Electricidad básica (página 2)

Cargas positivas y negativas

Los átomos usualmente presentan igual cantidad de
protones y electrones, en este caso decimos que se trata de un
átomo
eléctricamente neutro. Sin embargo, bajo ciertas
circunstancias un átomo puede ganar o peder uno o
más electrones. Cuando un átomo gana uno o
más electrones (exceso de electrones) queda cargado
negativamente y cuando un átomo pierde uno o más
electrones (exceso de protones) queda con carga eléctrica
positiva.

Por tanto llegamos a la conclusión de que existen
dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Las
cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las cargas
eléctricas de signo contrario se atraen.

Fig. Nº 4. Cargas de igual signo se
repelen (b) y cargas de signo diferente se atraen (b)

Medición de la carga
eléctrica

Ya sabemos que cuando un cuerpo está electrizado
posee un exceso de protones (carga positiva), o bien, un exceso
de electrones (carga negativa). Por ese motivo, el valor de la
carga de un cuerpo, representada por , se puede medir por el número de
electrones que el cuerpo pierde o gana. Pero esta forma de
expresar el valor de la carga no resulta práctica, pues se
sabe que en un proceso
común de electrización el cuerpo pierde o gana un
número muy elevado de electrones. De este modo, los
valores de
estarían
expresados por números sumamente grandes.

En la práctica se procura utilizar una unidad de
carga más adecuada. En el Sistema
Internacional de Unidades (SIU), la unidad de carga
eléctrica es el coulomb (símbolo C).

Cuando decimos que un cuerpo posee una carga de 1 C,
ello significa que perdió o gano 6.25 ×
1018 electrones.

Generalmente se suele trabajar con cargas
eléctricas mucho menores que 1 C. En este caso, es
costumbre expresar los valores de
las cargas de los cuerpos electrizados mediante
submúltiplos, en milicoulombs (mC) o bien en
microcoulombs (μC).

1 mC = 10–3 C

1 μC = 10–6
C

La unidad de carga más pequeña conocida en
la naturaleza es
la carga del electrón (que es igual en magnitud a la del
protón), su valor es: .

Ley de
Coulomb

Consideremos dos cuerpos electrizados con cargas
y (en coulombs), separados
una distancia
(en metros) y situadas en el vacío, tal como se muestra en la
figura Nº 5. Supóngase que las dimensiones de dichos
cuerpos son despreciables (cargas puntuales). La ley de Coulomb
establece que estas cargas se atraen o repelen mediante una
fuerza
eléctrica
(en newtons), la cual es inversamente proporcional al cuadrado de
la separación y directamente proporcional al producto de
las cargas y
.

Matemáticamente la ley de Coulomb está
dada por:

Donde
es la constante electrostática del vacío, en el SIU
su valor es 9.0 × 109 N m2
C–2.

Si las cargas son colocadas en el interior de un medio
material cualquiera (por ejemplo agua, aire, aceite, etc.),
se observa que el valor de la fuerza de interacción entre ellas sufre una
reducción, mayor o menor, dependiendo del medio. Este
factor de reducción se denomina "constante
dieléctrica del medio", y se representa por la letra
. Luego la fuerza
de interacción entre las cargas es:

Observar que la fuerza entre dos cargas
prácticamente no se altera cuando pasan del vacío
al aire.

Figura Nº 5. Fuerza de
atracción entre dos cargas puntuales de signos
opuestos

Conductores y aislantes

Como ya dijimos en la sección anterior, los
átomos se combinan para formar compuestos; así
cuando varios átomos se reúnen para formar ciertos
sólidos, como los metales por
ejemplo, los electrones de las órbitas más alejadas
del núcleo no permanecen unidos a sus respectivos
átomos, y adquieren libertad de
movimiento en
el interior del sólido. Estas partículas se
denominan electrones libres. Por tanto, en materiales que
poseen electrones libres es posible que la carga eléctrica
sea transportada por medio de ellos, y por lo tanto, decimos que
estas sustancias son "conductores eléctricos".

Por otro lado, existen situaciones de conducción
no metálica (por ejemplo en algunos baños
químicos) en las que las cargas son conducidas a
través de una solución (electrolito).

Al contrario de los conductores eléctricos,
existen materiales en los cuales los electrones están
firmemente unidos a sus respectivos átomos; es decir,
estas sustancias no poseen electrones libres. Por tanto, no
será posible el desplazamiento de carga eléctrica
libre a través de estos cuerpos, los que se denominan
"aislantes eléctricos" o "dieléctricos". La
porcelana, el caucho (hule),
la mica, el plástico,
la madera, el
vidrio, etc., son
ejemplos típicos de sustancias aislantes.

Corriente eléctrica

La corriente
eléctrica consiste en el flujo de cargas
eléctricas a través de un conductor. En el caso de
los conductores metálicos (por ejemplo un alambre de
cobre), la
corriente eléctrica está constituida por un flujo
de electrones. En los conductores líquidos (por ejemplo
una solución de cloruro de sodio o sal común en
agua) la corriente eléctrica está constituida por
el movimiento de iones positivos (cationes) e iones negativos
(aniones). En el caso de los gases (por
ejemplo en las lámparas de vapor de mercurio) la corriente
está constituida por el movimiento de cationes, de
aniones, y también de electrones libres.

Figura Nº 6. En un alambre la corriente
eléctrica es un flujo de electrones (a), y en un
electrolito la corriente eléctrica corresponde a un flujo
de cationes y aniones (b)

La intensidad de la corriente eléctrica
(representada por la letra ) en el SIU se denomina ampere (símbolo A) y
se define como:

Es decir, si en un conductor circula una corriente de 1
A, ello significa que por dicho conductor está circulando
una carga de 1 C en cada segundo.

Generalmente se utilizan submúltiplos del ampere,
tales como el miliampere (mA) y el microampere
(μA), cuyas equivalencias son:

1 mA = 10–3 A

1 μA = 10–6
A

Tipos
de corriente

Hay dos tipos de corriente eléctrica: corriente
directa o continua (CD ó
CC) y corriente alterna
(CA).

La corriente directa es aquella que fluye en una sola
dirección (unidireccional o de sentido
constante). Este tipo de corriente es proporcionada, por ejemplo,
por las pilas (que se
emplean en las linternas, radios, etc.) o bien por las
baterías o acumuladores del automóvil.

La corriente alterna es aquella que cambia
periódicamente de dirección, desplazándose
unas veces en una dirección y otras en dirección
contraria. Este tipo de corriente es que la suministran las
empresas de
electricidad
en casi todas las ciudades del mundo y es utilizada en nuestros
hogares (electrodomésticos, equipos de sonido, televisión, computadoras,
etc.) y en la industria.

Una corriente alterna puede transformarse en corriente
continua por medio de dispositivos especiales, denominados
"rectificadores", obteniéndose una corriente
rectificada.

Figura Nº 7. Corriente alterna,
corriente directa y corriente rectificada.

Fuerza electromotriz

La fuerza que impulsa a la corriente a lo largo de un
conductor es denominada fuerza electromotriz (FEM), su unidad en
el SIU es el volt (V) y normalmente se usa el término
"voltaje" en lugar de FEM. Se suele representar por las letras
o . Sin embargo, es
sumamente útil tener en mente la expresión "fuerza
electromotriz", ya que ésta fortalece la idea de una
fuerza que empuja o jala las cargas alrededor del circuito para
hacer que fluya corriente.

Esta fuerza eléctrica o voltaje, siempre aparece
entre dos puntos, y se dice que es la "diferencia de potencial"
entre dichos puntos (figura Nº 8).

Figura Nº 8. Voltaje o diferencia de
potencial entre las terminales de la batería

El voltaje suele expresarse mediante múltiplos,
tales como el kilovolt (kV) y el megavolt (MV), y también
mediante submúltiplos como el milivolt (mV) y el microvolt
(μV), cuyas equivalencias son:

1 kV = 103 V

1 MV = 106 V

1 mV = 10–3 V

1 μV = 10–6
V

En Perú el voltaje doméstico por lo
común es de aproximadamente 220 V, su frecuencia
(*) es de 60 hertz (símbolo
Hz).

Resistencia

La resistencia
() representa la
oposición al flujo de cargas eléctricas a
través de un conductor. Tanto mayor sea el valor de
mayor
será la oposición que ofrece el conductor al paso
de la corriente a través de él.

En el SIU, la unidad de medida para la resistencia se
denomina ohm y se representa por la letra griega .

En la industria se utilizan los siguientes
submúltiplos: el miliohm (), el microhm (), y los múltiplos: kilohm () y el magaohm (), cuyas equivalencias
son:

1 =
103

1 =
106

1 =
10–3

1 =
10–6

El elemento de un circuito eléctrico
diseñado específicamente para proporcionar
resistencia se denomina "resistor" (*).

Resistividad de un material

La experiencia nos muestra que si consideramos un
conductor como el mostrado en la figura Nº 9, el valor de su
resistencia dependerá de su longitud y del área de
su sección transversal.

Figura Nº 9. La resistencia de un
conductor depende de y de

Al realizar mediciones cuidadosas se observa que la
resistencia de un material es directamente proporcional a su
longitud e inversamente proporcional al área de su
sección transversal, es decir:

Donde
se denomina "resistividad eléctrica" del material. Su
unidad en el SIU es m.

La resistividad es una propiedad
característica del material que constituye el conductor,
es decir, cada sustancia posee un valor diferente de
resistividad.

La tabla siguiente presenta valores de resistividad
eléctrica de algunas sustancias, a una temperatura de
20 º C (*).

Si se tienen varios alambres de la misma longitud y del
mismo grosor, pero hechos de diferente material, el de menor
resistividad será el de menor resistencia. Es decir, que
cuanto menor sea la resistividad de un material, tanto menor
será la oposición que este material ofrezca al paso
de la corriente a través de él.

Ley
de Ohm

La relación entre el voltaje aplicado (), la corriente () y la resistencia
() en un circuito
eléctrico está dada por la ley de Ohm, la
que establece que para un valor fijo (constante) de resistencia,
la corriente es directamente proporcional al voltaje, es
decir:

Por tanto, si el voltaje se duplica, también se
duplica la corriente, si se triplica el voltaje se triplica la
corriente, si el voltaje se reduce a la mitad la corriente
también se reducirá a la mitad, etc. Esta
relación se puede expresar gráficamente como
sigue:

Figura Nº 10. La ley de Ohm en su
forma gráfica

Potencia eléctrica

La potencia
eléctrica, representada por la letra , es la tasa (velocidad) de
producción o consumo de
energía, como la potencia de un generador o la potencia
disipada en una lámpara. La energía en el SIU se
expresa en joules (J) y la potencia se mide en watts (W) o con
frecuencia en kilowatts (kW), donde:

1 W = 1 J / s

1 kW = 1000 W

El consumo de energía
eléctrica por lo general se suele medir en
kilowatts–hora (kWh), el cual se define como el consumo de
un artefacto de 1000 W de potencia durante una hora.

Sin embargo, es práctica común en la
industria utilizar otras unidades para expresar la potencia
eléctrica, como son los caballos fuerza (hp) y la Unidad
Térmica Británica (BTU). Las equivalencias de estas
unidades con el watt son:

1 hp = 746 W

1 W = 3.41 BTU/h

Ley de Watt

La ley de Watt, establece que la potencia en un aparato
eléctrico se puede determinar mediante la siguiente
fórmula:

Es decir, si se conoce el voltaje aplicado y la
intensidad de corriente que circula por el circuito, se puede
calcular la potencia desarrollada en el equipo.

El
efecto Joule

La resistencia es la componente que transforma la
energía eléctrica en energía calorífica, por ejemplo en un horno
eléctrico, una tostadora, un hervidor de agua, una
plancha, etc. El efecto Joule puede predecir la cantidad de calor
que es capaz de entregar (disipar) una resistencia.

El efecto Joule establece que la cantidad de
energía calorífica () producida por una corriente eléctrica
depende directamente del cuadrado de la intensidad de corriente
(), del tiempo
() que esta
circula por el conductor y de la resistencia () que opone el mismo al
paso de la corriente. Matemáticamente esto es:

Recordar que la energía en el SIU se expresa en
Joules (símbolo J).

La fórmula para determinar la potencia de una
carga resistiva (a menudo denominada ley de Joule), está
dada por:

La cual se obtiene de relacionar la ley de Watt con la
ley de Ohm, y nos permite determinar la potencia disipada por un
equipo eléctrico.

Aplicaciones del efecto Joule

Todos los dispositivos eléctricos que se utilizan
para calentamiento se basan en el efecto Joule, es decir, estos
aparato consisten esencialmente en una resistencia que se
calienta al ser recorrida por la corriente.

Las lámparas de incandescencia (o de filamento
incandescentes), como la lámpara de tungsteno, conocida
comúnmente como bombilla de luz,
también constituyen una aplicación del efecto
Joule. Sus filamentos de tungsteno, que es un metal cuyo punto de
fusión
es muy elevado, al ser recorridos por una corriente
eléctrica, se calientan y pueden alcanzar altas
temperaturas (casi 2 500 ºC), volviéndose
incandescentes y emitiendo una gran cantidad de luz.

Otra aplicación del efecto Joule se encuentra en
la construcción de fusibles, elementos que se
emplean para limitar la corriente que pasa por un circuito
eléctrico; por ejemplo, en un automóvil, una casa,
un aparato electrodoméstico, etc. Estos dispositivos
están constituidos por una tirilla metálica,
generalmente de plomo, el cual tiene un punto de fusión
bajo; de esta manera, cuando la corriente que pasa por el fusible
sobrepasa cierto valor (el amperaje propio de cada fusible), el
calor generado por el efecto Joule produce la fusión del
elemento, interrumpiendo así el paso de corriente
excesiva. Por ejemplo, en una casa a medida que se van conectando
a la red
eléctrica varios aparatos, la corriente que "entra" a la
casa a través del fusible, se va volviendo cada vez mayor.
Si no existiera el fusible y el número de aparatos
conectados fuera muy grande, la corriente que circularía
en la instalación podría llegar a ser muy intensa.
Esto produciría un calentamiento indeseable, e incluso
peligroso, de los conductores. El fusible impide que esto suceda,
porque al fundirse, interrumpe el paso de la corriente cuando
alcanza un valor mayor que el límite superior de seguridad.

En la actualidad, además de los fusibles se
emplean en las casas los llamados interruptores
termomagnéticos (automáticos). En estos
últimos elementos, el calentamiento de un dispositivo
bimetálico produce su dilatación, haciendo que el
circuito se abra.

El fusible y el interruptor automático
también protegen a un circuito eléctrico cuando
ocurre un "cortocircuito". Este fenómeno se produce cuando
por un motivo cualquiera, la resistencia conectada de un circuito
se vuelve muy pequeña, haciendo que la corriente alcance
un valor muy intenso, lo cual hace que el fusible o interruptor
abra el circuito, impidiendo que se produzcan efectos
perjudiciales.

Como se puede observar el efecto Joule tiene muchas
aplicaciones beneficiosas, en los que se requiere el calor que
desprende un conductor por el paso de la corriente a
través de él. Sin embargo, en muchas otras
aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que
los aparatos eléctricos y electrónicos requieran de
un ventilador que disipe el calor generado y evite el
calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.

Diciembre, 2006

Autor:

Carlos Castillo Peralta

Ingeniero Químico

Universidad Nacional del Callao

Perú