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Educación Secundaria

Descubrimos la corriente eléctrica SEMANA 22

5.° grado: Ciencia y Tecnología

Quizás ya te hayas enterado que para el sostenimiento de la vida moderna en el planeta se utilizan esencialmente diez fuentes de energía, entre las que podemos mencionar: solar, eólica, geotérmica, hidrógeno, marea, de olas, hidroeléctrica, biomasa, nuclear y de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Todas estas fuentes de energía sirven para la producción de energía eléctrica. Asimismo, casi todos los aparatos que usamos en la casa usan energía eléctrica, como las computadoras, televisores, teléfonos fijos y móviles, aire acondicionado, refrigeradora, licuadora, lavadora, entre otros.

Actualmente, vehículos de transporte como el tren utilizan la energía eléctrica para su funcionamiento. Ya están en circulación los automóviles eléctricos, y hay modelos de aviones que funcionan totalmente con esta energía. La tendencia es que en las próximas décadas todos los medios de transporte la utilicen, porque es la más limpia, en comparación con otro tipo de energía, y ayuda a la conservación de la salud y del ambiente.

Los fenómenos de la electricidad y el magnetismo se originaron con los trabajos del científico francés Charles-Augustin de Coulomb, cuando en 1777 midió con exactitud la fuerza entre cargas eléctricas. Más adelante, en 1827, el físico alemán Georg Simon Ohm descubrió la relación entre tensión eléctrica, corriente y resistencia, lo que ahora se conoce como ley de Ohm. El siguiente hito importante fue el descubrimiento de la inducción electromagnética por Michael Faraday1, científico inglés, en 1831.

A pesar de que las evidencias de los fenómenos eléctricos y magnéticos, y las leyes que los explican, ya tienen más de dos siglos desde sus primeros descubrimientos, y de que hacemos uso de esta energía a diario, no sabemos responder algunas preguntas: ¿Cómo se genera la energía eléctrica? ¿Cómo se transmite la energía eléctrica mediante cables? ¿Cómo se calcula el consumo mensual de energía en el hogar? ¿Cómo sabemos la cantidad de energía consumida por los electrodomésticos? ¿Cómo estimamos la cantidad de electricidad consumida en el alumbrado en nuestra casa? ¿Qué significan los kWh que aparecen en los recibos de luz? ¿Cómo podemos ahorrar energía eléctrica en el hogar?

Para responder estas preguntas y otras que propongas, deberás usar conceptos, datos, modelos y evidencias científicas. Tu reto será escribir un texto argumentativo y construir un tríptico sobre los fundamentos científicos de generación y transmisión de la energía eléctrica, y sus beneficios para la convivencia en el hogar y el uso responsable de este recurso.

Lee la siguiente situación y, a continuación, responde las preguntas.

Electrodomésticos más usados en el hogar

1 Sabadell, M. Á. (2013). Maxwell. La síntesis electromagnética. Magnetismo de alto voltaje. España: Editec.

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1. ¿A qué se llama electrostática?

Para comenzar con el estudio de las leyes cuantitativas de las interacciones electromagnéticas, consideremos el caso más simple, en el cual los cuerpos eléctricamente cargados se hallan en reposo. La parte de la electrodinámica dedicada al estudio de las cargas eléctricas en reposo se llama electrostática. La ley fundamental de la electrostática, que es la ley de interacción de dos cuerpos puntuales, o partículas cargadas y en reposo, fue establecida por el físico francés Charles-Augustin Coulomb en 17852.

En realidad, los cuerpos puntuales no existen; es una abstracción que se utiliza para modelar el caso en el que, si la distancia entre los cuerpos es muchas veces mayor que sus dimensiones, ni la forma ni las dimensiones de los cuerpos cargados influyen de modo notorio en la acción mutua entre ellos. En este caso, los cuerpos se pueden considerar como puntuales. Recordemos que la ley de atracción universal de Newton también fue enunciada para los cuerpos puntuales.

2. ¿Cómo se dedujo la ley de Coulomb?

Para el establecimiento de la ley de interacción entre cargas en reposo, Coulomb utilizó una balanza de torsión. Esta consta de una varilla de vidrio suspendida en una fina cuerda de elástico (figura 1). En un extremo de la varilla, está sujeta una esferita metálica a, y en el otro, un contrapeso c. Otra esferita metálica b está sujeta rígidamente en la tapa de la balanza.

Si a las esferitas se le comunican cargas de igual signo, empiezan a repelerse una a otra. Para mantenerlas a una distancia fija hay que torcer la cuerda elástica a cierto ángulo. Por el ángulo de torsión de la cuerda de elástico se determina la fuerza de interacción de las esferitas.

La balanza de torsión dio la posibilidad de estudiar la dependencia de la fuerza de interacción de las esferas cargadas con respecto a las cargas y la distancia entre ellas. En aquel tiempo, ya sabían medir la distancia y el tiempo. La única dificultad era ofrecida por la carga, ya que ni siquiera existía la unidad de medida. Coulomb halló el procedimiento sencillo para hacer 2, 4, etc. veces menor la carga de una de las esferitas, poniéndola en contacto con otra igual descargada. En estas condiciones, la carga se distribuye en partes iguales entre las esferitas y se consigue la disminución en una proporción conocida de la carga a investigar. El nuevo valor de la fuerza, correspondiente a la nueva carga, se determina experimentalmente.

Sin duda, el desarrollo de la electricidad y el magnetismo se deben a Michael Faraday, quien en 1831 descubrió la ley de la inducción electromagnética. Este hecho marcó un hito, no solamente para el desarrollo de la ciencia, sino para la sociedad, porque hoy se utiliza esta ley para la generación de energía eléctrica a gran escala en las centrales hidroeléctricas. Pero ¿qué es el campo eléctrico, introducido por Faraday? Para responder estas y otras preguntas que formules, lee con atención las siguientes preguntas y sus respuestas, a fin de que puedas construir tus propias explicaciones sobre electricidad.

Figura 1. Balanza de torsión

2 Bújovtsev, B. B.; Klimóntovich, Yu. L. y Miákishev, G. Ya. (1995). Física 3. Fundamentos de electrodinámica (traducción del ruso al español). Moscú: Mir.

ab c

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3. ¿Cómo se expresa matemáticamente la ley de Coulomb?

La fuerza de interacción en el vacío de dos cuerpos puntuales en reposo cargados es directamente proporcional al producto de los módulos de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. A esta fuerza se la denomina fuerza de Coulomb. Si los módulos de las cargas se designan por |q1| y |q2|, y la distancia entre ellas, por r, la ley de Coulomb se puede expresar de la siguiente manera:

F = k |q1||q2|

r2 (1)

Donde k es el coeficiente de proporcionalidad, numéricamente igual a la fuerza con que se interaccionan las cargas unitarias a una distancia igual a la unidad de longitud.

4. ¿Cuál es la unidad de carga eléctrica?

En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de carga no es fundamental, sino derivada, y no se introduce patrón de ella. En el SI, junto al metro, el segundo y el kilogramo, se ha introducido como unidad de intensidad de corriente al amperio. El valor patrón del amperio se establece por medio de las interacciones magnéticas de las corrientes.

La unidad de carga en el sistema internacional es el culombio y se establece valiéndose de la unidad intensidad de corriente. Un culombio (C) es la carga que pasa en un segundo por la sección transversal de un conductor cuando la intensidad de corriente es un amperio (A).

El coeficiente k de la ley de Coulomb, si esta se describe en unidades del SI, tiene la expresión N ∙ m2/C2. De acuerdo a la ecuación (1), despejando del valor de k, se tiene:

k = Fr2

|q1||q2| (2)

La fuerza se mide en newtons; la distancia en metros y la carga, en culombios. El valor numérico de este coeficiente se puede determinar empíricamente. Para ello, basta medir la fuerza con que interaccionan dos cargas conocidas, situadas a una distancia dada entre sí, y sustituir en la fórmula (2), F, r, |q1| y |q2|. Por sus valores, se obtiene el valor para k = 9 ∙ 109 N ∙ m2/C2.

5. ¿Qué es una corriente eléctrica?

Cuando hablamos sobre el uso de la energía eléctrica en la vida cotidiana, en la producción o en el transporte, se sobreentiende que nos referimos al trabajo realizado por la corriente eléctrica. Esta se suministra a los diversos aparatos desde las centrales eléctricas por cables. Por esta razón, cuando inesperadamente se apagan los focos de la casa o los trenes dejan de funcionar, se dice que en los cables desapareció la corriente eléctrica.3

Es natural que surjan preguntas como ¿qué es la corriente eléctrica?, ¿qué es lo imprescindible para que aparezca?, ¿qué es imprescindible para que exista durante el tiempo en que la necesitamos? La palabra “corriente” significa movimiento, desplazamiento o circulación de algo. En los ríos y cañerías, se desplaza el agua; en este caso, por ejemplo, se habla de corriente o flujo de agua. Y a fin de cuentas, ¿qué se desplaza o circula en los cables que unen los aparatos que consumen energía con la central eléctrica?

Es sabido que en los cuerpos hay electrones, con cuyo movimiento se explican diversos fenómenos de la electrización de los cuerpos. También sabemos que los electrones tienen carga negativa y que partículas más grandes, como los iones, poseen también cargas eléctricas. Por lo tanto, en los conductores pueden desplazarse diversas partículas cargadas.

Descubrimos la corriente eléctrica

3 Piórishkin, A. V. y Ródina, N. A. (1995). Física 1. Estructura de la materia. Electricidad (traducido del ruso al español). Moscú: Mir.

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Denominamos corriente eléctrica al movimiento ordenado de partículas cargadas. Para que en un conductor haya corriente eléctrica, en él hay que crear un campo eléctrico. Por acción de este campo, las partículas cargadas pueden desplazarse libremente por este conductor y se ponen en movimiento en la dirección de acción de las fuerzas eléctricas; de esta manera surge la corriente eléctrica.

6. ¿Cómo funcionan las fuentes de corriente?

Las fuentes de corriente pueden ser muy distintas, pero en cada una se realiza el trabajo para dividir las partículas cargadas, positivas y negativas. Las partículas divididas se acumulan en los polos de las fuentes de corriente; así son llamados los lugares a los que, con ayuda de bornes o sujetadores, se conectan los cables. Uno de los polos de la fuente de corriente tiene carga positiva, y el otro, negativa.

Entre los polos de la fuente se forma el campo eléctrico. Si los polos se unen con un cable, el campo eléctrico surgirá también en este cable. Bajo la acción de este campo, las partículas cargadas libres en el cable se pondrán en movimiento; de esta manera surgirá la corriente eléctrica.

7. ¿Cómo se transforman las distintas fuentes en energía eléctrica?

En las fuentes de corriente, durante el trabajo de dividir las partículas cargadas, ocurre la transformación de las distintas formas de energía en energía eléctrica. Por ejemplo, se puede transformar la energía mecánica, química, térmica o de cualquier otro tipo en energía eléctrica. Al iluminar ciertas sustancias, por ejemplo, el selenio, óxido cuproso o silicio, la energía luminosa se transforma directamente en energía eléctrica. Este fenómeno lleva el nombre de efecto fotoeléctrico. En este fenómeno se basa la estructura y el funcionamiento de las células fotoeléctricas (figura 2).

La transformación de la energía química en eléctrica tiene lugar en los elementos galvánicos y en los acumuladores, cuya estructura y funcionamiento veremos a continuación. El elemento galvánico más sencillo de Volta consta de placas de zinc y de cobre, sumergidas en una disolución acuosa de ácido sulfúrico (figura 3). Durante la reacción del zinc con el ácido, en el interior del elemento, se produce la división de las partículas con carga eléctrica. Con ello, la placa de zinc adquiere carga negativa y la de cobre, positiva. Entre las placas cargadas, llamadas electrodos, surge un campo eléctrico.

Si unimos con un cable las placas de zinc y de cobre del elemento, por toda su longitud comenzarán a moverse los electrones y en el circuito surge la corriente eléctrica. En la figura 3 vemos los polos del elemento unidos por intermedio de una bombilla eléctrica.

Descubrimos la corriente eléctrica

Figura 2. Efecto fotoeléctrico. La energía del Sol es convertida en energía fotoeléctrica.

Figura 3. Elemento galvánico

Zinc Cobre

Disolución en ácido sulfúrico

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8. ¿Qué es un circuito eléctrico y cuáles son sus componentes?

Con el fin de utilizar la energía de la corriente eléctrica, ante todo hay que tener una fuente eléctrica. Los electromotores, las bombillas, los infiernillos y toda clase de aparatos que funcionan con corriente eléctrica, reciben el nombre de receptores o consumidores de energía eléctrica. Esta energía debe ser transmitida al receptor. Para que esto ocurra, se lo debe unir con cables a la fuente de energía eléctrica.

Cuando es necesario conectar y desconectar los receptores de energía eléctrica, son empleados los interruptores. La fuente de corriente, los consumidores e interruptores, unidos entre sí con cables, son conductores, y en su conjunto forman el circuito eléctrico.

Para que en el circuito haya corriente, este debe estar cerrado, es decir, constar solo de conductores de electricidad. Si en cualquier lugar el cable se corta, o en su lugar se ubica un aislador, en el circuito cesará la corriente. Este es el principio de funcionamiento de los interruptores.

Los planos en los que se representan los procedimientos de unión de los aparatos eléctricos en los circuitos se denominan esquemas. En estos, los aparatos se designan con signos convencionales. Algunos de ellos se muestran en la figura 4. En la figura 5 está representado el esquema de un circuito eléctrico sencillo.

En la figura 4 se muestran las designaciones convencionales en los esquemas: 1 – elemento galvánico o bien acumulador, 2 – pila de elementos o acumuladores, 3 – unión de conductores, 4 – cruce de conductores (sin conexión), 5 – bornes para la conexión de un aparato, 6 – interruptor, 7 – bombilla eléctrica y 8 – timbre eléctrico.

9. ¿Cuál es el sentido de la corriente eléctrica?

Como ya sabemos, la corriente eléctrica es el movimiento ordenado de partículas cargadas por un conductor. En los conductores metálicos, la corriente eléctrica es el movimiento ordenado de electrones, partículas que poseen carga negativa. En las disoluciones de electrolitos, la corriente eléctrica está condicionada por el movimiento de los iones de ambos signos. ¿Qué tipo de partícula, según su carga, es la que se toma en cuenta en el sentido de la corriente eléctrica?

En la mayoría de los casos nos encontramos con la corriente eléctrica en los metales. Sería razonable tomar como sentido de la corriente el del movimiento de los electrones en el campo eléctrico, es decir, considerar que la corriente está dirigida del polo negativo al polo positivo de la fuente. No obstante, el problema del sentido de la corriente fue planteado cuando nada se sabía acerca de los electrones ni de los iones. En aquellos tiempos, suponían que en todos los conductores podían desplazarse tanto cargas eléctricas positivas como negativas. Por este motivo, convencionalmente, por sentido de la corriente se entiende aquel por el que se mueven o podrían moverse las cargas positivas a través del conductor, es decir, el sentido del polo positivo al polo negativo de la fuente de corriente. Aun hoy se considera de esta manera.

El contenido del presente documento tiene finalidad educativa y pedagógica, formando parte de la estrategia de educación a distancia y gratuita que imparte el Ministerio de Educación.

Descubrimos la corriente eléctrica

Figura 4.

Figura 5.

Figura 6.

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