La electricidad –parte 1–

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Contenidos

La electricidad en nuestras vidasNada se pierde, todo se transformaElectrones en movimientoCorrentadas de energíaElectricidad y magnetismo van de la mano

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La electricidad en nuestras vidas

Confiamos en la electricidad las 24 hsLa electricidad se ha convertido en un socioconfiable en cada aspecto de nuestras vidas.Es un socio que está presente todo el tiempo,disponible siempre que lo necesitemos. Usa-mos la electricidad para prácticamente todo loque hacemos, ya sea en nuestro hogar o en eltrabajo, en el transporte o cuando vamos alcine. Incrementa nuestras habilidades, calientanuestros hogares e ilumina los espacios porlos que transitamos. Pero la electricidad hacetodavía algo más: nos ayuda a convertir ideasen realidades, modelando nuestro futuro. Yasea a través de microprocesadores, sistemascontrolados por computadora o telecomunica-ciones, las oportunidades abiertas por la ener-gía eléctrica son virtualmente infinitas. La elec-tricidad de EPEC apuesta al futuro y brinda laenergía para encarar nuevos desafíos cada día,allí y cuando la necesitemos.

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¿Qué es la energía?La energía se define como la capacidad dehacer un trabajo y de transferir calor. Y deci-mos que se realiza un trabajo cuando un obje-to o una sustancia se mueve una cierta distan-cia. La energía es también flujo de calor desdeun objeto o sustancia caliente hacia otra fría,cuando éstos son puestos en contacto. Un cla-ro ejemplo de esto es el agua que se calientacuando es introducida en una caldera. La energía tiene muchas formas: luz; calor;electricidad; energía química (almacenada enlos enlaces químicos) y energía mecánica(movimiento de la materia, por ejemplo, el flu-jo del agua o el viento).

Tipos de energíaToda forma de energía se divide en dos gran-des tipos. La primera clase de energía es laenergía cinética, la energía del movimiento yacción. El calor es energía cinética del total deátomos, iones o moléculas. Cuando estos com-puestos químicos estén en movimiento entra-rán en calor debido a la energía cinética. La segunda mayor forma de energía es la ener-gía potencial, energía que está almacenada ypotencialmente disponible para ser usada.Otras formas de energía son la termal, asocia-da con el calor; la eléctrica, debida al movi-miento de partículas cargadas, la química,basada en las uniones químicas entre átomosy la nuclear, basada en la inestabilidad de losnúcleos atómicos.Una forma de energía puede transformarse enotra; por ejemplo, una batería convierte energíaquímica en energía eléctrica, la cual puede serconvertida en energía termal. Similarmente, laenergía potencial es convertida en cinética apartir del movimiento del agua y la turbina deuna central, donde esta energía es transforma-da en electricidad por el generador.

Nada se pierde,todo se transforma

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Conservación de la energíaLa Primera Ley de la Termodinámica, a vecesconocida como la Ley de Conservación deEnergía, enuncia que la energía no puede sercreada ni destruida; sólo puede ser convertidade una forma a otra. Esta ley argumenta que latotalidad de la cantidad de energía presente enel universo es constante.

El británico James Prescott Joule fue uno delos primeros científicos en demostrar que unaforma de energía puede ser convertida enotras formas. A través de un famoso experi-mento (ver diagrama), Joule ayudó a descubrirque la energía se conserva durante su conver-sión a otras formas y que hay una relaciónexacta que gobierna la conversión de una for-ma de energía a otra.

Sin embargo, aunque la energía no se pierde,se degrada. Y a pesar de que algunas formasde energía se pueden transformar o aprove-char mejor, al final, tras sucesivas conversio-nes, la energía acaba en forma de calor. Estecalor es muy difícil de convertir en otras ener-gías, por lo menos con un rendimiento alto,por lo que muchas veces no se puede aprove-char y hay que desecharlo. Y a veces, hace faltaenergía extra para desecharlo.

Desde un punto de vista cotidiano, las máqui-nas y los procesos desarrollados por el hom-bre funcionan con un rendimiento menor al100%, lo que se traduce en "pérdidas de ener-gía" medido en términos económicos, sin queesto deba interpretarse como un no cumpli-miento del principio antes enunciado.

El experimento de Joule

A comienzos del siglo XIX la gente estaba inte-resada en mejorar la eficiencia de las máqui-nas de vapor y de los cañones. Un hecho evi-dente era que después de algunos disparos loscañones se recalentaban hasta tal punto quese volvían inservibles. Esto llevó a la observa-ción que debía existir una conexión entre lasfuerzas mecánicas y químicas involucradas enel disparo y el "calórico", como se llamaba alcalor en esa época.

Fue Joule quien estableció la relación precisaentre energía mecánica y calor. Para su experi-mento usó unas pesas que caían y tiraban deuna cuerda, que hacía girar unas paletassumergidas en un cubo de agua. Joule demos-tró que al caer las pesas que hacen rotar laspaletas, provocaban un aumento de la tempe-ratura del agua. Luego midió la cantidad deenergía absorbida por el agua registrando sutemperatura antes y después de que las pale-tas empezaran a moverse (la temperatura esuna manera de medir la energía provenientedel calor). De esta manera descubrió que elaumento en la temperatura del agua estabadirectamente relacionado con la cantidad deenergía mecánica liberada.

Diagrama de la demostración de Joule

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Electrones enmovimiento

La energía eléctrica en la materiaToda la materia está compuesta por átomos y éstos porpartículas más pequeñas, una de las cuales es el elec-trón. El núcleo del átomo, alrededor del cual giran loselectrones, está integrado por neutrones y protones. Loselectrones tienen una carga negativa, los protones unacarga positiva y los neutrones, como su nombre lo indi-ca, son neutros: carecen de carga positiva o negativa.Ahora bien, algunos tipos de materiales están compues-tos por átomos que pierden fácilmente sus electrones, yéstos pueden pasar de un átomo a otro. Esta capacidadhace que se los denomine conductores eléctricos.Otros elementos tienen sus electrones externos muyligados al núcleo y por lo tanto, no ceden electrones niaceptan la presencia de “allegados”. A estos materialesentre los que se encuentran la loza, el vidrio y los plásti-cos se los llama aisladores eléctricos.

En términos sencillos, la electricidad no es otra cosa queelectrones en movimiento. Así, cuando éstos se muevenentre los átomos de la materia, se crea una corrienteeléctrica. Es lo que sucede en los cables que llevan laelectricidad a nuestros hogares: a través de ellos vanpasando los electrones a altísimas velocidades.

Magnitudes eléctricasLa fuerza eléctrica o tensión que "empuja" los electroneses medida en Voltios (V), denominación que evoca alcientífico italiano Alejandro Volta, inventor de la primerapila eléctrica. En Argentina utilizamos energía eléctricade 220 voltios en nuestros hogares, pero en la industria yotras actividades se emplean, en ciertos casos, voltajessuperiores para mover maquinaria y grandes equipos.

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El vatio (W) es una unidad de potencia (cantidad de ener-gía que se consume por unidad de tiempo). Para efectosprácticos, en nuestra factura de consumo de energíaeléctrica se nos cobra por la cantidad de kilovatios-hora(kWh) que hayamos consumido durante un periododeterminado (generalmente, dos meses). Por eso, laslamparitas que compramos en el súper tienen impresosdos valores que nos indican sus características: 220 V,que indica la tensión de trabajo de la lamparita; y 60 W,que indica la potencia que desarrolla.

Como vimos al estudiar el átomo, los protones y electro-nes tienen una propiedad que llamamos carga y a dichacarga en movimiento la llamamos corriente eléctrica. Lacarga se mide en coulombios y la corriente en amperios.

La resistencia de los materiales a conducir la corrienteeléctrica se mide en ohmios. En un sistema eléctricodado, los elementos más importantes son los receptores,que son resistencias reguladoras de corriente y cumplentareas tan beneficiosas como emitir luz (velador), calor(estufa), o efectuar un movimiento que se traduce en untrabajo mecánico (ascensor). Voltios y ohmios están relacionados del siguiente modo:por una resistencia de un ohmio circulará un amperio sise le aplica un voltio.

Recordemos que "kilo" significa mil, por lo que un kilova-tio-hora equivale a mil vatios-hora. En los campos de lageneración y consumo de electricidad, se utilizan losmegavatios (MW), equivalentes a millones de vatios; losgigavatios (GW), miles de millones; y los teravatios (TW),billones de vatios.

Magnitudes eléctricas

Carga eléctrica: cantidad de electro-nes almacenada en un cuerpo o quecirculan por un conductor. Se mideen Culombios (C).

Intensidad eléctrica: nos indica lacarga que atraviesa la sección de unconductor cada segundo. Se mide enAmperios (A).

Tensión eléctrica: indica la fuerza que"empuja" los electrones. Se mide enVoltios (V).

Potencia eléctrica: cantidad de traba-jo que puede desarrollar una máqui-na por unidad de tiempo. Se mide envatios (W).

Resistencia eléctrica: es la mayor omenor oposición de los materiales aconducir la corriente eléctrica. Semide en ohmios (Ω).

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Correntadas de energía eléctrica

Presión y resistenciaComo vimos, desde el punto de vista materialuna corriente eléctrica es un traslado de elec-trones a lo largo de un conductor. Podemosasimilar los electrones que recorren el cable alagua que fluye por un caño. Así como es nece-sario que haya una diferencia de presión paraque el agua se ponga en movimiento, igual-mente debe haber una diferencia de potencial(que se mide en voltios) para que haya corrien-te eléctrica. En el caso de la circulación dellíquido, el caño le ofrece cierta resistenciasegún su diámetro y otros factores. Presión yresistencia determinan el caudal, que dependede ambos a la vez. La corriente eléctrica essemejante. Su intensidad depende de la dife-rencia de presión eléctrica (voltaje) y de laresistencia del circuito que recorre.

Básicamente, esta resistencia depende de lamayor o menor firmeza con que los electronesestán unidos a los átomos. En un buen con-ductor, como el cobre, algunos electronesestán casi libres y la resistencia es baja. Peroen un mal conductor, como el caucho, los elec-trones están firmemente unidos y la resisten-cia es elevada. Aparte de este factor básico, laresistencia de un conductor aumenta con sulongitud y disminuye con su espesor, como enlas cañerías para el agua.

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No hay "tanques" de electricidadUno de los grandes problemas de la electrici-dad es que, a diferencia del agua, no puedealmacenarse sino que debe ser transmitida yutilizada en el mismo momento en que segenera. No hay ninguna dificultad en almace-nar electrones – los hay en cada uno de losincontables átomos del mundo – pero no noses posible almacenar una corriente de ellos enescala industrial. Este problema no queda re-suelto con el uso de acumuladores o baterías,como las que utilizan los coches y los sistemasfotovoltaicos, pues sólo son capaces de con-servar cantidades pequeñas de energía y pormuy poco tiempo. Pero, si bien no podemosacopiar económicamente la corriente eléctrica,podemos almacenar energía potencial. Unejemplo típico de reserva energética es el delas represas hidroeléctricas. Se llega, como enel caso de nuestra central Río Grande, a bom-bear eléctricamente agua a gran altura en lashoras de menor consumo, con el propósito deutilizar este excedente cuando la demanda esmayor. En tales casos, las inevitables pérdidasresultan ampliamente compensadas con elaumento de efectividad.

Un producto del momentoDebido a que no puede almacenarse, la electri-cidad debe ser generada en el mismo momen-to que el cliente lo requiere. Las fluctuacionesdiarias en la demanda, por lo tanto, hacennecesaria una interacción delicadamentebalanceada entre una gama diversa de centra-les eléctricas, diseñadas para la carga básica,la media o el pico. EPEC funciona en las tresgamas de la carga, asegurando así la provisióndel servicio. Cada mañana, nuestras centralesentregan la energía requerida cuando millonesde máquinas, de computadoras, y de otrasaplicaciones eléctricas se accionan. En ciertosmomentos del día necesitamos resolver rápi-damente picos de demanda - por ejemplo, alcomenzar el día laboral, cuando las máquinasse encienden en miles de oficinas y talleres, oal anochecer, cuando se encienden las luces.

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Los fenómenos eléctricos y magnéticos co-menzaron a estudiarse a finales del siglo XVIII,cuando en 1785 el físico francés Charles deCoulomb confirmó que la fuerza de atracción ode repulsión eléctrica es directamente propor-cional al producto de las masas e inversamen-te proporcional al cuadrado de la distancia quelas separa. Esto fue conocido como la Ley deCoulomb. Sin embargo, fueron los matemáti-cos Simeón Denis Poisson y Carl FriedrichGauss quienes llegaron a la conclusión de quedos partículas con cargas opuestas se atraen,acelerándose una hacia la otra.

De aquí nace la teoría clásica de un circuitosimple (trayecto o ruta de una corriente eléctri-ca), que postula que los dos polos de una pilatienen cargas opuestas (positiva y negativa).Cuando estos polos se conectan mediante unconductor las partículas negativas son atraídaspor el polo positivo, calentando el conductor.Esto ocurre porque este último opone resisten-cia al movimiento. Cuando las partículas lleganal polo positivo, se ven obligadas a desplazar-

Electricidad y magnetismo van de la mano

se dentro de la pila hasta el polo negativo, encontra de las fuerzas que se oponen a esto(Ley de Coulomb).

De este modo, los conceptos básicos del mag-netismo aparecieron a comienzos del sigloXVII, desarrollados ampliamente por Coulomb.Pero la relación entre magnetismo y electrici-dad se estableció sólo con los experimentosrealizados por el físico y químico danés HansChristian Oersted, quien descubrió (en 1819)que un cable conductor por el que fluye unacorriente eléctrica es capaz de desviar una agu-ja magnética situada en sus proximidades.Este mismo principio permite la existencia deespectáculos tan maravillosos como el de lasauroras boreales (ver foto).

Por este motivo, la energía eléctrica tambiénse define como una combinación de dos cosas:campos magnéticos y campos electrostáticos. Debido a esto, la energía eléctrica a veces esdenominada energía electromagnética, energíaEM o vibraciones electromagnéticas.

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