Frotamiento:
Las primeras observaciones sobre fenómenos eléctricos se
realizaron ya en la antigua Grecia,
cuando el filósofo Tales de Mileto (640-546
a.c.) comprobó que, al frotar barras de ámbar contra pieles curtidas, se
producía en ellas características de atracción que antes no poseían.
Es el mismo experimento que ahora se
puede hacer frotando una barra de plástico con
un paño; acercándola luego a pequeños pedazos de papel, los atrae hacia sí,
como es característico en los cuerpos electrizados.
Todos estamos familiarizados con los
efectos de la electricidad estática,
incluso algunas personas son más susceptibles que otras a su influencia.
Ciertos usuarios de automóviles sienten
sus efectos al cerrar con la llave (un objeto metálico puntiagudo) o al tocar
la chapa del coche.
Creamos electricidad estática, cuando
frotamos un bolígrafo con nuestra ropa.
A continuación, comprobamos que el
bolígrafo atrae pequeños trozos de papel.
Lo mismo podemos decir cuando frotamos vidrio con
seda o ámbar con lana.
Para explicar como se origina la
electricidad estática, hemos de considerar que la materia está
hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una
nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra, tiene el mismo número de
cargas positivas y negativas.
Algunos átomos tienen más facilidad
para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de
sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo
en la serie tribo - eléctrica.
Si un material tiende a capturar
electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más
negativo en la serie tribo - eléctrica.
Estos son algunos ejemplos de materiales ordenados
de más positivo a más negativo:
Piel de conejo, vidrio, pelo humano,
nylon, lana, seda, papel, algodón, madera,
ámbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón.
El vidrio frotado con seda provoca una
separación de las cargas por que ambos materiales ocupan posiciones distintas
en la serie tribo - eléctrica, lo mismo se puede decir del ámbar y del vidrio.
Cuando dos materiales no conductores
entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro
material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de
los materiales (de su separación en la serie tribo - eléctrica), y del área de
la superficie que entra en contacto.
Otro de los factores que intervienen es el estado de
las superficies, si son lisas o rugosas (la superficie de contacto es pequeña).
La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino
para que se recombinen las cargas.
La presencia de impurezas en el aire tiene
el mismo efecto que la humedad.
Habremos observado que frotando el
bolígrafo con nuestra ropa atrae a trocitos de papeles.
En las experiencias de aula, se frotan
diversos materiales, vidrio con seda, cuero,
etc..
Se emplean bolitas de sauco
electrizadas para mostrar las dos clases de cargas y sus interacciones.
De estos experimentos se
concluye que:
1.
La materia contiene dos tipos de cargas
eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen
cantidades iguales de cada tipo de carga. Cuando un cuerpo se frota la carga se
transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga
positiva y el otro, un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que
ocurra en un sistema aislado,
la carga total o neta no cambia.
2. Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen.
3. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.
Si antes de empezar las experiencias,
se aproximan una barra de ebonita y a otra de vidrio, se comprobará que no
existe electrificación ninguna, pues no hay ni atracción ni repulsión. De esta
manera, se llega a la conclusión de que la electrización se produce por
frotamiento y de que existe algún agente común que no se comporta de igual
forma en ambos materiales.
Efectivamente, un tipo de partículas
llamadas electrones abandonan en unos casos la barra, por acción del
frotamiento, y otra veces abandona el paño para pasar a la barra.
El exceso de electrones da lugar a
cargas negativas, y su falta a cargas positivas.
Los electrones son idénticos para todas
las sustancias (los de cobre son
iguales que los del vidrio o la madera), siendo estas, las partículas más
importantes de las que se compone la materia, ya que disponen de carga y
movilidad para desplazarse por las sustancias. La diferencia entre dos
materiales vendrá dada, entre otras cosas, por la cantidad y movilidad de los
electrones que la componen.
A título de curiosidad, comentar que la
masa de un electrón es de:
0'0000000000000000000000000000009106
Kg.
Los conceptos de carga y movilidad son
esenciales en el estudio de la electricidad, ya que, sin ellos, no podría
existir la corriente eléctrica.
Acción
química:
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superior
Dispositivo que convierte la energía química en eléctrica.
Todas las pilas consisten
en un electrolito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo
positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un conductor iónico; uno de
los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar
los electrodos al circuito que hay que alimentar, se produce una corriente
eléctrica. Véase Electroquímica.
Las pilas en las que el producto químico
no puede volver a su forma original una vez que la energía química se ha
transformado en energía eléctrica (es decir, cuando las pilas se han
descargado), se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas secundarias o
acumuladores son aquellas pilas reversibles en las que el producto químico que
al reaccionar en los electrodos produce energía eléctrica, puede ser
reconstituido pasando una corriente
eléctrica a través de él en sentido opuesto a la operación
normal de la pila.
Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú
superior
Entre los extremos de los metales,
fuera del electrolito, se genera una diferencia de potencial, o voltaje, que
puede dar lugar a una corriente eléctrica. En la pila de la figura 3 el zinc
adquiere carga negativa, mientras que el cobre adquiere cargas positivas. Al
zinc se le llama cátodo y el cobre recibe el nombre de ánodo. Así se tiene una
fuente de electricidad distinta a la generada por fricción. Con este medio
químico para obtener electricidad se abrieron nuevas posibilidades de
aplicación práctica y experimental.
La explicación de las reacciones químicas que ocurren en la pila o celda
voltaica se dio muchos años después, ya que en la época de Volta la química
apenas empezaba a desarrollarse como ciencia moderna.
Solamente diremos que, por un lado, el zinc adquiere un exceso de electrones,
mientras que por el otro, el ácido con el cobre da lugar a cargas eléctricas
positivas. Al unir el cobre con el zinc por medio de un alambre conductor, los
electrones del zinc se mueven a través del alambre, atraídos por las cargas del
cobre y al llegar a ellas se les unen formando hidrógeno.
A medida que la luz solar
se hace más intensa, el voltaje que se genera entre las dos capas de la célula fotovoltaica
aumenta.
Electricidad Térmica por Acción del Calor
Central de generación térmica:
Es el tipo de central donde se usa una turbina accionada por vapor de agua inyectado
a presión para
mover el eje de los generadores eléctricos. Se puede producir desde los 5 hasta
los 5000 kwatts.
Las centrales térmicas convencionales y las térmicas nucleares utilizan
la energía contenida en el vapor a presión. El ejemplo más sencillo consiste en
conectar una tetera llena de agua hirviendo a una rueda de paletas, enlazada a
su vez a un generador. El chorro de vapor procedente de la tetera mueve las
paletas, y éstas, el rotor.
Podemos conseguir vapor de muchas maneras: quemando carbón, petróleo, gas o residuos urbanos, o bien aprovechando la gran cantidad de calor que generan las reacciones de fisión nuclear. Incluso se puede producir vapor concentrando la energía del sol.
El proceso seguido en todas las centrales térmicas (convencionales o nucleares) tiene cuatro partes principales:
1. Generador de calor (puede ser una caldera para quemar carbón, fuel, gas, biogás, biomasa o residuos urbanos, o bien un reactor nuclear).
2. Circuito cerrado por donde circula el fluído que porta la energía cinética necesaria (agua en fase líquida y en fase de vapor). El generador de vapor tiene una gran superficie de contacto para facilitar la transferencia de calor de la caldera. (En las centrales de gas de ciclo combinado, el fluido es el propio gas en combustión).
3. Condensador o circuito de enfriamiento. convierte el vapor "muerto" de baja densidad en agua líquida de alta densidad, apta para ser convertida de nuevo en vapor "vivo". El calor residual del vapor "muerto" se transfiere a otro medio (generalmente un río o un embalse).
4. La turbina convierte la energía cinética del vapor "vivo" en movimiento rotatorio. Las ruedas de paletas se disponen una tras otra, con diferentes configuraciones, para aprovechar toda la energía contenida en el vapor a presión a medida que se expande y pierde fuerza. El generador convierte el giro en corriente eléctrica, gracias al proceso de inducción electromagnética.
Podemos conseguir vapor de muchas maneras: quemando carbón, petróleo, gas o residuos urbanos, o bien aprovechando la gran cantidad de calor que generan las reacciones de fisión nuclear. Incluso se puede producir vapor concentrando la energía del sol.
El proceso seguido en todas las centrales térmicas (convencionales o nucleares) tiene cuatro partes principales:
1. Generador de calor (puede ser una caldera para quemar carbón, fuel, gas, biogás, biomasa o residuos urbanos, o bien un reactor nuclear).
2. Circuito cerrado por donde circula el fluído que porta la energía cinética necesaria (agua en fase líquida y en fase de vapor). El generador de vapor tiene una gran superficie de contacto para facilitar la transferencia de calor de la caldera. (En las centrales de gas de ciclo combinado, el fluido es el propio gas en combustión).
3. Condensador o circuito de enfriamiento. convierte el vapor "muerto" de baja densidad en agua líquida de alta densidad, apta para ser convertida de nuevo en vapor "vivo". El calor residual del vapor "muerto" se transfiere a otro medio (generalmente un río o un embalse).
4. La turbina convierte la energía cinética del vapor "vivo" en movimiento rotatorio. Las ruedas de paletas se disponen una tras otra, con diferentes configuraciones, para aprovechar toda la energía contenida en el vapor a presión a medida que se expande y pierde fuerza. El generador convierte el giro en corriente eléctrica, gracias al proceso de inducción electromagnética.
Electricidad por Magnetismo
En 1819, el físico danés Hans Christian Oersted llevó a cabo un
importante descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser
desviada por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que mostraba una
conexión entre la electricidad y el magnetismo,
fue desarrollado por el científico francés André Marie Ampère, que estudió las
fuerzas entre cables por los que circulan corrientes eléctricas, y por el
físico francés Dominique François Arago, que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo
cerca de un cable recorrido por una corriente. En 1831, el científico británico
Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de
un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al
hallado por Oersted. Así, Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un
campo magnético, mientras que Faraday demostró que puede emplearse un campo
magnético para crear una corriente eléctrica. La unificación plena de las teorías de
la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk
Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas
e identificó la luz como un fenómeno electromagnético (véase Física).
James Clerk Maxwell Conocido como uno de los científicos más destacados
del siglo XIX, James Clerk Maxwell desarrolló una teoría matemática que
relaciona las propiedades de los campos eléctricos y magnéticos. Los trabajos
de Maxwell lo llevaron a predecir la existencia de las ondas electromagnéticas,
e identificó la luz como un fenómeno electromagnético. Sus investigaciones contribuyeron
a algunos de los descubrimientos más importantes en el campo de la física
durante el siglo XX, incluidas la teoría de la relatividad especial de Einstein
y la teoría cuántica.Hulton Deutsch
Los estudios posteriores sobre el magnetismo se centraron cada vez más
en la comprensión del origen atómico y molecular de las propiedades magnéticas
de la materia. En 1905, el físico francés Paul Langevin desarrolló una teoría
sobre la variación con la temperatura de
las propiedades magnéticas de las sustancias paramagnéticas (ver más adelante),
basada en la estructura atómica
de la materia. Esta teoría es uno de los primeros ejemplos de la descripción de propiedades macroscópicas a
partir de las propiedades de los electrones y los átomos. Posteriormente, la
teoría de Langevin fue ampliada por el físico francés Pierre Ernst Weiss, que
postuló la existencia de un campo magnético interno, molecular, en los
materiales como el hierro. Este concepto,
combinado con la teoría de Langevin, sirvió para explicar las propiedades de
los materiales fuertemente magnéticos como la piedra imán.
Campos magnéticos y corrientes En 1813, Hans Christian Oersted predijo
que se hallaría una conexión entre la electricidad y el magnetismo. En 1819
colocó una brújula cerca
de un hilo recorrido por una corriente y observó que la aguja magnética se
desviaba. Con ello demostró que las corrientes eléctricas producen campos
magnéticos. Aquí vemos cómo las líneas del campo magnético rodean
el cable por el que fluye la corriente.© Microsoft Corporation.
Reservados todos los derechos.
Después de que Weiss presentara su teoría, las propiedades magnéticas se
estudiaron de forma cada vez más detallada. La teoría del físico danés Niels Bohr sobre
la estructura atómica, por ejemplo, hizo que se comprendiera la tabla periódica
y mostró por qué el magnetismo aparece en los elementos de transición, como el
hierro, en los lantánidos o en compuestos que incluyen estos elementos. Los
físicos estadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y George Eugene Uhlenbeck
demostraron en 1925 que los electrones tienen espín y se comportan como
pequeños imanes con un ‘momento magnético’ definido. El momento magnético de un
objeto es una magnitud vectorial (véase Vector) que expresa la intensidad y
orientación del campo magnético del objeto. El físico alemán Werner Heisenberg
dio una explicación detallada del campo molecular de Weiss en 1927, basada en
la recientemente desarrollada mecánica
cuántica (ver Teoría cuántica). Más tarde, otros científicos
predijeron muchas estructuras atómicas
del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas.
Por presión:
En esta figura podemos observar, la presión que ejerce las corrientes de
agua subterráneas, las mismas que accionan las turbinas que posteriormente
generan la energía
eléctrica, este mismo proceso lo utilizan en los barcos y grandes
buques como energía alterna al sistema principal.
En la figura siguiente, podemos observar la presión que ejerce el agua en
una represa de agua, este sistema es el mas utilizado.
Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú
superior
En las presas se genera electricidad liberando un flujo controlado de
agua a alta presión a través de un conducto forzado. El agua impulsa unas
turbinas que mueven los generadores y producen así una corriente eléctrica. A
continuación, esta corriente elevada de baja tensión pasa por un elevador de
tensión que la transforma.
