Electricidad para niños
La electricidad (del griego élektron, que significa ‘ámbar’) es el estudio de los fenómenos físicos relacionados con la presencia y el movimiento de las cargas eléctricas. Se manifiesta de muchas maneras, como los rayos, la electricidad estática o la corriente eléctrica. Es una forma de energía muy útil que se usa en muchas cosas, como el transporte, la climatización, la iluminación y la Informática.
La electricidad se muestra a través de varias propiedades físicas:
- Carga eléctrica: Es una característica de algunas partículas muy pequeñas. Define cómo interactúan con los campos eléctricos y magnéticos.
- Corriente eléctrica: Es el flujo de electrones que se mueve por un material conductor. Se mide en amperios.
- Campo eléctrico: Es un tipo de campo electromagnético que crea una carga eléctrica, incluso si no se mueve. Este campo ejerce una fuerza sobre otras cargas.
- Potencial eléctrico: Es la energía necesaria para mover una carga positiva desde un punto de referencia hasta otro, en contra de la fuerza eléctrica.
- Magnetismo: La corriente eléctrica produce campos magnéticos. A su vez, los campos magnéticos que cambian con el tiempo pueden generar corriente eléctrica.
Contenido
Historia de la electricidad
La historia de la electricidad trata sobre cómo se ha estudiado la electricidad. También incluye el descubrimiento de sus leyes y la creación de aparatos para usarla. La electricidad se ha estudiado desde hace mucho tiempo. Pero su estudio científico empezó en los siglos XVII y XVIII. A finales del siglo XIX, los ingenieros lograron usarla en casas y fábricas. La tecnología eléctrica se expandió rápidamente. Se convirtió en la base de la sociedad industrial moderna.
Mucho antes de que se supiera sobre la electricidad, la gente conocía las descargas de los peces eléctricos. Textos del Antiguo Egipto de hace más de 4700 años hablaban de estos peces. Los llamaban «los tronadores del Nilo». Los describían como protectores de otros peces. Más tarde, los romanos, griegos y árabes también describieron los peces eléctricos. Autores antiguos como Plinio el Viejo hablaban del efecto adormecedor de las descargas. Sabían que estas descargas podían pasar por materiales conductores.
En culturas antiguas del Mediterráneo, se sabía que al frotar objetos como el ámbar con lana, se generaban pequeñas cargas. Estas cargas atraían objetos pequeños. Si se frotaba mucho, podía aparecer una chispa. Cerca de la antigua ciudad griega de Magnesia había unas piedras especiales. Estas piedras se atraían entre sí y a objetos de hierro. Las palabras magneto e magnetismo vienen de ese lugar.
Hacia el año 600 a. C., el filósofo griego Tales de Mileto observó la electricidad estática. Pensó que la fricción le daba magnetismo al ámbar. Se equivocó al creer que era un campo magnético. Sin embargo, la ciencia demostró después la relación entre magnetismo y electricidad.
Estas ideas antiguas fueron casi todo lo que se supo hasta el siglo XVII. En ese siglo, William Gilbert estudió la electricidad y el magnetismo. Diferenció el efecto de la magnetita de la electricidad estática. Él creó la palabra electricus (del griego elektron, ámbar). Esto dio origen a los términos eléctrico y electricidad en 1646.
Otros científicos como von Guericke y Franklin continuaron estos estudios. A principios del siglo XIX, Ampère, Faraday y Ohm hicieron grandes avances. Sus nombres se usan hoy para las unidades de medida de la electricidad. La electricidad y el magnetismo se unieron en un solo fenómeno electromagnético. Esto fue descrito por las ecuaciones de Maxwell (1861-1865).
La Revolución Industrial no usó la electricidad al principio. Su primera aplicación práctica fue el telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833). Esto cambió las telecomunicaciones. La generación de electricidad a gran escala empezó a finales del siglo XIX. Fue cuando la iluminación eléctrica se extendió por calles y casas. La electricidad se volvió una fuerza clave de la Segunda Revolución Industrial. Ingenieros como Tesla y Alva Edison fueron muy importantes. Edison cambió la forma de ver la investigación y el mercado.
La electrificación no fue solo un cambio técnico. Fue un gran cambio social. Empezó con la iluminación y siguió con procesos industriales. También afectó las comunicaciones, como la telefonía y la radio. La sociedad de consumo en los países capitalistas dependió mucho de la electricidad en los electrodomésticos.
La energía eléctrica es vital para la sociedad de la información. Esta sociedad surgió desde la segunda mitad del siglo XX. Incluye el transistor, la televisión, la computación y el internet. La electricidad es tan importante como la motorización que usa petróleo. Ambos procesos necesitan mucha energía. Esto ha llevado a buscar nuevas fuentes de energía, como la energía nuclear y las energías alternativas.
El impacto cultural de la "Edad de la Electricidad" se debe a la alta velocidad de la radiación electromagnética. Se percibe casi al instante. Esto trajo posibilidades antes impensables, como la simultaneidad. Se impuso un cambio cultural que afectó la ciencia, la educación y el arte.
- Algunos de los grandes impulsores del conocimiento sobre la electricidad
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Coulomb (1736-1806), estableció las leyes cuantitativas de la electrostática
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Volta (1745-1827), inventor de la pila
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Ampère (1775-1836), uno de los descubridores del electromagnetismo
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Faraday (1791-1867), descubridor de la inducción electromagnética
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¿Para qué se usa la electricidad?
La electricidad se usa para generar:
- Luz: Con bombillas en lámparas y otros objetos que iluminan.
- Calor: Aprovechando el efecto Joule, que calienta los materiales.
- Movimiento: Mediante motores que cambian la energía eléctrica en energía mecánica.
- Señales: A través de sistemas electrónicos con circuitos eléctricos. Estos incluyen componentes como transistores y circuitos integrados.
Conceptos clave de la electricidad
¿Qué es la carga eléctrica?
La carga eléctrica es una propiedad de la materia. Se manifiesta con fuerzas que atraen o repelen. La carga viene del átomo, que tiene partículas muy pequeñas. Estas son el electrón (carga negativa) y el protón (carga positiva). La carga puede pasar entre objetos por contacto o a través de un material conductor. La electricidad estática es cuando un objeto tiene carga. Esto suele pasar al frotar dos materiales diferentes.
La presencia de carga crea la fuerza electromagnética. Una carga ejerce una fuerza sobre otras. Este efecto se conocía hace mucho, pero no se entendía. Una bolita colgada de un hilo podía cargarse al tocar una barra de vidrio frotada. Si otra bolita similar se cargaba igual, se repelían. A finales del siglo XVIII, Charles-Augustin de Coulomb estudió esto. Descubrió que la carga tiene dos tipos opuestos.
Este descubrimiento llevó a la regla: "objetos con la misma carga se repelen, y con cargas diferentes se atraen".
La fuerza actúa entre las partículas cargadas. Además, la carga tiende a extenderse sobre una superficie conductora. La fuerza electromagnética es muy fuerte. Es la segunda más fuerte después de la interacción nuclear fuerte. A diferencia de la fuerza gravitacional, la fuerza electromagnética puede ser de atracción o repulsión.
Una carga puede ser positiva o negativa. Los electrones tienen carga negativa y los protones, positiva. Esta costumbre empezó con el trabajo de Benjamin Franklin. La cantidad de carga se representa con la letra Q. Se mide en culombios. Todos los electrones tienen la misma carga. Los protones tienen una carga igual pero opuesta. La carga está en la materia y también en la antimateria.
La carga se puede medir de varias formas. Un aparato antiguo es el electroscopio. Hoy se usa más el electrómetro electrónico.
¿Qué es la corriente eléctrica?
La corriente eléctrica es el movimiento de cargas eléctricas por un material conductor. Puede ser causada por cualquier partícula con carga eléctrica que se mueve. Lo más común es que sean electrones. La intensidad de la corriente se mide en amperios (A).
Antes, se pensaba que la corriente era un flujo de cargas positivas. Se estableció que iba del polo positivo al negativo. Después se vio que en los metales, los electrones (con carga negativa) se mueven en sentido contrario. Pero la convención positivo-negativo se sigue usando para simplificar.
El proceso por el que la corriente eléctrica pasa por un material se llama conducción eléctrica. Su naturaleza cambia según las partículas y el material. Por ejemplo, en los metales, los electrones se mueven por un conductor eléctrico. En la electrólisis, los iones (átomos cargados) fluyen por líquidos. Aunque las partículas se muevan lento, el campo eléctrico que las controla viaja casi a la velocidad de la luz. Esto permite que las señales eléctricas se transmitan rápido por los cables.
La corriente produce muchos efectos visibles. En 1800, Nicholson y Carlisle descubrieron que la corriente podía separar el agua. Esto se llama electrólisis. En 1840, James Prescott Joule vio que la corriente calienta una resistencia eléctrica. Esto se conoce como Efecto Joule.
¿Qué es un campo eléctrico?
Michael Faraday introdujo el concepto de campo eléctrico. Un campo eléctrico es creado por un objeto cargado en el espacio a su alrededor. Este campo ejerce una fuerza sobre otras cargas que estén en él. Un campo eléctrico actúa entre dos cargas de forma similar a cómo el campo gravitatorio actúa sobre dos masas. Se extiende hasta el infinito y su fuerza disminuye con la distancia. Sin embargo, hay una diferencia importante: la gravedad siempre atrae, pero el campo eléctrico puede atraer o repeler.
Un campo eléctrico cambia en el espacio. Su fuerza en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que sentiría una carga si estuviera allí. La carga de prueba debe ser muy pequeña para no afectar el campo principal. También debe estar quieta para evitar el efecto de los campos magnéticos. Como el campo eléctrico se define por una fuerza, es un campo vectorial, con magnitud y dirección.
¿Qué es el potencial eléctrico?
El concepto de potencial eléctrico está muy relacionado con el campo eléctrico. Una carga pequeña en un campo eléctrico siente una fuerza. Para mover esa carga a ese punto, en contra de la fuerza, se necesita hacer un trabajo. El potencial eléctrico en cualquier punto es la energía necesaria para mover una carga de prueba desde el infinito hasta ese punto. Se mide en voltios. Un voltio es el potencial que necesita un julio de trabajo para atraer una carga de un culombio desde el infinito.
Un concepto más útil es la diferencia de potencial. Es la energía necesaria para mover una carga entre dos puntos específicos. El campo eléctrico es conservativo. Esto significa que no importa el camino que siga la carga de prueba. Todas las trayectorias entre dos puntos gastan la misma energía.
¿Qué es el electromagnetismo?
El electromagnetismo es la teoría física que une los fenómenos eléctricos y magnéticos. Sus bases fueron de Faraday. Pero Maxwell las formuló por completo con cuatro ecuaciones. Estas ecuaciones relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus fuentes.
A principios del siglo XIX, Ørsted encontró que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban conectados. Con esa base, en 1861 Maxwell unió los trabajos de otros científicos. Describió ambos fenómenos como uno solo: el fenómeno electromagnético.
Es una teoría de campos. Sus explicaciones se basan en magnitudes físicas vectoriales. Estas dependen de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos grandes. En ellos participan cargas eléctricas quietas y en movimiento. Para ello usa campos eléctricos y magnéticos y sus efectos en la materia.
¿Qué son los circuitos eléctricos?
Un circuito eléctrico es una conexión de dos o más componentes eléctricos. La carga eléctrica fluye en un camino cerrado. Generalmente, esto es para hacer alguna tarea útil.
Los componentes en un circuito eléctrico pueden ser muy variados. Puede tener elementos como resistores, capacitores e interruptores. Los circuitos electrónicos tienen componentes activos, como semiconductores. Los componentes eléctricos más simples son los pasivos y lineales.
El comportamiento de los circuitos con solo resistencias y fuentes de corriente continua se rige por las leyes de Kirchhoff. Para estudiarlos, el circuito se divide en mallas. Esto crea un sistema de ecuaciones lineales que da los valores de las tensiones y corrientes.
Propiedades de la electricidad
¿De dónde viene la electricidad a nivel microscópico?
Archivo:Atomo di rame.svg La capacidad de un material para conducir electricidad depende de sus átomos. Los átomos tienen partículas con carga positiva (protones), negativa (electrones) y neutras (neutrones). La electricidad se conduce por los electrones de la capa exterior. Los protones y neutrones del núcleo no se mueven fácilmente. Los mejores materiales para conducir son los metales. Suelen tener un solo electrón en su última capa electrónica, como el cobre. Estos electrones pueden pasar fácilmente a átomos vecinos. Se convierten en electrones libres que permiten el flujo de corriente.
En todos los materiales, los campos eléctricos cambian la distribución de las cargas. Esto se llama polarización eléctrica. Es más notable en los aislantes eléctricos. Gracias a esto, no liberan cargas y no conducen electricidad.
¿Qué son la conductividad y la resistividad?
La conductividad eléctrica es la facilidad con la que las cargas se mueven en un material. La resistividad es lo contrario. Mide la dificultad que tienen los electrones para moverse. Un valor alto de resistividad significa que el material es mal conductor. Un valor bajo indica que es un buen conductor. La resistividad de los metales suele aumentar con la temperatura. La de los semiconductores disminuye al aumentar la temperatura.
Los materiales se clasifican por su conductividad o resistividad en:
- Conductores eléctricos. Son materiales que transmiten la electricidad a toda su superficie. Los mejores son los metales y sus aleaciones. También el grafito y las soluciones salinas (como el agua de mar). El cobre es el metal más usado para cables. El aluminio también se usa en líneas de alta tensión. El oro se usa para aplicaciones especiales.
- Dieléctricos. Son materiales que no conducen la electricidad. Se usan como aislantes. Ejemplos son el vidrio, el plástico y la madera seca. Se usan para evitar cortocircuitos. Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones.
Producción y usos de la electricidad
¿Cómo se genera y transmite la electricidad?
Antes de la pila voltaica de Alessandro Volta (1800), no había una fuente práctica de electricidad. La pila voltaica (y las pilas y baterías modernas) almacena energía química. La entrega como energía eléctrica cuando se necesita. La batería es muy útil, pero su energía es limitada. Para una demanda eléctrica mucho mayor, la energía debe generarse y transmitirse sin parar.
La energía eléctrica se genera con generadores electromecánicos. Estos aparatos usan el movimiento para crear una diferencia de potencial eléctrica. Transforman la energía mecánica en eléctrica. Esto se logra con un campo magnético sobre los conductores. Si hay movimiento entre los conductores y el campo, se genera una fuerza electromotriz (FEM). Esto se basa en la ley de Faraday. Para el movimiento se usa el aire (eólica), el agua (hidráulica) o el vapor (térmica). La turbina de vapor moderna genera casi el 80% de la energía eléctrica mundial.
Otro aparato que genera electricidad es la célula fotovoltaica. Lo hace directamente de la radiación solar usando un semiconductor.
Los conductores siempre ofrecen resistencia al paso de la electricidad. Esto causa pérdidas de carga eléctrica. A mayor distancia, mayor pérdida. Aumentar la tensión reduce la corriente para transportar la misma potencia. Esto disminuye las pérdidas. Por eso, para llevar electricidad a grandes distancias, se usa la Alta Tensión. Para el uso diario, se usa una tensión más baja (entre 110 V y 240 V). Esto implica cambios de tensión con transformadores. La invención del transformador a finales del siglo XIX hizo posible transmitir energía eléctrica de forma más eficiente.
La energía eléctrica no se puede almacenar fácilmente a gran escala. Por eso, casi siempre se produce la misma cantidad que se necesita. Esto requiere que las empresas eléctricas predigan la demanda. También deben coordinar con las plantas generadoras. Se mantiene una reserva de capacidad para cualquier problema en la red.
¿Cuáles son las aplicaciones de la electricidad?
La electricidad tiene muchísimas aplicaciones. Se usa en casas, industrias, medicina y transporte. Algunos ejemplos son la iluminación, los electrodomésticos, la producción de calor, la electrónica, la robótica y las telecomunicaciones. También se usa en señales luminosas, climatización, máquinas de frío y soldadura eléctrica. La inducción electromagnética se aplica en motores eléctricos. Estos permiten el funcionamiento de muchos aparatos.
La electricidad en la naturaleza
En el mundo inorgánico
Descargas eléctricas en la atmósfera
El fenómeno eléctrico más común en la naturaleza son los rayos y relámpagos. Se producen por el roce de partículas de agua o hielo con el aire en las nubes. Esto separa las cargas eléctricas positivas y negativas. Cuando el campo eléctrico es muy fuerte, se produce una descarga. Esta descarga puede ser entre dos partes de una nube, entre nubes o entre una nube y la tierra. La descarga calienta el aire y lo ioniza. La expansión brusca del aire crea el trueno. La luz que vemos es la radiación electromagnética de los electrones al volver a su estado normal.
El campo magnético de la Tierra
La existencia del campo magnético terrestre se debe al movimiento de cargas en el núcleo externo líquido del planeta. Este campo desvía las partículas cargadas que vienen del Sol (viento solar). Cuando estas partículas chocan con los átomos de oxígeno y nitrógeno en la magnetosfera, se produce un efecto fotoeléctrico. Parte de la energía de la colisión excita los átomos. Cuando se desexcitan, liberan esa energía como luz visible. Este fenómeno se ve cerca de los polos, en las auroras polares.
En el mundo orgánico
Uso biológico de la electricidad
El bioelectromagnetismo estudia cómo la materia viva (células, tejidos u organismos) produce campos electromagnéticos. Ejemplos son el potencial eléctrico de las membranas celulares. También las corrientes eléctricas que fluyen en nervios y músculos.
Algunos animales, como los tiburones, pueden detectar cambios en los campos eléctricos. Esto se llama electrorrecepción. Otros, llamados electrogénicos, pueden producir grandes descargas eléctricas. Las usan para defenderse o atacar. Algunos peces, como las anguilas y las rayas eléctricas, pueden generar voltajes altos. El potencial de acción también coordina actividades en algunas plantas.
Véase también
En inglés: Electricity Facts for Kids
- Batería eléctrica
- Electrónica
- Ingeniería eléctrica
- Energía eléctrica
- Historia de la electricidad
- Generación de energía eléctrica
- Mediciones eléctricas
- Choque Eléctrico
- Sistema de suministro eléctrico
- Tensión (electricidad)
- Termoelectricidad
- Electromecánica
- Nikola Tesla
