Hitos Históricos en el Estudio de la Electricidad

• ~600 a.C.: Tales de Mileto descubre las propiedades del ámbar al ser frotado (atrae objetos ligeros).
• ~310 a.C.: Teofrasto, filósofo griego, deja constancia en un tratado que otras sustancias poseen propiedades similares al ámbar.
• 1600 d.C.: William Gilbert, médico inglés, estudia sistemáticamente los imanes y la electricidad estática. Acuña el término electricus (del griego elektron, ámbar) y diferencia los fenómenos eléctricos de los magnéticos, mejorando la exactitud de las brújulas usadas en la navegación.
• 1672: Otto von Guericke, físico alemán, desarrolló la primera máquina electrostática capaz de generar y almacenar carga eléctrica.
• 1752: Benjamin Franklin, científico y político estadounidense, demostró la naturaleza eléctrica de los rayos mediante su famoso experimento de la cometa. Explicó que la electricidad es un fluido existente en la materia y propuso los conceptos de carga positiva y negativa.
• 1881: Thomas Edison, inventor estadounidense, creó la primera lámpara incandescente comercialmente viable con un filamento de algodón carbonizado, revolucionando la iluminación.

Clasificación de Materiales según su Conductividad Eléctrica

Materiales Aislantes

Son aquellos materiales que dificultan e incluso impiden el paso de la corriente eléctrica (el flujo de electrones). Poseen muy pocos electrones libres. Los materiales aislantes se emplean en electricidad para recubrir conductores, evitar fugas de corriente y prevenir accidentes eléctricos. Ejemplos: vidrio, plástico, goma, cerámica, aire seco.

Materiales Conductores

Permiten que la corriente eléctrica (cargas) fluya fácilmente a través de ellos. Son componentes esenciales en todos los circuitos eléctricos, especialmente en los cables. Los más comunes son los metales (cobre, aluminio, plata, oro) debido a la presencia de electrones libres en su estructura.

Materiales Semiconductores

Son sustancias cuya conductividad eléctrica se sitúa entre la de los conductores y los aislantes. Se comportan como aislantes o conductores dependiendo de factores como la temperatura, la luz o la presencia de impurezas (‘dopaje’). El elemento semiconductor más utilizado en electrónica es el silicio (Si).

• Aislante: En estado cristalino puro y a bajas temperaturas.
• Conductor: Cuando se ‘dopa’ añadiendo impurezas controladas o al aumentar la temperatura.

Materiales Superconductores

Son ciertos materiales que, por debajo de una determinada temperatura crítica (generalmente muy baja, cercana al cero absoluto, -273.15 °C), presentan una resistencia eléctrica prácticamente nula. Esto permite el paso de la corriente eléctrica sin pérdida de energía. Algunos materiales considerados buenos conductores a temperatura ambiente pueden volverse superconductores al enfriarse drásticamente.

Conductividad del Agua

El agua en estado químicamente puro (H₂O) es un mal conductor de la electricidad (casi aislante). Sin embargo, si contiene sales, ácidos u otras sustancias disueltas (iones), la disolución se convierte en una buena conductora de la electricidad.

Conductor Eléctrico: Definición Ampliada

Un conductor eléctrico es aquel material que, al ser sometido a una diferencia de potencial eléctrico (voltaje), permite el flujo de carga eléctrica a través de él. Generalmente, son elementos, aleaciones o compuestos con electrones libres (en sólidos) o iones (en disoluciones o gases) que pueden moverse fácilmente. En los conductores metálicos, la corriente se debe al movimiento de electrones. En disoluciones electrolíticas, son los iones (aniones y cationes) los portadores de carga.

Principios de la Electroestática

La electroestática estudia las cargas eléctricas en reposo y las fuerzas entre ellas.

Principio Fundamental de la Carga

«Cargas eléctricas de igual signo se repelen, y cargas eléctricas de signo contrario se atraen».

• Las fuerzas electrostáticas entre cargas iguales (+ y +; – y -) son de repulsión.
• Las fuerzas electrostáticas entre cargas diferentes (+ y -) son de atracción.

Principio de Conservación de la Carga

«En cualquier proceso físico que ocurra en un sistema aislado, la carga eléctrica total permanece constante».

Esto significa que la carga eléctrica no se crea ni se destruye, solo se transfiere de un cuerpo a otro.

Métodos de Electrización (Carga Eléctrica de un Cuerpo)

• Por Frotamiento: Al frotar dos cuerpos inicialmente neutros, puede ocurrir una transferencia de electrones de uno a otro. Ambos cuerpos quedan cargados eléctricamente, uno con carga positiva (el que cedió electrones) y otro con carga negativa (el que ganó electrones).
• Por Contacto: Cuando un cuerpo cargado toca a un conductor neutro, parte de la carga se transfiere al conductor. Si ambos son conductores, al separarlos, ambos quedan con carga del mismo signo que la carga original del primer cuerpo.
• Por Inducción: (No mencionado en el original, pero relevante) Acercando un cuerpo cargado a un conductor neutro sin tocarlo, se produce una redistribución de cargas en el conductor. Si se conecta el conductor a tierra momentáneamente mientras el cuerpo cargado está cerca, el conductor puede quedar cargado con signo opuesto al del cuerpo inductor.

Distribución de Carga en Conductores (en Equilibrio Electroestático)

• Conductor Esférico: La carga eléctrica neta añadida a un conductor esférico se distribuye uniformemente sobre su superficie exterior. El campo eléctrico en el interior del conductor es nulo.
• Conductor de Forma Irregular (con puntas): La carga eléctrica tiende a acumularse en las regiones de mayor curvatura (puntas). La densidad superficial de carga no es uniforme, siendo máxima en las puntas. Este fenómeno se conoce como efecto de las puntas y explica por qué las descargas eléctricas (como chispas o el ‘fuego de San Telmo’) ocurren preferentemente en objetos puntiagudos.

Ley de Coulomb

Describe la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales en reposo. Establece que: «La magnitud de la fuerza eléctrica (F) de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (q₁ y q₂) es directamente proporcional al producto de las magnitudes de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa».

La dirección de la fuerza actúa a lo largo de la línea recta que une las dos cargas.

Matemáticamente: F = k * |q₁ * q₂| / r², donde k es la constante de Coulomb.

Campo Eléctrico (E)

Es una región del espacio alrededor de una carga eléctrica (o distribución de cargas) donde otra carga eléctrica experimentaría una fuerza electrostática. Se define como la fuerza eléctrica (F) por unidad de carga de prueba positiva (q₀) colocada en ese punto:

E = F / q₀

La dirección del campo eléctrico en un punto es la dirección de la fuerza que actuaría sobre una carga de prueba positiva situada en ese punto. Se mide en Newtons por Coulomb (N/C) o Volts por metro (V/m).

Líneas de Campo Eléctrico

Son líneas imaginarias que se utilizan para visualizar los campos eléctricos. Por convención:

• Salen de las cargas positivas y terminan en las cargas negativas (o en el infinito).
• La dirección del campo eléctrico en cualquier punto es tangente a la línea de campo en ese punto.
• La densidad de las líneas (cuán juntas están) es proporcional a la intensidad del campo eléctrico.

Potencial Eléctrico (V)

Es una magnitud escalar que representa la energía potencial eléctrica por unidad de carga en un punto del campo eléctrico. Se define como el trabajo (W) realizado por una fuerza externa para mover una unidad de carga positiva (q₀) desde un punto de referencia (generalmente el infinito, donde V=0) hasta el punto considerado, dividido por dicha carga:

V = W / q₀

Su unidad en el Sistema Internacional es el voltio (V), que equivale a Julio por Coulomb (J/C).

Diferencia de Potencial Eléctrico (Voltaje, ΔV)

Es el trabajo por unidad de carga necesario para mover una carga eléctrica entre dos puntos (A y B) dentro de un campo eléctrico: ΔV = V<0xE2><0x82><0x8B> – V<0xE2><0x82><0x92> = W<0xE2><0x82><0x92><0xE2><0x82><0x8B> / q₀.

Representa la ‘presión’ o ‘impulso’ que impulsa a las cargas eléctricas a fluir a través de un conductor en un circuito eléctrico. La corriente eléctrica fluye espontáneamente desde puntos de mayor potencial a puntos de menor potencial (para cargas positivas). Esta corriente cesará cuando ambos puntos alcancen el mismo potencial eléctrico (ΔV = 0). La diferencia de potencial también se mide en voltios (V).

Corriente Eléctrica (I)

Es el flujo ordenado de cargas eléctricas (generalmente electrones en conductores metálicos) a través de un material conductor, usualmente dentro de un circuito eléctrico cerrado.

• Sentido real del flujo de electrones: En un circuito alimentado por una batería o fuente de FEM (fuerza electromotriz), los electrones se mueven desde el terminal negativo (-) hacia el terminal positivo (+).
• Sentido convencional de la corriente: Por convención histórica (antes del descubrimiento del electrón), se define el sentido de la corriente como el flujo de carga positiva, es decir, desde el terminal positivo (+) hacia el terminal negativo (-) de la fuente. Este es el sentido que se utiliza comúnmente en el análisis de circuitos.

Intensidad de Corriente Eléctrica (I)

Es la cantidad de carga eléctrica (Q) que atraviesa una sección transversal de un conductor por unidad de tiempo (t).

I = ΔQ / Δt

Mide la rapidez del flujo de carga. Su unidad en el Sistema Internacional es el amperio (A). Un amperio equivale al paso de un Coulomb de carga por segundo (1 A = 1 C/s).

Ley de Ohm

Establece una relación fundamental entre la diferencia de potencial (V), la intensidad de corriente (I) y la resistencia eléctrica (R) para muchos materiales conductores (llamados materiales óhmicos), bajo condiciones constantes (como la temperatura).

«La intensidad de la corriente eléctrica (I) que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial (V) aplicada entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia (R) del conductor».

Matemáticamente, se expresa como:

V = I * R o I = V / R o R = V / I

Donde:

• V se mide en voltios (V).
• I se mide en amperios (A).
• R se mide en ohmios (Ω).