Energía eléctrica

La electricidad es una de las formas de energía más empleadas en la actualidad. De hecho, usamos otros tipos de energía para transformarla en energía eléctrica, ya que es muy fácil de transportar y transformar en otros tipos de energía útiles. La electricidad es una forma de energía que se manifiesta en la naturaleza. Por ejemplo, los rayos que observamos durante las tormentas se generan debido a la diferencia de cargas eléctricas entre las nubes y la superficie terrestre. La información que llega al cerebro viaja en forma de impulsos eléctricos a través de las neuronas. Pero la electricidad que usamos habitualmente es la generada en las centrales eléctricas, que llega a nuestros hogares a través de la red eléctrica. Además, podemos obtener energía eléctrica de las pilas y las baterías. El filósofo griego Tales de Mileto fue el primero que descubrió la existencia de la electricidad, en el siglo VI a.C.

Cargas eléctricas

Los fenómenos eléctricos se deben a la naturaleza de la materia, es decir, a las características de los átomos que la constituyen. En general, los materiales son neutros, ya que sus átomos tienen el mismo número de cargas positivas (protones) que negativas (electrones). Los átomos están constituidos por tres partículas fundamentales: protón, electrón y neutrón. El protón tiene carga eléctrica positiva, y el electrón, negativa. El neutrón no tiene carga eléctrica. Los protones y neutrones se hallan en el núcleo y los electrones giran alrededor de este.

Si nos peinamos en un día seco, el cabello se separa y es atraído por el peine. Cuando los materiales se comportan así, decimos que se han cargado eléctricamente. Este fenómeno se debe a la aparición de cargas eléctricas y se conoce como electricidad estática. La carga eléctrica es una propiedad de la materia que hace que dos cuerpos se atraigan o se rechacen entre sí. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de carga eléctrica es el culombio (C).

Los cuerpos adquieren carga eléctrica porque los átomos que los componen se cargan eléctricamente. En algunos materiales, los electrones más alejados del núcleo se hallan débilmente atraídos por los protones y pueden saltar de un átomo a otro. El átomo que pierde electrones adquiere carga eléctrica positiva (+) y el que los recibe, al tener un exceso de electrones, tiene carga eléctrica negativa (–). Por lo tanto, para adquirir carga eléctrica, los átomos tienen que ganar o perder electrones. Estas cargas interaccionan entre sí: las del mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen.

Ley de Coulomb

En el año 1785, el físico e ingeniero francés Charles Coulomb realizó experimentos con cargas eléctricas y obtuvo varias conclusiones que se pueden expresar en forma de la siguiente ley: La ley de Coulomb afirma que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas puntuales es proporcional al producto del valor de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Corriente eléctrica

Los electrones de los átomos que componen la materia se pueden mover de un átomo a otro. Cuando este movimiento se produce de manera ordenada, se forma un flujo de corriente que se conoce con el nombre de corriente eléctrica. La corriente eléctrica es, por lo tanto, la transmisión de electrones a través de un material debido a una diferencia de cargas entre un punto y el otro, llamada diferencia de potencial eléctrico.

Diferencia de potencial y intensidad de corriente

La diferencia de potencial eléctrico se conoce también con el nombre de voltaje. Su unidad en el SI es el voltio (V). Por otro lado, la intensidad de corriente es el número de cargas que circula por unidad de tiempo. Su unidad en el SI es el amperio (A). Cuanto mayor sea el número de cargas que pasan por un cable cada segundo, mayor será la intensidad de la corriente.

Tipos de corriente eléctrica

Los electrones circulan por los materiales desde el punto de mayor potencial al punto de menor potencial. En una corriente eléctrica, si los electrones se desplazan siempre en un mismo sentido, decimos que se trata de una corriente continua. Este tipo de corriente es la producida por las pilas y las baterías. Los electrones salen del polo negativo de la pila, o de cualquier generador de corriente continua, y tras recorrer el cable vuelven a entrar por el polo positivo. Este recorrido se denomina sentido real de la corriente. Una pila y una batería tienen un polo positivo (+) en uno de sus extremos y un polo negativo (–) en el otro. La diferencia de potencial entre estos dos polos genera una corriente eléctrica.

La corriente alterna es la producida por los generadores de corriente alterna, o alternadores, y se caracteriza porque la circulación de los electrones cambia de sentido constantemente. Fue descubierta por Nikola Tesla y sustituyó a la corriente continua en las instalaciones que suministran corriente eléctrica a gran escala. Es el tipo de corriente que se usa en nuestros hogares.

Los campos magnéticos pueden producir electricidad. Si movemos un imán cerca de un cable conductor, observaremos que se genera una débil corriente eléctrica. Los generadores electromagnéticos de corriente alterna, o alternadores, funcionan gracias a esta propiedad: cuando una bobina (cable de cobre enrollado) se mueve dentro del campo magnético de un imán, se produce una corriente eléctrica en el alambre.

Conductores y aislantes eléctricos

Hay materiales que permiten una mejor circulación de los electrones que otros; de acuerdo a ello, los clasificamos en materiales conductores y aislantes.

• Materiales conductores: Son aquellos que facilitan la circulación de los electrones, es decir, que oponen poca resistencia a su paso. Se usan para conducir la electricidad de un punto a otro. Los metales son muy buenos conductores eléctricos, aunque no todos lo hacen con igual eficacia. La propiedad que mide la facilidad con que un material conduce la corriente eléctrica se llama conductividad eléctrica. Hay cuatro metales que destacan por su gran conductividad: la plata, el oro, el cobre y el aluminio. Los dos primeros son caros y se reservan para aplicaciones especiales; el cobre y el aluminio son los más empleados.
• Aislantes eléctricos: Son malos conductores, porque los electrones están muy ligados a los átomos y, por lo tanto, no pueden circular con facilidad. El vidrio, el plástico o la madera son buenos aislantes.

Circuitos eléctricos

Un circuito eléctrico básico está compuesto por un conjunto de elementos como, por ejemplo, generadores, receptores, cables y elementos de control o interruptores:

• Generador: Proporciona la diferencia de potencial necesaria a las cargas para que se muevan. Por ejemplo, una pila proporciona 1,5 V, y la red eléctrica doméstica, 220 V.
• Cable conductor: Sirve de unión entre el generador y los distintos elementos del circuito, permitiendo que circule la corriente entre ellos. Está formado por un material conductor recubierto por una capa de material aislante.
• Receptores: Reciben la energía eléctrica que proviene del generador y la transforman en otro tipo de energía útil: luminosa (bombilla, LED, etc.), química (carga de una batería), calorífica (resistencia eléctrica, estufa, secador, etc.) o mecánica (motor eléctrico de un ventilador, exprimidor, etc.). Los receptores reciben el nombre genérico de resistencias porque son elementos que se oponen al paso de la corriente eléctrica.
• Interruptor: Es un elemento de control que permite el paso de la corriente, cuando está cerrado, o la interrumpe, cuando está abierto.

La resistencia eléctrica es una propiedad de los materiales que mide su oposición al paso de la corriente. La unidad de medida en el SI es el ohmio (Ω).

En un circuito eléctrico, las resistencias se pueden conectar en serie, es decir, una al lado de la otra en una única rama, o en paralelo, o sea, en dos ramas distintas. La corriente que atraviesa dos o más resistencias conectadas en serie es la misma para todas ellas. En cambio, la que pasa por dos resistencias conectadas en paralelo es diferente en cada rama.

Microchips

A menudo, los circuitos eléctricos pueden trabajar con corrientes eléctricas muy pequeñas y así reducir su tamaño. Los chips o microchips no son más que circuitos eléctricos miniaturizados, fabricados sobre una capa de silicio (material semiconductor) y protegidos por una cápsula de plástico o cerámica. Además de tener receptores, pueden manejar la señal eléctrica de forma digital. Eso permite construir sistemas informáticos más o menos complejos. Además, pueden combinarse dos o más microchips para conseguir una mayor complejidad en los circuitos en un espacio muy reducido.

Los microchips tienen una serie de ventajas: mejor eficiencia energética, ya que el consumo energético es mínimo por su pequeño tamaño y la proximidad de sus componentes, y bajo coste de fabricación, ya que son impresos sobre una lámina de silicio, permitiendo su producción en cadena.

Ley de Ohm

En un circuito eléctrico, los valores de resistencia, intensidad y voltaje se encuentran relacionados mediante la ley de Ohm. Esta ley establece que la intensidad de corriente I que circula por un circuito de corriente continua es directamente proporcional al voltaje V aplicado e inversamente proporcional a la resistencia R del circuito. Su expresión matemática es la siguiente: I = V / R.

El voltaje V es la diferencia de potencial entre los dos polos de un circuito y se mide en voltios (V). La intensidad de corriente I es la cantidad de electricidad que circula por unidad de tiempo y se mide en amperios (A). La resistencia R es la oposición de un material a la circulación de corriente y se mide en ohmios (Ω).

Ahorro energético

Vivimos en una sociedad que depende totalmente de la energía eléctrica. Gran parte de esta electricidad se genera a partir de energías no renovables, es decir, de energías obtenidas a partir de recursos no renovables, como los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas). Esto significa que en un futuro cercano las reservas de estos recursos pueden agotarse. Por otro lado, aunque cada vez son más las centrales que obtienen electricidad a partir de energías renovables, como la solar o la eólica, estas no pueden cubrir la gran demanda de electricidad existente. Por este motivo, si queremos conservar las reservas energéticas, debemos hacer un consumo responsable de la electricidad.

Las lámparas de bajo consumo tienen en su interior gases y un material fluorescente que se ilumina al paso de la corriente eléctrica. Con este sistema se consume menos energía que con una bombilla común de filamento. El ahorro energético no solo reduce el consumo de electricidad, sino también la contaminación derivada de la producción de electricidad mediante combustibles fósiles. Por otra parte, ahorrar energía también nos beneficia por el ahorro económico que comporta en la factura de la luz. El ahorro energético no se limita solo a la electricidad, sino que se extiende a todo tipo de energías que podamos usar.