Tema 3: La electricidad Eje temático: Física. El sonido – La luz – La electricidad Contenido: La electricidad

Carga y Corriente eléctrica ¿Qué hace funcionar a los artefactos eléctricos? Pensemos en los artefactos eléctricos y electrónicos con los que interactuamos a diario en las industrias, medios de comunicación y transporte, y en el hogar. Podemos ver televisión, prender una lámpara, iluminar nuestras calles, usar teléfonos celulares. Todos constituyen un conjunto de inventos sin los cuales resulta difícil imaginar nuestras vidas hoy. Hace poco más de cien años nada de lo descrito existía y la vida de las personas era muy distinta. Pero cada uno de estos artefactos funciona con lo que llamamos electricidad: la televisión debe ser conectada a un enchufe, los automóviles cuentan con baterías para iluminar el camino, los teléfonos celulares también funcionan con baterías, etc. ¿Y qué es la electricidad? Podríamos asumir que es una propiedad general de la materia. Pero ¿en qué consiste? Partiremos con el concepto de cargas eléctricas. Todos los cuerpos se dice que son eléctricamente neutros. Las cargas eléctricas pueden ser negativas o positivas, por lo tanto que algo sea neutro quiere decir que tiene el mismo número de cargas positivas que negativas. Cuando esto no ocurre, o sea, un cuerpo posee más cargas de un tipo que del otro, se dice que los cuerpos están electrizados y manifiestan poderosas fuerzas de atracción o de repulsión. Las cargas opuestas se atraen y las iguales se repelen. Los cuerpos electrizados atraen a los eléctricamente neutros. La electrostática corresponde al estudio de las fuerzas que ejercen las cargas cuando están en reposo (o su movimiento no es significativo), en contraposición con la electrodinámica, que corresponde al estudio de los fenómenos que se producen cuando las cargas eléctricas están en movimiento. En este último caso hablamos de corriente eléctrica. Un ejemplo de electrificación es lo que ocurre cuando frotamos una peineta o un plástico con nuestro cabello. Al acercarla a papel picado –eléctricamente neutro– podemos ver que ambos cuerpos se atraen. Los “chispazos” que ocurren cuando nos sacamos un chaleco de lana es también producto de estas fuerzas, que esta vez se manifiestan como pequeñas chispitas.

La electricidad sería entonces aquel fenómeno que se observa cuando hay diferencias de carga eléctrica entre dos cuerpos. ¿Cómo electrizar un cuerpo? Hay principalmente dos formas de electrizar un cuerpo: la frotación y el contacto. En la primera, dos cuerpos de distinto material pasan más cargas eléctricas de uno al otro debido a que las partículas que los forman presentan algunas asimetrías, por lo que ambos cuerpos quedan electrizados con carga eléctrica de signos distintos. En la antigua Grecia observaban este fenómeno al frotar con pieles una resina de color ámbar que llamaban elektron. De aquí provienen la palabra electricidad y sus derivados. Pero ¿cuál cuerpo quedará con carga positiva y cuál con carga negativa? Para ello se ha convenido que al frotar VIDRIO con SEDA (inicialmente neutros), se define como POSITIVA la carga eléctrica que adquiere el vidrio y como NEGATIVA la que adquiere la seda. Por lo tanto, todos los cuerpos cargados que sean repelidos por el vidrio y atraídos por la seda tendrán carga positiva, y todos los cuerpos cargados que sean atraídos por el vidrio y repelidos por la seda tendrán carga negativa.

Cuando un cuerpo conductor (que puede conducir cargas eléctricas) es electrizado, las cargas se repelen entre sí, terminando por distribuirse en la periferia del cuerpo. Si A y B son dos cuerpos conductores, A electrizado y B neutro, al ponerlos en contacto y luego separarlos, ambos quedan electrizados con cargas del mismo signo, según se indica en la siguiente figura.

La cantidad de cargas que adquiere cada uno depende del tamaño y forma que tengan. Si se trata de dos esferas, quedan más cargas en la de mayor volumen. Si el cuerpo B es muy grande, infinitamente grande en relación al tamaño de A, como del porte de nuestro planeta en relación al de una persona, el cuerpo A queda neutro y B, el grande, se denomina TIERRA y se simboliza:

El conectar un cuerpo a tierra garantiza que su estado eléctrico después será neutro. El contacto central de los enchufes de la red eléctrica domiciliaria es una conexión local a tierra. Dispositivos con caja exterior metálica, como lavadoras, refrigeradores, planchas, etc. deben tener, por razones de seguridad, dicha caja conectada a tierra. El pararrayos, inventado en 1753 por Benjamín Franklin, es básicamente una conexión a tierra, cuya finalidad es proteger a los edificios de los rayos que se producen en las tormentas eléctricas. Se trata de un conductor en que un extremo se encuentra enterrado en el suelo y el otro, terminado en punta, por encima de la construcción. ¿Cómo se conduce la electricidad? Cuando en un cuerpo eléctricamente cargado el exceso de cargas eléctricas tiene la posibilidad de moverse, decimos que el cuerpo es un conductor eléctrico. Si esta posibilidad no existe, decimos que el cuerpo es un aislador eléctrico. La siguiente figura ilustra una analogía entre los cuerpos conductores y aislantes y los automóviles en una carretera.

Entre los materiales que nos rodean, algunos son mejores conductores que otros. En situaciones ordinarias, ellos pueden ordenarse del modo que se ilustra en la siguiente figura: desde aisladores (o malos conductores) a muy buenos conductores, pasando por un grupo de materiales denominados semiconductores.

Para el caso del agua, ésta funciona como aislador solamente si está pura, por lo tanto la que sale de las llaves, la de ríos y mares es un muy buen conductor eléctrico, debido a las sales que posee, que son cargas disueltas. Lo mismo ocurre con el aire que respiramos. Normalmente, cuando se trata de instalaciones eléctricas domésticas, es un muy buen aislador, pero en ciertas circunstancias se hace conductor. Esto es lo que sucede cuando observamos una chispa eléctrica o un rayo en una tormenta, que no es otra cosa que una gran chispa. La tecnología, la electricidad y, especialmente, la electrónica moderna pueden ser entendidas como el arte de combinar adecuadamente conductores, aisladores y semiconductores. Una simple lámpara de escritorio posee partes elaboradas con materiales conductores (alambres de cobre, la rosca de la ampolleta, contactos), otras con aisladores (el vidrio, la cubierta plástica de los alambres, enchufes e interruptores) y otras con ni

tan buenos ni tan malos conductores como los anteriores (el filamento, por ejemplo). En los dispositivos electrónicos, como transistores y circuitos integrados o chips, hay, además, materiales semiconductores (como el silicio y el germanio). ¿Qué se mide en electricidad? Usamos el kilogramo para medir la masa de un cuerpo, el metro para medir su longitud y el segundo para medir el tiempo. Ello corresponde al Sistema Internacional de unidades. Existen otras magnitudes que requieren de medidas, como lo son la fuerza –capacidad de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo, que se mide en newtons (N)–, la energía –capacidad de realizar una fuerza, medida en joule (J)– y potencia –energía utilizada por unidad de tiempo, medida en watts (W)–. La unidad de carga eléctrica es el coulomb, que abreviaremos con la letra C. Este nombre se debe a Charles Agustín Coulomb, notable físico francés que abordó el estudio de la electricidad desde el punto de vista cuantitativo. Está definido que un cuerpo posee una carga de 1 coulomb (1 C) cuando está a 1 metro de distancia de otra idéntica en el vacío y se repele con ella con una fuerza de 9 × 109 newton. Cuando señalamos que existen partículas o cargas que se mueven, o que generan cuerpos cargados, nos referimos a partículas elementales de los cuerpos. Una de éstas, la que está principalmente relacionada con la electricidad, es el electrón. Se trata de una partícula muy pequeña que posee una masa de apenas 9,1 × 10–31 kg y una carga eléctrica de 1,6 × 10–19 coulombs. Cuando un cuerpo posee una carga negativa de 1 C debe tener un exceso de 6,25 × 1018 electrones. Cuando hablamos de una corriente eléctrica nos referimos a un flujo de electrones que viaja por un conductor eléctrico. Cuando enchufamos una artefacto a la red eléctrica, o lo hacemos a los terminales de una pila o batería, o a los terminales de una celda solar, observamos que siempre existen dos extremos, algunas veces señalados con el signo (+) o el signo (-). Estos dispositivos son conocidos como fuentes de potencial eléctrico o voltaje y suministran energía eléctrica –capacidad de realizar trabajo eléctrico o generar una corriente eléctrica- para que funcionen muchos de los aparatos que usamos a diario. Los terminales presentan una diferencia de carga y de potencial que permite el flujo de cargas por un conductor que hace contacto con ambos terminales. La unidad en que se mide el voltaje en el Sistema Internacional es el volt, llamado así en honor a Alejandro Volta, inventor de la pila eléctrica. El voltaje que proporcionan las pilas entre sus contactos es normalmente de 1,5 volts, en una batería (o conjunto de pilas) pueden ser 9 volts, 12 volts, etc. y, en Chile, en los enchufes de la red eléctrica, 220 volts.

Las fuentes de potencial eléctrico se representan como se ve en la figura.

La energía es una magnitud que sufre constantes transformaciones, no se crea ni se destruye. En las pilas y baterías, la energía se transforma de energía química a eléctrica; en el dínamo, de energía mecánica a eléctrica, y en la red domiciliaria, de energía eléctrica a cualquiera, dependiendo del artefacto que conectemos. ¿Hay alguna diferencia entre la energía eléctrica que proporcionan las pilas y la que proporciona la red domiciliaria? Las pilas y baterías proporcionan un voltaje estable en el tiempo, que genera una corriente que va siempre desde una terminal a la otra. En el caso de la red domiciliaria, el voltaje varía con cierta frecuencia, generando una corriente que se alterna entre las dos terminales. Llamaremos al primer caso corriente continua (CC), y al segundo corriente alterna (CA). ¿Cuál es la diferencia entre voltaje, corriente y energía? Supongamos que entre los contactos de una batería se indica que existen 12 volts. El concepto de voltaje podríamos entenderlo de dos maneras: 1) Si conectamos un artefacto a dicha batería, por ejemplo una ampolleta, la batería entregará una energía (E) de 12 joule por cada coulomb de carga (q) que pase por la ampolleta. La siguiente figura ilustra esta idea.

2) El fabricante de la batería debió almacenar en ella una energía de 12 joules por cada coulomb de carga que trasladó entre sus contactos. Esto puede expresarse así:

Por lo tanto, el voltaje sería la energía que posee una carga de 1 C. A aplicar un voltaje entre dos puntos de un conductor, se establece una corriente eléctrica, que no es más que el traslado de cargas eléctricas desde un punto al otro del conductor. En los sólidos, los responsables de esta corriente son los electrones libres –subpartículas de los átomos o partículas fundamentales–, mientras en los fluidos suelen participar además átomos cargados o iones. La siguiente figura ilustra un alambre de cobre entre cuyos extremos se ha establecido un voltaje V. Como en el cobre hay una gran cantidad de electrones libres, se mueven en el sentido de – a +, estableciéndose en el alambre una corriente eléctrica. Por convenio, antes de saber siquiera de la existencia de átomos y electrones, se acordó definir el sentido de la corriente eléctrica de + a –.

Un modo de comprender la corriente eléctrica es haciendo un paralelismo con el movimiento del agua que fluye de un recipiente a otro a través de una cañería, como se ilustra en la figura.

Las cargas eléctricas son análogas al agua y la diferencia de potencial eléctrico (o voltaje) al desnivel entre los recipientes. El flujo de agua depende del desnivel entre los recipientes, del diámetro de la cañería, del mismo modo que la corriente eléctrica depende del voltaje y del conductor por donde circule. Se define la intensidad de corriente eléctrica (i) como la razón entre la cantidad de carga (q) –en colulombs– que atraviesa una sección del conductor y el tiempo (t) –en segundos– que ella tarda en atravesarlo; es decir:

Esta unidad se denomina amper (A) en honor del físico André Ampére. Es de uso frecuente también el miliamper (1 mA = 0,001 A). Este concepto es comparable al de intensidad de tráfico (iT) aplicable a las calles. En efecto, los ingenieros de tránsito la definen como

Si por una calle pasan 100 automóviles en 2 horas, la intensidad de tráfico en ella será

50 Análogamente, que una corriente eléctrica en un conductor sea, por ejemplo, de 10 amperes, significa que por su sección pasan 10 coulomb en cada segundo. ¿Cómo medimos las variables en electricidad? Como para medir masa usamos una balanza, igualmente hay instrumentos destinados a efectuar las mediciones eléctricas. Aquí veremos dos: el voltímetro y el amperímetro, ilustrados en la siguiente figura.

El voltímetro tiene el aspecto y símbolo que se indican en la figura. Mide directamente la diferencia de potencial eléctrico o voltaje que se le aplique. Debe tenerse la precaución de respetar la polaridad (positivo con positivo y negativo con negativo) en el caso de corriente continua, y asegurarse de que el voltaje por medir no sea mayor que la escala del instrumento. En caso contrario, el instrumento puede dañarse. El amperímetro tiene el aspecto y símbolo que se indican en la figura. Mide la intensidad de corriente eléctrica que pasa a través de él. Si bien su aspecto y símbolo son similares al de un voltímetro y es fácil confundirse, se emplea de un modo muy distinto: debe intercalarse en el circuito en que se quiere medir la corriente, y el dispositivo debe estar funcionando. También, si se trata de CC, hay que respetar la polaridad, y asegurarse de que la corriente no sea mayor que su escala de medición. La siguiente figura ilustra el modo correcto de emplear estos dos instrumentos.

¿Cómo se relaciona el voltaje con la intensidad de la corriente eléctrica? Considera el experimento que se ilustra en la siguiente figura. Por medio de pilas se hace circular una corriente por un trozo de grafito. Con un amperímetro se mide la intensidad de corriente que se produce con una, dos, tres, etc. pilas conectadas en serie. Ello modifica el voltaje del sistema, y por lo tanto para cada medida de voltaje tendremos una medida de intensidad de corriente.

El conjunto de datos obtenidos puede reunirse en una tabla y representarse en un gráfico, como se observa en la figura. Los datos muestran una relación directamente proporcional entre el voltaje y la intensidad de corriente. Por lo tanto, podemos escribir:

Esta expresión se denomina ley de Ohm. Se dice que los conductores en los que esto se cumple son ohmmicos y a la constante de la ecuación se le denomina resistencia eléctrica del conductor y se le designa con la letra R, razón por la cual la ley de Ohm suele expresarse como:

En el SI de unidades V se mide en volts, e i, la intensidad de corriente, en amperes. Por lo tanto, la resistencia eléctrica R resulta expresada en

Esta unidad se denomina Ohm y se simboliza con la letra griega omega mayúscula (Ω). Así, por ejemplo, si al aplicar a un conductor ohmmico una diferencia de potencial eléctrico de 100 volts, circula por él una corriente de 5 amperes, entonces su resistencia eléctrica es de 20 ohms. Los dispositivos eléctricos y electrónicos (ampolletas, refrigeradores, radios, etc.) son conductores que poseen una determinada resistencia eléctrica. A todos ellos los representaremos con uno de los dos símbolos que se indican en la figura.

¿De qué depende la resistencia eléctrica de un conductor? Existen materiales que son mejores conductores de electricidad que otros, y ello depende de: La geometría del conductor, es decir, de su forma en relación con los puntos en que se aplica el voltaje. Para un conductor cilíndrico, como el de la figura, de largo L y sección transversal de área A, la resistencia R resulta ser, en relación con sus extremos, directamente proporcional a L e inversamente proporcional a A; es decir

Mientras más largo y angosto es el conductor, mayor resistencia opone a la corriente, en tanto que si es más corto y ancho, menos resistencia opone. El material con que está construido el conductor también influye. La constante de proporcionalidad que aparece en la relación anterior refleja esta característica, que se denomina resistividad, y que es específica para cada material. Su unidad en el SI es: ohm × metro = Ωm. En la siguiente tabla se dan valores aproximados de la resistividad de algunos materiales cuando están a 20 °C.

La temperatura a la cual se encuentra el material es otro factor que influye. De un modo general, puede decirse que la resistencia eléctrica de los conductores depende proporcionalmente de la temperatura que tengan. La proporcionalidad no es directa, pero a mayor temperatura, mayor es la resistencia eléctrica. ¿Qué es la ampolleta? Este extraordinario invento de Thomas Alba Edison, que cambió la vida nocturna de las personas, tiene un funcionamiento muy simple. Herméticamente encerrado en un bulbo de vidrio sin oxígeno se halla un fino filamento de tungsteno (o wolframio). Al circular corriente por él, debido al aumento de temperatura que experimenta, emite luz por incandescencia y no se quema. Otra característica de este material es que posee una temperatura de fusión de más de 3000° C. Si encendemos la ampolleta en un ambiente con oxígeno, el filamento se inflama y se quema.

¿Qué son los fusibles? Básicamente, son conductores cuyo material y dimensiones están calculados para que se quemen cuando la corriente sobrepasa cierta cantidad de amperes. El propósito general de los fusibles, que se encuentran en una gran variedad de formas y tamaños, es proteger los circuitos eléctricos de corrientes eléctricas que los puedan dañar. Un fusible para 3 A, como el de la figura, asegura que por el circuito del que forme parte no circulará una corriente mayor que esa. Cuando ello ocurre, el fusible corta el paso de corriente y se produce un corte de energía eléctrica en el circuito.

¿Qué es la potencia? La potencia (W), cuya unidad en el SI es el watt, es la razón entre la energía (E) que se transforma y el tiempo (t) en que ello se produce, es decir:

Como la energía eléctrica es el producto entre el voltaje y la carga, (E =Vq), tenemos que la potencia será:

Pero la razón q/t corresponde a la intensidad de corriente i. Entonces la potencia será W=V·i, expresión conocida como ley de Joule. Esto significa, por ejemplo, que si por un artefacto circula una corriente de 1 amper, al aplicarle un voltaje de 1 volt disipa energía (luz, calor, sonido,

etc.) a razón de un 1 segundo

joule; o sea, 1 watt.

Aplicaciones de las leyes de Ohm y Joule Resumiendo, existen cuatro conceptos importantes y dos leyes –o relaciones que siempre se cumplen– que las relacionan matemáticamente. El siguiente cuadro los muestra.

Si has observado los artefactos eléctricos, podrás haber notado que los fabricantes especifican el valor de al menos dos de estos cuatro conceptos. Las leyes de Ohm y Joule permiten determinar los otros dos. ¿Qué son los circuitos eléctricos? Un circuito es un recorrido en que se parte de un punto llegando otro punto que puede ser el mismo desde el cual se partió. En electricidad existen distintos tipos de circuitos. Un ejemplo de circuito simple es el que se ilustra en la figura (el caso de una linterna).

En éste puede observarse que el circuito comienza en el polo positivo de una pila, luego sigue por el conductor hasta la ampolleta y se mueve por su filamento. Posteriormente vuelve al conductor y pasa por un interruptor, el que está conectado mediante un conductor al polo negativo de la pila. Sólo circulará corriente cuando el circuito esté cerrado, o sea, cuando el interruptor esté cerrado, permitiendo el contacto eléctrico entre los conductores. En la misma figura se muestra el circuito, pero como un esquema. La fuente de voltaje o potencial es la pila y se dibuja como lo indica la figura, con el polo positivo de mayor tamaño que el negativo. La dirección de la corriente es desde el polo positivo al negativo. La ampolleta se representa como una resistencia y el interruptor como un quiebre entre dos puntos del conductor. En la siguiente figura se representa un circuito en serie. En este caso existen más elementos de resistencia (R1, R2, R3), que podrían ser ampolletas, y se disponen de modo que queden uno a continuación del otro. Además se observa que la generación de voltaje tiene más elementos, como ocurre cuando conectamos varias pilas. En todos los elementos del circuito circula la misma intensidad de corriente. Un buen ejemplo de este tipo de circuito es el de las guirnaldas navideñas más simples. Si deja de circular corriente por uno de sus elementos, deja de circular por todos.

La siguiente figura muestra un circuito en paralelo. Esta vez los elementos de resistencia (R1, R2, R3) se disponen de modo que los contactos de cada elemento de resistencia se conectan con los de todos los demás, y los dos contactos que quedan, con la batería o dispositivo generador de potencial eléctrico.

En este circuito, todos los elementos están conectados al mismo voltaje, pero la intensidad de corriente se distribuirá entre las resistencias. Un ejemplo de este tipo de circuito es el de las instalaciones eléctricas domiciliarias. A todos los artefactos y enchufes llegan los mismos 220 volts. La siguiente figura ilustra un circuito de una casa. Los interruptores pueden estar dentro o fuera de los artefactos que usamos comúnmente. Además, se puede observar un interruptor general que corta el paso de corriente eléctrica de todo el circuito.

Cuando combinamos los tipos de circuitos descritos arriba, obtenemos un circuito mixto, en el cual algunos elementos están conectados en serie y otros en paralelo. En el ejemplo de la figura siguiente, R2, R3 y R4 están conectados en serie entre sí, y este conjunto está conectado en paralelo con R1.

La generación de cargas eléctricas y su transporte en un conductor son los principales fenómenos que explican lo que conocemos como electricidad.