miniatura| Los rayos son un ejemplo de fenómeno eléctrico natural. La electricidad (del griego ήλεκτρον élektron, cuyo significado es ‘ámbar’) es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y el flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética y el flujo de corriente eléctrica. Es una forma de energía tan versátil que tiene un sinnúmero de aplicaciones, como por ejemplo: transporte, climatización, iluminación e informática.
La electricidad se manifiesta mediante varios fenómenos y propiedades físicas: Carga eléctrica: una propiedad de algunas partículas subatómicas que determina su interacción electromagnética. La materia eléctricamente cargada produce y es influida por los campos electromagnéticos. Corriente eléctrica: el flujo de electrones que circula por un conductor en un determinado momento. Se mide en amperios. Campo eléctrico: un tipo de campo electromagnético producido por una carga eléctrica, incluso cuando no se está moviendo. El campo eléctrico produce una fuerza en toda otra carga, menor cuanto mayor sea la distancia que separa las dos cargas. Además, las cargas en movimiento producen campos magnéticos. Potencial eléctrico: es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para atraer una carga positiva unitaria que desde el punto de referencia hasta el punto considerado. Va en contra de la fuerza eléctrica y a velocidad constante. Magnetismo: la corriente eléctrica produce campos magnéticos y los campos magnéticos variables en el tiempo generan corriente eléctrica.
Historia
Usos
La electricidad se usa para generar: luz, mediante bombillas en lámparas y otros objetos lumínicos. Calor, aprovechando el efecto Joule. Movimiento, mediante motores que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Señales, mediante sistemas electrónicos, compuestos de circuitos eléctricos que incluyen componentes activos (tubos de vacío, transistores, diodos y circuitos integrados) y componentes pasivos como resistores, inductores y condensadores.
Conceptos
Carga eléctrica
miniatura|Interacciones entre cargas de igual y distinta naturaleza. Artículo principal: Carga eléctrica. Véanse también: Electrón, Protón e Ion. La carga eléctrica es una propiedad de la materia que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y de repulsión. La carga se origina en el átomo, que está compuesto de partículas subatómicas cargadas como el electrón (negativa) y el protón (positiva). La carga puede transferirse entre los cuerpos por contacto directo o al pasar por un material conductor, generalmente metálico. El término electricidad estática se refiere a la presencia de carga en un cuerpo, por lo general causado por dos materiales distintos que se frotan entre sí, lo que transfiere carga uno al otro.
La presencia de carga da lugar a la fuerza electromagnética: una carga ejerce una fuerza sobre las otras. Este efecto era conocido en la antigüedad, pero no comprendido. Una bola liviana suspendida de un hilo, podía cargarse al contacto con una barra de vidrio cargada previamente por fricción con un tejido. Se encontró que si una bola similar se cargaba con la misma barra de vidrio, se repelían entre sí. A finales del , Charles-Augustin de Coulomb investigó este fenómeno y dedujo que la carga se manifiesta de dos formas opuestas.Jackson, J. D.: Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons, Inc. 2ª edición. 1975. ISBN 978-0-471-43132-9:Este descubrimiento trajo el conocido axioma «objetos con la misma polaridad se repelen y con diferente polaridad se atraen».Coulomb, C.A.: «Construction et usage d'une balance electrique sur la propriete qu’ont les fils de metal, d’avoir une force de réaction de torsion proportionnelle a l'angle de torsion.» Mem. de l’acad. Sci. pp. 569 y 579. 1785.
La fuerza actúa en las partículas cargadas entre sí y, además, la carga tiene tendencia a extenderse sobre una superficie conductora. La magnitud de la fuerza electromagnética, ya sea atractiva o repulsiva, se expresa por la ley de Coulomb, que relaciona la fuerza con el producto de las cargas y tiene una relación inversa al cuadrado de la distancia entre ellas.«The repulsive force between two small spheres charged with the same type of electricity is inversely proportional to the square of the distance between the centres of the two spheres». Charles-Augustin de Coulomb, Histoire de l'Academie Royal des Sciences, Paris 1785. La fuerza electromagnética es muy fuerte, la segunda después de la interacción nuclear fuerte, con la diferencia que esa fuerza opera sobre todas las distancias. En comparación con la débil fuerza gravitacional, la fuerza electromagnética que aleja a dos electrones es 1042 veces más grande que la atracción gravitatoria que los une.
Una carga puede expresarse como positiva o negativa. Las cargas de los electrones y de los protones tienen signos contrarios. Por convención, la carga que tiene electrones se asume negativa y la de los protones, positiva, una costumbre que empezó con el trabajo de Benjamin Franklin. La cantidad de carga se representa por el símbolo Q y se expresa en culombios.. The Q originally stood for 'quantity of electricity', the term 'electricity' now more commonly expressed as 'charge'. Todos los electrones tienen la misma carga, que aproximadamente es de -1.6022×10−19 culombios. El protón tiene una carga igual pero de signo opuesto, +1.6022×10−19 culombios. La carga no solo está presente en la materia, sino también en la antimateria: cada antipartícula tiene una carga igual y opuesta a su correspondiente partícula.
La carga puede medirse de diferentes maneras. Un instrumento muy antiguo es el electroscopio, que aún se usa para demostraciones en las aulas, aunque está superado por el electrómetro electrónico.
Corriente eléctrica
izquierda|miniatura|Un arco eléctrico permite una demostración de la energía de la corriente eléctrica. Se conoce como corriente eléctrica al desplazamiento de cargas eléctricas por un conductor. La corriente puede estar producida por cualquier partícula cargada eléctricamente en movimiento. Lo más frecuente es que sean electrones, pero cualquier otra carga en movimiento se puede definir como corriente. Según el Sistema Internacional, la intensidad de una corriente eléctrica se mide en amperios, cuyo símbolo es A.
Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó como sentido convencional de circulación de la corriente el flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Más adelante se observó que, en los metales, los portadores de carga son electrones, con carga negativa, y que se desplazan en sentido contrario al convencional. Lo cierto es que, dependiendo de las condiciones, una corriente eléctrica puede consistir en un flujo de partículas cargadas en una dirección, o incluso simultáneamente en ambas direcciones. La convención positivo-negativo se usa normalmente para simplificar esta situación.
El proceso por el cual la corriente eléctrica circula por un material se llama conducción eléctrica. Su naturaleza varía, dependiendo de las partículas cargadas y el material por el cual están circulando. Ejemplos de corrientes eléctricas son la conducción metálica, donde los electrones recorren un conductor eléctrico, como un metal; y la electrólisis, donde los iones (átomos cargados) fluyen a través de líquidos. Mientras que las partículas pueden moverse muy despacio, algunas veces con una velocidad media de deriva de solo fracciones de milímetro por segundo, el campo eléctrico que las controla se propaga cercano a la velocidad de la luz, permitiendo que las señales eléctricas se transmitan rápidamente por los cables.
La corriente produce muchos efectos visibles, que han hecho que su presencia se reconozca a lo largo de la historia. En 1800, Nicholson y Carlisle descubrieron que el agua podía descomponerse por la corriente de una pila voltaica, en un proceso que se conoce como electrólisis. En 1833, Michael Faraday amplió este trabajo. En 1840, James Prescott Joule descubrió que la corriente a través de una resistencia eléctrica aumenta la temperatura, fenómeno que en la actualidad se denomina Efecto Joule.
Campo eléctrico
miniatura|Líneas de campo saliendo de una carga positiva hacia un conductor plano. El concepto de campo eléctrico fue introducido por Michael Faraday. Un campo eléctrico se crea por un cuerpo cargado en el espacio que lo rodea, y produce una fuerza que ejerce sobre otras cargas ubicadas en el campo. Un campo eléctrico actúa entre dos cargas de modo muy parecido al campo gravitatorio que actúa sobre dos masas. Como él, se extiende hasta el infinito y su valor es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Sin embargo, hay una diferencia importante: mientras la gravedad siempre actúa como atracción, el campo eléctrico puede producir atracción o repulsión. Si un cuerpo grande como un planeta no tiene carga neta, el campo eléctrico a una distancia determinada es cero. Por ello, la gravedad es la fuerza dominante en el universo, a pesar de ser mucho más débil.
Un campo eléctrico varía en el espacio, y su intensidad en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que percibiría una carga si estuviera ubicada en ese punto. La carga de prueba debe de ser insignificante, para evitar que su propio campo afecte el campo principal y también debe ser estacionaria para evitar el efecto de los campos magnéticos. Como el campo eléctrico se define en términos de fuerza, y una fuerza es un vector, entonces el campo eléctrico también es un vector, con magnitud y dirección. Específicamente, es un campo vectorial.
miniatura|El motor eléctrico aprovecha un efecto importante del electromagnetismo: una corriente a través de un campo magnético experimenta una fuerza en el mismo ángulo del campo y la corriente.
Potencial eléctrico
El concepto de potencial eléctrico tiene mucha relación con el de campo eléctrico. Una carga pequeña ubicada en un campo eléctrico experimenta una fuerza, y para llevar esa carga a ese punto en contra de la fuerza necesita hacer un trabajo. El potencial eléctrico en cualquier punto se define como la energía requerida para mover una carga de ensayo ubicada en el infinito a ese punto. Por lo general se mide en voltios, donde un voltio es el potencial que necesita un julio de trabajo para atraer una carga de un culombio desde el infinito. Esta definición formal de potencial tiene pocas aplicaciones prácticas. Un concepto más útil es el de diferencia de potencial, que se define como la energía requerida para mover una carga entre dos puntos específicos. El campo eléctrico tiene la propiedad especial de ser conservativo, es decir, que no importa la trayectoria realizada por la carga de prueba; todas las trayectorias entre dos puntos específicos consumen la misma energía, y además con un único valor de diferencia de potencial.
Electromagnetismo
Se denomina electromagnetismo a la teoría física que unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos. Sus fundamentos son obra de Faraday, pero fueron formulados por primera vez de modo completo por Maxwell, mediante cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales, conocidas como ecuaciones de Maxwell. Relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales: densidad de carga eléctrica, corriente eléctrica, desplazamiento eléctrico y corriente de desplazamiento.
A principios del , Ørsted encontró evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. A partir de esa base, en 1861 Maxwell unificó los trabajos de Ampère, Sturgeon, Henry, Ohm y Faraday, en un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno solo, el fenómeno electromagnético.