LA ELECTRICIDAD. BREVE EXPLICACION.
En estos días sería extraño encontrar a alguien que no
haya experimentado nunca la simple maravilla de accionar un interruptor y ver encenderse una luz eléctrica. Todo el mundo
acepta un suceso cotidiano como éste, pero ¿Cuántos comprenden por qué se produce? Resulta sencillo dejar de lado esta cuestión
haciendo una afirmación de tipo general como EL INTERRUPTOR CONECTA EL BOMBILLO CON LA LINEA
DE ENERGIA.
¿Pero qué sucede cuando el bombillo se conecta con la línea? ¿Cómo pasa la energía por unos alambres macizos? ¿Qué es lo que
hace que funcione una radio? ¿ Qué hay detrás del sintonizador (dial), que nos permite escuchar una sola emisora, y no a las
varias de miles que están transmitiendo al mismo tiempo?
No existe una respuesta única y sencilla para ninguna
de estas preguntas. Cada una de ellas requiere la comprensión de muchos principios básicos.
Cuando se acciona el interruptor de la luz y ésta se enciende,
la energía dispone de un camino desde el interruptor hasta el bombillo. Generalmente los caminos utilizados son alambres de cobre, y las diminutas partículas que se mueven y transportan
la energía reciben el nombre de ELECTRONES.
Para explicar lo que significa el ELECTRON, sería necesario investigar con mayor detalle la constitución de la MATERIA.
La teoría actual sobre la constitución de la materia establece que todas las sustancias están formadas
por átomos y moléculas. Estas últimas
son asociaciones de átomos, arreglados de tal forma que cada disposición particular de los mismos da origen a diferentes tipos
de materiales. Cada átomo consta de un núcleo con una cantidad determinada de protones y neutrones, de acuerdo a la sustancia
de la cual se trata. Alrededor del núcleo, en orbitas circulares o elípticas, giran los electrones.
La palabra “materia”
significa, en un sentido general, cualquier cosa que puede ser tocada. Incluye sustancias tales como goma, sal, madera, agua,
vidrio, cobre, aire, etc. El mundo entero está hecho con diversas clases de materia.
El agua es una de las más comunes entre las muchas clases de materia. Si una gota de agua se divide en dos, después en cuatro, y así sucesivamente,
hasta que ya no pueda dividirse más sin dejar de ser agua, a la menor partícula
obtenida se le llama MOLÉCULA DE AGUA. La molécula de agua puede dividirse en partículas menores, pero estas nuevas partículas ya no son agua.
Loas físicos han determinado que son tres las partículas
que forman una molécula de agua, dos ATOMOS de Hidrógeno y un ÁTOMO de 0xígeno. A temperaturas normales, el oxígeno es uno
de los diversos gases que constituyen el aire que respiramos. También el hidrógeno es un gas en estado natural. Se le encuentra
en aplicaciones cotidiana como parte del gas utilizado para cocinas.
Se ha determinado que también los átomos son divisibles.
Un átomo está formado por dos tipos de partículas
llamadas, PROTONES y NEUTRONES. Ambas son partículas eléctricas:
ELECTRONES, son las partículas menores y más ligeras. Ellos tienen carga NEGATIVAS.
PROTONES, son alrededor 1.800 veces más pesados que los electrones y están rodeado
de un campo eléctrico POSITIVO.
NEUTRON, partícula neutra; resultado cuando las líneas de fuerza del electrón se
unen con las fuerzas del protón.
Los electrones
se repelen entre sí e igualmente sucede con los protones; sin embargo, electrones y protones se atraen entre sí, siguiendo de esta manera la
Ley básica de Física donde cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen.
LEY DE COULOMB.
Charles Coulomb (1736 – 1806) fue un coronel de las fuerzas armadas francesas que en el año 1784
realizó una serie de experimentos mediante una balanza de torsión, inventada por él mismo, para determinar cuantitativamente
la fuerza mutua entre dos cuerpos cargados. Sus resultados se conoce como la
Ley de Coulomb que establece lo siguiente:
“La
fuerza eléctrica mutua que surge entre dos objetos cargados, muy pequeños,
separados por una distancia relativamente grande en relación
con sus tamaños (Cargas Puntuales) está dirigida a lo largo de la línea que une a las dos cargas. Es de atracción si las cargas tienen
signos distintos y de repulsión si tienen signos iguales. La fuerza es directamente proporcional al valor de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
que los separa”.
La Magnitud de la Fuerza
dada por la Ley de Coulomb se escribe de la siguiente manera:
F = k q1.q2 k = ___1___ p
=3,1416
r2 4pe0
e0 =
8,854.10-12C2/Nm2
q y q = cargas
positivas o negativas que interactúan.
r = distancia
que separa las cargas.
k = Constante
de proporcionalidad;
k = 9.10 Nm2
C2
e0 = Permitividad eléctrica en el vacío
La Unidad fundamental de carga es el Coulomb (C), pero es tan grande que normalmente se usan los submúltiplos
como microcoulomb (mC), nanocoulomb (nC), picocoulomb (pC).
En el Sistema Internacional de Medidas (SI) la carga q se mide en Coulomb (C), la distancia en metros (m) y la fuerza F en Newtons (N).
1m C =
10-6 C. 1nC = 10-9 C. 1pC = 10-12C.
q1( - ) q2(
+ ) q3(
+ )
La fuerza ejercida por q1, sobre q2 es una fuerza de atracción por ser cargas de signos opuestos. La de q3 sobre q2 es de repulsión por tratarse
de cargas de igual signo.
CAMPO ELECTRICO.
El campo eléctrico es la región de espacio en la que se ejercen fuerzas atractivas
y repulsivas originadas por las cargas eléctricas que se sitúan en él.
Para analizar las características de un campo eléctrico es necesario definir una serie de magnitudes que
determinan su estado físico: Intensidad, su dirección
y el sentido de las líneas de fuerza y el potencial.
La intensidad es una magnitud vectorial que corresponde a la relación
entre la fuerza ejercida sobre la unidad de carga positiva situada en un determinado punto del campo y la propia carga.
F
E
= ----------
q
E= campo eléctrico.
F= fuerza.
q = carga.
La dirección del vector de campo es la de la fuerza F ejercida sobre
la unidad de carga y su sentido se orienta alejándose de la carga generadora del campo cuando ésta es positiva y aproximándose
cuando es negativa.
Los campos eléctricos se representan mediante sus líneas de fuerzas o líneas de campo, que se trazan a partir de la trayectoria
que siguen los cuerpos, partículas y masas puntuales al someterse de forma libre a la acción del Campo.
CAMPO MAGNETICO.
El estudio de las fuerzas magnéticas se lleva a cabo a partir de un razonamiento paralelo al utilizado
en el análisis de los fenómenos electrostático. Se define un campo magnético como
la región de espacio en la que se manifiestan los efectos de las fuerzas magnéticas.
Esta porción de espacio es considerada una magnitud vectorial y, por consiguiente, su intensidad
en un punto es la relación entre la fuerza a la que está sometido un polo magnético
situado en dicho punto y la cantidad de
magnetismo del polo
_F___
H =
m
Un imán natural tiene la particularidad de atraer la limadura de hierro. La parte del cuerpo sobre las que se deposita
la limadura reciben el nombre de polos magnéticos del imán.
Si se dispone de un imán sobre un soporte puntual. De forma que pueda desplazarse libremente, se observa que uno de
sus extremos se orienta hacia el Norte geográfico; este extremo se designa como polo
Norte y el punto opuesto se le denomina polo
Sur.
La ELECTRICIDAD se ha venido utilizando de diferentes maneras desde su
descubrimiento hasta nuestros días.
Primero fue utilizada a manera de experimentación y presentación de dichos experimentos en reuniones sociales.
El acontecimiento más relevante del uso de la electricidad
al, servicio de la comunidad, lo marca la invención de la lámpara incandescente llevada a cabo por Thomas Alva Edison
(1847 – 1931).
A partir de esta fecha se fue diversificando el uso de
la electricidad, comenzando por el alumbrado local y posteriormente por el alumbrado público.
El uso de la electricidad en la vida moderna es imprescindible.
Difícilmente, una sociedad civilizada, puede concebirse sin el uso de la electricidad.
La industria eléctrica moderna, a través de la Tecnología ha puesto a disposición de la sociedad el uso de
máquinas eléctricas que facilitan las labores del hogar haciendo la vida más placentera.
Las máquinas o artefactos eléctricos que proporcionan
comodidad, ahorro de tiempo y disminución de la carga en los quehaceres de la casa se denominan electrodomésticos.
La comunicación
entre humanos es una necesidad. Unas veces la hacemos personalmente, otras mediante comunicación escrita, teléfono, etc. También
comunicar es desplazarse, leer la prensa escrita, oír la radio, ver la televisión,
asistir a una obra de teatro, etc.
Cuando hablamos de teléfono, prensa, radio, televisión nos damos cuenta de la importancia de la electricidad.
Todos estos medios de comunicación serían imposibles sin la electricidad.
LOS TRES GRANDES DE LA ELECTRICIDAD.
Para su información los tres elementos que siempre están presentes en el funcionamiento de todos los circuitos eléctricos son:
- CORRIENTE:
Movimiento progresivo de electrones libres a lo largo de un alambre u otro conductor, puestos en movimientos por una fuerza electromotriz.
- FUERZA ELECTROMOTRIZ (TENSION):
Fuerza que mueve a los electrones en un circuito, atrayéndolos
y repeliéndolos (produciendo corriente) a través del mismo.
- RESISTENCIAS:
Cualquier efecto de oposición que dificulta el movimiento de los electrones libres a través de los alambres, cuando una fuerza electromotriz trata de producir corriente en un circuito.
Un cambio en el valor de uno cualquiera de estos “tres grandes” produce por lo menos un
cambio en el valor de uno de los otros dos.
CIRCUITO ELECTRICO SIMPLE.
El circuito eléctrico más sencillo está formado por una
fuerza que mueve los electrones, o fuente, tal como la que proporciona una pila
o una batería, una carga, tal como un bombillo, y unos alambres de conexión.
UNIDADES DE MEDIDAS DE LOS TRES GRANDES.
En un circuito, la cantidad de corriente se mide en Amperios (A). Un amperio es un cierto número de electrones que pasan por un punto de un circuito eléctrico en un segundo.
La unidad de medida de presión eléctrica o fuerza electromotriz se mide en voltios (V). También se puede definir el voltio como la presión necesaria para impulsar una corriente de un amperio por una resistencia de un ohmio.
La unidad de medida
de la resistencia es el ohmio ( Ω ).
TIPOS DE CORRIENTE Y TENSION.
En electricidad, se emplean varios tipos de corrientes
y tensiones pero que se resumen en CONTINUA y ALTERNA.
Corriente Continua o directa (cc, dc):
No varía la amplitud (intensidad) de la corriente o tensión. Se obtienen en baterías, fuentes
de alimentación, etc.
CORRIENTE CONTINUA:
Polo POSITIVO ( + )
Polo NEGATIVO (
- )
Corriente Alterna (ac):
El flujo de electrones se invierte (alterna) periódicamente, y la amplitud cambia generalmente de un
modo más o menos regular. Se produce en generadores ac, osciladores, algunos micrófonos y en radio en general.
LEY de OHM.
Siempre que se utilizan circuitos eléctricos, sea en una simple
linterna, en motores o generadores, o en circuitos de radio y televisión, los tres
grandes de la electricidad, tensión, corriente y resistencias, se hallan presentes.
Para el principiante, cada paso puede resultar bastante comprensible, pero el recordarlo y, lo que es aún más importante,
aplicarlo en el momento oportuno, es la clave del éxito en los estudios sobre circuitos eléctricos. Una vez que el estudiante
haya comprendido algo de la naturaleza física de la corriente, la tensión y la resistencia, estará en condiciones de utilizar
este conocimiento para aprender cuándo, dónde, cómo, y lo que es más importante, por
qué puede ser aplicado a los circuitos eléctricos.
Anteriormente se explicó que se produce un cambio en la corriente de un
circuito modificando la tensión o la resistencia del mismo:
Si la tensión aumenta,
la corriente aumenta. Por tanto, la tensión y la corriente son directamente proporcionales entre sí.
Si la resistencia de un circuito aumenta, la corriente disminuye. Por tanto, resistencia y corriente son inversamente proporcionales entre sí.
Los dos
hechos anteriores pueden resumirse en la siguiente afirmación, conocida por la
Ley de Ohm:
La corriente es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia.
La Ley de Ohm se expresa matemáticamente de la siguiente manera:
V
I
= -------
, o sea
R
VOLTIO
AMPERIOS = ------------------------
RESISTENCIA
CIRCUITOS
DE CORRIENTES ALTERNAS.
De igual importancia en radio, en comunicaciones
y en aplicaciones de potencia, es un tipo de corriente en la que el flujo de electrones se invierte periódicamente. La inversión
puede realizarse un pequeño número de veces por segundo, como ocurre en la corriente industrial, o bien puede tener lugar
varias millones de veces por segundo como es el caso de las altas frecuencias empleadas en radiocomunicaciones. Este tipo
de corriente se denomina CORRIENTE ALTERNA y se abrevia ac
o ca.
Una corriente alterna es aquella cuya amplitud varía periódicamente; aumenta desde cero
a un máximo en una dirección, disminuye hasta cero, cambia de dirección y disminuye
otra vez hasta cero. Este proceso completo, que comienza por cero, pasa por dos máximo de direcciones opuestas y retorna
otra vez a cero, se denomina CICLO. El número de veces por segundo que una corriente realiza un
ciclo completo, se denomina FRECUENCIA de la corriente.
Esta corriente tiene una serie de características ventajosas en comparación
con la corriente continua, y suele utilizarse como fuente de energía eléctrica tanto en aplicaciones industriales como en
el hogar. La característica práctica más importante de la corriente alterna es que su voltaje puede cambiarse mediante un
sencillo dispositivo electromagnético denominado transformador. Las máquinas que generan corriente alterna se llaman alternadores
o generadores de a.c.
LA FRECUENCIA. Unidad.
La gama de frecuencias utilizables abarca desde 15 ciclos por segundos hasta treinta mil
millones de ciclos por segundos (30.000.000.000). Evidentemente resulta incomodo designar por ciclo por segundos a todas las
frecuencias comprendidas dentro de este amplio margen, por lo que generalmente se emplean tres unidades múltiplos de un ciclo
por segundo como son:
KILOHERTZ (Khz), MEGAHERTZ (MHz) y GIGAHERTZ (GHz), y donde el hertzio - HERTZ (Hz)- equivale a un ciclo por segundo.
Las frecuencias comprendidas entre 15 Hz y
20.000 Hz Se llaman frecuencias de audio
o baja frecuencias (b.f) debido a que son perceptibles por el oído humano cuando son convertidas de señales eléctricas
en acústicas por un altavoz o un teléfono (auricular). Las frecuencias próximas a 50 ò 60 Hz se llaman de potencia o energía
por que son las que se emplean comúnmente para la distribución de la energía eléctrica.
Las frecuencias comprendidas entre 10.000 Hz ( 10 kHz) y 30.000.000.000 Hz (30 GHz), se
denominan radiofrecuencias ( r.f) ya
que se emplean en comunicaciones por radio y en técnicas afines.
