Electricidad

Magnetismo. Términos eléctricos. Evolución histórica. Electrostática. Electrodinámica. Resistencia. Descubrimientos

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Concepto Histórico de Electricidad

Aparentemente la primer observación científica de los efectos eléctricos la realizó Tales de Mileto en el 600 antes de Cristo. Vio que las briznas de pasto seco se adhería a un trozo de ámbar cuando éste había sido frotado.

Mil años después, exactamente en 1660, fue el médico y físico inglés

William Gilbert quien estudió estos efectos, y tomando la palabra griega elektron (ámbar), llamó a esas sustancias eléctricas. Tratándose de un efecto al parecer estable, a menos que se lo perturbara terminó denominándose electricidad estática, o carente de movimiento.

Gilbert había escrito un libro sobre tema del magnetismo, fue en 1600 y se llamó "De Magnete". También Tales había estudiado el fenómeno, pero pasaría un tiempo antes de que los físicos se dieran cuenta que se trataba de un mismo fenómeno. Tanto la electricidad como el magnetismo pasarían a formar el electromagnetismo. Mientras tanto, se intentaba descubrir los secretos de este extraño fenómeno, y desentrañar el mecanismo oculto tras la electricidad.

En 1733 el francés Charles-François de Cisternay du Fay, descubrió que dos bolas de corcho cargadas de la misma manera se repelían. Pero si cargaba cada una por medios diferentes, lograba que a veces se atrajeran; por ejemplo si cargaba una frotándola con una vara de resina y a la otra con una de vidrio. Este fenómeno de atracción y repulsión parecía indicar dos naturalezas distintas. Cisternay du Fay creía que la electricidad era un fluido, y determinó que este existía en dos tipos: Resinoso o vítreo.

En el año 1747 Benjamín Franklin propuso que no había dos tipos de fluidos, sino uno, el cual podía presentarse en exceso o en defecto. En esto se acercaba más du Fay a la verdad que Franklin. Pero rebautizó al fluido como "electricidad negativa" si faltaba para el equilibrio, y "electricidad positiva" al exceso. Estos nombres perduran hasta hoy, pero con una comprensión distinta del fenómeno que la de un fluido.

Llegamos a 1780.

Luigi Galvani, un anatomista italiano, observó por primera vez que una descarga eléctrica sobre las patas de una rana muerta producía contracciones de los músculos afectados. Este descubrimiento seguramente inspiró la legendaria criatura llevada a la vida por doctor Frankenstein a través del poder eléctrico de un rayo (probado por Franklin en 1751), novela escrita en esa época por Mary Wollstonecraft Shelley (1797-1851).

Probó exponer estos músculos a los efectos de una tormenta usando el descubrimiento de Franklin. Para conseguirlo, colgó patas de rana con ganchos en la reja de la casa. Pero las contracciones proseguían aún cuando la tormenta había pasado. Una inspección posterior lo llevó a ver que la estimulación se producía cuando el músculo tocaba simultáneamente dos metales distintos.

Galvani creyó que la electricidad así producida se generaba en el músculo, observación que resultó errónea, pero no sería él quien descubriera el error.

Veinte años más tarde, en 1800, Alessandro G. Volta supuso lo contrario, es decir que era el contacto entre metales distintos lo que generaba la electricidad. Esta idea fue el comienzo de una gran revolución en el tema. Dicha hipótesis pudo comprobarse inmediatamente y le permitió dos grandes avances:

Construir el primer dispositivo químico generador de electricidad, que denominó batería eléctrica, hoy llamada pila.

Obtener por primera vez en la historia una corriente continua y suficientemente estable. Ya no se dependía de la estática.

Bueno, todo es mejorable, y la primer pila de Volta fue perfeccionándose. En 1836 fue mejorada por el británico John Daniell (1790-1845), quien logró mayor estabilidad y duración. Los siguientes adelantos en la materia son otra historia.

Antes de esto, en 1820, se había dado un gran salto en la comprensión acerca de la relación entre la electricidad y el magnetismo. En ese año el físico danés Hans Christian Oersted demostró que una corriente generaba un campo magnético. Siguiendo este descubrimiento, André-Marie Ampère demostró que un solenoide (cable enrollado en forma de resorte) aumentaba considerablemente el campo magnético generado, en proporción directa con la cantidad de vueltas que se le diera al cable.

Así, desde la pila de Volta, que permitió trabajar con una corriente, los descubrimientos se desencadenaron velozmente:

1821: (El año siguiente al descubrimiento de Oersted). Michael Faraday, otro hombre importante para la ciencia, aportó la idea fundamental de la física moderna, por primera vez para describir una fuerza electromagnética se hablaba de campo.

1823: William Sturgeon, aprovechando el efecto de los solenoides, inventó el electroimán. El primero de ellos pudo levantar un peso de 4 Kg.

1827: Georg Simon Ohm definió la resistencia eléctrica y propuso la ley que lleva su nombre: Ley de Ohm.

1831: Faraday desarrolla el transformador y el generador eléctrico. Joseph Henry crea el motor eléctrico y desarrolla un electroimán que levanta una tonelada de hierro.

1883: Nikola Tesla desarrolla un motor que podía funcionar con corriente alterna y ya no con continua. Thomas Alva Edison se oponía al uso de esa corriente, pero sus esfuerzos fueron vanos.

Resultaría monumental la tarea de seguir describiendo los avances hasta el momento en materia de electricidad o de sus posteriores aplicaciones tecnológicas. Pero no sería exagerar si dijéramos que la civilización actual volvería a un estado primitivo de no existir el conocimiento de esta forma de energía. Imagine su propia vida sin electricidad. Desde ya no habría luz eléctrica, ni teléfono o cualquier modo de comunicación a distancia que no sea la imprenta. No habría computadoras, ni cine. Tampoco automóviles porque para ello se necesitó del paso de la pistola de Volta, precursor de las bujías. La medicina retrocedería a sus orígenes, sin rayos X, resonancia magnética, ecografías, etc. El mundo de la alimentación sufriría un gran embate sin la refrigeración. Sin satélites de comunicación ni computadoras la meteorología sería incapaz de predecir huracanes o fenómenos como la Corriente del Niño. Si no hay automóviles, tampoco habrá máquinas de construcción. ¿Habría edificios, puentes, túneles? Tal vez muy pocos. Es verdad, no tendríamos que vernos con los problemas que acarrearon estos avances. ¿Pero, a qué precio?

Imagine un mundo así. No se trata de ver si ese mundo sería mejor o peor, eso es muy difícil de evaluar, tan solo se trata de notar la diferencia.

Electricidad

Términos

Voltio:

Es la unidad de fuerza que impulsa a las cargas eléctricas a que puedan moverse a través de un conductor. Su nombre, voltio, es en honor al físico italiano, profesor en Pavia, Alejandro Volta quien descubrió que las reacciones químicas originadas en dos placas de zinc y cobre sumergidas en ácido sulfúrico originaban una fuerza suficiente para producir cargas eléctricas.

Ohmio:

Unidad de medida de la Resistencia Eléctrica. Y equivale a la resistencia al paso de electricidad que produce un material por el cual circula un flujo de corriente de un amperio, cuando está sometido a una diferencia de potencial de un voltio.

Amperio:

Unidad de medida de la corriente eléctrica, que debe su nombre al físico francés André Marie Ampere, y representa el número de cargas (coulombs) por segundo que pasan por un punto de un material conductor. (1Amperio = 1 coulomb/segundo ).

Culombio

Unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades. Se representa con la letra C y equivale a una carga tal que ejerce una fuerza de 9 x 109 newtons sobre otra carga idéntica situada a 1 metro de distancia. Equivale a la carga de 6,23 x 1018 electrones.

Faradio

Es la unidad de capacidad. Básicamente dice la cantidad de carga que puede tener un condensador cuando pasa un cierto voltaje a través de el. Esto te dice cuanta corriente fluye de al, y por cuanto tiempo, cuando pasa a través de distintos tamaños de resistencias.

Un faradio es extremadamente grande. Un condensador de papel normal que tenga un faradio podrá ser tan grande como tu cocina - sobre todo si es del tipo de alto voltaje. Normalmente usamos condensadores mucho más pequeños - generalmente no son más grandes que un microfaradio. Un microfaradio es un millonésimo de un faradio. En muchos circuitos se usan condensadores mucho más pequeños. Estos son nanofaradios <billonésimos de un faradio> y picofaradios Trillonesimas de un faradio). Un picofaradio se llama a veces un micro-micro faradio, y se escribe xxx F, aunque es mejor escribir pF. Un nanofaradio, se escribe nF. Un microfaradio se escribe xxx F. La letra xxx es la letra minuscula griega `mu'. Como la mayoría de las maquinas de escribir no tienen esta letra se escribe m. A veces aparece la minuscula u porque parece mas a la griega xxx que `mu'.

Tales de Mileto

Filósofo y matemático griego. Nacido en Mileto (624- 546 a.C.) Se lo considera el fundador de la escuela jónica: Consideraba el estudio de los orígenes y planteó que todo era agua o una transformación de ella.

Se le atribuyó el haber predicho, por medio de cálculos, el eclipse del año 585 antes de Cristo. Se lo contaba entre los Siete Sabios, y relata la leyenda que siendo tan distraído, absorto por sus reflexiones, cayó a un pozo por observar el cielo.

Se cree que fue el primero en estudiar el fenómeno magnético (nombre dado por Magnesia, lugar del hallazgo de la piedra imán), como así de trabajar en la propiedad eléctrica del ámbar.

Desde el punto de vista de la electricidad, fue el primero en descubrir que si se frota un trozo de ámbar, este atrae objetos más livianos, y aunque no llego a definir que era debido a la distribución de cargas, si creía que la electricidad residía en el objeto frotado.

De aquí se ha derivado el término electricidad, proveniente de la palabra elektron, que en griego significa ámbar, y que la empezó a emplear hacia el año 1600 d. C., el físico y médico ingles Willian Gilbert, cuando encontró esta propiedad en otros muchos cuerpos

William Gilbert

Médico y físico inglés (Colchester 1540- 1603). Estudió los fenómenos electrostáticos y magnéticos. Clasificó las sustancias eléctricas en dos categorías. Estuvo al servicio de Isabel I y luego de Jacobo I.

Observó las formas que generaba sobre limaduras de hierro un imán. Extendió lo observado al planeta completo y consideró que éste se comportaba como un gran imán. Su obra principal fue: "Nueva teoría acerca del mundo sublunar".

No pudo advertir que los dos campos de su interés, la electricidad y el magnetismo eran en realidad uno solo.

Utilizó el método científico, que recién tomaría fuerza con Galileo, al investigar las creencias de que el ajo acababa con el magnetismo, y que el diamante lo producía. No tuvo más que poner a prueba tales afirmaciones frotando un imán con ajo y con diamante, y así comprobar que no afectaban en nada el magnetismo de dicha piedra. Fue algo sencillo, pero que nadie había hecho hasta entonces.

En sus estudios introdujo el término de inclinación magnética, ya advertida por el navegante inglés Robert Norman en 1576

ELECTROSTATICA

En la Naturaleza existen partículas con carga eléctrica negativa ( por ejemplo los

electrones ) y carga eléctrica positiva ( por ejemplo los protones ).

Dos cuerpos con cargas eléctricas de distinto signo se atraen y dos cuerpos con

cargas eléctricas de igual signo se repelen.

La carga eléctrica es una magnitud escalar y en el Sistema Internacional ( SI ) se

mide en culombios [ C ] .

MODOS DE ELECTRIZAR UN CUERPO

POR FROTACION

Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros, uno quedará con carga eléctrica

positiva y el otro con carga eléctrica negativa.

POR CONTACTO

Si un cuerpo eléctricamente neutro y aislado, se pone en contacto con un cuerpo

eléctricamente cargado, entonces ambos quedarán con carga eléctrica del mismo

signo.

POR INDUCCION

Si se acerca, sin tocarlo, un cuerpo con carga eléctrica ( inductor ) a otro cuerpo

eléctricamente neutro y no aislado ( conectado a tierra, por ejemplo ) y antes de

retirar el inductor se aísla el segundo cuerpo, entonces este último quedará con

carga eléctrica de distinto signo a la del cuerpo inductor.

LEY DE COULOMB

La fuerza de atracción o repulsión ( F ) que actúa entre dos cargas puntuales

( q 1 y q 2 ) , es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente

proporcional al cuadrado de la distancia ( r ) entre ellas.

CAMPO ELECTRICO

Cada carga eléctrica crea en la región circundante un campo eléctrico.

PRINCIPIO DE SUPERPOSICION

Cuando dos cargas eléctricas están en una misma región, el campo resultante será

la suma vectorial de ambos campos.

Este principio es aplicable para cualquier número de cargas eléctricas.

INTENSIDAD DE CAMPO ELECTRICO

La intensidad del campo eléctrico ( E ) creado por una carga puntual fija ( q ) sobre

una carga de prueba ( q 0 ) que está a una distancia ( r ) de q , se define como la

fuerza ( F ) por unidad de carga sobre q 0 y está dada por:

F q

E = ------ = K ´ ------

q 0 r 2

Donde K es la constante de proporcionalidad:

K = 9 ´ 10 9 [ N - m 2 / C 2 ]

La intensidad de campo eléctrico ( E ) es una magnitud vectorial y en el Sistema

Internacional ( SI ) se mide en [ N / C ].

DIFERENCIA DE POTENCIAL ELECTRICO

La diferencia de potencial eléctrico entre los puntos A y B de un campo

eléctrico, es el trabajo realizado ( WAB ) , por unidad de carga, al desplazar una

carga positiva q , conservándola siempre en equilibrio, desde B hasta A :

WAB

VA ð VB = --------

q

POTENCIAL ELECTRICO

Generalmente se escoge un punto B a una distancia infinita de toda carga eléctrica

y se le asigna arbitrariamente al potencial eléctrico VB el valor cero.

De esa forma, el potencial eléctrico en el punto A ( V ) , considerando la ecuación

anterior, se define como:

W

V = ------

q

Donde W representa al trabajo que debe realizar un agente externo para traer

desde el infinito una carga positiva q al punto A .

El potencial eléctrico es una magnitud escalar y en el Sistema Internacional ( SI )

se mide en voltios [ V ] . El trabajo también es una cantidad escalar y se mide en

julios [ J ] .

DIFERENCIA DE POTENCIAL EN UN CAMPO ELECTRICO UNIFORME

Sean A y B dos puntos en un campo eléctrico uniforme de intensidad E . Si B

está a una distancia d de A en la dirección del campo, entonces:

VA - VB = E d

POTENCIAL ELECTRICO DEBIDO A UNA CARGA PUNTO

El potencial eléctrico debido a una carga punto aislada q , en un punto situado

a una distancia r de ella está dado por:

q

V = K ´ -----

r

Donde K es la constante de proporcionalidad:

K = 9 ð 10 9 [ N ð m 2 / C 2 ]

ENERGIA POTENCIAL ELECTRICA

La energía potencial eléctrica ( U ) es una magnitud escalar y en el Sistema

Internacional ( SI ) se mide en julios [ J ] .

En un sistema formado por dos cargas punto q 1 y q 2 , la energía potencial

eléctrica está dada por la siguiente relación:

q 1 ð q 2

U = K ð ---------------

r

Donde K es la constante de proporcionalidad:

K = 9 ð 10 9 [ N ð m 2 / C 2 ]

Para sistemas formados por más de dos cargas punto, la energía potencial

eléctrica es la suma algebraica de las energías potenciales eléctricas de cada par

de cargas.

ELECTRODINAMICA

INTENSIDAD DE CORRIENTE ELECTRICA

La intensidad de corriente eléctrica en un conductor, es la cantidad de carga

eléctrica ( q ) que pasa por una sección transversal de él en una unidad de tiempo.

q

I = -----

t

La intensidad de corriente eléctrica es una magnitud escalar y en el Sistema

Internacional ( SI ) se mide en amperios [ A ] .

RESISTENCIA ELECTRICA

Todo conductor posee una resistencia eléctrica ( R ) , debido a que presenta una

cierta oposición al paso de la corriente eléctrica. Esta resistencia se define como

el cuociente entre la diferencia de potencial eléctrico aplicada a sus extremos y la

intensidad de la corriente que circula por él:

V

R = -----

I

La resistencia eléctrica es una magnitud escalar y en el Sistema Internacional ( SI )

se mide en ohmios [ ð ] .

LEY DE OHM

En todo conductor, la diferencia de potencial ( V ) aplicada entre sus extremos,

es directamente proporcional a la intensidad de la corriente ( I ) que circula por él.

Es decir, su resistencia eléctrica ( R ) es independiente de la diferencia de potencial

eléctrico aplicada entre sus extremos:

V

R = ----- = constante

I

Es necesario hacer notar que no todos los conductores obedecen esta ley.

RESISTIVIDAD ELECTRICA

La resistividad eléctrica de un conductor ( ρ ) , es su resistencia ( R ) por unidad de

área de su sección transversal ( A ) y por unidad de longitud ( ð ):

A

ρ = R ð -----

ð

La resistividad eléctrica es una magnitud escalar y en el Sistema Internacional ( SI )

se mide en [ ð ð m ] .

CONDUCTIVIDAD ELECTRICA

La conductividad eléctrica de un conductor ( σ ) , es el valor recíproco de su

resistividad eléctrica ( ρ ) :

1

σ = -----

ρ

La conductividad eléctrica es una magnitud escalar y en el Sistema Internacional

( SI ) se mide en siemens / metro [ S / m ] .

POTENCIA ELECTRICA

La potencia eléctrica ( P ) es el trabajo ( W ) realizado en transportar una carga

eléctrica por unidad de tiempo ( t ) :

W

P = -----

t

La potencia eléctrica es una magnitud escalar y en el Sistema Internacional ( SI )

se mide en vatios [ W ] .

CIRCUITOS ELECTRICOS

CONEXION EN SERIE

Si dos resistencias R 1 y R 2 se conectan en serie, en un circuito eléctrico, la

resistencia equivalente R e a ambas está dada por la siguiente relación:

R e = R 1 + R 2

CONEXION EN PARALELO

Si dos resistencias R 1 y R 2 se conectan en paralelo, en un circuito eléctrico, la

resistencia equivalente R e a ambas está dada por la siguiente relación:

1 1 1

------ = ------ + -------

R e R 1 R 2

LEYES DE KIRCHHOFF

PRIMERA LEY

La suma algebraica de las intensidades de corriente en un nodo es igual a cero.

SEGUNDA LEY

La suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico que se encuentran

al seguir un circuito completo es igual a cero.

LEY DE JOULE

La cantidad de calor ( en calorías ) que produce el paso de una corriente eléctrica

por un conductor, está dada por:

Q = 0,24 ð V ð I ð t [ cal ]

Donde I es la intensidad de corriente eléctrica, V la diferencia de potencial

eléctrico y t el tiempo de circulación de la corriente.

Inventos, Descubrimientos e Innovaciones de los siglos XV - XVI y XVII :

1447 Gutember (Alemán) Imprenta 1628 Harvey (Inglés) Circulación Sanguínea

1583 Galileo (Italiano) Péndulo 1642 Pascal (Francés) Máquina sumadora

1589 Harington (Inglés) W.C. 1643 Torricelli (Italiano) Barómetro

1590 Galileo (Italiano) Ley de caída de cuerpos 1654 Guericke (Alemán) Máquina neumática

1593 Galileo (Italiano) Termómetro 1657 Huygens (Alemán) Péndulo del Reloj

1608 Lippershey (Holandés) Telescopio 1661 Boyle (Irlandés) Metanól

1609 Galileo (Italiano) Telescopio 1670 Newton (Inglés) Cálculo

1609 Kepler (Alemán) Movimiento de los Planetas 1675 Roemer (Danés) Velocidad de la luz

1614 Napier (Escocés) Logaritmo 1687 Newton (Inglés) Ley de Gravedad

1619 Descarte (Francés) Geometría 1687 Newton (Inglés) Ley del Movimiento

1620 Oughtred (Inglés) Regla de Cálculo 1690 Huygens (Alemán) Teoría de Ondas de la Luz

Inventos, Descubrimientos e Innovaciones en el siglo XVIII:

1709 Cristófori (Italiano) Piano 1777 Lavoisier (Francés) Explicación Combustión

1714 Fahrenheit (Alemán) Temómetro de Mercurio 1778 Jouffroy (Francés) Bote de Vapor Experimental

1745 Von Kleist (Alemán) Botella de Leyden 1780 Franklin (US) Lentes Bifocales

1745 Musschenbroeck (Alemán) Botella de Leyden 1783 Montgolfier (Francés) El Globo

1752 Franklin (US) Pararrayos 1785 Cartwright (Ingl\'e9s) Telar Mecánico

1761 Harrison (Inglés) Cronómetro 1785 Blanchard (Francés) Paracaídas

1769 Watt (Escocés) Máquina de Vapor 1785 Ransome (Inglés) Arado de Hierro Fundido

1770 Cugnot (Francés) Carro de Vapor 1792 Murduch (Escocés) Lámpara de Gas

1774 Priestley (Inglés) Oxígeno 1796 Senefelder (Bohemio-Alemán) Litografía

1777 Miller (Inglés) Sierra Circular 1797 Wittemor (US) Máquina de Tarjeta

Descubrimientos e Innovaciones en el siglo XIX:

1800 Volta (Italiano) Pila

1849 Bourding (Francés) Turbina Gas

1885 Benz (Alemán) Auto, Engra. Dif.

1802 Symington (Escocés) Bote Vapor

1849 Francis (US) Turbina Hidráulica

1885 Daimier (Alemán) Motocicleta

1824 Aspdin (Inglés) Cemento Portland

1858 Siemens (Alemán) Horno p/ acería

1885 Stanley (US) Transformador Elct.

1828 Henrry (US) Electromagneto

1864 Marcus (US) Automóvil Exp.

1887 Tesla (US) Motor de Inducción

1835 Talbot (Inglés) Fotografía

1866 Nobel (Suizo) Dinamita

1888 Eastman (US) Cámara Kodak

1837 Davenport (US) Motor CD

1868 Gramme (Belga) Dinámo de CD

1889 Daimier (Alemán) Motor Gasolina

1837 Morse (US) Telégrafo

1876 Otto (Alemán) Motor 4 ciclos

1892 Tesla (US) Motor CA

1845 Hoe (US) Rotatíva

1876 Bell (US) Teléfono

1892 Morrinson (US) Auto. Eléctrico

1846 Howe (US) Máquina de coser

1879 Edison (US) Lámpara Incandescente

1893 Tesla (US) Radio

1847 Staite (Inglés) Lámpara de Arco

1882 Wheeler (US) Ventilador Eléctrico

1895 Diesel (Alemán) Motor Diesel

Aporte a la electricidad

La importancia de la electricidad radica en que es una de las principales formas de energía usadas en el mundo actual. Sin ella la iluminación, comunicación, teléfono, radio, no existiría y las personas que tuvieran que prescindir de aparatos eléctricos que ya llegaron a constituir parte integrante del hogar. Además sin la electricidad el campo del transporte no sería lo que es en la actualidad. De hecho puede decirse que la electricidad se usa en todas partes.