El circuito eléctrico simple está formado por una fuente de... eléctrica (pila, batería o generador rotativo), un conductor y un
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El circuito eléctrico simple está formado por una fuente de energía eléctrica (pila, batería o generador rotativo), un conductor y un llconsumidorf' de electricidad, como por ejemplo una lamparilla, un motor o una plancha. Supongamos que la fuente de energía es una pila. Entre sus bornes (electrodos) se establece una diferencia de potencial (concentración de cargas negativas) que se manifiesta al circular la corriente. De la misma forma que una diferencia de alturas implica una diferencia de energía potencial en los cuerpos sometidos a la gravedad, la diferencia de potencial eléctrico determina la fuerza de la corriente generada. La unidad en que se expresa esa diferencia (voltaje) se llama voltio. El flujo de corriente eléctrica por un conductor es análogo al del agua por una cañería. La intensidad de éste dependerá de la fuerza impulsora pero también del diámetro del caño. La intensidad de la corriente eléctrica se mide en amperios. Un circuito eléctrico presenta cierta resistencia al pasaje de la corriente de la misma forma que una cañería más gruesa o más estrecha lo hace respecto del agua que circula. La resistencia eléctrica se mide en ohmios. Y precisamente la relación entre diferencia de potencial, intensidad y resistencia se expresa en la ley enunciada en Alemania por Georg Simón Ohm en 1828. Esta ley establece: Para un mismo conductor a la misma temperatura la relación entre la tensión aplicada (diferencia de potencial) a sus extremos y la intensidad de la corriente que circula en él es constante. Esa relación es la resistencia. En otras palabras, para un mismo voltaje, cuanto mayor sea la resistencia menor será la intensidad en la misma proporción y viceversa. Si aumentamos el voltaje manteniendo igual la resistencia, la intensidad experimentará un aumento igual al de aquel. Para que una corriente de un amperio circule a través de una resistencia de un ohmio, es necesario aplicar una diferencia de potencial de un voltio. Si en un circuito de seis voltios de tensión colocamos una lamparilla de 3 ohmios, la intensidad de la corriente será de 2 amperios. La corriente que circula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido. DEL AMBAR A LA PILA La electricidad fue conocida en la anticua Grecia, cuando se descubrió que frotando un trozo de ambar o resinas simila•es (que los griegos llamaron elektron) el •naterial podía atraer otros cuerpos livia-los. También por esa época el hombre descubrió propiedades similares en la piedra imán (magnetismo), y sin necesidad de frotarla. Pero esos descubrimientos se consideraron una simple curiosidad. Recién en el 1600 William Gilbert, inédico personal de la reina Isabel de Inglaterra intentó la interpretación del fe-lómeno y poco después otro colega llamado Stephen Gray descubrió en su laboratorio que la "electricidad", como Gilbert la había llamado, podía ser trasmitida a lo largo de hilos metálicos que bautizó conductores. En 1752, el norteamericano Benjamín Frankiin remontó un barrilete en plena tormenta cuya cola estaba unida por un hilo conductor a una Botella de Leyden; el inventor verificó que ésta quedaba cargada eléctricamente cada vez que un rayo cruzaba el cielo. Frankiin descubrió que la atmósfera tenía una carga eléctrica y que se descargaba en la tierra con las tormentas. El espíritu práctico de Frankiin le llevó a inventar el Pararrayos. Pero hasta ese momento todos los fenómenos descubiertos por el hombre eran del tipo electrostático y no electrodinámico, es decir estaban relacionados con el movimiento o la trasmisión de la electricidad. En 1870, el médico italiano Luigi Galvani, estudiando las contracciones del cuerpo de una rana bajo la influencia de cargas eléctricas pensó que las mismas se debían a la "electricidad muscular interna del animal". La conclusión no era cierta, pero llevó a su compatriota Alessandro Volta a intensificar la investigación. En el año 1800 el sabio inventó la primera Pila eléctrica empleando un líquido acidulado y barras de cobre y zinc. Y la corriente eléctrica circuló por primera vez bajo las "órdenes" del hombre. Los estudiosos de todo el mundo se interesaron por el fenómeno y en 1802 el inglés Humphry Davy unió a los extremos de una pila de Volta dos trozos de carbón calcinado. Entre ellos saltó una clara y nítida chispa eléctrica. Había nacido la iluminación por arco voltaico. DOMESTICACION DE LA FUERZA En 1820, el danés Christian Oersted anunció otro descubrimiento genial. Una barra magnética giratoria, colocada cerca de un conductor con corriente, se vuelve perpendicular a ést^. De ahí dedujo que la corriente eléctrica generaba un campo magnético en torno al conductor que la transporta. Luego Charles-Marie Am-pere en Francia y Michael Faraday en Inglaterra investigaron el fenómeno. En 1831 Faraday descubrió el proceso inverso al de Oersted: un campo magnético variable genera una corriente en un conductor sometido a su influencia. Así quedaron establecidos los principios del electromagnetismo. Los primeros generadores magneto-eléctricos fueron construidos entre 1830 y 1840 y eran accionados a mano. El más notable de los pioneros fue el inglés Clarke. Luego vinieron el clérigo italiano Antonio Pacinotti, quien en 1864 construyó su dinamo y el belga Theophile Gramme que en 1870 amplió el desarrollo de Pacinotti y construyó la primera dínamo de dimensiones prácticas. La buena calidad mecánica de la máquina de Gramme fue el motivo de su inmediata aplicación. La corriente producida era del tipo llamado alterna, pero podía transformarse en continua, como la pila de Volta, y emplearse en la iluminación. Otro italiano, Galileo Ferraris, descubría por aquella época las propiedades del campo magnético giratorio, aplicado actualmente en los motores eléctricos a corriente alterna. Ya en 1829 el norteamericano Joseph Henry había inventado el electroimán y trabajaba, aunque sin demasiado éxito, en lograr un motor eléctrico práctico. Poco después, en 1837, Thomas Davenport, un herrero norteamericano de Vermont, logró el buscado motor eléctrico capaz de mover maquinaria, aunque con muy poco rendimiento. Con la domesticación de la energía eléctrica -subrayada por la aparición del telégrafo y el teléfono entre 1840 y 1880- comienza a ser masivamente adoptada la iluminación por arco. Lor primeros lugares donde ésta se impuso fueron la Gare Du Nord de París en 1875 y el Gaiety Theatre de Londres en 1878. En 1876 un ingeniero del ejército ruso llamado Pavel lablonjov llegó a París y consiguió empleo en la fábrica Bréguet, que construía generadores Gramme. EL EFECTO JOULE Cuando una comente circula por un conductor durante un cierto tiempo, el conductor experimenta un aumento de temperatura, se calienta. El calor resultante depende en forma directa de la intensidad de la corriente, de la resistencia eléctrica y del tiempo en que aquella circula. Joule demostró que toda la energía eléctrica absorbida por el conductor para vencer la resistencia se transforma en calor. Esa transformación se conoce como "efecto Joule". El movimiento de los electrones a lo largo del conductor debería ser uniformemente acelerado ya que cada uno es impulsado por una fuerza constante. Sin embargo las partículas chocan y rozan contra los átomos (que se suponen fijos) del material del conductor. Ftesulta asi un movimiento cuya velocidad media es proporcional a la fuerza actuante. El efecto Joule es de gran utilidad para la generación de calor por medios eléctricos como en el caso de las planchas, calentadores de agua, cocinas y tostadores. También se utiliza en los fusibles cortacircuitos. Un fusible consiste en un trozo de metal que se funde a una cierta temperatura, intercalado en el circuito. En general se utiliza el plomo que tiene un bajo punto de fusión. Cuando el circuito se sobrecarga más allá de lo admisible, la corriente alcanza suficiente intensidad como para que con el calor que genera, se funda el metal. Al suceder esto se corta el circuito y la corriente cesa de fluir. Los fusibles comerciales llevan indicada la corriente máxima para la que están diseñados. Otro uso del efecto Joule es la generación de luz eléctrica. Cuando la temperatura alcanzada por un conductor al paso de la corriente es muy elevada, el material de que está construido se pone incandescente, es decir, brilla. Parte de la energía térmica en que se ha transformado la energía eléctrica se convierte en luminosa. Para producir luz por incandescencia se necesitan temperaturas muy elevadas y por lo tanto la sustancia a utilizar debe tener un punto de fusión alto. Además se necesita una alta resistencia -para llegar al calor requerido- lo que se obtiene empleando un filamento muy delgado o de gran resistividad. Una lamparilla eléctrica es una ampolla en la que se ha hecho el vacio o se ha llenado de un gas inerte a presión, como el argón utilizado en las lámparas modernas. Este gas frena el proceso de evaporación del filamento con lo que, sin variar la vida standard de éste -unas 1000 horas- se pueden obtener temperaturas más elevadas. Y a mayor temperatura, más brillante y blanca es la luz. Dentro de la lamparilla está el filamento, que en una época era de hilo carbonizado o de carbón vegetal, y hoy generalmente fabricado de tungsteno. Este metal tiene un punto de fusión muy alto sólo superado por el del carbón, pero con la ventaja adicional de ser mucho más trabajable que aquel. Al pasar la corriente por el filamento, éste se pone incandescente y emite luz. Cuando una corriente de un ampere circula por un circuito cuya tensión es de un voltio, se dice que la potencia de éste es de un vatio. Potencia eléctrica es simplemente el producto del voltaje por la intensidad. Las lamparillas eléctricas funcionan con una potencia determinada que viene expresada en la ampolla. Asi una lamparilla de 100 vatios consume el doble de energía que una de 50 vatios en el mismo tiempo. Y la misma lamparilla, encendida durante dos horas, por ejemplo, consume el doble de energía que si estuviera encendida durante una hora. La energía consumida en un circuito eléctrico es el producto del voltaje por la intensidad y por el tiempo. En términos prácticos el tiempo se expresa en horas y la potencia en kilovatios. Un kilovatio equivale a mil vatios. Asi, una lamparilla eléctrica de 100 vatios (0,1 kilovatio) encendida durante 50 horas consume una energía de 0,1 x 50 kilovatioshora o sea de 5 kilovatios-hora. ELECTROSTATICA En la constitución atómica y molecular de los cuerpos, no todos los electrones permanecen "aferrados" a sus órbitas Siempre existen los llamados "electrones libres" Algunos átomos pierden electrones y quedan asi cargados positivamente, otros ganan electrones y su carga total resulta negativa Sin embargo en el conjunto, el balance permanece neutro a menos que se altere por alguna acción exterior. Una de esas acciones es el frotamiento Si se frota una barra de vidrio con un trozo de lana, un cierto numero de electrones pasa del vidrio a la lana con lo que aquel queda "electrizado positivamente". Si se frota una barra de ámbar sucede lo contrario y los electrones pasan de la lana al ámbar, con lo que este se carga negativamente Dos cuerpos cargados con el mismo tipo de electricidad se rechazan mutuamente mientras que si tienen distinto tipo de electricidad se atraen La fuerza con que se atraen o se rechazan depende de la cantidad de carga y de la distancia que los separa Esto se conoce con el nombre de Ley de Coulomb que establece: "La fuerza de atracción es proporcional al producto de las cargas dividido por la distancia elevada al cuadrado" De modo que cuanto mas grandes sean los cuerpos mayor sera la atracción y cuando mas cerca estén, mucho mayor todavía. Este tipo de electricidad almacenada en tos cuerpos se llama estática Cuando un cuerpo se carga, eléctricamente, las cargas en cuestión se distribuyen sobre su superficie, concentrándose donde esta sea de mayor curvatura. FUENTES DE ELECTRICIDAD Los generadores eléctricos pueden ser movidos aplicando diferentes formas de energía. La más común es la que emplea turbinas a vapor o gas en las centrales llamadas térmicas. En ellas una caldera alimentada a petróleo, carbón o madera produce el vapor para las turbinas. Otra forma muy extendida es la que emplea la energía del agua, o hidráulica, para mover las turbinas. Estas centrales se llaman hidroeléctricas y son una de las mayores fuentes de electricidad en el mundo. El vapor para las turbinas también puede obtenerse directamente del subsuelo en las regiones volcánicas donde existen napas de agua a enormes temperaturas, calentadas por las rocas del magma. Donde no existen esas napas, se ha logrado inyectar agua a presión hasta las rocas calientes y recogerla por otro orificio de salida en forma de vapor para llevarla a la turbina. Esta forma de energía que aprovecha el calor de la tierra se llama geotérmica. También el átomo ha venido en ayuda de la generación de electricidad. En una central nucleoeléctrica, el vapor se obtiene con la enorme temperatura alcanzada en la fisión nuclear dentro de un reactor atómico. La energía solar también se emplea para calentar agua hasta el estado de vapor y mover turbinas que hacen funcionar los generadores de una central helioeléctrica. Y la energía mareomotriz -producida por la fuerza de las olas -del océano o las diferencias entre las mareas- ha comenzado a ser explotada para la producción de energía eléctrica. En la bahía de Saint Malo, Francia, la desembocadura del río Ranee proporciona una notable diferencia de mareas de hasta 12 metros. Allí hay instalada una usina mareomotriz, la primera en su tipo en el mundo. Por su parte los árabes piensan instalar una "represa al revés" en pleno Golfo Arábigo. La costa occidental de la Península Arábiga posee un golfo de unos 6000 kilómetros cuadrados de superficie, el Dawshat Salwh. A ambos lados de él hay dos ciudades, Qatar y Dahran con la isla de Bahrein en el medio formado una plataforma natural para emplazar una serie de represas. La idea consiste en aislar el golfo del mar de modo que no reciba agua que compense la tremenda evaporación. Al cabo de 3 ó 6 años, el nivel habrá bajado unos 15 metros, lo suficiente para hacer funcionar un motor helio-hidroenergético con una producción de 300 millones de kilovatios anuales. Y uno de los fantásticos proyectos para el futuro es la puesta en órbita de satélites solares que generen energía eléctrica y la envíen a la Tierra en forma de microondas. GENERADORES Además del primitivo generador electrostático que produce cargas eléctricas por frotamiento, existen generadores electrodinámicos que producen corriente eléctrica. Estos son las pilas, las dinamos y los alternadores. Las primeras se basan en un fenómeno químico para la generación de corriente mientras que los otros dos tipos aprovechan las propiedades del electromagnetismo. Una pila consiste en dos electrodos metálicos colocados en un medio húmedo ácido (electrolito). La pila de Votta primitiva era una especie de sandwich múltiple formado por discos de cinc, cobre y cartón humedecido. Las pilas llamadas del segundo tipo constan de dos electrodos múltiples sumergidos en una solución de ácido sulfúrico. Las moléculas de éste se disocian en el agua en dos partes. Un grupo con cargas negativas (aniones) y el otro con positivas (cationes). Los dos metales son atacados por el liquido de diferente manera y el cinc tiende a cargarse mayormente de iones negativos. Si se unen tos electrodos con un conductor, las cargas negativas en exceso circulan por él estableciendo una corriente eléctrica. Esos dos tipos de pila han sido reemplazados por las "pilas secas" como las usadas en las linternas y teléfonos. Un alternador o una dinamo está formado por una parte fija que es en realidad un imán (estator) y una parte móvil (rotor) que gira entre los polos de ese imán. El rotor, un cilindro de hierro (armadura) sobre el cual se arrolla longitudinalmente un alambre conductor (bobina), gira en su eje de modo que tas espiras de la bobina corten las lineas de fuerza del campo magnético creado por el imán. Generalmente éste es en realidad un electroimán formado por el arrollamiento de un conductor en torno a las piezas polares y alimentado por una fuente eléctrica exterior. Cuando la bobina del rotor corta las lineas del campo magnético se establece una corriente inducida en el conductor, que es recogida en su extremo por dos o más "escobillas" apoyadas sobre un cilindro de cobre llamado colector, formado por segmentos metálicos separados llamados delgas que están conectadas al circuito exterior que recibe la corriente generada. La corriente generada en este tipo de máquina es siempre alterna, es decir cambia de signo continuamente. La diferencia entre un alternador y una dinamo es que en ésta, el colector (conmutador) está construido de tal forma que "rectifica" la corriente transformándola en continua, es decir, siempre del mismo signo. En los generadores actuales de corriente alterna el electroimán está montado sobre el rotor (inductor) y conectado a la fuente exterior, y el circuito inducido pertenece al estator, En las dinamos gira el inducido, en los alternadores gira el inductor. El resultado es el mismo ya que en los dos casos se genera corriente. Si se invierten la entrada y salida de la corriente en un generador se obtiene un motor eléctrico. GENERANDO ELECTRICIDAD El proceso de generación de energía eléctrica es un excelente ejemplo de las sucesivas transformaciones y conservación de la energía. Supongamos que nuestra electricidad proviene de una central hidroeléctrica. El sol evapora el agua de mares y rios, dicha agua vuelve a la tierra en forma de lluvia, regresando finalmente a rios y mares. El agua de los rios es almacenada en los lagos o embalses artificiales por medio de diques construidos por el hombre. En estas represas se crea una considerable diferencia de alturas (y por lo tanto de energía potencial) entre ambos lados de la pared. Por medio de un canal o de grandes cañerías se liberael agua que corre con enorme energía cinética para ingresar en la sala de turbinas. Las turbinas hidráulicas son movidas por el torrente o por agua a presión extraída de él y el movimiento se transmite a los generadores que los transforman en energía eléctrica. En el caso de una central termoeléctrica, la energía química del petróleo, el carbón o la madera se convierte en energía térmica que comunica calor al agua de una caldera. Esta se evapora y el vapor pasa a moverlas turbinas. El ciclo continúa en la misma forma anterior. Si la central es núcleoeléctrica, la energía atómica liberada por la fisión nuclear en forma de calor es la utilizada para generar el vapor. La electricidad generada, de altísimo voltaje, es enviada por lineas de alta tensión a las estaciones transformadoras, que reducen el voltaje de la corriente para ser distribuida a los usuarios. EL MOTOR DEL MUNDO Es muy común que tomemos el significado de una palabra por sobreentendido y no nos preocupemos por comprender realmente lo que significa. Así ocurre con una que resume todo lo que sucede en el Universo: energía. Hablamos de conductas enérgicas, de la energía que un atleta puso en juego y de alimentos con alto contenido energético. Pero ¿qué es la energía?. Sabemos -gracias a la ciencia-que nuestro universo descansa sobre dos firmes pilares que son la materia y la energía. La materia es fácil de comprender (podemos verla, olería, gustarla, tocarla) ; con la energía no sucede así y sólo podemos visualizar sus efectos. La materia como sustancia y la energía como lo que mueve esa sustancia son conceptos relativamente antiguos, aunque la verdadera definición de energía es mucho más reciente, aún si consideramos la equivalencia entre materia y energía surgida en los primeros años de este siglo, gracias a Albert Einstein. Y a partir de allí los dos pilares del Universo se transforman en uno solo: la materia se vuelve energía y la energía se convierte en materia. Desde el descubrimiento del fuego y el aprovechamiento de los vientos hasta Ía fisión del átomo y la fusión nuclear, la humanidad caminó un largo trecho. Rehagamos ese camino, apoyándonos en un concepto: la energía es la capacidad de realizar trabajo. El hombre descubrió que esa capacidad está latente en el fuego y en un animal domesticado, en la corriente de un río y en el viento, en la madera y el carbón. Desde el temprano empleo de los combustibles fósiles y la domesticación de los animales para realizar tareas que a él le resultaban pesadas, el hombre se empeñó en transformar la energía, en aplicarla a sus fines ... y entonces surgieron las máquinas. Los hombres que investigaron y llegaron a la comprensión de la misteriosa fuerza del universo fueron científicos; su dominio es la ciencia llamada "pura". Mientras tanto, otros hombres ensayaban aparatos y máquinas, incluso a veces sin saber lo que los científicos habían descubierto, y probaban hasta obtener un resultado práctico. Eran -y son- los inventores. Su dominio es la técnica. Pero obviamente hay una íntima relación entre quien investiga y descubre y quien construye y aplica. Esa relación,se engloba en la palabra tecnología, que es el conjunto de conocimientos que permite una realización práctica. Y muchos científicos fueron también inventores. Y muchos inventores fueron científicos. LUZ PARA TODOS El notable desarrollo de la lamparilla eléctrica fue obra de un inventor norteamericano, al que se deben miles de adelantos técnicos: Thomas Alva Edison. La lámpara incandescente, inventada poco antes por el inglés Joseph Swan se basa en una ley física enunciada por Joule: Un conductor por el que pasa corriente se calienta según una relación definida con ésta y la resistencia del conductor. Swan había hecho el vacío en su lámpara para evitar que el oxígeno del aire quemara en poco tiempo el filamento conductor. Sin embargo el problema consistía en encontrar un material que no se quemara con la enorme temperatura a pesar del vacío. La experimentación se desarrolló en el laboratorio de Swan y en la "fábrica de inventos" de Menlo Park, propiedad de Edison. Finalmente este último obtuvo la respuesta. Con un trozo de bambú carbonizado logró la incandescencia por muchas horas. En la víspera de Año Nuevo de 1880, Edison preparó una hilera de 50 lamparillas en el interior y los alrededores de su laboratorio e invitó al público a visitarlo. La "magia blanca" causó sensación. Pero ¿de qué servían las lámparas si no podían iluminar las casas y negocios sin un generador en cada sitio? La respuesta de Edison fue distribuirenergía eléctrica a toda una ciudad desde una estación generadora única. Tras dos años de cavar zanjas, sus hombres instalaron 22 kilómetros de cables subterráneos para suministrar energía a las 400 lamparillas de los primeros 85 clientes. En septiembre de 1882, 500 luces se encendieron en negocios y casas, coronando el esfuerzo del emprendedor pionero. Y poco después también las fábricas comenzaron a utilizar la electricidad para hacer trabajar a sus máquinas. El filamento de las lámparas fue perfeccionándose a través de los años. Del carbón se pasó al osmio y de éste al tantalio. A principios del siglo actual se empezó a usar el tungsteno, como todavía se hace.
