, puede gravarlo".

En el siglo XIX y principios del XX, la electricidad no formaba parte de la vida cotidiana de muchas personas, incluso en el mundo occidental industrializado. En consecuencia, la cultura popular de la época a menudo lo describía como una fuerza misteriosa y casi mágica que puede matar a los vivos, revivir a los muertos o torcer las leyes de la naturaleza. Esta actitud comenzó con los experimentos de 1771 de Luigi Galvani en los que se mostró que las patas de ranas muertas se contraían al aplicarles electricidad animal. La "revitalización" o reanimación de personas aparentemente muertas o ahogadas se informó en la literatura médica poco después del trabajo de Galvani. Estos resultados eran conocidos por Mary Shelley cuando escribió Frankenstein(1819), aunque no nombra el método de revitalización del monstruo. La revitalización de monstruos con electricidad se convirtió más tarde en un tema común en las películas de terror.

A medida que crecía la familiaridad del público con la electricidad como elemento vital de la Segunda Revolución Industrial, sus portadores se veían más a menudo bajo una luz positiva, como los trabajadores que "tocan la muerte con la punta del guante mientras reconstruyen los cables vivos" en El poema Sons of Martha de Rudyard Kipling de 1907. Los vehículos eléctricos de todo tipo ocuparon un lugar destacado en las historias de aventuras, como las de Julio Verne y los libros de Tom Swift. Los maestros de la electricidad, ya sean ficticios o reales, incluidos científicos como Thomas Edison, Charles Steinmetz o Nikola Tesla, se consideraban popularmente con poderes mágicos.

Dado que la electricidad dejó de ser una novedad y se convirtió en una necesidad de la vida cotidiana en la segunda mitad del siglo XX, solo requería una atención particular de la cultura popular cuando dejaba de fluir, un evento que generalmente indica un desastre. Las personas que hacen que fluya, como el héroe anónimo de la canción "Wichita Lineman" (1968) de Jimmy Webb, a menudo todavía son presentados como figuras heroicas, parecidas a magos.