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El ser humano tiene una relación íntima con la electricidad, hasta el punto de que es prácticamente imposible separar tu vida de ella. Claro, puedes huir del mundo de las líneas eléctricas entrecruzadas y vivir tu vida completamente fuera de la red, pero incluso en los rincones más solitarios del mundo, la electricidad existe. Si no ilumina las nubes de tormenta sobre nuestras cabezas o crepita en una chispa estática al alcance de tus dedos, entonces se mueve a través del sistema nervioso humano, animando la voluntad del cerebro en cada movimiento, respiración y latido irreflexivo del corazón.
Cuando la misma fuerza misteriosa energiza el contacto de un ser querido, un rayo y una parrilla George Foreman, se produce una curiosa dualidad: damos por sentada la electricidad un segundo y nos quedamos boquiabiertos ante su poder al siguiente. Han pasado más de dos siglos y medio desde que Benjamin Franklin y otros demostraron que los rayos eran una forma de electricidad, pero todavía es difícil no estremecerse cuando un destello particularmente violento ilumina el horizonte. Por otro lado, nadie se vuelve poético con el cargador de un teléfono celular.
La electricidad alimenta nuestro mundo y nuestros cuerpos. Aprovechar su energía es tanto el dominio de la hechicería imaginada como la rutinaria vida cotidiana, desde el Emperador Palpatine brindando por Luke Skywalker hasta el simple acto de expulsar el disco de «Star Wars» de tu PC. A pesar de nuestra familiaridad con sus efectos, muchas personas no entienden exactamente qué es la electricidad: una forma ubicua de energía resultante del movimiento de partículas cargadas, como los electrones. Cuando te preguntan, incluso el aclamado inventor Thomas Edison simplemente lo definió como «un modo de movimiento» y «un sistema de vibraciones».
En este artículo, intentaremos darte una respuesta menos resbaladiza. Iluminaremos qué es la electricidad, de dónde viene y cómo los humanos la someten a su voluntad.
En nuestra primera parada, viajaremos a Grecia, donde los antiguos curiosos se preguntaban sobre el mismo fenómeno que te golpea cuando tocas un objeto metálico después de arrastrar los pies sobre la alfombra en un día frío y seco.
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Electrostática y ley de Coulomb
Aunque no lo entendían del todo, los antiguos sabían sobre la electricidad. Tales de Mileto, un filósofo griego conocido como uno de los legendarios Siete Sabios, pudo haber sido el primer ser humano en estudiar la electricidad, alrededor del año 600 a. C. Al frotar ámbar (resina de árbol fosilizada) con piel, pudo atraer polvo, plumas y otros objetos ligeros. Estos fueron los primeros experimentos con electrostática, el estudio de cargas eléctricas estacionarias o electricidad estática. De hecho, la palabra electricidad proviene del griego «elektron», que significa ámbar.
Los experimentos no continuarían hasta el siglo XVII. Fue entonces cuando William Gilbert, un médico y científico aficionado inglés, comenzó a estudiar el magnetismo y la electricidad estática. Repitió la investigación de Tales de Mileto, frotando objetos y cargándolos por fricción. Cuando un objeto atraía o repelía a otro, acuñó el término «eléctrico» para describir las fuerzas en acción. Dijo que estas fuerzas se desarrollaron porque la acción de frotamiento eliminó un fluido o «humor» de uno de los objetos, dejando un «efluvio» o atmósfera a su alrededor.
Este concepto (que la electricidad existía como un fluido) persistió hasta el siglo XVIII. En 1729, el científico inglés Stephen Gray observó que ciertos materiales, como la seda, no conducían la electricidad. Su explicación fue que el misterioso fluido descrito por Gilbert podría viajar a través de objetos o verse impedido de viajar. Los científicos incluso construyeron frascos para contener este líquido y estudiar sus efectos. Los fabricantes de instrumentos holandeses Ewald von Kleist y Pieter van Musschenbroek crearon lo que hoy se conoce como jarra de Leyden, un frasco de vidrio que contenía agua y un clavo que podía almacenar una carga eléctrica. La primera vez que Musschenbroek usó el frasco, recibió un shock enorme.
A finales del siglo XVIII, la comunidad científica comenzaba a tener una idea más clara de cómo funcionaba la electricidad. Benjamin Franklin realizó su famoso experimento con cometas en 1752, demostrando que los rayos eran de naturaleza eléctrica. También presentó la idea de que la electricidad tenía elementos positivos y negativos y que el flujo era de positivo a negativo.
Aproximadamente 30 años después, un científico francés llamado Charles Augustin de Coulomb realizó varios experimentos para determinar las variables que afectan una fuerza eléctrica. Su trabajo dio como resultado la ley de Coulomb, que establece que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, con una fuerza proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.
La ley de Coulomb hizo posible calcular la fuerza electrostática entre dos objetos cargados, pero no reveló la naturaleza fundamental de esas cargas. ¿Cuál fue la fuente de las cargas positivas y negativas? Como veremos en la siguiente sección, los científicos pudieron responder esa pregunta en el siglo XIX.
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Electricidad y estructura atómica
Hacia finales del siglo XIX, la ciencia avanzaba a un ritmo impresionante. Los automóviles y los aviones estaban a punto de cambiar la forma en que se movía el mundo, y la energía eléctrica iba llegando cada vez a más hogares. Sin embargo, incluso los científicos de la época todavía veían la electricidad como algo vagamente místico. No fue hasta 1897 que los científicos descubrieron la existencia de los electrones, y aquí es donde comienza la era moderna de la electricidad.
La materia, como probablemente sabrás, está compuesta de átomos. Si rompes algo en pedazos lo suficientemente pequeños, obtendrás un núcleo orbitado por uno o más electrones, cada uno con una carga negativa. En muchos materiales, los electrones están estrechamente unidos a los átomos. Madera, vidrio, plástico, cerámica, aire, algodón: todos estos son ejemplos de materiales en los que los electrones se adhieren a sus átomos. Debido a que estos átomos son tan reacios a compartir electrones, estos materiales no pueden conducir la electricidad muy bien, en todo caso. Estos materiales son aislantes eléctricos.
La mayoría de los metales, sin embargo, tienen electrones que pueden desprenderse de sus átomos y moverse. Estos se llaman electrones libres. Los electrones sueltos facilitan que la electricidad fluya a través de estos materiales, por eso se les conoce como conductores eléctricos. Conducen electricidad. Los electrones en movimiento transmiten energía eléctrica de un punto a otro.
A algunos de nosotros en HowStuffWorks.com nos gusta pensar en los átomos como perros domésticos y en los electrones como un caso de pulgas. Los perros que vivieran dentro o dentro de un área cercada, manteniendo así contenidas a esas molestas pulgas, serían el equivalente a un aislante eléctrico. Los perros callejeros que deambulan libremente, sin embargo, serían conductores eléctricos. Si tuvieras un vecindario de pugs mimados en el interior y un vecindario de basset hounds sin cercas corriendo salvajemente, ¿qué grupo crees que podría propagar un brote de pulgas más rápido?
Entonces, la electricidad necesita un conductor para poder moverse. También tiene que haber algo que haga que la electricidad fluya de un punto a otro a través del conductor. Una forma de hacer fluir la electricidad es utilizar un generador.
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Generadores
Si alguna vez has movido clips con un imán o has matado el tiempo colocando virutas de metal en la barba de un juguete «Wooly Willy», entonces has incursionado en los principios básicos detrás de incluso los generadores eléctricos más complicados. El campo magnético responsable de alinear todos esos pequeños trozos de metal en un corte de pelo Mohawk adecuado se debe al movimiento de los electrones. Mueve un imán hacia un clip y obligarás a los electrones del clip a moverse. De manera similar, si permite que los electrones se muevan a través de un cable metálico, se formará un campo magnético alrededor del cable.
Gracias a Wooly Willy, podemos comprobar que existe un vínculo definitivo entre los fenómenos de la electricidad y el magnetismo. Un generador es simplemente un dispositivo que mueve un imán cerca de un cable para crear un flujo constante de electrones. La acción que fuerza este movimiento varía mucho, desde manivelas y máquinas de vapor hasta la fisión nuclear, pero el principio sigue siendo el mismo.
Una forma sencilla de pensar en un generador es imaginarlo actuando como una bomba que empuja agua a través de una tubería. Sólo que en lugar de empujar agua, un generador utiliza un imán para empujar electrones. Esta es una ligera simplificación excesiva, pero ofrece una imagen útil de las propiedades que funcionan en un generador. Una bomba de agua mueve una cierta cantidad de moléculas de agua y les aplica una cierta cantidad de presión. De la misma manera, el imán de un generador empuja un cierto número de electrones y aplica una cierta cantidad de «presión» a los electrones.
En un circuito eléctrico, la cantidad de electrones en movimiento se llama amperaje o corriente y se mide en amperios. La «presión» que empuja a los electrones se llama voltaje y se mide en voltios. Por ejemplo, un generador que gira a 1000 rotaciones por minuto podría producir 1 amperio a 6 voltios. 1 amperio es el número de electrones en movimiento (1 amperio significa físicamente que 6,24 x 10 18 electrones se mueven a través de un cable cada segundo), y el voltaje es la cantidad de presión detrás de esos electrones.
Los generadores forman el corazón de una central eléctrica moderna. En la siguiente sección, veremos cómo funciona una de estas estaciones.
Fabricación de electricidad
En el generador de Michael Faraday, las bobinas de alambre de cobre que giran entre los polos de un imán producen una corriente constante de electricidad. Una forma de girar el disco es accionarlo a mano, pero esta no es una forma práctica de producir electricidad. Otra opción es conectar el eje del generador a una turbina y luego dejar que alguna otra fuente de energía alimente la turbina. La caída de agua es una de esas fuentes de energía y, de hecho, la primera planta importante jamás construida aprovechó la enorme energía cinética entregada por las Cataratas del Niágara.
George Westinghouse abrió esa planta en 1895, pero los principios de su funcionamiento no han cambiado mucho desde entonces. Primero, los ingenieros construyen una presa a través de un río para crear un depósito de agua almacenada. Colocan una toma de agua cerca de la parte inferior de la pared de la presa, lo que permite que el agua fluya desde el depósito y a través de un canal estrecho llamado tubería de presión. La turbina — imagina una hélice enorme — se encuentra al final de la tubería de presión. El eje de la turbina sube al generador.
Cuando el agua se mueve a través de la turbina, gira, girando el eje y, a su vez, girando las bobinas de cobre del generador. A medida que las bobinas de cobre giran dentro de los imanes, se produce electricidad. Las líneas eléctricas conectadas al generador llevan electricidad desde la planta de energía a hogares y negocios. La planta de Westinghouse en las Cataratas del Niágara pudo transportar electricidad a más de 200 millas (322 kilómetros).
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No todas las centrales eléctricas dependen de la caída del agua. Muchos aprovechan el vapor, que actúa como un fluido y, por lo tanto, puede transferir energía a una turbina y, en última instancia, a un generador. La forma más popular de hacer vapor es calentar agua quemando carbón. También es posible utilizar reacciones nucleares controladas para convertir el agua en vapor.
Puede leer sobre los diversos tipos de centrales eléctricas en Cómo funcionan las centrales hidroeléctricas, Cómo funciona la energía eólica y Cómo funciona la energía nuclear. Solo tenga en cuenta que todos funcionan con el mismo principio básico de convertir la energía mecánica, la turbina giratoria, en energía eléctrica.
Por supuesto, utilizar un generador para generar electricidad es sólo el comienzo. Una vez que los electrones se muevan, necesitarás un circuito eléctrico para hacer cualquier cosa con ellos. Descubre por qué a continuación.
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Circuitos eléctricos
Cuando cargas una batería en un dispositivo electrónico, no estás simplemente liberando la electricidad y enviándola a realizar una tarea. Los electrones cargados negativamente desean viajar a la parte positiva de la batería, y si tienen que acelerar tu afeitadora eléctrica personal en el camino para llegar allí, lo harán. En un nivel muy simple, es muy parecido al agua que fluye por un arroyo y se ve obligada a girar una rueda hidráulica para llegar del punto A al punto B.
Ya sea que estés utilizando una batería, una celda de combustible o una celda solar para producir electricidad, tres cosas siempre son iguales:
- La fuente de electricidad debe tener dos terminales: un terminal positivo y un terminal negativo.
- La fuente de electricidad (ya sea un generador, una batería u otra cosa) querrá expulsar electrones de su terminal negativo a un voltaje determinado. Por ejemplo, una batería AA normalmente quiere expulsar electrones a 1,5 voltios.
- Los electrones deberán fluir desde el terminal negativo al terminal positivo a través de un cable de cobre o algún otro conductor. Cuando hay un camino que va del terminal negativo al positivo, tienes un circuito y los electrones pueden fluir a través del cable.
Puedes conectar cualquier tipo de carga, como una bombilla o un motor, en el medio del circuito. La fuente de electricidad alimentará la carga, y la carga realizará cualquier tarea para la que esté diseñada, desde hacer girar un eje hasta generar luz.
Los circuitos eléctricos pueden volverse bastante complejos, pero básicamente siempre tienes la fuente de electricidad (como una batería), una carga y dos cables para transportar electricidad entre los dos. Los electrones se mueven desde la fuente, a través de la carga y de regreso a la fuente.
Los electrones en movimiento tienen energía. A medida que los electrones se mueven de un punto a otro, pueden realizar un trabajo. En una bombilla incandescente, por ejemplo, la energía de los electrones se utiliza para crear calor y el calor, a su vez, crea luz. En un motor eléctrico, la energía de los electrones crea un campo magnético, y este campo puede interactuar con otros imanes (mediante atracción y repulsión magnética) para crear movimiento.
Debido a que los motores son tan importantes para las actividades cotidianas y debido a que son, en esencia, un generador que funciona a la inversa, los examinaremos más de cerca en la siguiente sección.
Motor eléctrico
Como ya hemos comentado, un generador convierte la energía mecánica en electricidad. Un motor funciona según los mismos principios, pero en la dirección opuesta: convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Para hacer esto, un motor necesita un tipo especial de imán conocido como electroimán.
En su forma más simple, consiste en una barra de hierro envuelta en una bobina de alambre. Si se pasa una corriente eléctrica a través del cable, se forma un campo magnético en la barra de hierro y se convierte en un imán, con polos norte y sur definidos. Apagas la corriente y las propiedades magnéticas desaparecen.
Por sí solos, los electroimanes son cosas útiles. Puedes usarlos para recoger objetos metálicos, transportarlos a algún lugar y luego dejarlos caer simplemente apagando la alimentación. Por ejemplo, los techadores los utilizan para recoger clavos que han caído por accidente en el jardín de una casa. Y los depósitos de demolición tienen grúas con electroimanes incorporados lo suficientemente fuertes como para levantar y mover vagones enteros.
Los electroimanes son especialmente útiles cuando se colocan en un eje entre dos imanes estacionarios. Si el polo sur del electroimán está situado contra el polo sur de un imán estacionario y su polo norte contra el polo norte del otro imán estacionario, el electroimán girará hasta que los polos opuestos se alineen. Esto no sería muy útil, excepto que la polaridad de los electroimanes depende de la dirección del flujo de corriente. Pase la corriente eléctrica en una dirección y el polo norte del imán quedará en un lado; invierta el flujo actual y el polo norte estará en el lado opuesto.
En motores, un dispositivo conocido como conmutador invierte la dirección del flujo de corriente eléctrica. A medida que los polos del electroimán se mueven hacia adelante y hacia atrás, el imán puede girar sin interrupción. Por supuesto, esta es una breve explicación, por lo que es posible que desees leer Cómo funcionan los motores eléctricos para conocer todos los detalles.
Resulta que la energía mecánica creada en un motor eléctrico se puede aprovechar en una variedad de máquinas. Muchas herramientas en tu garaje, electrodomésticos en tu casa y juguetes con los que juegan los niños dependen de motores. Algunos de estos motores requieren una gran corriente para funcionar. Otros, como los pequeños motores de CC utilizados en robots y modelos, necesitan muy poco voltaje o corriente para funcionar de manera eficiente. Continuaremos nuestra conversación sobre voltaje y corriente en la siguiente sección.
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Voltaje, Corriente y Resistencia
Como se mencionó anteriormente, la cantidad de electrones en movimiento en un circuito se llama corriente y se mide en amperios. La «presión» que empuja a los electrones se llama voltaje y se mide en voltios. Si vives en Estados Unidos, los tomacorrientes en la pared de tu casa o departamento entregan 120 voltios cada uno.
Si conoces los amperios y voltios involucrados, puedes determinar la cantidad de electricidad consumida, que normalmente medimos en vatios-hora o kilovatios-hora. Imagina que conectas un calentador a un tomacorriente de pared. Mides la cantidad de corriente que fluye desde el tomacorriente de la pared hasta el calentador y el resultado es 10 amperios. Eso significa que es un calentador de 1.200 vatios. Si multiplicas los voltios por los amperios, obtienes la potencia. En este caso, 120 voltios multiplicados por 10 amperios equivalen a 1200 vatios. Esto es válido para cualquier aparato eléctrico. Si enchufas una luz y consume medio amperio, es una bombilla de 60 vatios.
Digamos que enciendes el calentador y luego miras el medidor de energía afuera. El propósito del medidor es medir la cantidad de electricidad que fluye hacia tu casa para que la compañía eléctrica pueda facturarte. Supongamos (sabemos que es poco probable) que no hay nada más en la casa encendido, por lo que el medidor solo mide la electricidad utilizada por el calentador.
Tu calentador utiliza 1,2 kilovatios (1200 vatios). Si dejas el calentador encendido durante una hora, utilizarás 1,2 kilovatios-hora de energía. Si tu compañía eléctrica te cobra 10 centavos por kilovatio-hora, entonces te cobrará 12 centavos por cada hora que dejes encendido tu calentador.
Ahora agreguemos un factor más a la corriente y al voltaje: la resistencia, que se mide en ohmios. Podemos ampliar la analogía del agua para comprender también la resistencia. El voltaje es equivalente a la presión del agua, la corriente es equivalente al caudal y la resistencia es como el tamaño de la tubería.
Una ecuación básica de ingeniería eléctrica llamada ley de Ohm explica cómo se relacionan los tres términos. La corriente es igual al voltaje dividido por la resistencia. Está escrito así:
I = V/R
donde I representa la corriente (medida en amperios), V es el voltaje (medido en voltios) y R simboliza la resistencia (medida en ohmios).
Digamos que tienes un tanque de agua a presión conectado a una manguera que estás usando para regar el jardín. Si aumentas la presión en el tanque, sale más agua por la manguera, ¿verdad? Lo mismo ocurre con un sistema eléctrico: aumentar el voltaje dará como resultado un mayor flujo de corriente.
Ahora digamos que aumenta el diámetro de la manguera y de todos los accesorios del tanque. Este ajuste también haría que saliera más agua de la manguera. Esto es como disminuir la resistencia en un sistema eléctrico, lo que aumenta el flujo de corriente.
Cuando miras una bombilla incandescente normal, puedes ver esta analogía del agua en acción. El filamento de una bombilla es un alambre extremadamente delgado. Este alambre delgado resiste el flujo de electrones. Puedes calcular la resistencia del cable con la ecuación de resistencia.
Digamos que tienes una bombilla de 120 vatios conectada a un enchufe de pared. El voltaje es de 120 voltios y por una bombilla de 120 vatios fluye 1 amperio. Puedes calcular la resistencia del filamento reordenando la ecuación:
R = V/I
Entonces la resistencia es de 120 ohmios.
Más allá de estos conceptos eléctricos básicos, existe una distinción práctica entre las dos variedades de corriente. Parte de la corriente es directa y otra parte es alterna, y ésta es una distinción muy importante.
Corriente continua vs corriente alterna
Las baterías, las pilas de combustible y las células solares producen algo llamado corriente continua (CC). Los terminales positivo y negativo de una batería son siempre, respectivamente, positivo y negativo. La corriente siempre fluye en la misma dirección entre esos dos terminales.
La energía que proviene de una central eléctrica, por otro lado, se llama corriente alterna (CA). La dirección de la corriente se invierte o alterna 60 veces por segundo (en EE. UU.) o 50 veces por segundo (en Europa, por ejemplo). La energía disponible en un enchufe de pared en los Estados Unidos es de 120 voltios y 60 ciclos de CA.
La gran ventaja que proporciona la corriente alterna a la red eléctrica es el hecho de que es relativamente fácil cambiar el voltaje de la energía, utilizando un dispositivo llamado transformador. Las compañías eléctricas ahorran una gran cantidad de dinero de esta manera, utilizando voltajes muy altos para transmitir energía a largas distancias.
¿Cómo funciona esto? Bueno, digamos que tienes una central eléctrica que puede producir 1 millón de vatios de potencia. Una forma de transmitir esa potencia sería enviar 1 millón de amperios a 1 voltio. Otra forma de transmitirlo sería enviar 1 amperio a 1 millón de voltios. Enviar 1 amperio requiere solo un cable delgado y no se pierde gran parte de la energía en calor durante la transmisión. Enviar 1 millón de amperios requeriría un cable enorme.
Entonces, las compañías eléctricas convierten la corriente alterna a voltajes muy altos para la transmisión (como 1 millón de voltios), luego la reducen a voltajes más bajos para la distribución (como 1000 voltios) y finalmente la bajan a 120 voltios dentro de la casa por seguridad. Como se puede imaginar, es mucho más difícil matar a alguien con 120 voltios que con 1 millón de voltios (y la mayoría de las muertes eléctricas se evitan por completo hoy en día utilizando enchufes GFCI).
Tierra eléctrica
Cuando surge el tema de la electricidad, a menudo se oye hablar de conexión a tierra eléctrica, o simplemente tierra. Por ejemplo, un generador eléctrico dirá: «Asegúrate de conectarlo a tierra antes de usarlo», o un electrodoméstico podría advertir: «No lo uses sin una conexión a tierra adecuada».
Resulta que la compañía eléctrica utiliza la Tierra como uno de los cables del sistema eléctrico. El planeta es un buen conductor y es enorme, por lo que constituye un camino de retorno útil para los electrones. La «tierra» en la red de distribución de energía es literalmente la tierra que está a tu alrededor cuando caminas afuera. Es la tierra, las rocas, el agua subterránea, etc.
Si observas un poste de servicios públicos, probablemente podrás ver un cable pelado que baja por el costado del poste. Esto conecta el cable de tierra de la antena directamente a tierra. Todos los postes de electricidad del planeta tienen un cable desnudo como este.
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Si alguna vez observas a la compañía eléctrica instalar un poste nuevo, verás que el extremo de ese cable desnudo está grapado en una bobina a la base del poste. Esa bobina está en contacto directo con la tierra una vez instalado el poste y está enterrada de 2 a 3 metros (6 a 10 pies) bajo tierra. Si examinas un poste con atención, verás que el cable de tierra que corre entre los postes está conectado a esta conexión directa a tierra.
De manera similar, cerca del medidor de energía de tu casa o departamento hay una varilla de cobre de 6 pies (2 metros) de largo clavada en el suelo. A esta varilla se conectan los enchufes de tierra y todos los enchufes neutros de cada tomacorriente de tu casa.