ESCUELA TECNOLÓGICA DE OCCIDENTE, A.C.

Transcripción

1 LA ELECTRICIDAD La electricidad es la base de casi todas nuestras actividades diarias, nuestro ir y venir es realmente eléctrico. Los fenómenos naturales que dan origen a la electricidad y sus efectos son: Luz eléctrica El calor Movimiento en máquinas y vehículos Entro otros Lo anterior, es un poco difícil de comprender porque tienen lugar en el interior de partículas tan pequeñas (como el átomo) que el ser humano no puede captar, si no es por medio de imágenes para poder explicarnos estos fenómenos. Nos podemos hacer la gran pregunta Qué es la electricidad? Y aunque vivimos con ella y de ella, la respuesta no es fácil de contestar. De manera general, podemos decir que la electricidad es una forma de energía o un medio de expresión de la materia. La experimentación con el magnetismo, las pilas, el comportamiento de la corriente a través de los gases, en el vacío, comportamiento de los metales ante el calor, la luz, etc. Ha ido ampliando el conocimiento de la electricidad. En nuestros días no es imposible medir la importancia que electricidad tiene en nuestra cotidianidad. Se puede afirmar sin temor a equivocarse que no puede existir una ciudad por pequeña que sea a falta de la electricidad. La electricidad se puede convertir de manera eficiente en diferentes formas de energía, como: Calorífica (estufa, hornos calentadores de agua). Lumínica (Alumbrado, reproductores de CD por láser). Mecánica (motores eléctricos de automóviles, movimientos de cámaras de vigilancia, por hacer mención sólo a algunos). Química (electrólisis, cargadores de baterías, etc.) Entre algunos ejemplos. Una de las grandes ventajas de energía eléctrica es que esta se puede transportar de manera económica a grandes distancias para ser utilizada donde sea necesario como en ciudades, industria, comercios y actualmente también en el transporte. Siendo estos, sólo algunos ejemplos de la importancia de le electricidad. MATERIA Todo lo que ocupa un lugar en el espacio, que podemos ver y tocar, incluso, lo que no podemos ver pero que sabemos que existe forman parte de la materia. De los experimentos e investigaciones, se ha llegado a la conclusión que los cuerpos no son indivisibles, ya que están formados por grandes números de partículas pequeñas. De acuerdo a estos descubrimientos, los científicos han llegado a soluciones para los fenómenos físicos y químicos, como en el caso de la energía nuclear. Como se sabe, de acuerdo al grado de unión entre las partículas que forman los cuerpos, la materia se presenta en tres estados básicos: Estado sólido. En este estado, el contacto entre partículas es muy fuerte y se caracteriza por tener volumen y forma definidos. Estado líquido. Si el contacto entre partículas no es una unión muy fuerte, en este caso, la materia puede cambiar constantemente de forma y puede adaptarse de manera fácil al recipiente donde se encuentra. Estado gaseoso. En el estado gaseoso, las partículas se encuentran totalmente libres, no hay contacto entre ellas. Se caracteriza porque puede cambiar su volumen y forma, adaptándose a cualquier espacio. 1

2 Se puede concluir que todos los cuerpos están formados por moléculas, y una molécula está formada por átomos, siendo estos últimos los que constituyen la unidad fundamental del universo y solos o combinados formar todo lo que existe. Estructura atómica Al descubrir el átomo, la curiosidad natural del hombre lo impulsó a querer saber qué había en el interior. Y haciendo muchos experimentos, descubrió que en el interior de éste, existían partículas que poseían energía propia y que son las directas responsables de los fenómenos eléctricos. Las primeras bases de la era atómica fueron formulas por Jhon Dalton ( ). Aunque una de las teorías fue cambiada, esta afirmaba que el átomo era indivisible, ya que como se sabe la división del átomo ha dado origen a la energía nuclear. Teoría electrónica, lo que hoy se conoce como teoría electrónica es gracias a Niels Bohr, explicando que si fuera posible ver en el interior del átomo se encontrarían semejanzas al sistema solar en miniatura. Cuando se habla de que los protones y los electrones tienen carga eléctrica, significa que tienen una fuerza la cual ejercen en todas direcciones, siendo esta la razón de atraer o rechazar otras partículas. La carga negativa del electrón y su fuerza ejercida hacia dentro, tiene el mismo valor que la carga positiva del protón cuya fuerza siempre está dirigida hacia fuera, generando dos campos eléctricos con fuerza contrarias, pero de igual magnitud, por lo cual, los son eléctricamente neutro 2

3 Para poder producir cambios eléctricos, los átomos deben estar en desequilibrio, recibiendo el nombre de iones. Cuando un átomo ha perdido o ha ganado electrones, se dice que está ionizado. Por lo anterior, los iones, pueden ser de dos clases: ION positivo: Se dice que un ion positivo es cuando ha perdido electrones, es decir, tiene mayor cantidad de protones que de electrones. ION negativo: Cuando el átomo ha ganado electrones se convierte en un ion negativo, tiene más cargas negativas que positivas. Núcleo: El núcleo es la parte central que contiene dos tipos de partículas llamadas protones y neutrones en las diferentes órbitas alrededor del núcleo, se encuentran los electrones que giran sobre su propio eje a grandes velocidades. Electrones: Se encuentran girando en órbitas alrededor de núcleo. Se identifican con el signo (-) porque poseen carga eléctrica negativa. Son muy livianos. Participan de manera activa en la transmisión de la energía eléctrica. Protones: Se encuentran siempre en el núcleo del átomo. Se identifican por su signo (+) porque tienen carga eléctrica positiva. Son muy pesados. No participan activamente en la transmisión de energía eléctrica. Neutrones: Se encuentran siempre en el núcleo del átomo, no tienen carga eléctrica. No participan de manera activa en la transmisión de la energía eléctrica. En nuestro caso, nos interesan los electrones y los protones ya que son los que intervienen en los fenómenos eléctricos. 3

4 Los materiales se diferencían unos de otros porque el número de electrones que posee cada átomo es diferente. El número de protones que hay en núcleo del átomo es igual al número de electrones existente en sus órbitas a esta característica se le conoce como Peso atómico. Como se sabe, los electrones se encuentran girando en órbitas alrededor del átomo. Conforme a la teoría electrónica de Bohr y la cuantificación de la energía; los átomos pueden tener un máximo de 7 órbitas o capas alrededor del núcleo las cuales se denominan K, L, M, N, O, P Y Q y cada una de ellas acepta un cierto número máximo de electrones así: la primer órbita tendrá 2 electrones, la segunda tendrá 8 electrones, la tercera 18 electrones, la cuarta órbita tendrá 32 y así sucesivamente. Los electrones más cercanos al núcleo son atraídos con mayor fuerza por los protones, comparados con los que se encuentran en órbitas más alejadas. Además, como los electrones que se encuentran en cada órbita, poseen cierta cantidad de energía, a estos se le llama niveles de energía y la cantidad de energía que tiene cada nivel depende del número de electrones que posee. Desde el punto de vista de nuestro estudio de la electricidad, de todas las órbitas o niveles de energía, sólo nos interesa la última capa de cada átomo es decir su nivel de energía, ya que todos los electrones que se encuentran en la última órbita determinan las propiedades físicas y químicas de los electrones. A estos electrones se les llama electrones de valencia. De acuerdo al punto de vista eléctrico, los electrones de valencia que tienen los átomos, los materiales se pueden clasificar como conductores, aislantes y semiconductores. Conductores: A este grupo pertenecen aquellos átomos que poseen menos de 4 electrones de valencia, los cuales tienden a perder sus electrones para lograr su equilibrio. A estos materiales se les conoce como metales y son los adecuados para producir los fenómenos eléctricos; a este grupo pertenecen, el cobre que tiene un electrón de valencia, el hierro dos el aluminio tres. La distribución de los electrones en sus diferentes órbitas según el átomo del cual se esté hablando, se puede apreciar en la siguiente figura. En la misma se pueden apreciar las órbitas de los átomos de Oro (Au), Cobre (Cu) y Plata (Ag). 4

5 Aislantes: Son aquellos que tienen más de 4 electrones de valencia, se les conoce como metaloides porque tienden a equilibrarse, es decir, tienden a ganar los electrones que les faltan para logra su equilibrio. Estos pueden ser el fósforo con 5 electrones de valencia, el azufre que tiene 6 electrones de valencia y el cloro que tiene 7 electrones de valencia. En estas figuras, se observa la distribución de electrones de los mencionados elementos. Los átomos que poseen 8 electrones en su última órbita son químicamente muy estables por tal razón es muy difícil producir el fenómeno eléctrico. Por ejemplo el xenón. Xenón: Elemento químico de símbolo Xe y número atómico 54. Pertenece a la familia de los gases nobles. Se conocen 16 isótopos radiactivos. El xenón se utiliza para llenar cierto tipo de lámparas de destello para fotografía que producen luz con un buen equilibrio de todos los colores del espectro visible y pueden ser utilizadas veces o más antes de quemarse. Una lámpara de arco llena con xenón da luz intensa semejante al arco de carbono; en particular es valiosa en la proyección de películas. Se encuentran trazas de xenón en minerales y meteoritos, pero la única fuente comercial de xenón es el aire. El xenón constituye partes por millón por volumen de aire seco. Se estima que cerca del 3 x 10-9 % del peso de la Tierra es xenón. También se encuentra en el exterior de nuestro planeta; se estima que existen cerca de 4 átomos de xenón por cada de átomos de silicio, que es el patrón de abundancia utilizado con los elementos que hay en el Universo. El xenón es incoloro, inodoro e insípido; es un gas en condiciones normales. El xenón es el único de los gases nobles no radiactivos que forma compuestos químicos estables a la temperatura ambiente. Semiconductores: Estos poseen 4 electrones de valencia y sus propiedades, como su nombre lo dice, se encuentran entre los conductores y lo aislantes. Por ejemplo, el silicio y el germanio. 5

6 Electrones libres: los átomos tienen habilidad de relacionarse entre sí por medio de enlaces empleando para ello los electrones de valencia. Estos pueden ser de dos tipos: Enlaces covalentes: este tipo de enlaces se da cuando los átomos comparten sus electrones de valencia con sus átomos vecinos. Enlace iónico: es aquel donde un átomo cede electrones a otro átomo. Cuando un electrón se escapa de su banda de valencia se convierte en un electrón libre. Este electrón puede entrar en la órbita de un átomo que haya perdido un electrón. A la vez, el electrón de un segundo átomo se libera y entra en la órbita de otro átomo, así, muchos electrones libres pasan de un átomo a otro moviéndose en forma desordenada en un conductor, lo anterior no produce corriente porque los efectos eléctricos generados durante ese proceso se anulan. Tipos de electricidad: de acuerdo con la actividad de las cargas eléctricas, la electricidad se clasifica en dos grandes grupos: Electricidad estática (electrostática) Electricidad dinámica (electricidad en movimiento) La electrostática es la electricidad en estado de reposo, sin movimiento aunque hablar de los electrones en reposo resulte algo más que imposible, ya que estos nunca están sin moverse, nos referimos como la electrostática a la electricidad acumulada en un punto específico de algún material. 6

7 Un cuerpo cargado siempre afecta a los demás ya sea como una fuerza de atracción o de repulsión a otros cuerpos. Todo cuerpo que se encuentra cargado de manera positiva tiene carencia de electrones, cuando el cuerpo tiene exceso de electrones, este tiene carga negativa. Todos los cuerpos tienden a volver a su estado de equilibrio, para lograrlo tienen que descargarse. Para conseguirlo, deben desprender energía y esto se manifiesta por medios mecánicos o por chispa. A este proceso se le conoce como inducción electrostática. Generación de electricidad estática. El método más sencillo de generar electricidad estática es por frotamiento. La acumulación de los electrones, puede resultar muy peligroso, en ciertos casos, por ejemplo los tanques para la transportación de combustibles y otras sustancias constituyen un peligro muy marcado, por lo tanto se deben observar algunas condiciones para poder realizar esta actividad. La acumulación de la energía en el carro-tangue es por la fricción constante del vehículo en movimiento y en contacto con el aire, si la acumulación de la carga es muy alta y se tiene un cuerpo cargado con carga de diferente polaridad, esto puede producir una descarga eléctrica que puede ocasionar un incendio y la explosión del combustible. Por ésta razón, la mayoría de estos tipos de vehículos tienen una cadena que va haciendo contacto con tierra para mantener el transporte sin acumulación de cargas. Éste fenómeno se hace visible, ya que se producen chispas conforme se va descargando el vehículo. Cuando existe acumulación de cargas los electrones tienden a saltar de un lugar a otro sin existir un contacto real entre ellos, observándose en forma de arco luminoso. Un ejemplo es el que existe entre las nubes que al ser frotadas con el aire la gran masa acumula una carga excesiva y es cuando se produce el rayo. Aplicaciones de la electrostática: la pintura por aspersión o pintura por electrostática en objetos fabricados en serie. Durante este proceso, el objeto a pintar tiene una carga diferente a la que tendrá la pintura, así, la pintura quedará uniforme en el objeto y sin desperdicio de la misma Algunas aplicaciones de gran utilidad son: Fabricación de papel abrasivo para metales. Fabricación de fibras para el tejido de telas y alfombras. Fabricación de precipitadores que cargan las partículas de humo de grandes chimineas para posteriormente llevarlas a pantallas donde no puedan contaminar. Electricidad dinámica: para que la electricidad sea útil, esta debe permanecer siempre activa, siempre en movimiento, de ahí el nombre de electricidad dinámica. La fuente que la genera debe permanecer en constante renovación de sus cargas para evitar que su capacidad se pierda al instante. EFECTOS DE LA ELECTRICIDAD La electricidad es una forma de energía que, por regla general, el ser humano puede transformar en otro tipo de energía a la que se le pueden dar diversas actividades, dependiendo del efecto físico final que se genere. La función de los efectos a los que se llega, se pueden hacer afirmaciones: Efecto térmico 7

8 La producción de calor a partir de la electricidad se consigue como consecuencia de la circulación de ésta a través de ciertos materiales de la naturaleza resistiva, los cuales tienen la propiedad de generar calor en función de la electricidad que circula a través de ellos. Estos elementos resistivos son comúnmente llamados resistencia eléctrica o resistor, donde, en función de sus características constructivas y de cantidad de corriente eléctrica que atraviese podrán generar mayor o menor cantidad de calor. Efecto luminoso La producción de la luz a partir de la electricidad se consigue como consecuencia de la circulación de ésta a través de dispositivos como, por ejemplo, la lámpara incandescente. El paso de una corriente eléctrica a través del filamento de la lámpara, además de generar calor genera en mayor medida la luz (de ahí la forma constructiva del filamento). Efecto químico El efecto químico se conoce como electrólisis, que es la circulación de electricidad a través de un medio químico en el que se ha disuelto una sustancia (electrolito), que facilite el paso de la corriente eléctrica a través de ella. La electrólisis se suele utilizar para realizar procesos de galvanización (dorado o plateado en metales). Un efecto electrolítico común se da en los acumuladores eléctricos o baterías. Efecto magnético El efecto magnético se produce al hacer pasar una corriente eléctrica a través de una bobina, como consecuencia de esto se genera un campo magnético similar al de un imán. Aprovechando este efecto se pueden construir relés, motores, electroimanes. Etc. FORMAS DE PRODUCIR GRANDES CANTIDADS DE ENERGÍA ELÉCTRICA Medios magnéticos Uno de los efectos más usados de la corriente eléctrica es la facultad que tiene para producir una fuerza invisible y poderosa que le llamamos electromagnetismo. Siendo esta fuerza magnética la que hace posible el movimiento de motores, trasformadores, generadores instrumentos de mediciones eléctricas, equipos de comunicación, etc. Centrales eléctricas Una central eléctrica es esencialmente una instalación con una fuente de energía primaria para hacer girar unos álabes de una turbina mediante el movimiento del agua, vapor o gas; esta a su vez hace girar una bobina en su interior, generándose así la electricidad. Este es el principio básico de funcionamiento de una gran cantidad de centrales eléctricas: esto es la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica. Los principales tipos de centrales eléctricas son hidroeléctricas, termoeléctricas, las solares y las nucleares. Centrales hidroeléctricas Estas tienen la finalidad de aprovechar mediante desniveles, la energía potencial en la masa de agua en movimiento para convertirla en energía eléctrica utilizando turbinas conectas a un generador. 8

9 Centrales termoeléctricas Se les llama a sí a aquellas centrales que producen energía a partir de combustión de carbón, fuel-oíl o gas en una caldera diseñada especialmente para este efecto. Centrales nucleares Una central nuclear es una central termoeléctrica, es decir, es un medio que aprovecha una fuente de calor para convertirla en vapor a temperaturas elevadas un líquido que se hace pasar por un conjunto de ductos, este vapor acciona un conjunto de turbina-generador, produciendo así energía eléctrica. En la central nuclear la fuente de calor se consigue mediante una fisión de núcleos de uranio. La fisión nuclear es una reacción por la cual ciertos núcleos de elementos químicos pesados se dividen en fragmentos por el impacto de un neutrón, emitiendo a su vez varios neutrones y liberando en el proceso una gran cantidad de energía que se manifiesta en forma de calor. La reacción nuclear por fisión fue descubierta por O. Hahn y F.Strassman en 1938 cuando se detectó la presencia de elementos de pequeña masa en una muestra de uranio puro irradiado por neutrones. Los neutrones emitidos en la reacción por fisión pueden provocar en determinadas circunstancias, nuevas fisiones de otros núcleos. Se sabe que se está produciendo una reacción nuclear en cadena. Así, los reactores nucleares son máquinas que permiten iniciar, mantener y controlar una reacción en cadena de fisión nuclear. Las centrales nucleares contienen un sofisticado equipo de seguridad, en ellas se invierte más de 1/3 del capital total de la planta. Así mismo, el medio ambiente que rodea las instalaciones es objeto de constante vigilancia radiológica. 9

10 Centrales solares Existen diversos sistemas de aprovechamiento solar en la actualidad para tratar de utilizar la gran cantidad de energía emitida por el sol. El sol es una especie de gigantesco reactor nuclear en fusión. La energía emitida por el sol llega a la tierra por dos vías diferentes: Incidiendo en los objetos iluminados por el sol llamada radiación directa o como reflejo de la radiación solar absorbida por el aire y el polvo radiación difusa, se aprovecha de manera eficaz sólo la radiación directa y de manera masiva. Algunas de las ventajas que se obtiene de la energía solar es que es inagotable a escala humana y es sólo de saberla aprovechar, es decir, es gratuita. La energía solar se está aprovechando mediante dos vías: la térmica y la fotovoltaica. La térmica, transforma la energía solar en calorífica y la fotovoltaica convierte directamente la energía térmica en energía eléctrica. CIRCUITO ELÉCTRICO Un circuito eléctrico es un circuito compuesto por componentes conectados entre sí, puede tener una o varias trayectorias cerradas que permiten el paso de una corriente eléctrica y el aprovechamiento de la misma para realizar un trabajo. Si no hay un circuito cerrado, no puede haber corriente en el circuito. El trabajo puede ser: Conversión de la energía eléctrica en otra forma de energía o viceversa. Conversión de señales eléctricas de un tipo en señales eléctricas. Por más sencillo que sea un circuito, este debe constar de características importantes: Debe poseer una fuente de voltaje; esta proporcionará el flujo de corriente en el circuito cerrado. El circuito cerrado es el medio por el cual pasará la corriente desde un extremo de la fuente hasta el otro extremo de la misma, a través de los conductores y componentes que forman el mencionado circuito eléctrico. El camino que seguirá presentará cierta oposición, lo cual generará calor a su paso, Lo anterior equivale a pérdida de energía. Los circuitos eléctricos y electrónicos pueden ser físicamente una gran cantidad de componentes lo cual al verlos, nos parecerán complejos, estos están formados por los siguientes elementos básicos: 10

11 1) Fuente de voltaje. 2) Conductores. 3) Elemento de carga. 11