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Contenido
La electricidad
- Introducción
- Relación con el magnetismo
- Circuito eléctrico
- Obtención
- Transporte y distribución
- Usos
- Ventajas y desventajas
- Magnitudes y unidades
- Actividades1
- Actividades2
| Versión para imprimir |
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Introducción
Los átomos son muy pequeños y no los podemos ver a simple vista. Tan pequeños que si tomamos una bolita de plastilina lo más pequeña que podamos en ella habría millones de átomos.
Según estudios realizados a principio del siglo veinte se ha observado que el átomo a su vez se encuentra formado por partículas subatómicas, más pequeñas aún, que son:
- Electrones, poseen carga eléctrica negativa (-) y se desplazan en una órbita elíptica alrededor del núcleo del átomo.
- Protones, estos se encuentran en el núcleo del átomo y poseen una carga eléctrica positiva (+).
- Neutrones, también se encuentran en el núcleo del átomo, y como su nombre lo indica posee carga neutra.
Estados de la materia
La materia existe en tres formas, llamadas estados de la materia, que son: sólido, líquido y gaseoso.
| Estado | Ejemplo | Moléculas | Características |
|---|---|---|---|
| Sólido | hielo | Las moléculas están juntas, prácticamente no pueden moverse. | Por las características de las moléculas, un objeto sólido permanece con el mismo volumen y no cambia su forma. |
| Líquido | agua | Las moléculas continúan estando cerca pero no están unidas unas con otras. Se pueden mover. | Por las características de las moléculas, los líquidos pueden cambiar de forma y fluir, aunque al igual que un sólido, conserva el mismo volumen. |
| Gaseoso | vapor de agua | Las moléculas pueden moverse cerca o lejos unas de otras. | Por las características de las moléculas, un gas puede variar su volumen y tiende a rellenar el envase en el que está contenido. |
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Experiencias:  Si se toma una varilla de vidrio y se frota con seda colgándola de un hilo largo, también de seda se observa que al aproximar una segunda varilla (frotada con seda) se produce repulsión mutua. Sin embargo, si se aproxima una varilla de plástico, previamente frotada con una piel, se observa que atrae a la varilla de vidrio colgada. También se verifica que dos varillas de plástico frotadas con piel se repelen entre sí. Estos hechos se explican diciendo que al frotar una varilla se le comunica carga eléctrica y que las cargas en las dos varillas ejercen fuerzas entre sí. Se puede frotar una regla de plástico sobre la manga de un jersey de lana y aproximando la regla a unos papelitos, vemos cómo ésta los atrae. La explicación es que la regla de ha cargado eléctricamente y atrae a los papelitos que tienen carga neutra |
La electricidad (del griego elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno físico que está relacionado con el movimiento de los electrones en la materia.
Los electrones pueden pasar de un átomo a otro, como ocurre en la varilla de plástico antes citada cuando se frota, produciendo electricidad, que se manifiesta en la atracción de otra varilla o también en la regla que atrae pequeños papelitos.
Usos
La electricidad tiene muchos usos. Los principales son: para generar luz mediante lámparas; calor, en la calefacción; movimiento, mediante motores que transforman la energía eléctrica en energía mecánica; señales mediante sistemas electrónicos compuestos de circuitos eléctricos.
Relación con el magnetismo
Desde la antigua Grecia se conocían los fenómenos magnéticos y eléctricos pero no es hasta inicios del siglo XVII donde se comienza a realizar experimentos y a llegar a conclusiones científicas de estos fenómenos.
A principios del siglo XIX Hans Christian Ørsted encontró evidencia de que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. Demostró que un hilo conductor de corriente puede mover la aguja imantada de una brújula. Había pues interacción entre las fuerzas eléctricas por un lado y las fuerzas magnéticas por otro
A partir de esta teoría los investigadores realizaron varios experimentos e inventos muy útiles como la bombilla eléctrica por Thomas Alva Edison o el generador de corriente alterna por Nikola Tesla.
También se observa la relación entre la electricidad y el magnetismo en un generador de corriente eléctrica. Al moverse un imán alrededor de un cable conductor de cobre, enrollado en espiral (bobina), se produce una corriente eléctrica en el cable.
En la imagen 1 se observa un esquema de un generador de corriente formado por unos imanes, una espira de cobre y una bombilla que se enciende al pasar por ella la corriente producida al girar la espira. En un generador puede girar la espira o los imanes indistintamente.
Circuito eléctrico
Un circuito eléctrico es una interconexión de componentes eléctricos tales que la carga eléctrica fluye en un camino cerrado, por lo general para ejecutar alguna tarea útil.
La figura de la derecha es un circuito simple formado por una pila, un cable conductor y una lámpara
En la figura de la izquierda vemos un gráfico del mismo circuito: la fuente de tensión V en la izquierda proporciona una corriente I al circuito, entregando energía eléctrica a la resistencia R (en la otra ilustración la resistencia es la lámpara). De la resistencia, la corriente regresa a la fuente, completando el circuito.
El la imagen 3 tenemos un gráfico de un circuito con un interruptor que al ser pulsado interrumpe la corriente por lo que la lámpara se apaga y al volver a pulsar se cierra el circuito, la corriente eléctrica vuelve a pasar y la lámpara se enciende.
En los circuitos que existen en las viviendas, los cables están cubiertos con una capa de plástico aislante de diferentes colores. El cable que lleva la electricidad suele ser de un color y el que la regresa es de otro color, así los electricistas construyen los circuitos sin errores.
- Materiales aislantes de la corriente eléctrica.
Todos los materiales oponen resistencia al paso de la corriente en condiciones normales. Los que oponen muy poca resistencia son los llamados conductores. Los que oponen más resistencia son los aislantes. La resistencia en un circuito se representa con la letra R.
La resistencia en un circuito eléctrico es aprovechada a veces para producir calor o luz. En una bombilla, la resistencia del filamento hace que en este se produzca calor y luz con lo que la bombilla ilumina y si la tocamos comprobamos que está muy caliente. En una estufa, radiador, horno doméstico, tostatora eléctrica etc, la electricidad se convierte en calor al pasar por un alambre de material resistente al paso de la corriente que se pone al rojo vivo y se calienta mucho sin llegar a fundirse.
- Materiales conductores.
Son materiales que conducen bien la corriente eléctrica a través de ellos. Son en general todos los metales: oro, plata, cobre, aluminio, hierro... Por eso los cables suelen estar hechos de cobre o aluminio, al ser el oro y la plata materiales más caros.
Obtención
Se produce en los generadores de electricidad, también llamados alternadores. En ellos, al moverse unos imanes alrededor de unas bobinas de cables conductores se produce la corriente eléctrica en los cables. También pueden moverse las bobinas y permanecer fijos los imanes, no importa quienes se muevan, lo importante es el movimiento rotatorio del generador.
La energía eléctrica se produce mediante la conversión de otra forma de energía.
- La energía solar puede ser captada por paneles solares y transformarse en electricidad. Fue Albert Einstein quien explicó este fenómeno, lo que le valió recibir el Premio Nobel.
La eficiencia de los paneles solares aún es baja y el costo de producción es aún demasiado costosos para que esta fuente de energía sea ampliamente utilizada. La cantidad de electricidad producida depende de la intensidad del sol.
- La energía hidroeléctrica se utiliza en las presas de energía hidroeléctrica. El agua embalsada por la presa se hace fluir a través de una tubería en la que se encuentra una turbina. La rotación de la turbina (energía mecánica), mueve un generador que produce electricidad. Las centrales hidroeléctricas no son contaminantes pero requieren la construcción de una presa. La posibilidad de construir presas depende del río.
- Energía de las mareas, que utiliza la diferencia en el nivel del mar durante la marea alta y marea baja para hacer funcionar las turbinas.
- El viento puede activar las enormes hélices conectadas a los generadores que producen electricidad. La principal desventaja es que estos molinos de gran tamaño no son muy estéticos y se deben colocar en lugares donde haya viento todo el año. Algunos países los han puesto en lugares como desiertos o en el mar.
- La energía térmica producida por la energía contenida en el carbón o en el petróleo (energía química) se utiliza para calentar agua y generar vapor bajo presión en las centrales eléctricas. El vapor hace mover las turbinas, y como en los embalses, se utiliza para generar electricidad. Estas centrales son contaminantes, requieren petróleo o carbón y no tienen un rendimiento muy alto. El petróleo y el carbón son combustibles fósiles, es decir, que hay que extraer de la tierra y no son inagotables.
- La energía nuclear: se obtiene en plantas de energía nuclear, es la energía contenida en la materia que permite calentar el agua y generar electricidad; es similar a la de las centrales térmicas. Estas plantas pueden ser peligrosas para el medio ambiente en caso de problemas (desastre Chernobyl). Requieren una técnica difícil de controlar y el uso del mineral de uranio, que debe ser enriquecido. Los residuos radiactivos duran cientos de millones de años. Por último, estas plantas pueden producir plutonio a partir del uranio, lo que permite, en teoría, la construcción de un bomba atómica.
- La energía muscular, por lo tanto química, permite también generar electricidad. En algunas bicicletas, una dinamo acoplada a una rueda, puede transformar la energía de rotación de la rueda en energía eléctrica que puede iluminar una bombilla.
Cabe señalar que, a diferencia de otras formas de energía, la electricidad es muy difícil de almacenar. Debe ser consumida a medida que se produce. No se puede generar electricidad por adelantado.
Transporte y distribución
La corriente eléctrica se transmite muy rápidamente: varios miles de kilómetros por segundo. Sin embargo, los electrones (que son su apoyo), no se mueven tan rápido: se agitan mucho, pero lo hacen en minúsculas idas y vueltas en torno a su posición y por lo tanto no "avanzan" más que en un promedio de sólo unos pocos centímetros, hasta varios metros por segundo. La propagación de la corriente es sin embargo posible, pues los electrones se empujan y golpean entre sí, y la energía que ellos transportan se propaga a través estos choques.
La electricidad es un medio muy práctico y muy importante en nuestra sociedad para transportar la energía necesaria para muchos usos: iluminación, máquinas o aparatos con un motor, electrónica o calefacción. A través de una red de cables conductores, la electricidad se distribuye en los hogares, fábricas, siempre que haya un dispositivo eléctrico.
Para facilitar el transporte desde el lugar de producción, existen líneas de alta tensión. El voltaje es de varios cientos de miles de voltios. Son realmente las carreteras de la electricidad. La tensión entre los conductores de estas líneas se convierte muchas veces en los transformadores. El valor de la tensión utilizada por los particulares es de 230 voltios, en la Unión Europea, o de 110 voltios en los Estados Unidos y algunos otros países.
Usos
La electricidad tiene muchos usos. Los principales son: para generar luz mediante lámparas; calor, en la calefacción; movimiento, mediante motores que transforman la energía eléctrica en energía mecánica; señales mediante sistemas electrónicos compuestos de circuitos eléctricos como en el semáforo.
El uso doméstico de la electricidad se refiere a su empleo en los hogares. Los principales usos son alumbrado, electrodomésticos, calefacción y aire acondicionado.
Los principales consumidores de electricidad son las industrias, destacando aquellas que tienen en sus procesos productivos instalados grandes hornos eléctricos, tales como siderúrgicas, cementeras, cerámicas y químicas. También son grandes consumidores los procesos de electrólisis (producción de cloro y aluminio) y las plantas de desalación de agua de mar.
- Transformador
Un transformador es una máquina eléctrica que no tiene movimiento pero permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna.
Su utilidad está en el transporte de energía eléctrica a larga distancia, al poder efectuarse el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades y por tanto con pequeñas pérdidas.
El transformador ha hecho posible la distribución de energía eléctrica a todos los hogares, industrias, etc. Si no fuera por el transformador tendría que acortarse la distancia que separa a los generadores de electricidad de los consumidores.
El transformador lo encontramos en muchos lugares, en las lámparas de bajo consumo, cargadores de pilas, vehículos, en sótanos de edificios, en las centrales hidroeléctricas y otros generadores de electricidad. Su tamaño puede variar desde muy pequeños a enormes transformadores que pueden pesar más de 500 toneladas.
Ventajas y desventajas
1:heliostatos;
2:caldera;
3:turbina de vapor;
4:alternador;
5:condensador;
6:agua de refrigeración
Todos los sistemas que producen energía eléctrica tienen sus ventajas y desventajas. Algunos son altamente contaminantes, mientras que otros no lo son, entonces se habla de fuentes de energía limpia.
Algunas fuentes de energía se dice que son renovables (fuentes de energía que nunca se agotan), mientras que otros son fuentes no renovables de energía. El uso de determinadas fuentes de energía puede ser muy costoso. Por último, algunos sistemas pueden producir una gran cantidad de energía eléctrica.
- Fuentes de energía renovables: eólica, energía hidroeléctrica, la fuerza muscular, los paneles solares.
- Fuentes de energía limpia: eólica, paneles solares, pilas de combustible.
- Fuentes de energía sin emisión de dióxido de carbono: las fuentes de energía limpia y las centrales nucleares (a pesar de que generan residuos radiactivos).
- Gran producción de energía: plantas de energía nuclear, centrales térmicas, algunas centrales hidroeléctricas.
Magnitudes y unidades
Para estudiar la electricidad o trabajar en sus aplicaciones, utilizamos varias magnitudes y unidades:
- La energía, que se mide en julios (J) según el sistema métrico, y más a menudo en kilovatio-hora (kW.h)
- El trabajo, que se mide en watios (W);
- La tensión, que se mide en voltios (V) (en lugar de tensión, a veces se dice voltaje, un término importado del inglés);
- La intensidad, que se mide en amperios (A);
- La carga eléctrica, que se mide en culombios (C);
- La resistencia, que se mide en ohmios (Ω);
- La capacidad, que se mide en faradios (F) y permite caracterizar un condensador;
- La inductancia, que se mide en henrios (H) y permite caracterizar una bobina.
Dependiendo de la materia estudiada, puede ser más probable encontrarse con múltiplos de estas unidades: miliamperios (mA) microfaradios (µF), megavatios (MW), etc.
Actividades1
1.- Completa y colorea el esquema de la composición del átomo
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2.- Completa los párrafos
La materia es todo aquello que tiene .......... y conserva un lugar en el ..........., es decir, todo lo que nos rodea: la tierra, el ....., el ......., las nubes, las plantas.... Está formada por partículas muy pequeñas llamadas ...........
Los átomos son muy .............. y no los podemos ver a simple vista. Tan pequeños que si tomamos una bolita de plastilina lo más pequeña que podamos en ella habría ............. de átomos.
3.- Contesta a las preguntas:
a ) ¿ Qué partículas forman el átomo ?...........................................................
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b ) ¿ Qué tipo de carga eléctrica tienen los electrones ?...................................
c ) ¿ Cómo se llaman las partículas con carga positiva ? ...................................
d ) ¿ Cómo es la órbita que recorren los electrones alrededor del núcleo?...................
e ) ¿ Dónde se encuentran los neutrones ?.................................................
4.- Explica las diferencias entre los estados de la materia que aparecen en la ilustración.
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5.- Explica por qué la regla atrae los papelitos.
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6.- Escribe algunos usos de la electricidad. ___________________________________________________________________
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7.- Explica las partes de este generador y cómo se produce la electricidad
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8.- Colorea el electroimán y explica como funciona
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Actividades2
1.- Construye un circuito parecido a este:
2.- Contesta
- ¿ Qué son materiales aislantes ?.....................................................................¿ Y conductores ?
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- ¿ Por qué se recubren con plástico los cables eléctricos ? .........................
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- Explica qué ocurre en un horno doméstico cuando se enciende..........................
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3.- ¿ Qué formas de energía se pueden convertir en electricidad ?
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4.- Observa el dibujo y realiza
- Colorea de diferentes colores la red de transporte, la de reparto y la de distribución.
- ¿ Qué máquina eléctrica se utiliza en la red para cambiar el voltaje de la electricidad ? ......................
5.- ¿ Cuáles son las industrias que más electricidad consumen ?................
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6.- ¿ Cuáles se consideran fuentes de energía limpia: ?....................
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7.- ¿ Cuál es el voltaje de la pila de petaca ?................................
¿ y de la cilíndrica ?.............................................................