La electricidad es el conjunto de fenómenos físicos asociados a la presencia y movimiento de materia que posee carga eléctrica . La electricidad está relacionada con el magnetismo , siendo ambos parte del fenómeno del electromagnetismo , tal como lo describen las ecuaciones de Maxwell . Los fenómenos comunes están relacionados con la electricidad, incluyendo los rayos , la electricidad estática , el calentamiento eléctrico , las descargas eléctricas y muchos otros.
La presencia de una carga eléctrica positiva o negativa produce un campo eléctrico . El movimiento de cargas eléctricas es una corriente eléctrica y produce un campo magnético . En la mayoría de las aplicaciones, la ley de Coulomb determina la fuerza que actúa sobre una carga eléctrica. El potencial eléctrico es el trabajo realizado para mover una carga eléctrica de un punto a otro dentro de un campo eléctrico, que normalmente se mide en voltios .
La electricidad juega un papel central en muchas tecnologías modernas, ya sea en la energía eléctrica , donde se utiliza corriente eléctrica para energizar equipos, o en la electrónica, que trata con circuitos eléctricos que involucran componentes activos como tubos de vacío , transistores , diodos y circuitos integrados , y tecnologías de interconexión pasiva asociadas.
El estudio de los fenómenos eléctricos se remonta a la antigüedad, y su comprensión teórica avanzó lentamente hasta los siglos XVII y XVIII. El desarrollo de la teoría del electromagnetismo en el siglo XIX marcó un progreso significativo, que llevó a la aplicación industrial y residencial de la electricidad por parte de los ingenieros eléctricos a finales de siglo. Esta rápida expansión de la tecnología eléctrica en ese momento fue la fuerza impulsora detrás de la Segunda Revolución Industrial , y la versatilidad de la electricidad impulsó transformaciones tanto en la industria como en la sociedad. La electricidad es parte integral de aplicaciones que abarcan el transporte , la calefacción , la iluminación , las comunicaciones y la computación , lo que la convierte en la base de la sociedad industrial moderna. [1]
Mucho antes de que existiera cualquier conocimiento sobre la electricidad, la gente conocía las descargas eléctricas de los peces eléctricos . Los textos del Antiguo Egipto que datan del 2750 a. C. los describían como los "protectores" de todos los demás peces. Milenios después, los naturalistas y médicos griegos , romanos y árabes volvieron a informar sobre los peces eléctricos . [2] Varios escritores antiguos, como Plinio el Viejo y Escribonio Largo , dieron fe del efecto adormecedor de las descargas eléctricas emitidas por los bagres eléctricos y los rayos eléctricos , y sabían que dichas descargas podían viajar a lo largo de objetos conductores. [3] A los pacientes con dolencias como la gota o el dolor de cabeza se les indicaba que tocaran los peces eléctricos con la esperanza de que la potente descarga pudiera curarlos. [4]
Las culturas antiguas del Mediterráneo sabían que ciertos objetos, como las varillas de ámbar , podían frotarse con pelo de gato para atraer objetos ligeros como las plumas. Tales de Mileto hizo una serie de observaciones sobre la electricidad estática alrededor del año 600 a. C., a partir de las cuales creyó que la fricción volvía al ámbar magnético , en contraste con minerales como la magnetita , que no necesitaba frotarse. [5] [6] [7] [8] Tales se equivocó al creer que la atracción se debía a un efecto magnético, pero la ciencia posterior demostraría un vínculo entre el magnetismo y la electricidad. Según una teoría controvertida, los partos pueden haber tenido conocimiento de la galvanoplastia , basándose en el descubrimiento de 1936 de la batería de Bagdad , que se asemeja a una celda galvánica , aunque no se sabe con certeza si el artefacto era de naturaleza eléctrica. [9]
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 realizó un estudio cuidadoso de la electricidad y el magnetismo, distinguiendo el efecto imán de la electricidad estática producida por el frotamiento del ámbar. [5] Acuñó la palabra neolatina 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 ser frotados. [10] 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. [11]
En los siglos XVII y principios del XVIII, Otto von Guericke , Robert Boyle , Stephen Gray y CF du Fay realizaron más investigaciones al respecto . [12] Más tarde, en el siglo XVIII, Benjamin Franklin realizó una extensa investigación sobre 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 una tormenta . [13] Una sucesión de chispas que saltaban de la llave al dorso de su mano demostró que los rayos eran de hecho de naturaleza eléctrica. [14] También explicó el comportamiento aparentemente paradójico [15] de la botella de Leyden como un dispositivo para almacenar grandes cantidades de carga eléctrica en términos de electricidad compuesta tanto de cargas positivas como negativas. [12]
En 1775, Hugh Williamson informó a la Royal Society de una serie de experimentos sobre las descargas eléctricas emitidas por la anguila eléctrica ; [16] ese mismo año, el cirujano y anatomista John Hunter describió la estructura de los órganos eléctricos del pez . [17] [18] En 1791, Luigi Galvani publicó su descubrimiento de la bioelectromagnetismo , demostrando que la electricidad era el medio por el cual las neuronas pasaban señales a los músculos. [19] [20] [12] La batería de Alessandro Volta , o pila voltaica , 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. [19] [20] 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. [20] La electricidad y el magnetismo (y la luz) fueron definitivamente vinculados por James Clerk Maxwell , en particular en su " Sobre las líneas físicas de fuerza " en 1861 y 1862. [21] : 148
Si bien a principios del siglo XIX se había producido un rápido progreso en la ciencia eléctrica, a finales del siglo XIX se produciría el mayor progreso en la ingeniería eléctrica . Gracias a personas como Alexander Graham Bell , Ottó Bláthy , Thomas Edison , Galileo Ferraris , Oliver Heaviside , Ányos Jedlik , William Thomson, primer barón 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. [22]
En 1887, Heinrich Hertz [23] : 843–44 [24] descubrió que los electrodos iluminados con luz ultravioleta crean chispas eléctricas con mayor facilidad. En 1905, Albert Einstein publicó un artículo que explicaba los datos experimentales del efecto fotoeléctrico como resultado de la energía de la luz transportada en paquetes discretos cuantificados, que energizan 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". [25] El efecto fotoeléctrico también se emplea en fotocélulas como las que se pueden encontrar en los paneles solares .
El primer dispositivo de estado sólido fue el " detector de bigotes de gato ", utilizado por primera vez en la década de 1900 en los receptores de radio. Un cable con forma de bigote se coloca ligeramente en contacto con un cristal sólido (como un cristal de germanio ) para detectar una señal de radio por el efecto de unión de contacto. [26] En un componente de estado sólido, la corriente está confinada a elementos sólidos y compuestos diseñados específicamente para conmutarla y amplificarla. El flujo de corriente se puede entender de dos formas: como electrones cargados negativamente y como deficiencias de electrones cargados positivamente llamados huecos . Estas cargas y huecos se entienden en términos de física cuántica. El material de construcción es con mayor frecuencia un semiconductor cristalino . [27] [28]
La electrónica de estado sólido adquirió importancia con la aparición de la tecnología de transistores . El primer transistor funcional, un transistor de contacto puntual basado en germanio , fue inventado por John Bardeen y Walter Houser Brattain en Bell Labs en 1947 [29] , seguido por el transistor de unión bipolar en 1948 [30].
Por convención moderna, la carga transportada por los electrones se define como negativa, y la de los protones como positiva. [31] Antes de que se descubrieran estas partículas, Benjamin Franklin había definido una carga positiva como la carga que adquiere una varilla de vidrio cuando se frota con un paño de seda. [32] Un protón por definición lleva una carga de exactamente1,602 176 634 × 10 −19 culombios . Este valor también se define como la carga elemental . Ningún objeto puede tener una carga menor que la carga elemental, y cualquier cantidad de carga que pueda tener un objeto es un múltiplo de la carga elemental. Un electrón tiene una carga negativa igual, es decir−1,602 176 634 × 10 −19 culombios . La carga no solo la posee la materia , sino también la antimateria , y cada antipartícula tiene una carga igual y opuesta a su partícula correspondiente. [33]
La presencia de carga da lugar a una fuerza electrostática: las cargas ejercen una fuerza entre sí, un efecto que era conocido, aunque no comprendido, en la antigüedad. [23] : 457 Una bola ligera suspendida de un hilo fino puede cargarse tocándola con una varilla de vidrio que a su vez ha sido cargada frotándola con un paño. Si una bola similar se carga con la misma varilla de vidrio, se descubre que repele a la primera: la carga actúa para separar las dos bolas. Dos bolas que se cargan con una varilla de ámbar frotada también se repelen entre sí. Sin embargo, si una bola se carga con la varilla de vidrio y la otra con una varilla de ámbar, se descubre que las dos bolas se atraen. Estos fenómenos fueron investigados a finales del siglo XVIII por Charles-Augustin de Coulomb , quien dedujo que la carga se manifiesta en dos formas opuestas. Este descubrimiento condujo al conocido axioma: los objetos con cargas iguales se repelen y los objetos con cargas opuestas se atraen . [23]
La fuerza actúa sobre las partículas cargadas, por lo que la carga tiene una tendencia a extenderse lo más uniformemente posible sobre una superficie conductora. La magnitud de la fuerza electromagnética, ya sea atractiva o repulsiva, está dada por la ley de Coulomb , que relaciona la fuerza con el producto de las cargas y tiene una relación inversa al cuadrado con la distancia entre ellas. [34] [35] : 35 La fuerza electromagnética es muy fuerte, solo superada en fuerza por la interacción fuerte , [36] pero a diferencia de esa fuerza opera sobre todas las distancias. [37] En comparación con la fuerza gravitacional mucho más débil , la fuerza electromagnética que empuja a dos electrones a separarse es 10 42 veces la atracción gravitacional que los atrae. [38]
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 da lugar a 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 aislado eléctricamente siempre permanecerá constante independientemente de los cambios que tengan lugar dentro de ese sistema. [39] Dentro del sistema, la carga puede transferirse entre cuerpos, ya sea por contacto directo o al pasar a lo largo de un material conductor, como un cable. [35] : 2–5 El término informal electricidad estática se refiere a la presencia neta (o 'desequilibrio') de carga en un cuerpo, generalmente causada cuando materiales diferentes se frotan entre sí, transfiriendo carga de uno a otro.
La carga se puede medir por varios medios, uno de los primeros instrumentos fue el electroscopio de hoja de oro , que aunque todavía se utiliza para demostraciones en el aula, ha sido reemplazado por el electrómetro electrónico . [35] : 2–5
El movimiento de una carga eléctrica se conoce como corriente eléctrica , cuya intensidad se mide generalmente en amperios . La corriente puede estar formada por cualquier partícula cargada en movimiento; lo más común es que sean electrones, pero cualquier carga en movimiento constituye una corriente. La corriente eléctrica puede fluir a través de algunas cosas, como los conductores eléctricos , pero no a través de un aislante eléctrico . [40]
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 fluye desde la parte más positiva de un circuito a 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 más conocidas de corriente, se considera así positivo en la dirección opuesta a la de los electrones. [41] 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 utiliza 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 bastante lentamente, a veces con una velocidad de deriva promedio de solo fracciones de milímetro por segundo, [35] : 17 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. [42]
La corriente eléctrica provoca varios efectos observables, que históricamente eran los medios para reconocer su presencia. En 1800, Nicholson y Carlisle descubrieron que el agua podía descomponerse mediante la corriente de una pila voltaica , un proceso que ahora se conoce como electrólisis . Su trabajo fue ampliado en gran medida 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. [35] : 23–24 Uno de los descubrimientos más importantes relacionados con la corriente eléctrica lo hizo accidentalmente Hans Christian Ørsted en 1820, cuando, mientras preparaba una conferencia, presenció la corriente en un cable que perturbaba la aguja de una brújula magnética. [21] : 370 [a] Había descubierto el electromagnetismo , una interacción fundamental entre la electricidad y el magnetismo. El nivel de emisiones electromagnéticas generadas por el arco eléctrico es lo suficientemente alto como para producir interferencias electromagnéticas , que pueden ser perjudiciales para el funcionamiento de los equipos adyacentes. [43]
En aplicaciones de ingeniería o domésticas, 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 producida por ejemplo a partir de una batería y requerida por la mayoría de los dispositivos electrónicos , es un flujo unidireccional desde la parte positiva de un circuito a la negativa. [44] : 11 Si, como es lo más común, este flujo es transportado por electrones, viajarán 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 . [44] : 206–07 La corriente alterna, por lo tanto, pulsa de ida y vuelta 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 bajo la corriente continua en estado estacionario , como la inductancia y la capacitancia . [44] : 223–25 Sin embargo, estas propiedades pueden volverse importantes cuando los circuitos están sujetos a transitorios , como cuando se energizan por primera vez.
El concepto de campo eléctrico fue introducido por Michael Faraday . 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 manera similar a la forma en que actúa el campo gravitacional entre dos masas , y como este, se extiende hacia el infinito y muestra una relación de cuadrado inverso con la distancia. [37] Sin embargo, hay una diferencia importante. La gravedad siempre actúa en atracción, atrayendo 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. Por lo tanto, la gravedad es la fuerza dominante a distancia en el universo, a pesar de ser mucho más débil. [38]
Un campo eléctrico varía generalmente en el espacio, [b] y su intensidad en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que sentiría una carga estacionaria, despreciable, si se colocara en ese punto. [23] : 469–70 La carga conceptual, denominada " carga de prueba ", debe ser extremadamente pequeña para evitar que su propio campo eléctrico perturbe 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 magnitud y dirección , se deduce que un campo eléctrico es un campo vectorial . [23] : 469–70
El estudio de los campos eléctricos creados por cargas estacionarias se denomina 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, [45] cuyo término " líneas de fuerza " todavía se utiliza a veces. Las líneas de campo son los caminos que una carga positiva puntual intentaría seguir al verse obligada a moverse dentro del campo; sin embargo, son un concepto imaginario sin existencia física, y el campo permea todo el espacio intermedio entre las líneas. [45] 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 ángulos rectos, y tercero, que nunca pueden cruzarse ni cerrarse sobre sí mismas. [23] : 479
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. [35] : 88 Este es el principio operativo de la jaula de Faraday , una carcasa metálica conductora que aísla su interior de los efectos eléctricos externos.
Los principios de la electrostática son importantes a la hora de diseñar 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 huecos con intensidades de campo eléctrico que superan los 30 kV por centímetro. En huecos más grandes, su fuerza de ruptura es menor, quizás 1 kV por centímetro. [46] : 2 El fenómeno natural más visible de esto son los rayos , que se producen cuando la carga se separa en las nubes por columnas de aire ascendentes y eleva el campo eléctrico en el aire a un nivel superior al que puede soportar. El voltaje de una gran nube de rayos puede ser tan alto como 100 MV y tener energías de descarga tan grandes como 250 kWh. [46] : 201–02
La intensidad del campo se ve muy afectada por los objetos conductores cercanos y es particularmente intensa cuando se ve obligada a curvarse alrededor de objetos puntiagudos. Este principio se aprovecha en el pararrayos , cuya punta afilada actúa para estimular que el rayo se desarrolle allí, en lugar de hacia el edificio que sirve para proteger. [47] : 155
El concepto de potencial eléctrico está estrechamente vinculado al de campo eléctrico. Una pequeña carga colocada dentro de un campo eléctrico experimenta una fuerza, y para haber llevado esa carga a ese punto contra la fuerza se requiere trabajo . El potencial eléctrico en cualquier punto se define como la energía requerida para llevar una carga unitaria de prueba desde una distancia infinita lentamente a ese punto. Generalmente se mide en voltios , y un voltio es el potencial para el cual se debe gastar un julio de trabajo para llevar una carga de un culombio desde el infinito. [23] : 494–98 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 carga unitaria entre dos puntos específicos. Un campo eléctrico tiene la propiedad especial de que es conservativo , 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. [23] : 494–98 El voltio está tan fuertemente identificado como la unidad de elección para la medición y descripción de la diferencia de potencial eléctrico que el término voltaje tiene un uso cada vez mayor en la vida cotidiana.
A efectos prácticos, resulta útil definir un punto de referencia común con el que se puedan expresar y comparar los potenciales. Si bien este punto de referencia podría ser el infinito, una referencia mucho más útil es la propia Tierra , que se supone que tiene el mismo potencial en todas partes. Este punto de referencia naturalmente recibe 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 y no es cargable. [48]
El potencial eléctrico es una cantidad escalar . Es decir, solo tiene magnitud y no dirección. Puede verse como 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. [49] 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 cargado electrostáticamente. Las equipotenciales cruzan todas las líneas de fuerza en ángulos rectos. También deben estar paralelas a la superficie de un conductor , ya que de lo contrario habría una fuerza a lo largo de la superficie del conductor que movería los portadores de carga para igualar el potencial a través 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. Generalmente expresado en voltios por metro, la dirección vectorial del campo es la línea de mayor pendiente del potencial y donde los equipotenciales se encuentran más próximos entre sí. [35] : 60
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 existía 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 que se conocían entonces. La fuerza sobre la aguja de la brújula no la dirigía hacia o desde el cable que transportaba la corriente, sino que actuaba en ángulo recto con él. [21] : 370 Las palabras de Ørsted fueron que "el conflicto eléctrico actúa de manera giratoria". La fuerza también dependía de la dirección de la corriente, ya que si el flujo se invertía, entonces la fuerza también lo hacía. [50]
Ørsted no comprendió del todo 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 transportaban corriente ejercían 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. [51] La interacción está mediada por el campo magnético que produce cada corriente y forma la base de la definición internacional del amperio . [51]
Esta relación entre los campos magnéticos y las corrientes es extremadamente importante, ya que condujo a la invención del motor eléctrico por parte de Michael Faraday en 1821. El motor homopolar de Faraday consistía en un imán permanente situado en un depósito de mercurio . Se permitía que una corriente pasara a través de un cable suspendido de un pivote por encima del imán y sumergido en el mercurio. El imán ejercía una fuerza tangencial sobre el cable, haciéndolo girar alrededor del imán mientras se mantuviera la corriente. [52]
En 1831, Faraday experimentó que un cable que se movía perpendicularmente a un campo magnético desarrollaba una diferencia de potencial entre sus extremos. Un análisis más profundo de este proceso, conocido como inducción electromagnética , le permitió enunciar 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 circuito. 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. [52] El disco de Faraday era ineficiente y no tenía ninguna utilidad como generador práctico, pero mostró la posibilidad de generar energía eléctrica utilizando el magnetismo, una posibilidad que sería adoptada por quienes siguieron su trabajo. [53]
Un circuito eléctrico es una interconexión de componentes eléctricos de manera que la carga eléctrica fluye a lo largo de un camino cerrado (un circuito), generalmente para realizar alguna tarea útil. [54]
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 presentar un comportamiento no lineal , lo que requiere un análisis complejo. Los componentes eléctricos más simples son los denominados pasivos y lineales : aunque pueden almacenar energía temporalmente, no contienen fuentes de ella y presentan respuestas lineales a los estímulos. [55] : 15–16
El resistor es quizás el más simple de los elementos pasivos de un circuito: como su nombre lo sugiere, resiste la corriente que lo atraviesa, disipando su energía en forma de calor. La resistencia es una consecuencia del movimiento de la carga a través de un conductor: en los metales, por ejemplo, la resistencia se debe principalmente a las 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 ohmio , la unidad de resistencia, recibió su nombre en honor a Georg Ohm , y está simbolizado por la letra griega Ω. 1 Ω es la resistencia que producirá una diferencia de potencial de un voltio en respuesta a una corriente de un amperio. [55] : 30–35
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. Consiste en dos placas conductoras separadas por una fina capa dieléctrica aislante ; en la práctica, se enrollan entre sí láminas metálicas delgadas, lo que aumenta el área de superficie por unidad de volumen y, por lo tanto, la capacitancia . La unidad de capacitancia es el faradio , 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 condensador conectado a una fuente de voltaje inicialmente causa una corriente a medida que acumula carga; sin embargo, esta corriente decaerá con el tiempo a medida que el condensador se llena, y finalmente caerá a cero. Por lo tanto, un condensador no permitirá una corriente en estado estable , sino que la bloqueará. [55] : 216–20
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 henrio , llamado así por Joseph Henry , un contemporáneo de Faraday. Un henrio es la inductancia que inducirá una diferencia de potencial de un voltio si la corriente que lo atraviesa cambia a una tasa de un amperio por segundo. El comportamiento del inductor es en algunos aspectos inverso al del condensador: permitirá libremente una corriente invariable, pero se opondrá a una que cambie rápidamente. [55] : 226–29
La potencia eléctrica es la velocidad a la que se transfiere energía eléctrica a través de un circuito eléctrico . La unidad de potencia del SI es el vatio , un julio por segundo .
La potencia eléctrica, al igual que la potencia mecánica , es la tasa de trabajo realizado , medida en vatios y representada por la letra P. El término vataje se utiliza coloquialmente para significar "potencia 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 pasa a través de una diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ) de V es
dónde
La energía eléctrica es suministrada generalmente a empresas y hogares por la industria eléctrica . La electricidad se vende generalmente por kilovatio hora (3,6 MJ), que es el producto de la potencia en kilovatios multiplicada por el tiempo de funcionamiento en horas. Las empresas eléctricas miden la energía utilizando medidores de electricidad , que mantienen un total acumulado de la energía eléctrica entregada a un cliente. A diferencia de los combustibles fósiles , la electricidad es una forma de energía de baja entropía y se puede convertir en movimiento o en muchas otras formas de energía con alta eficiencia. [56]
La electrónica se ocupa de circuitos eléctricos que involucran componentes eléctricos activos como tubos de vacío , transistores , diodos , sensores y circuitos integrados , y tecnologías de interconexión pasiva asociadas. [57] : 1–5, 71 El comportamiento no lineal de los componentes activos y su capacidad para controlar los flujos de electrones hace posible la conmutación digital, [57] : 75 y la electrónica se usa ampliamente en procesamiento de información , telecomunicaciones y procesamiento de señales . Las tecnologías de interconexión como placas de circuitos , tecnología de empaquetado electrónico y otras formas variadas de infraestructura de comunicación completan la funcionalidad del circuito y transforman los componentes mixtos en un sistema de trabajo regular .
En la actualidad, la mayoría de los dispositivos electrónicos utilizan componentes semiconductores para controlar los electrones. Los principios subyacentes que explican cómo funcionan los semiconductores se estudian en la física del estado sólido [58] , mientras que el diseño y la construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos son parte de la ingeniería electrónica [59] .
El trabajo de Faraday y Ampère demostró que un campo magnético variable en el tiempo creaba un campo eléctrico, y un campo eléctrico variable en el tiempo creaba un campo magnético. Por lo tanto, cuando uno de los campos cambia en el tiempo, siempre se induce un campo del otro. [23] : 696–700 Estas variaciones son una onda electromagnética . Las ondas electromagnéticas fueron analizadas teóricamente por James Clerk Maxwell en 1864. Maxwell desarrolló un conjunto de ecuaciones que podían describir de manera inequívoca la interrelación entre el campo eléctrico, el campo magnético, la carga eléctrica y la corriente eléctrica. Además, pudo demostrar que en el vacío una onda de este tipo viajaría a la velocidad de la luz y, por lo tanto, la luz en sí misma era una forma de radiación electromagnética. Las ecuaciones de Maxwell , que unifican la luz, los campos y la carga, son uno de los grandes hitos de la física teórica. [23] : 696–700
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 adecuadamente formados, la electricidad permite la transmisión y recepción de estas señales a través de ondas de radio a distancias muy largas. [60]
En el siglo VI a. C., el filósofo griego Tales de Mileto experimentó con varillas de ámbar: estos fueron los primeros estudios sobre la producción de electricidad. Si bien este método, ahora conocido como efecto triboeléctrico , puede levantar objetos livianos y generar chispas, es extremadamente ineficiente. [61] No fue hasta la invención de la pila voltaica en el siglo XVIII que estuvo disponible una fuente viable de electricidad. La pila voltaica, y su descendiente moderno, la batería eléctrica , almacenan energía químicamente y la ponen a disposición según la demanda en forma de electricidad. [61]
La energía eléctrica se genera generalmente mediante generadores electromecánicos . Estos pueden ser accionados por el vapor producido a partir de la combustión de combustibles fósiles o el calor liberado por reacciones nucleares, pero también de manera más directa por la energía cinética del viento o del agua en movimiento. La turbina de vapor inventada por Sir Charles Parsons en 1884 todavía se utiliza para convertir la energía térmica del vapor en un movimiento rotatorio que puede ser utilizado por generadores electromecánicos. Estos generadores no se parecen en nada al generador de disco homopolar de Faraday de 1831, pero todavía se basan en su principio electromagnético de que un conductor que une un campo magnético cambiante induce una diferencia de potencial entre sus extremos. [62] La electricidad generada por paneles solares se basa en un mecanismo diferente: la radiación solar se convierte directamente en electricidad utilizando el efecto fotovoltaico . [63]
La demanda de electricidad crece con gran rapidez a medida que una nación se moderniza y su economía se desarrolla. [64] Estados Unidos mostró un aumento del 12% en la demanda durante cada año de las primeras tres décadas del siglo XX, [65] una tasa de crecimiento que ahora están experimentando economías emergentes como las de India o China. [66] [67]
Las preocupaciones ambientales en relación con la generación de electricidad , en particular la contribución de la quema de combustibles fósiles al cambio climático , han llevado a un mayor enfoque en la generación a partir de fuentes renovables . En el sector energético, la energía eólica y solar se han vuelto rentables, acelerando una transición energética que se aleja de los combustibles fósiles. [68]
La invención del transformador a finales del siglo XIX permitió transmitir la energía eléctrica de manera más eficiente a un voltaje más alto pero con una corriente más baja. La transmisión eléctrica eficiente significó 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. [69] [70]
Normalmente, la demanda de electricidad debe coincidir con la oferta, ya que el almacenamiento de electricidad es difícil. [69] Siempre se debe mantener una cierta cantidad de generación en reserva para amortiguar una red eléctrica contra las inevitables perturbaciones y pérdidas. [71] Con los niveles crecientes de energía renovable variable (energía eólica y solar) en la red, se ha vuelto más difícil hacer coincidir la oferta y la demanda. El almacenamiento desempeña un papel cada vez mayor en la reducción de esa brecha. Hay cuatro tipos de tecnologías de almacenamiento de energía, cada una en diferentes estados de preparación tecnológica : baterías (almacenamiento electroquímico), almacenamiento químico como el hidrógeno , térmico o mecánico (como la energía hidroeléctrica bombeada ). [72]
La electricidad es una forma muy cómoda de transferir energía y se ha adaptado a un número enorme y creciente de usos. [73] La invención de una bombilla incandescente práctica en la década de 1870 hizo que la iluminación se convirtiera en una de las primeras aplicaciones de energía eléctrica disponibles para el público. Aunque la electrificación trajo consigo sus propios peligros, la sustitución de las llamas desnudas de la iluminación a gas redujo en gran medida los riesgos de incendio en hogares y fábricas. [74] En muchas ciudades se establecieron servicios públicos destinados al floreciente mercado de la iluminación eléctrica. A finales del siglo XX y en los tiempos modernos, la tendencia ha comenzado a fluir en dirección a la desregulación en el sector de la energía eléctrica. [75]
El efecto de calentamiento Joule resistivo empleado en las bombillas de filamento también se utiliza de forma más directa en la calefacción eléctrica . Si bien es versátil y controlable, puede considerarse un derroche, ya que la mayor parte de la generación eléctrica ya ha requerido la producción de calor en una central eléctrica. [76] Varios países, como Dinamarca, han promulgado leyes que restringen o prohíben el uso de la calefacción eléctrica resistiva en edificios nuevos. [77] Sin embargo, la electricidad sigue siendo una fuente de energía muy práctica para la calefacción y la refrigeración , [78] y el aire acondicionado / bombas de calor 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 tener en cuenta. [79] [80] Se espera que la electrificación desempeñe un papel importante en la descarbonización de los sectores que dependen de la quema directa de combustibles fósiles, como el transporte (utilizando vehículos eléctricos ) y la calefacción (utilizando bombas de calor ). [81] [82]
Los efectos del electromagnetismo se emplean de forma más visible en el motor eléctrico , que proporciona un medio limpio y eficiente de fuerza motriz. Un motor estacionario, como un cabrestante, se suministra fácilmente con un suministro de energía, pero un motor que se mueve con su aplicación, como un vehículo eléctrico , está obligado a llevar consigo una fuente de energía, como una batería, o a recoger corriente de un contacto deslizante, como un pantógrafo . Los vehículos propulsados eléctricamente se utilizan en el transporte público, como autobuses y trenes eléctricos, [83] y un número cada vez mayor de automóviles eléctricos propulsados por batería en propiedad privada.
La electricidad se utiliza en las telecomunicaciones y, de hecho, el telégrafo eléctrico , que Cooke y Wheatstone presentaron comercialmente en 1837 , [84] fue una de sus primeras aplicaciones. Con la construcción de los primeros sistemas telegráficos transcontinentales y, después , transatlánticos en la década de 1860, la electricidad había hecho posible las comunicaciones en cuestión de minutos en todo el mundo. La fibra óptica y las comunicaciones por satélite han conquistado una parte del mercado de los sistemas de comunicaciones, pero se puede esperar que la electricidad siga siendo una parte esencial del proceso.
Los dispositivos electrónicos utilizan el transistor , quizás uno de los inventos más importantes del siglo XX [85] 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 apenas unos centímetros cuadrados [86] .
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. [87] 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 en ciertas condiciones. [88] Si la corriente es suficientemente alta, provocará contracción muscular, fibrilación del corazón y quemaduras en los tejidos . [87] La falta de cualquier signo 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, lo que lleva a que la electricidad a veces se emplee como método de tortura . [89] La muerte causada por una descarga eléctrica, la electrocución , todavía se utiliza para la ejecución judicial en algunos estados de EE. UU., aunque su uso se había vuelto muy raro a fines del siglo XX. [90]
La electricidad no es una invención humana, y puede observarse en varias formas en la naturaleza, en particular en los rayos . Muchas interacciones familiares a nivel macroscópico, como el tacto , la fricción o los enlaces químicos , se deben a interacciones entre campos eléctricos a escala atómica. El campo magnético de la Tierra se debe al dinamo natural de corrientes circulantes en el núcleo del planeta. [91] Ciertos cristales, como el cuarzo o incluso el azúcar , generan una diferencia de potencial a través de sus caras cuando se presionan. [92] 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: cuando un material piezoeléctrico se somete a un campo eléctrico, cambia ligeramente de tamaño. [92]
Algunos organismos, como los tiburones , son capaces de detectar y responder a los cambios en los campos eléctricos, una capacidad conocida como electrorrecepción , [93] mientras que otros, denominados electrogénicos , son capaces de generar voltajes por sí mismos para servir como arma depredadora o defensiva; estos son los peces eléctricos en diferentes órdenes. [3] El orden Gymnotiformes , del cual el ejemplo más conocido es la anguila eléctrica , detecta o aturde a sus presas a través de altos voltajes generados a partir de células musculares modificadas llamadas electrocitos . [3] [4] 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 neuronas y músculos . [94] Una descarga eléctrica estimula este sistema y hace que los músculos se contraigan. [95] Los potenciales de acción también son responsables de coordinar actividades en ciertas plantas. [94]
Se dice que en la década de 1850, el político británico William Ewart Gladstone le preguntó al científico Michael Faraday por qué era valiosa la electricidad. Faraday respondió: "Un día, señor, podrá gravarla". [96] [97] [98] Sin embargo, según Snopes.com, "la anécdota debería considerarse apócrifa porque no se menciona en ningún relato de Faraday o sus contemporáneos (cartas, periódicos o biografías) y solo apareció mucho después de la muerte de Faraday". [99]
En el siglo XIX y principios del XX, la electricidad no formaba parte de la vida cotidiana de muchas personas, ni siquiera en el mundo occidental industrializado . En consecuencia, la cultura popular de la época a menudo la describía como una fuerza misteriosa, casi mágica, que podía matar a los vivos, revivir a los muertos o, de otro modo, alterar las leyes de la naturaleza. [100] : 69 Esta actitud comenzó con los experimentos de 1771 de Luigi Galvani en los que se demostró que las patas de las 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 menciona el método de revitalización del monstruo. La revitalización de monstruos con electricidad se convirtió más tarde en un tema recurrente en las películas de terror.
A medida que el público se familiarizaba con la electricidad como elemento vital de la Segunda Revolución Industrial , sus portadores eran vistos con más frecuencia bajo una luz positiva, [100] : 71 como los trabajadores que "sienten la muerte en la punta de sus guantes mientras reconstruyen y reconstruyen los cables vivientes" en el poema de Rudyard Kipling de 1907 Hijos de Martha . [100] : 71 Los vehículos eléctricos de todo tipo ocuparon un lugar destacado en historias de aventuras como las de Julio Verne y los libros de Tom Swift . [100] : 71 Los maestros de la electricidad, ya fueran ficticios o reales, incluidos científicos como Thomas Edison , Charles Steinmetz o Nikola Tesla , eran concebidos popularmente como poseedores de poderes mágicos. [100] : 71
Cuando la electricidad dejó de ser una novedad y se convirtió en una necesidad de la vida cotidiana en la segunda mitad del siglo XX, adquirió especial atención por parte de la cultura popular solo cuando deja de fluir, [100] : 71 un evento que generalmente indica un desastre. [100] : 71 Las personas que la mantienen fluyendo, como el héroe sin nombre de la canción de Jimmy Webb " Wichita Lineman " (1968), [100] : 71 todavía se presentan a menudo como figuras heroicas, similares a magos. [100] : 71
Aristóteles e Hipias afirman que, argumentando a partir del imán y del ámbar, atribuía alma o vida incluso a objetos inanimados.
También Tales, a juzgar por lo que se registra sobre él, parece haber considerado que el alma era una fuerza motriz, ya que dijo que el imán tiene alma porque mueve el hierro.
La fuerza repulsiva entre dos pequeñas esferas cargadas con el mismo tipo de electricidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los centros de las dos esferas.
