MODULO 1

Teoría atómicay electricidad La electricidad es la

base de todo lo que existe.Nuestro mundo es un mundo

eléctrico. Existen fenómenos naturalesque dan origen a la electricidad y a sus

efectos muy importantes como: la luz eléctrica,el calor, el movimiento en las máquinas y

vehículos.etc. Fenómenos que son difíciles deentender porque suceden al interior de

partículas tan pequeñas como el átomo que elser humano no puede captar, y solo conilustraciones podemos explicarlos. Esta

lección analizará muchos de losfenómenos relativos al origen de

la electricidad.

MODULO 1Introducción

¿Qué es la electricidad?Pregunta de respuesta difícil porque el término ELEC-TRICIDAD es demasiado amplio. Rápidamente sepodría decir que la electricidad es una forma de ener-gía o que es un medio que actúa en la materia. Unadefinición más técnica es: la corriente eléctrica es unmovimiento o flujo de electrones a través de unconductor; este movimiento no es posible sin laaplicación a dicho conductor de una fuerzaespecial llamada fuerza electromotriz.

El conocimiento de la electricidad se ha ido ampliandoa través de los años por medio de experimentos enmuchos campos: en el magnetismo, en las pilaseléctricas, en el paso de la corriente a través de gasesy en el vacío, estudiando los metales, el calor, la luz,etc. Anteriormente, la electricidad no se había utilizadode un modo tan amplio como se hace hoy en día. Laimportancia que tiene actualmente en nuestra vidaindividual y colectiva.se ha hecho tan evidente que noes fácil medirla.

Hoy por hoy no puede existir ninguna ciudad, porpequeña que sea, que no necesite la electricidad en suvida cotidiana: en la cocina, calefacción, frigoríficos,congeladores, televisores, ascensores, escalerasmecánicas, alumbrado público, incubadoras pararecién nacidos, máquinas impresoras, tornos; inclusivelos automóviles no pueden funcionar sin energíaeléctrica para su arranque y alumbrado... y tantas otrascosas que no alcanzamos a mencionar.

Una de las grandes cualidades de la energía eléctricaes que se puede convertir rápida y eficazmente endiferentes formas de energía tales como: calórica(hornos, estufa eléctrica), lumínica (iluminación, rayoláser), mecánica (el motor eléctrico de todo tipo) yquímica (cargador de baterías, electrólisis), entre otras.Además, la energía eléctrica se puede transportareconómicamente a grandes distancias para utilizarladonde sea necesaria como en las ciudades, fábricas,centros industriales, centros comerciales, centros detransporte, en el campo, etc.

A medida que avanza el desarrollo de la humanidad, laenergía eléctrica se hace cada vez más indispensableya que se puede utilizar fácilmente para numerosos yvariados propósitos.

Una característica importante de la energía eléctrica esque está libre de toda clase de productos indeseablesde la combustión como humos, cenizas y emanacionesque dañan la atmósfera. La aplicación de laelectricidad se logra fácilmente si se posee uncompleto conocimiento de las leyes de la corrienteeléctrica, sus relaciones con el magnetismo, así comola manera de producirla y de obtener efectoselectromecánicos y electroquímicos, los cuales seránestudiados en próximas lecciones.

La materia

Todo lo que existe en el universo, que ocupa un lugaren el espacio y que podemos ver y tocar, e incluso,aquellas cosas que no podemos ver. pero

Figura 1.1. La materia

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Figura 1,2. Estado sólido

que sabemos que existen, están formadas por materia.Figura 1.1

Después de muchos experimentos e investigaciones.se descubrió que los cuerpos no son indivisibles, sinoque por el contrario, están formados por la unión de ungran número de partículas pequeñísimas. Gracias aeste descubrimiento, los científicos han encontradosoluciones y leyes para muchos fenómenos químicos yfísicos como por ejemplo, el caso de la energíanuclear.

Dependiendo del grado de unión que haya entre estaspartículas, los cuerpos pueden presentarse en tresdiferentes estados:

Estado sólido. Cuando el contacto entre dichaspartículas es muy fuerte. Se caracteriza por tenerforma y volumen definidos. Figura 1.2

Estado líquido. Cuando el contacto entre ellas es másflojo. En este caso, la materia cambia constantementede forma para adaptarse a la del recipiente que lacontiene. Figura 1.3

Estado gaseoso. Las partículas están totalmentelibres, es decir, no existe contacto entre ellas. Secaracteriza porque puede cambiar su volumen y suforma, adaptándose a cualquier espacio. Figura 1.4

Composición de la materiaAnalicemos cualquier estado de la materia, porejemplo, el estado líquido. Para entenderlo mejor.utilicemos una vasija con agua. Si observamos el aguaen la vasija, podría usted imaginarse ¿cuántas gotasde agua caben en ella? miles y miles ¿verdad?

Si tomamos una gota de agua y la dividimos mu-chísimas veces, llegaría un momento en que no po-dríamos hacerlo más porque perdería sus propiedadesy, por ser tan pequeña, para lograr verla debemosutilizar un microscopio. Dicha gotita recibe el nombrede MOLÉCULA. Ésta constituye la parte más pe-

Figura 1.3. Estado liquido Figura 1.4. Estado gaseoso

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quena de cualquier cuerpo y conserva todas las ca-racterísticas del mismo. En conclusión, todos los cuer-pos están formados por millones de moléculas.

Seguramente usted ya se está haciendo una pregunta:¿si dividimos dicha molécula, qué podríamos obtener?Efectivamente, esta molécula puede ser dividida enunas partículas mucho más pequeñas e invisiblesllamadas ÁTOMOS, los cuales constituyen la unidadfundamental del universo, y solos o en combinación,forman todo lo que existe.

Retomemos el ejemplo de la gotita de agua. Simediante un proceso químico la dividimos, encon-traremos que esa gotita de agua tan pequeña estáformada por tres elementos simples así: dos partes dehidrógeno y una parte de oxígeno, tal como se muestraen la figura 1.5. Luego, se puede concluir que lamolécula de agua está formada por tres átomos: dosátomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno.Tambiénse puede decir que la molécula de agua está formadapor la combinación de dos elementos distintos, se diceentonces que es un cuerpo compuesto.

Estructura atómicaUna vez descubierto el átomo, la curiosidad del hombrelo impulsó a querer saber qué había en su interior. Fueasí como, después de muchos experimentos, sedescubrió que en el interior de éstos se encuentranencerradas una serie de partículas que poseen energíapropia y que son las directas responsables de losfenómenos eléctricos.

En 1808, el físico y químico británico Jhon Dalton(1766- 1844) formuló las primeras bases que marcaronel inicio de la era atómica. Sin embargo, una de susteorías que afirmaba que el átomo era indivisible fuemodificada, ya que como se sabe el átomo sí puedeser dividido siendo éste el principio de la energíanuclear. En 1913, Niels Bohr, enunció lo que hoy seconoce comoTEORÍA ELECTRÓNICA y explicó que, sifuera posible ver el interior de un átomo, éste seríasemejante a un sistema solar

Figura 1.6. Analogia hecho por Niels Bohr

MODULO 1en miniatura. Figura 1.6. Hoy en día un átomo se representa

como se muestra en la figura 1.7 .

Ion positivo: cuando hay más protones que electrones, por

haber perdido uno o más electrones.

Carga eléctrica del átomoCuando decimos que los electrones y los protones tienen

carga eléctrica, esto quiere decir que poseen una fuerza la

cual ejercen en todas las direcciones y que, gracias a ella,

una partícula tiene el poder de atraer o rechazar otras

partículas.

La carga negativa del electrón y la fuerza ejercida por ésta,

se encuentra dirigida hacia adentro y tiene el mismo valor que

la carga positiva del protón, cuya fuerza está siempre

dirigida hacia afuera. Esto genera dos CAMPOS ELÉC-

TRICOS contrarios, pero de igual magnitud, por lo cual, los

átomos son eléctricamente neutros.

Para que se produzcan cambios eléctricos en los átomos,

éstos deben estar descompensados o desequilibrados, y

reciben el nombre de iones. Un ion se forma cuando un

átomo gana o pierde uno o varios electrones. Pueden ser de

dos clases:

Ion negativo: cuando hay más electrones que protones, por

haber ganado uno o más electrones.

Para que el átomo se equilibre de nuevo, necesita tener el

mismo número de protones y de electrones. Así, el átomo

cargado positivamente necesita de otro electrón. Esto crea

una fuerza entre dicho átomo y todos sus átomos vecinos.

Dicha fuerza llega a ser tan grande que se puede robar un

electrón de su átomo vecino para poder estabilizarse de

nuevo. De esta forma el átomo, al cual le ha robado el

electrón, queda también desequilibrado y por ello intentaría

obtener otro electrón de sus átomos vecinos, y así sucesi-

vamente. Así se crea una cadena de intercambio de

electrones entre los átomos que forman un cuerpo. Lo anterior

es la base para enunciar dos leyes fundamentales de la

electricidad:

1. Cargas iguales se rechazan. Figura 1.82. Cargas distintas se atraen. Figura 1.9

Figura 1.7. Representación moderna del átomo

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Figura 1.8. Cargas iguales se repelen Figura 1.9. Cargas distintas se atraen

Número atómicoTodos los electrones y todos los protones son iguales,sin importar el material al que pertenecen. Entonces, sitodos los materiales están formados por las mismaspartículas ¿cómo es que son tan diferentes? Losmateriales se diferencian unos de otros porque elnúmero de electrones que poseen en cada átomo esdiferente a los de los demás. El número de protonesque hay en el núcleo de cada átomo es siempre igualal número de electrones que giran en torno de él.Aesta característica se le conoce como NÚMEROATÓMICO. Por ejemplo, el número atómico deloxígeno es 8 porque tiene 8 protones y 8 electrones, yse diferencia del aluminio, porque este último posee 13electrones y 13 protones; es decir su número atómicoes 13; figura 1.10

Niveles de energía y distribución de loselectrones en el átomoYa sabemos que los electrones se encuentran girandoen órbitas alrededor del núcleo.Ahora la pregun-

ta es: ¿cuántas órbitas pueden haber alrededor delnúcleo y cuántos electrones pueden circular en cadauna de ellas? Conforme a la teoría electrónica deBohr y la cuantificación de la energía, los átomos pue-den tener un máximo de siete órbitas o capas alre-dedor del núcleo, las cuales se denominan con lasletras K, L, M, N, O, P. y Q. y cada una de ellas aceptasolamente un cierto número de electrones así: la pri-mera tendrá 2 electrones, la segunda 8, la tercera 18,la cuarta 32 y así sucesivamente, tal como se observaen la figura 1. 11. Los electrones que se encuentranen las capas más cercanas al núcleo son atraídos conmás fuerza por los protones, que los que se encuen-tran en las órbitas más alejadas. Como los electronesque hay en cada órbita poseen cierta cantidad de ener-gía, a éstas también se les llama niveles de energía yla cantidad de energía que tiene cada nivel, dependedel número de electrones que posee.

Figura 1.10. Número atómico Figura 1.11Niveles de energía

MODULO 1Electrones de valenciaDesde el punto de vista eléctrico, de todas las órbitaso niveles de energía, solo nos interesa estudiar laúltima de cada átomo, pues los electrones que seencuentran en ella son quienes determinan laspropiedades químicas y físicas de los elementos y sondirectamente los responsables de los fenómenoseléctricos. Dichos electrones reciben el nombre deelectrones de valencia y pueden ser un máximo deocho. De acuerdo al número de electrones devalencia que tengan los átomos de un elemento,desde el punto de vista eléctrico, éstos puedenclasificarse como conductores, aislantes ysemiconductores.

Conductores a este grupo pertenecen los átomos queposeen menos de cuatro electrones de valencia, loscuales tienden a perder dichos electrones para lograrsu equilibrio. Estos materiales reciben el nombre deMETALES y son los más

adecuados para producir fenómenos eléctricos; a estegrupo pertenecen, por ejemplo, el cobre que tiene unelectrón de valencia, el hierro dos y el aluminio tres.Podemos observar la distribución de sus electrones enla figura 1.12. Aquellos que poseen un solo electrónde valencia son los mejores conductores.

Aislantes: son aquellos que tienen más de cuatroelectrones de valencia. Son llamados METALOIDES,porque tienden a ganar los electrones necesarios paralograr su equilibrio; ejemplos de éstos son el fósforoque tiene cinco electrones de valencia, el azufre quetiene seis y el cloro con siete. En la figura 1.13observamos la distribución de los electrones paraestos elementos.Aquellos átomos que poseen ochoelectrones de valencia son químicamente muyestables y por esta razón es muy difícil producir unfenómeno eléctrico con ellos, un ejemplo de éstos esel xenón.

Figura 1.12. Átomos de los conductores

Figura 1.13. Átomos de los aislantes

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Figura 1.14. Átomos de los semiconductores

Semiconductores: poseen cuatro electrones devalencia y sus propiedades se encuentran en un puntomedio entre conductores y aislantes. Ejemplos deéstos son el silicio y el germanio; podemos observar ladistribución de sus electrones en la figura 1.14.

Electrones libres en los metalesLos átomos tienen la habilidad de relacionarse entre sípor medio de enlaces, empleando para ello loselectrones de valencia. Dichos enlaces pueden ser dedos tipos:

Enlace covalente: produce cuando los átomos.cmparten sus electrones de valencia, con sus átomosvecinos. Figura 1.15

Enlace iónico: es aquel en el cual un átomo cedeelectrones a otro átomo vecino. Figura 1.16

Cuando un electrón de valencia se escapa de su órbitase convierte en un electrón libre. Dicho electrón puedeentrar fácilmente en la última órbita de un átomo queha perdido un electrón. Al mismo tiempo, el electrón deun segundo átomo se libera y entra en la última órbitade otro átomo y así muchos electrones libres pasan deun átomo a otro moviéndose desordenadamentedentro del conductor, tal como se muestra en la figura1.17. pero no se produce corriente porque los efectoseléctricos generados durante este proceso se anulan.

Electricidad estática y dinámica

De acuerdo a la actividad de las cargas eléctricas. laelectricidad puede clasificarse en dos grandes grupos:como electricidad estática o como electricidaddinámica.

Figura 1.15.Enlace covalente Figura 1.16. Enlace iónico

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Figura 1.17. Electrones Libres

¿Qué es la electricidad estática?Recibe también el nombre de electrostática. Como sunombre lo indica.se refiere a los electrones estáticos oen reposo, es decir sin movimiento, aunque hablar deelectrones en reposo no es muy común porque éstossiempre se visualizan como partículas inquietas ysalta-rinas que van de un lugar a otro. La electricidadestática se produce por la acumulación de cargas enun punto de un material.

Un cuerpo cargado siempre afecta a los demáscuerpos que lo rodean ya sea atrayendo o repeliendosus electrones.Todo material cargado positivamentetiene en él escasez de electrones, mientras que todomaterial con carga negativa tiene exceso deelectrones.

Los materiales cargados tienden a volver a su estadode equilibrio y para lograrlo necesitan descargarse. Alhacer esto, lo consiguen desprendiendo energía lacual se manifiesta generalmente por medio deacciones mecánicas o por simples chispas. El procesopor el que adquiere carga el material contiguo se lellama inducción electrostática.

Como crear electricidad estáticaCuando cargamos un material estamos acumulandopartículas eléctricas en un punto del mismo. Paralograr esto es necesario mover electrones libres de unátomo a otro, de tal forma que un material pierdaelectrones y el otro los gane. El método más sencillopara cargar un material es por frotamiento. En lasmáquinas que se empleaban antiguamente paraimprimir los periódicos, se generaba electricidadestática debido a la fricción entre los rodillos de lasimpresoras y el papel que pasaba entre ellos; por estarazón los operarios debían usar accesorios deprotección especiales conectados a tierra que ofrecíanuna vía expresa a los electrones de manera que lascargas se neutralizaran; tal como se muestra en lafigura 1.18.La acumulación de electrones, resultado de la fricción,puede ser excesivamente peligrosa en ciertos casos,por ejemplo, los carro-tanques que transportancombustibles constituyen uno de ellos. A medida queel carro-tanque se desplaza, la fricción con el aireacumula electricidad estática en él. Si la tensión entreéste y cualquier objeto a su alrededor se hace muygrande, puede generarse una descarga eléctrica quepodría causar

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Figura 1.18. Generación de electricidad estática

un incendio y la explosión del combustible. Paraprevenir esto, la gran mayoría de estos vehículosposeen en la parte inferior una cadena de metal quese arrastra constantemente por el camino paraprovocar un contacto con la tierra; de esta forma sedescarga el vehículo y se previene de algún accidente.Este fenómeno se hace visible ya que se producenchispas contra el pavimento a medida que el vehículose descarga.

un camino fácil hacía la tierra por medio de pararrayoslos cuales son muy efectivos.

¿Podemos emplear la electricidadestática?La electricidad estática es de gran utilidad en laindustria, por ejemplo:

• Se emplea para aplicar pintura a objetos fabricados en serie; este proceso es conocidocomo pintura por aspersión o pintura electrostática. Durante este procedimiento se comunica una carga electrostática a las partículas pulverizadas de pintura después de quesalen de la boquilla del aspersor; dichas partículas son atraídas por el objeto que se estápintando, obteniendo así una capa uniforme ysin desperdicio de pintura.

• En la fabricación de papel abrasivo (de lija) parametales.

• En la fabricación de fibras para tejer alfombras ytelas especiales.

Cuando los materiales se encuentran muy cargados, loselectrones saltan de un material a otro antes de que seestablezca un contacto real entre ellos. En estos casos ladescarga se ve en forma de arco luminoso.

Un claro ejemplo son las cargas que seproducen en las nubes al frotarse con lasmoléculas del aire; la gran cantidad deelectricidad acumulada en éstas puededescargarse a través de grandes espaciosprovocando arcos de muchos metros delongitud llamados rayos, tal como semuestra en la figura 1.19. El poderdestructivo de ellos es un claro ejemplo dela cantidad de energía que pueden trans-portar los cuerpos cargados eléc-tricamente. La protección contra los rayosse obtiene solamente proporcionando a loselectrones

Figura 1.19. Rayos eléctricos

En los llamados precipitadores que cargan laspartículas de humo de las grandes chimeneas paraluego llevarlas a unas pantallas donde no puedancontaminar la atmósfera.

MODULO 1Electricidad dinámica

Para que la electricidad sea realmente útil,ésta debepermanecer en movimiento, es decir, debe ser di-námica o activa y la fuente que la genere debe estaren constante renovación de sus cargas eléctricas paraque no pierda su capacidad en pocos segundos detrabajo.

El conde italiano AlessandroVolta (1745-1827) inventóla pila eléctrica en 1799, lo que originó una revolucióncientífica en ese tiempo; se dio cuenta que mediante la

acción química pueden restituirse constantemente lascargas eléctricas y que a medi-

da que circula la corriente por el circuito los electronesque salen del terminal negativo de la batería, sonsustituidos por la misma cantidad de éstos(pertenecientes al conductor) que entran por elterminal positivo de la misma. Figura 1.24

Solo después de que Volta descubrió una fuente deelectricidad constante, se pudo conocer lo que es enrealidad un circuito eléctrico, y por consiguiente, lo quees la electricidad dinámica.

Campo eléctricoEs el espacio en el cual pueden manifestarse lasfuerzas de atracción y repulsión entre cargas eléc-tricas. El campo eléctrico rodea a cualquier tipo decarga, ya sea positiva o negativa y en general, rodea acualquier objeto cargado tal como se muestra en lafigura 1.25. Dicho campo puede representarsemediante innumerables líneas rectas que salenradíalmente desde el centro de la carga y van dirigidasen todas direcciones. Estas líneas reciben el nombrede líneas de fuerza eléctrica, las cuales tienen fuerzanatural que actúa en un sentido determinado, haciaafuera en los protones y hacía adentro en loselectrones. Éste es el origen de las leyes de atraccióny repulsión de las cargas.

Figura 1.24. Pila de volta

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De tal forma que cuando decimos que un electrónrepele a otro sin hacer contacto, es la fuerza derepulsión entre las líneas de fuerza la que hace que lascargas se separen. Y, cuando decimos que un electróny un protón se atraen, son las líneas de fuerza en elcampo eléctrico quienes hacen que las cargas seunan.De esta forma, podemos definir el campo eléctricocomo la fuerza de origen eléctrico ejercida sobreuna carga, capaz de orientarla y moverla de unátomo a otro. Si durante un proceso de carga seproduce una acumulación de electrones sobre unobjeto y de iones positivos sobre otro, cada cuerpotiene su propio campo eléctrico. Estos campos son elresultado de la suma de todos los campos individualesde las cargas acumuladas y por tanto tienen unafuerza muy grande. Figura 1.26

Diferencia de potencialEn su estado natural, los átomos de los cuerpos seencuentran equilibrados o sea que todos poseen igualnúmero de electrones y de protones. Un átomo o uncuerpo puede ser desequilibrado aplicando a éste unafuerza externa lo suficientemente

grande para hacer que el átomo pierda o gane elec-trones. Según lo anterior.se pueden presentar trescasos tal como se observa en la figura 1.27. En otraspalabras, el potencial es el estado eléctrico en que seencuentra un cuerpo.

Observemos los dos átomos siguientes. Figura 1.28.

Comparando el estado de los dos átomos de la figura,vemos que existe una diferencia de potencial de cuatroelectrones. De otra manera, pode-

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mos decir que la diferencia de potencial nos indica unadiferencia entre átomos de potencial distinto, o lo quees lo mismo, hay diferencia de potencial cuando losátomos de uno y otro cuerpo son diferentes en suestado eléctrico. Esta diferencia de potencial se llamavoltaje, tensión o fuerza electromotriz (FEM) y sedefine como la fuerza o presión capaz de obligar a loselectrones libres de un conductor a moverse en unadeterminada dirección. Su unidad de medida es elvoltio.

La diferencia de potencial solo puede existir entre dospuntos diferentes. Según esto una fuente de voltaje esun dispositivo que tiene entre sus terminales unadiferencia de potencial. Dicha fuente puede ser unapila, una batería o un generador y sus puntos deconexión o terminales reciben elnombre de bornes: uno de ellos poseemayor concentración de cargas positivas yel otro de cargas negativas, razón por lacual entre ellos existe un fuerte campoeléctrico, el cual tratará de mover lascargas eléctricas que se encuentren entreellos.

En la figura 1.29, podemos observarcomo al conectar un material conductorentre los bornes de una fuente de voltaje,los electrones libres del conductor sedirigen desde el punto de mayor potencialde cargas negativas hacia el punto demayor potencial de cargas positivas. Nosformu-

lamos entonces una pregunta: ¿por qué loselectrones van del borne positivo al negativode la fuente? La respuesta es sencilla: en elinterior de la fuente se produce un efectoquímico el cual desequilibra los átomos delos dos bornes, quedando un borne con máselectrones que el otro. Al hacer un puenteentre los dos bornes de la fuente, loselectrones sobrantes del borne negativotratarán de irse hacia el borne positivo ya queen éste hay escasez de ellos, impulsando asu paso los electrones libres del conductor.Por tanto, los

electrones libres del conductor ahora no se moveránen cualquier dirección, sino que serán dirigidos alterminal positivo de la fuente originando asi un flujo deelectrones en esa dirección.Al impulso de la energíaque se transfiere de electrón en electrón se llamacorriente eléctrica. Esta solo es útil cuando se le hacedesarrollar un trabajo a lo largo de un circuito eléctrico.

ES. CONVENIENTE RECORDAR QUE: VOLTAJE,TENSIÓN. FUERZA ELECTROMOTRIZY DIFEREN-CIA DE POTENCIAL SE REFIEREN A LO MISMO

La tensión se representa con la letra U en el sistemaeuropeo y con la letra E en el sistema americano, paramayor facilidad emplearemos la letra V en el desarrollodel curso.

MODULO 1Formas de producir energía

eléctrica en pequeñas cantidades

Por frotamiento o fricciónComo lo mencionamos anteriormente, el fenómeno dela electricidad es creado por el movimiento deelectrones de sus órbitas naturales. La frotación ofricción fue la forma más antigua que conoció elhombre para generar electricidad. Se dice que fue elfilósofo griego Tales de Mileto que vivió en el siglo 7a.C. quien descubrió la electricidad;éste al frotar untrozo de ámbar con un trozo de tela o piel pudo atraerpequeños cuerpos livianos. Tales de Mileto noencontró la causa del fenómeno y quiso llamarlo dealgún modo. Como ámbar en griego significa e/ektron,utilizó este nombre para esta fuerza invisible. Muchossiglos después se llamó electrones a las partículas deelectricidad negativa que rodean el núcleo del átomo yque, cuando de alguna manera se mueven, forman lacorriente eléctrica.

Hoy sabemos que la propiedad queTales de Miletodescubrió en el ámbar no es solo de este material, sinoque hay una gran cantidad de elementos con los quese puede repetir el experimento. En muchas denuestras actividades diarias, voluntaria o involuntaria-mente se repite dicha experiencia. Por ejemplo, cuan-do se pasa varias veces un peine de plástico sobre elcabello seco, éste se carga eléctricamente; se comprue-ba si lo acercamos a unos trocitos de papel común,pues vemos como éstos son atraídos por el peine.

Ésta es una manifestación de la electricidad es-tática, la cual estudiamos al principio de esta lección.Al frotarse ambos materiales la piel pierde electrones ylos mismos son ganados por el pei-

ne. La piel se electriza positivamente y el peinenegativamente. Figura 1.30

Otros ejemplos de electricidad por frotación o fricción:• El roce de las nubes con el aire.• La fricción de un automóvil con el aire al des-

plazarse por una carretera.• La fricción de una prenda de vestir de lana o

material sintético con la piel.• La piel con la pantalla del televisor.• El caminar sobre una alfombra, etc.

Finalmente podemos decir que, aunque ésta es laforma más antigua que se conoce para producirelectricidad, es muy difícil manejarla y dosificarla; ellaexiste y se emplea industrialmente en casosparticulares, pero producirla en grandes cantidadespara consumo doméstico no es posible.

Por reacciones químicasEs muy sencilla la forma de producir electricidad poracción química; como ya se dijo en el tema deelectricidad dinámica, esto lo hacen las pilas y lasbaterías eléctricas. Su funcionamiento se basa en lareacción química entre dos elementos diferentes. Si seintroducen dos placas metálicas o electrodos metálicoscomo el cobre y el zinc en una solución acida másagua, se puede comprobar la existencia de una fuerzaelectromotriz entre las dos placas, tal como se muestraen la figura 1.31. Este tema lo trataremos ampliamenteen una próxima lección.

Figura 1.30. Producción de energía eléctrica por fricción

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Por presión o vibraciónCiertos cristales tienen propiedades piezoeléctricas.esdecir, convierten la energía mecánica en energíaeléctrica al ser sometidos a presión o vibración; estosson: el cuarzo, la turmalina, el titanio de bario, la sal derochelle.etc. A este fenómeno se le llamapiezoelectricidad. Como ejemplo de este principio,podemos mencionar los tocadiscos antiguos queutilizan un pequeño cristal piezoeléctrico con una agujametálica, la cual, al pasar sobre la grabación del disco,presiona el cristal y genera pequeñas señales defuerza electromotriz. Con la amplificación necesariaestas señales pueden hacer funcionar un parlante pormedio del cual se escuchan los sonidos con un buenvolumen.

Otra aplicación es el encendedor electrónico para laestufa de gas: cuando se acciona el pulsador, ésteejerce una presión sobre la superficie de un cristal decuarzo y los electrones que se encontraban en dichasuperficie saltan a la cara opuesta del cuarzo creandouna diferencia de cargas entre ambas caras, generan-do la chispa. Los cristales piezoeléctricos tienen mu-chas aplicaciones en la industria: registran niveles deruido,detectan cambios de presión, etc. Figura 1.32

Por el calor y por la luzEnergía radiante es el nombre que se le da a la energíaproporcionada por fuentes de calor o de luz. Muchasclases de instrumentos eléctricos y electrónicosaprovechan este fenómeno llamado efectotermoeléctrico para convertir variaciones detemperatura en electricidad y con ello obtenermediciones de calor de cierta precisión a través de untermómetro eléctrico. El componente que produceelectricidad a partir de la energía calórica se llamatermopar y está formado por dos metales diferentes,por ejemplo, níquel y latón; en él la energía del calorlleva los electrones libres de un metal a otro,produciendo entre los dos una fuerza electromotriz(FEM). Los termopares tienen varias aplicaciones en elhogar y en la industria, se usan en termómetros,controles de temperatura en hornos y alarmas contraincendios, etc. Figura 1.33

También se puede obtener electricidad de la luz o de laenergía lumínica; ello se consigue con una celdafotovoltaica, una celda fotoeléctrica o una batería solar,como las utilizadas en los satélites y naves espacialespara obtener energía eléctrica del sol. Una celdafotovoltaica es un sandwich de tres capas o materialesdiferentes: una primera capa delgada y translúcida quedeja deja pasar la luz que es recibida por una capasensible de sele-nio o silicio, creándose de esta formauna fuerza electromotriz entre las dos capas exteriores.Las celdas fotovoltaicas también son utilizadas en es-tudios fotográficos, cámaras de video, televisión,cámaras de fotografía automáticas, iluminación en víaspúblicas, ascensores, etc. Figura 1.34

Formas de producir grandescantidades de energía eléctrica

Por medios magnéticosUno de los efectos mas familiares y más usados de lacorriente eléctrica es la facultad que tiene de produciruna fuerza invisible y poderosa que llamamoselectromagnetismo. Esta fuerza magnética es la quehace posible la operación de motores,generadores,transformadores, instrumentos de medidas eléctricas,equipos de comunicación, etc. Figura 1.35

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Es bueno entonces destacar lo importante que es laelectricidad producida mediante el magnetismo, puesesta forma de energía posee características muy espe-ciales que la hacen primero, la electricidad comercialmás barata y segúndela electricidad que prácticamenteda origen a la electrónica. La electricidad por mag-netismo se produce cuando un conductor, por ejemplode cobre o una bobina, (alambre de cobre aislado yenrollado con muchas vueltas sobre un molde cilindri-co) se mueve dentro de la fuerza magnética de unimán. En ambos casos el campo magnético del imánimpulsa los electrones libres del conductor de cobre.

Esta es la corriente que llega a través de los postes yextensas líneas de transmisión a nuestras casas paraalimentar los aparatos eléctricos y que en muchospaíses se genera a una tensión de 120V y 60CPS(ciclos por segundo). Puede decirse entonces que estacorriente alterna se interrumpe 120 veces por segundopara que pueda cambiar de sentido y este fenómenoes tan rápido que prácticamente en una bombilla olámpara eléctrica no se nota. La corriente alterna contodas sus características será estudiada

con más profundidad en una próxima lección. Figura1.36. La corriente alterna se produce a gran escala porintermedio de grandes generadores que se encuentranen las llamadas centrales eléctricas.

Centrales eléctricasUna central eléctrica es esencialmente una instalaciónque emplea una fuente de energía primaria para hacergirar las paletas o alabes de una turbina medianteagua, vapor o gas; éstas a su vez, hacen girar unagran bobina en el interior de un campo magnético,generando así electricidad. Éste es el principio básicode funcionamiento de la mayoría de las centraleseléctricas que hay en el mundo: transformar energíamecánica en energía eléctrica. No ocurre así en lasinstalaciones de tipo fotovoltaico (centrales solares),que transforman la energía lumínica de la radiaciónsolar en energía eléctrica. Los principales tipos decentrales eléctricas son: las hidroeléctricas, lastermoeléctricas, las nucleares y las solares.

Centrales hidroeléctricasTienen por finalidad aprovechar, mediante un desnivel,la energía potencial contenida en la masa de agua quetransportan los ríos para convertirla en energíaeléctrica utilizando turbinas acopladas a un generador.Figura 1.37

Centrales termoeléctricasSe denominan centrales termoeléctricas aquellas queproducen energía a partir de la combustión de carbón,fueloil o gas en una caldera diseñada para tal efecto.Figura 1.38

Figura 1.35. Producción de energía eléctrica por magnetismo Figura 1.36. Forma de la corriente alterna

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MODULO 1Centrales nuclearesUna central nuclear es una central termoeléctrica, esdecir, una instalación que aprovecha una fuente decalor para convertir en vapor a alta temperatura unlíquido que circula por un conjunto de ductos, dichovapor acciona un grupo turbina-generador,produciendo así energía eléctrica. En la central nuclearla fuente de calor se consigue mediante la fisión denúcleos de uranio. La fisión nuclear es una reacciónpor la cual ciertos núcleos de elementos químicospesados se dividen en dos fragmentos por el impactode un neutrón, emitiendo a su vez varios neutrones yliberando en el proceso una gran cantidad de energíaque se manifiesta en forma de calor.

La reacción nuclear por fisión fue descubierta por O.Hahn y F.Strassman en 1938 cuando detectaron lapresencia de elementos de pequeña masa en unamuestra de uranio puro irradiado por neutrones. Losneutrones que resultan emitidos en la reacción porfisión pueden provocar, a su vez, y en determinadascircunstancias, nuevas fisiones de otros núcleos. Sedice entonces que se está produciendo una reacciónnuclear en cadena. Por tanto, los reactores nuclearesson máquinas que permiten iniciar, mantener y con-trolar una reacción en cadena de fisión nuclear.

Las centrales nucleares incorporan el más sofisticadoequipo de seguridad, hasta el punto de que en ellas seinvierte más de 1/3 del capital total de la planta.Igualmente, el medio ambiente que rodea la instalaciónes objeto constante de trabajos de vigilanciaradiológica. Figura 1.39

Centrales solaresSon diversos los sistemas de aprovechamiento solar queexisten en la actualidad y que tratan de utilizar la grancantidad de energía que emite constantemente el sol, laque llega a nuestro planeta en forma de radiación. El solviene a ser efectivamente una especie de gigantescoreactor nuclear de fusión. La energía solar llega a lasuperficie de la tierra por dos vías diferentes: incidien-do en los objetos iluminados por el sol (radiación di-recta), o como reflejo de la radiación solar absorbidapor el aire y el polvo (radiación difusa). Solo es aprove-chable la primera de manera eficaz y en forma masiva.

Entre las ventajas que ofrece la energía solar se suelecitar su carácter gratuito y el ser inagotable a escalahumana. En la actualidad, la energía solar está siendoaprovechada mediante dos vías: la térmica y lafotovoltaica. La primera transforma la energía solar encalorífica. La segunda convierte directamente laenergía solar en energía eléctrica gracias al efectofotovoltaico; estos son los aprovechados para laproducción de la energía eléctrica y se llamancentrales termoeléctricas de receptor central. Figura1.40

Constan de una amplia superficie de helióstatos, esdecir.grandes espejos sostenidos por soportes quereflejan la radiación solar y la concentran en un puntoreceptor instalado en una torre. Los espejos poseenmecanismos electrónicos que reciben órdenes quehacen que se muevan de modo que en todo momentoestén en posición de recibir con mayor intensidad laradiación solar y concentrarla eficazmente en elreceptor central instalado en la torre.

Una de las mayores centrales termoeléctricas solarestipo torre es la de Barstow, en California (E.E.U.U.) queposee 10 megavatios eléctricos de potencia. Consta de1.818 espejos de 39.3 metros cuadrados de superficiecada uno y el receptor alojado en una torre de 77metros de altura.

Otra forma de producir energía eléctrica en menorescala es utilizando la fuerza del viento, por medio delo que se denomina una central eólica. Al igual queocurre con otras muchas de las llamadas nuevasenergías o energías alternas, la eólica es una fuente deenergía. La energía eólica es producida por el movi-miento del aire y ha sido empleada desde hace mu-chos siglos, por ejemplo, en el transporte marítimo.

La energía eólica puede ser utilizada con ciertaeficacia en zonas determinadas donde las caracte-rísticas del viento cumplen una serie de condicionestales como continuidad, estabilidad, etc.

Las máquinas que son movidas por la energía eólicapara producir energía eléctrica reciben el nombre deaerogeneradores o turbinas eólicas.

MODULO 1

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