Nociones de electricidad aplicada

MANUAL BÁSICO DE TECNOLOGÍA AUDIOVISUAL Antonio Cuevas antoniocuevas@gmail.com

Tema 38

NOCIONES DE ELECTRICIDAD APLICADA A LA CINEMATOGRAFÍA 38.1

Breve historia de la electricidad

38.2

Nociones de electricidad 38.2.1 El electrón 38.2.2 Conductores y aislantes 38.2.3 Circuito eléctrico 38.2.4 Leyes básicas 38.2.4.1 Ley de Ohm 38.2.4.2 Cálculo de la potencia 38.2.4.3 Sobretensión y sobreintensidad

38.3

Corriente alterna y corriente continua

38.4

Apéndice

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BREVE HISTORIA DE LA ELECTRICIDAD Los fenómenos eléctricos en la naturaleza son conocidos desde la antigüedad, aunque no fue hasta aproximadamente el año 600 antes de Cristo cuando Tales de Mileto <1> comprobó las propiedades eléctricas del ámbar, resina fósil que los fenicios traían de las costas del Báltico y que los antiguos llamaban “lágrimas de las hijas del Sol”.

Esta resina, al ser frotada con una pieza de lana era capaz de atraer pequeños objetos como plumas, hilos y cabellos. Fue en este momento cuando comenzó el estudio racional de estas curiosas propiedades, apartándose de las explicaciones que hasta el momento ligaban cualquier proceso de la Naturaleza con causas sobrenaturales como podían ser la ira o la venganza de los Dioses hacia los hombres.

Teofrasto

Tales de Mileto

El filósofo griego Teofrasto (374-287 a.C.) descubrió la misma propiedad en cierta “piedra de lince” y fue el primero que, en un tratado escrito tres siglos después de Tales, estableció que otras sustancias tienen este mismo poder, en lo que se considera el primer estudio científico sobre el fenómeno de la electricidad. En general, los antiguos atribuyeron la propiedad del ámbar a una fuerza oculta, Platón la atribuía a una “aspiración” y Plutarco creía que el frotamiento destapa los poros del ámbar, provocando así una circulación del aire.

William Gilbert (Guilielmi Gilberti en latín)

Al físico y médico real William Gilbert (1544-1603) <2> le encomendó su reina, Isabel I de Inglaterra, el estudio de los imanes para mejorar la exactitud de las brújulas utilizadas para la navegación. A William Gilbert se le atribuye el descubrimiento de la electricidad siendo el primero en aplicar el término “eléctrico” derivado del griego elektron que significa ámbar, en los experimentos realizados hacia el año 1600. En ellos verificó que muchas sustancias se comportaban como el ámbar al ser frotadas y las denominó cuerpos eléctricos, mientras que a aquellas que no ejercían atracción ninguna las llamó cuerpos anaeléctricos.

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Portada de la obra magna de William Gilbert

William Gilbert también fue el primero en demostrar experimentalmente el magnetismo terrestre en su tratado “De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure” (Sobre el imán y los cuerpos magnéticos y sobre el gran imán, la Tierra), publicada en el año 1600 con la particularidad de ser esta la primera obra de carácter científico impresa en Inglaterra. Con aquellos experimentos se llegó a la conclusión de que la electrificación era un efecto que se presentaba en la superficie de los cuerpos, en donde aparecía lo que llamaron una “virtud” o “fluido” eléctrico, lo que en la actualidad se denomina carga eléctrica.

Benjamín Franklin (1706-1790) <3>, desde el otro lado del Atlántico, desarrollaba desde 1747 sus experimentos sobre la electricidad. En 1752, ató una cometa con esqueleto de metal a un hilo de seda, en cuyo extremo llevaba una llave también metálica.

Haciéndola volar un día de tormenta, confirmó que la llave se cargaba de La efigie de Benjamín Franklin se reproduce electricidad, demostrando así que las propias nubes están en el anverso de los billetes de cien dólares cargadas de electricidad y que los rayos son descargas eléctricas. Gracias a tal experimento creó su más famoso invento, el pararrayos. Además,, presentó la llamada “teoría del fluido único” para explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva y la negativa, a partir de la observación del comportamiento de las varillas de ámbar, o del conductor eléctrico, entre otros.

Ya dentro del siglo XIX, fueron muchos los avances que se realizaron el campo de la electricidad. El médico y físico italiano Luigi Galvani descubrió accidentalmente que al tocar con un aparato electrizado las ancas de una rana muerta, estas se contraían, lo que le llevó a elaborar la teoría de la “electricidad animal”. Esta teoría no era compartida por Alessandro Volta <4> compatriota suyo, quien creía que eran las placas conductoras las que causaban la corriente eléctrica y no los músculos del animal en sí.

Gracias a estos estudios, Volta pudo elaborar hacia 1800, la conocida pila de Volta o voltaica, precursora de las actuales baterías eléctricas.

André-Marie Ampère <5> estableció los principios del electromagnetismo, rama de la Alessandro Volta.

Física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos. En su experimentación con conductores determinó que estos se atraían si las corrientes eléctricas llevaban la misma dirección y se repelían si tenían direcciones contrarias.

La unidad de medida de la intensidad de corriente eléctrica fue denominada amperio en su honor.

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En 1831 Michael Faraday <6> analizando las consecuencias de la Ley de Ampère descubrió que el trabajo mecánico empleado en mover un imán podía transformarse en corriente eléctrica. Faraday con estos descubrimientos hizo posible la invención del generador eléctrico o dinamo, el transformador y fue precursor de los motores eléctricos. Aunque Volta había inventado hacia el año 1800 la pila eléctrica, primera vez que se producía electricidad, esta era en corriente continua y pequeñas cantidades. Los descubrimientos de Faraday a principios del Siglo XIX (1820-30), permiten la producción de la energía eléctrica en cantidades mayores (generador).

Michael Faraday

Una de las primeras aplicaciones tecnológicas del electromagnetismo vino de la mano de Samuel Morse <7> en 1835, quien concibió la idea de utilizar un simple circuito electromagnético para transmitir información: el telégrafo. El desarrollo matemático de la teoría electromagnética se debió a James Maxwell, quien introdujo las cuatro ecuaciones del electromagnetismo y quien dedujo que la luz era una onda electromagnética, sentando las bases de la óptica moderna. Una de las Samuel Finley Breese Morse primeras aplicaciones basadas en la teoría de propagación de las ondas electromagnéticas vio la luz en 1872, cuando Alexander Graham Bell <8> inventó el teléfono.

Thomas Alva Edison demostró en 1879 la utilidad de la lámpara incandescente es decir la bombilla (la patente de invención se concedió a Sir Joseph Swan en 1878) <9>. Después de dar a conocer su bombilla eléctrica, Edison se dedicó a perfeccionarla y a fabricar también la dinamo para generar la corriente eléctrica que necesitaba para encender la bombilla.

En la Navidad de 1879 Edison <10> realizó la primera demostración pública de su bombilla incandescente cuyo filamento carbonizado, de un hilo de algodón para costura del número 9, se mantuvo encendida por 13 horas. La demostración se hizo ante tres mil personas convocadas en los laboratorios de Edison en Menlo Park y en 1882 inauguró, en la ciudad de Nueva York, la Alexander Graham Bell primera central eléctrica del mundo para alumbrado público, con la que iluminó la calle Wall Street, en Manhattan, con una potencia total de 30Kw, 30.000 vatios <11>.

Durante la primera parte del siglo XX, los esfuerzos se dirigieron hacia la creación de centrales eléctricas que fueran capaces de satisfacer la enorme demanda de electricidad que suponía iluminar y Nociones de electricidad – Antonio Cuevas – Pág. 4 de 29

abastecer las industrias y los núcleos urbanos. También se multiplicaron las aplicaciones tecnológicas que utilizaban la electricidad para su funcionamiento.

En la década de los años cuarenta del siglo anterior, se logró dar un nuevo impulso a la ciencia, y sobre todo a la tecnología, con el descubrimiento de las propiedades de los materiales semiconductores. Los científicos estadounidenses Walter Brattain, John Bardeen <12> y Willian Shockley, crearon en 1948 el primer transistor, gracias al cual se desarrollaría más tarde la electrónica, en cuya era vivimos inmersos hoy en día. Son muchos los inventos que se han dado lugar gracias a su existencia, entre ellos el ordenador, la televisión y cualquiera de los aparatos electrónicos de los que en la actualidad podemos disfrutar.

Menlo Park. Debajo, una de las bombillas originales de la demostración de 1879

Edison y su bombilla incandescente de filamento de carbón dentro de una ampolla de vidrio al vacío Nociones de electricidad – Antonio Cuevas – Pág. 5 de 29

<1> Tales de Mileto (en griego Θαλής ο Μιλήσιος) nació en la ciudad jonia de Mileto (hoy Turquía) a orillas del mar Egeo en el 635 a.C. Sus principales pasiones eran las matemáticas, la astronomía y la política. Fue considerado uno de los Siete Sabios de Grecia. Antes de Tales, los griegos explicaban el origen y naturaleza del cosmos con mitos de héroes y dioses antropomórficos. En contraste, Tales argumentaba que el agua es el origen y esencia de todas las cosas en, quizás, la primera explicación significativa del mundo físico sin hacer referencia explícita a lo sobrenatural. Por ello es considerado el primer filósofo por cuanto, frente a las explicaciones de la realidad de carácter mítico y religioso, nos ofrece por primera vez una explicación basada en la razón, es decir, en la que no se apela a entidades sobrenaturales para explicar lo real ni se admite lo contradictorio, rechazándose, además, la heterogeneidad entre la causa y el efecto: si la realidad es física, su causa ha de ser también física (el agua, por ejemplo).

Estudió en profundidad los fenómenos naturales y redactó un manual de astronomía para la navegación en el que propugnaba el uso de la Osa Menor para encontrar el polo. Es posible que llegara a predecir el eclipse del sol que tuvo lugar cuando los ejércitos de Media y Siria estaban acampados en espera de iniciar la batalla en el valle de Ali. El impresionante fenómeno del obscurecimiento del sol indujo a los ejércitos a deponer las armas y llegar a un acuerdo pacífico.

Viajó por Egipto donde realizó su famosa medición de la altura de las pirámides a partir de su sombra, utilizando el teorema que lleva su nombre. Aunque Tales no fue quien descubrió este teorema (ya había sido utilizado por los babilonios), se le considera el primer hombre conocido al que se le atribuye un descubrimiento matemático concreto, por ejemplo “los ángulos de la base de un triángulo isósceles son iguales”. Por ello, se cree que Tales de Mileto fue el primer matemático y, quizás también, el primer sabio distraído de la humanidad. Una noche, cuando paseaba contemplando las estrellas, no vio que delante de él había un pozo y cayó al fondo. Entonces una anciana que le observaba de dijo: "¿cómo pretende saber lo que pasa en el cielo si es incapaz de ver lo que tiene a sus pies?"

Tales no dejó escritos; el conocimiento que se tiene de él procede de testimonios indirectos en obras de Aristóteles, Teofrasto y otros. <2> El médico inglés William Gilbert nació en Colchester, Essex, el 24 de mayo de 1544 y murió en Londres el 10 de diciembre de 1603. Realizó sus estudios en la Universidad de Cambridge, comenzando a practicar la medicina en 1573. En 1601 fue nombrado médico de la reina Isabel I y presidente del Colegio de Médicos.

Fue uno de los primeros científicos de la era moderna en realizar experimentos con la electrostática y el magnetismo, retomando las observaciones realizadas por los antiguos griegos. Definió el término de fuerza eléctrica como el fenómeno de atracción que se producía al frotar ciertas sustancias. A través de sus experiencias clasificó los materiales en conductores y aislantes e ideó el primer electroscopio. Descubrió la imantación por influencia, y observó que la imantación del hierro se pierde cuando se calienta al rojo. Estudió la inclinación de una aguja magnética concluyendo que la Tierra se comporta como un gran imán. Publicó la primera obra científica inglesa: “De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure” (Sobre el imán y los cuerpos magnéticos y sobre el gran imán la Tierra), en el año 1600. <3> Benjamin Franklin (1706-1790) fue un estadounidense polifacético.

Nacido en Boston en el seno de una familia humilde, llegó a destacar en múltiples campos. Comenzó trabajando en la fábrica de velas de cera de su padre a la edad de trece años, teniendo que dejar abandonados sus estudios. Posteriormente, se colocó como aprendiz en la imprenta de su hermano, con el que años más tarde fundaría la Gaceta de Filadelfia.

Redactor, editor, y también político, fue uno de los padres de la Constitución estadounidense. Desde el punto de vista científico, destacaron sus contribuciones al estudio del comportamiento de las cargas eléctricas, así como sus inventos entre los que sobresalió la invención del pararrayos y de las lentes bifocales.

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Benjamin Franklin

<4> Alessandro Volta (1745-1827), nacido en Como, Italia, fue profesor de física en la Universidad de Pavía, donde se dedicó al estudio de la electricidad, analizando, entre otros, el trabajo de su compatriota Luigi Galvani, con el que no estaba de acuerdo en su teoría de la “electricidad animal”. Al contrario que éste, Volta pensaba que los músculos de los animales se contraían al paso de la electricidad, pero no la generaban. Hacia 1800 había desarrollado la conocida pila de Volta o voltaica, precursora de las actuales baterías eléctricas. Por su trabajo en el campo de la electricidad, Napoleón le nombró conde en 1801 el mismo año en que saldó su famosa controversia con Galvani acerca de la electricidad animal. La unidad eléctrica conocida como voltio recibió ese nombre en su honor. <5> André-Marie Ampère fue un matemático y físico francés nacido el 22 de enero de 1775 en Poleymieux-au-Mont-d'Or, cerca de Lyon, generalmente considerado como uno de los descubridores del electromagnetismo.

Experimentos de Volta en el Instituto Nacional Francés en noviembre de 1800 en los cuales estuvo presente Napoleón Bonaparte

Desde niño demostró ser un genio. Siendo muy niño empezó a leer y a los doce años iba a consultar los libros de matemática de la biblioteca de Lyon. Como la mayoría de los textos estaban en latín, aprendió esa lengua en unas pocas semanas. A los dieciocho años, la muerte de su padre, a manos de los revolucionarios franceses, le causó tanta tristeza que durante mucho tiempo no pudo seguir investigando.

A partir de 1809 comenzó su exitosa carrera: fue nombrado profesor de la Escuela Politécnica de París, en 1814 fue elegido miembro de la Academia de Ciencias de Francia, y en 1819, profesor de Filosofía en la Facultad de Letras de París. En 1822 estableció los principios de la electrodinámica. Concluyo que la fuerza electromotriz es producto de la tensión eléctrica y de la corriente. En 1827 publicó su Teoría matemática de los fenómenos electrodinámicos, donde expuso su famosa Ley de Ampère.

El amperio es una unidad de medida de la intensidad de corriente eléctrica así denominada en su honor.

André-Marie Ampère

Su vida ofrece el singular contraste entre una carrera jalonada por éxitos científicos y un destino personal infausto. Su padre Jean-Jacques, notario público y juez de paz, murió ejecutado bajo la guillotina de la Revolución Francesa; su esposa falleció en la flor de su juventud debido a una implacable enfermedad. Su segundo matrimonio resultó casi un infierno y una constante fuente de amargura. Tandem felix (por fin feliz) dice la lápida de este atormentado genio universal. Murió en Marsella el 10 de junio de 1836. Sus restos reposan hoy en el cementerio de Montmartre, Paris.

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<6> Michael Faraday nació en Newington, Inglaterra, el 22 de septiembre de 1794. Hijo de un herrero, Faraday recibió escasa formación académica, entrando a los 14 años a trabajar de aprendiz con un encuadernador de Londres. Durante los siete años que pasó allí, leyó libros de temas científicos y realizó experimentos en el campo de la electricidad, desarrollando un agudo interés por la ciencia que ya no le abandonaría. En 1812 asistió a una serie de conferencias impartidas por el químico Humphry Davy (inventor del arco voltaico) y envió a éste las notas que tomó en esas conferencias junto con una petición de empleo. Davy le contrató como ayudante en su laboratorio químico de la Institución Real y en 1813 le llevó con él a un largo viaje por Europa. En una sociedad ridículamente clasista como la inglesa de finales del siglo XIX, Faraday nunca fue considerado un caballero dado su humilde origen, contándose que la esposa de Davy rechazaba tratarle como un igual, a pesar de la estrecha relación que Faraday mantenía con su marido.

Bajo la dirección de Davy, Faraday realizó sus primeras investigaciones en el campo de la química. Un estudio sobre el cloro le Michael Faraday llevó al descubrimiento de dos nuevos cloruros de carbono. También descubrió el benceno, investigó nuevas variedades de vidrio óptico y llevó a cabo con éxito una serie de experimentos de licuefacción de gases comunes. Con la oposición de Humphry Davy, Faraday entró en la Real Sociedad de Londres en 1824.

Al año siguiente fue nombrado director del laboratorio de la Institución Real. En 1833 sucedió a Davy como profesor de química en esta Institución. Dos años más tarde le fue concedida una pensión vitalicia de 300 libras anuales. En reconocimiento a sus importantes contribuciones, la unidad de capacidad eléctrica se denomina faradio. <7> Samuel Finley Morse (1791-1867), pintor e inventor estadounidense, alcanzó gran fama tanto como retratista y escultor como en su faceta de inventor. Colaboró en 1825 en la fundación de una sociedad de bellas artes que más tarde acabaría siendo la Academia Nacional de Dibujo.

En el área científica, comienza tomando contacto con los estudios del francés Ampère sobre la corriente eléctrica y el magnetismo. Tras varios años de experimentación, pone en 1837 marcha el telégrafo con gran éxito, hasta que el 24 de mayo de 1844 se envía el primer mensaje (en código Morse, también inventado por él) entre las ciudades de Washington y Baltimore. <8> Alexander Graham Bell (1847-1922) nació en Edimburgo, Escocia, estudió en las Universidades de Edimburgo y Londres, convirtiéndose en físico e inventor. Emigró a Canadá en 1870 y posteriormente a Estados Unidos, donde se nacionalizó en 1882. Sus estudios se centraron en el estudio del sonido, mejorando y patentando como suyo el teléfono, que Samuel Finley Morse aunque ya inventado en 1849 por Antonio Meucci, inmigrante italiano afincado en Nueva York, problemas económicos le habían impedido desarrollar y patentar. Fundó en 1877 la Compañía de Teléfonos Bell. También fue uno de los fundadores de National Geografic y la revista Science. <9> El primer dispositivo eléctrico de iluminación artificial que permitió verdaderamente su comercialización alcanzando inmediata popularidad fue la lámpara de filamento incandescente desarrollada simultáneamente por el británico Sir Joseph Swan y por el inventor norteamericano Thomas Alva Edison, aunque la patente de invención se le otorgó a este último en 1878. Desde su creación la lámpara eléctrica incandescente no ha sufrido prácticamente variación alguna en su concepto original. Posiblemente sea éste el dispositivo eléctrico más sencillo y longevo que existe y el que más aporte ha brindado también al desarrollo de la humanidad.

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<10> Thomas Alva Edison (Milan, EE UU, 1847 - West Orange, EE UU, 1931) fue educado en casa por su propia madre que era maestra, pues a los siete años había sido expulsado de la escuela por “retrasado”. Enseguida su interés se centró especialmente en los campos de la física y la química.

Con tan sólo doce años Edison empezó a trabajar como vendedor ambulante de periódicos en los ferrocarriles. Más tarde inició la impresión de un semanario y montó su primer laboratorio en un vagón de tren. Después de trabajar un tiempo como telegrafista en Boston para la compañía Western Union, en 1869 se trasladó a Nueva York con la intención de establecerse como inventor independiente.

A pesar del poco éxito de su primera patente, relativa a una máquina destinada al recuento de votos, su afortunada intervención en la reparación de un Edison en su laboratorio, 1901. indicador de precios del oro en la Bolsa, cuya avería había causado una crisis, le valió un contrato de la Western Union para introducir ciertas mejoras en dicho aparato, trabajo por el cual percibió una pequeña fortuna: 40.000 dólares. Con este dinero Edison pudo establecerse por fin, primero en Bewark, más tarde en Menlo Park (1876) y finalmente en West Orange (1887). En esta población fundó el Laboratorio Edison, en la actualidad monumento nacional de los Estados Unidos.

La magnitud del conjunto de la obra de investigación llevada a cabo por Thomas Alva Edison puede apreciarse en sus justas proporciones indicando que obtuvo casi 1.100 patentes, por lo que se le considera el inventor más prolífico de todos los tiempos.

Entre ellas el telégrafo impresor, el telégrafo cuadruplex (1874), el micrófono de carbón (que mejoraba el desarrollado por A. G. Bell, inventor de la telefonía), el fonógrafo (1877), una máquina de dictado, las pilas alcalinas Edison con uno de sus más trascendentes (acumulador de ferroníquel, 1883) y inventos: la bombilla eléctrica con filamento diversos tipos de cemento y de hormigón. Su invención más popular fue el procedimiento práctico de utilización de la iluminación eléctrica, para lo cual creó, antes de haber desarrollado por completo el invento, la Compañía de Iluminación Eléctrica Edison, que recibió apoyo financiero inmediato gracias al gran prestigio personal de que el inventor gozaba ya por aquel entonces.

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La primera demostración práctica, coronada con un éxito completo, tuvo lugar en Menlo Park, el 21 de octubre de 1879, y dio paso a la inauguración del primer suministro de luz eléctrica de la historia, instalado en la ciudad de Nueva York en 1882, y que inicialmente contaba con 85 abonados. Para poder atender este servicio, Edison perfeccionó la lámpara de vacío con filamento de incandescencia, conocida popularmente con el nombre de bombilla, construyó la primera central eléctrica de la historia (la de Pearl Street, Nueva York) y desarrolló la conexión en paralelo de las bombillas, gracias a la cual, aunque una de las lámparas deje de funcionar, el resto de la instalación continúa dando luz.

Además de sus numerosas invenciones, Thomas Alva Edison contribuyó a la investigación estrictamente científica, con el descubrimiento del llamado efecto termoeléctrico (1883), también conocido en la actualidad como efecto Edison, el cual permitiría, años más tarde, el desarrollo del dispositivo electrónico conocido como diodo (Lee De Forest), que daría paso al advenimiento de la moderna revolución de la electrónica. <11> EL MUNDO, Madrid, 11 de diciembre de 2006 Expectación ante la subasta de las bombillas originales de Edison Agencia EFE – LONDRES - Las 23 bombillas usadas por Thomas Alva Edison en el juicio de 1890 para defender la patente de ese invento se han mostrado por primera vez al público en la casa de subastas Christie's de Londres.

La colección de bombillas, que tiene un precio estimado de hasta 300.000 libras (444.000€, $591.000), es el lote estrella de una extraordinaria puja dedicada a los grandes hitos de la historia de la ciencia que se celebrará el próximo 13 de diciembre.

Dos de las bombillas objeto de la subasta en Christie’s Un portavoz de Christie's dijo que es "difícil" predecir qué precio pueden alcanzar las bombillas porque "nunca antes se había subastado algo parecido" y agregó que es "la primera vez que se enseñan al público desde el juicio", pues se daban por perdidas. Las históricas lámparas integran los 200 artículos (libros, manuscritos, instrumentos, fotos...) que se ofrecerán al mejor postor, entre los que destaca también el primer ensayo de Albert Einstein (1879-1955).

Las 23 bombillas de Edison (1847-1931), incluyen un diodo que se anticipa en 21 años a la correspondiente patente de su colega Ambrose Fleming (1849-1945). Las valiosas lámparas fueron descubiertas por casualidad en el ático de una casa de Estados Unidos, cuidadosamente guardadas dentro de un estuche de madera que aún conservaba la llave original. La invención de la bombilla de la luz se ha atribuido tradicionalmente a Edison, que logró para ella en EEUU la patente número 223.898 el 27 de enero de 1880. Se conocen, empero, otros artilugios incandescentes anteriores como el de Joseph Swan (1828-1914), que patentó su propio invento en el Reino Unido en 1878.

Tanto Swan como Edison comercializaron con éxito sus inventos cada uno a un lado del Atlántico, pero el estadounidense pasó buena parte de la década siguiente defendiendo ante los tribunales su patente. El llamado "Juicio por Infracción de la Patente de Edison" enfrentó a la Edison Electric Light Company contra la United States Electric Light Company y duró varios años. El desenlace quedó determinado finalmente en 1890 por las pruebas que presentó Edison, es decir, las bombillas que se subastarán en Londres.

Después del juicio, dos magnates estadounidenses, J.P. Morgan y Henry Villard, dirigieron la fusión entre la empresa de Edison y la compañía Thomson-Houston, que dio lugar al gigante industrial General Electric.

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<12> John Bardeen (1908-1991), físico estadounidense, es conocido principalmente por el descubrimiento compartido del transistor y las propiedades de los materiales semiconductores, que realizó junto a sus compatriotas Walter Brattain y Willian Shockley (imagen de la derecha), y por el que consiguieron el Nobel en 1956.

Este importantísimo descubrimiento se realizó en 1948 en los laboratorios de la compañía telefónica Bell, cuando inventaron un pequeño dispositivo electrónico, el transistor, capaz de realizar la mayoría de las funciones de los tubos de vacío, muy voluminosos y poco efectivos, y que se utilizaban hasta entonces en todos los aparatos electrónicos. Ya en 1951, se incorporó a la Universidad de Illinois, donde desarrolló una teoría que explicaba la superconductividad, trabajo por el que consiguió su segundo Nobel en 1972.

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NOCIONES DE ELECTRICIDAD Antes de entrar en el estudio de las técnicas de iluminación, basadas en aparatos y elementos que consumen o distribuyen la energía eléctrica, es necesario conocer las diferentes unidades que se utilizan para medir la intensidad o la potencia eléctrica, así como algunos conceptos básicos de la terminología utilizada por los profesionales de este sector. En referencia a la iluminación, conocer los rudimentos de la electricidad ayudará a entender las distintas clasificaciones y utilidades de las luces artificiales en uso profesional.

El electrón Todos los elementos de la naturaleza están compuestos de átomos (del latín atŏmum, y este del griego ἄτομον, que significa indivisible). El átomo se compone de protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones se agrupan en regiones muy pequeñas llamadas núcleos atómicos; los electrones giran alrededor de estos núcleos, formando átomos. A su vez, los átomos se agrupan para formar sustancias.

La fuerza de atracción que vincula los electrones del átomo al núcleo atómico es de naturaleza eléctrica. Los electrones de la envoltura atómica se consideran negativamente cargados; el núcleo atómico, cargado positivamente. Sin embargo, el átomo es eléctricamente neutro en su conjunto pues la carga negativa de los electrones y la carga positiva del núcleo son de igual magnitud y se equilibran eléctricamente. En nuestro sistema solar, los planetas son retenidos en sus órbitas por el hecho de que la fuerza centrífuga que pudiera lanzarlos fuera de las mismas, es neutralizada por una fuerza opuesta de igual magnitud: la de la atracción de las masas (gravitación) con la que el Sol atrae a los planetas. Análogamente, en el átomo existe una fuerza de atracción entre el núcleo atómico y los electrones, la cual impide que los electrones se alejen del núcleo a causa de la fuerza centrífuga.

Ya que el átomo, como conjunto, no se comporta hacia el exterior en forma eléctrica, o dicho de otro modo, es eléctricamente neutro, deben equilibrarse mutuamente las cargas del núcleo y de los electrones. Por tanto, sus cargas han de producir efectos opuestos. Para poder distinguir las dos cargas dispares, se llama positiva (+) la carga del núcleo atómico, y negativa (-) la del electrón. Estas denominaciones sirven sólo para distinguirlas, y fueron escogidas arbitrariamente.

La estructura de un átomo se suele representar en forma parecida a la del sistema solar. En el centro se halla el núcleo del átomo al igual que el Sol en su sistema. Alrededor del núcleo atómico s mueven los electrones, tal como los planetas alrededor del Sol. Los átomos y los diversos elementos difieren entre sí por el tamaño del núcleo atómico y por el número de electrones que giran alrededor del núcleo, al que, por así decirlo, envuelven.

Electrón

Órbita Núcleo

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Los electrones intervienen en una gran variedad de fenómenos. El flujo de una corriente eléctrica en un conductor es causado por el movimiento de los electrones libres del conductor. La conducción del calor también se debe El átomo más sencillo es el de la sustancia más ligera: el hidrógeno. El átomo fundamentalmente a la de oxígeno tiene, en total, ocho electrones. El átomo de aluminio contiene ya actividad electrónica. En los trece electrones en tres órbitas de distinto diámetro. El átomo más pesado tubos de vacío, un cátodo que existe en la Naturaleza, el del uranio, tiene 92 electrones en siete órbitas. calentado emite una corriente de electrones que puede emplearse para amplificar o rectificar una corriente eléctrica. Si esa corriente se enfoca para formar un haz bien definido, éste se denomina haz de rayos catódicos. Si se dirigen los rayos catódicos hacia un objetivo adecuado, producen rayos X; si se dirigen hacia la pantalla fluorescente de un tubo de televisión, producen imágenes visibles.

El átomo más sencillo es el de la sustancia más ligera: el hidrógeno. Sólo tiene un electrón.

Conductores y aislantes En muchos cuerpos (sólidos, líquidos y gaseosos) existen los llamados electrones libres. Son aquellos que sólo están débilmente sujetos al núcleo. Se conocen también como electrones de la banda de conducción debido a que describen una gran órbita. Los electrones libres, que giran en órbitas externas, son los portadores de la corriente eléctrica.

En la naturaleza hay sustancias que tienen más electrones libres que otras, es más, si en un mismo material las condiciones externas cambian, éste se comporta de diferentes maneras. La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres se llama conductividad. Estos materiales serán capaces, bajo la acción de fuerzas exteriores, de conducir la electricidad. A estos efectos, los materiales sólidos, líquidos y gaseosos, se pueden clasificar en tres grupos: ·

Conductores: estos materiales poseen un gran número de electrones en la banda de conducción, flojamente ligados al sistema atómico y, por lo tanto, tienen facilidad para Nociones de electricidad – Antonio Cuevas – Pág. 13 de 29

conducir la corriente eléctrica. Buenos conductores son: la plata, el cobre, el aluminio, el estaño. Los conductores metálicos y el carbono, contienen abundancia de electrones libres, además de los que se hallan ligados con fuerza al núcleo atómico. En los materiales conductores, es posible hacer fluir los electrones de un extremo al otro de los mismos, estableciéndose entonces una corriente eléctrica ·

Aislantes: son aquellos materiales en los cuales los electrones están sólidamente ligados a sus núcleos atómicos, siendo éstos incapaces de desplazarse por el interior del material y, en consecuencia conducir. Buenos aislantes son: el aire (frío), porcelana, lana de vidrio, plásticos, madera, agua destilada (la químicamente pura, el agua corriente es conductora) etc.

·

Semiconductores: son sustancias que bajo condiciones normales se las podría clasificar como malos conductores, pero si se les comunica energía exterior, los electrones podrían saltar de la banda de valencia a la de conducción, convirtiéndose en un buen conductor.

Ejemplos son el silicio y el germanio, entre otros.

Todos los materiales conductores permiten el flujo de la corriente eléctrica a través de ellos en mayor o menor grado. Sin embargo, en todos los casos también presentan una “resistencia” (o impedancia) al paso de dicha corriente. Mientras menos resistencia eléctrica presente un material, será considerado mejor conductor y cuanta más resistencia presente será considerado mejor aislante.

Los mejores conductores de electricidad son los metales como el oro, la plata, el cobre o el aluminio y los mejores aislantes son el vidrio, la mica y algunos materiales sintéticos, por ejemplo el PVC. Por así decirlo, a los átomos que constituyen los aislantes no les gusta compartir sus electrones. Entre los dos extremos, conductores y aislantes, están todos los otros materiales que conocemos cuya conductividad o resistencia puede variar dependiendo de muchas condiciones. Por ejemplo, el agua salada es mucho mejor conductor que el agua pura (destilada), la arcilla es mejor conductor que la arena o el concreto, la madera es mejor conductor cuando está verde que cuando está seca, y la propia piel humana es mejor conductor cuando está húmeda.

Pero, ¿qué determina ese flujo de electrones? Para responder a esa pregunta, tengamos en cuenta que: 1.- Dos cargas iguales se repelen.

2.- Dos cargas opuestas se atraen.

Circuito elemental de comprobación de la conductividad de los materiales sólidos (arriba) y líquidos (abajo).

3.- Determinados materiales tienen mayor cantidad de electrones en la banda de conducción (conductores) que otros (aislantes).

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Ahora, si tenemos un conductor en el cual hay muchos electrones libres. ¿Qué se podría hacer para que se muevan en la misma dirección formando un flujo de electrones?

Si ponemos una carga positiva en un extremo del cable, los electrones (carga negativa) se verán atraídos y empezarán a moverse hacia el extremo del cable, generando el flujo eléctrico. En realidad lo que se hace es poner en los extremos del cable una fuente de tensión, o, dicho en forma común, se aplica un voltaje o diferencia de potencial. Podríamos decir que la tensión, diferencia de potencial o el voltaje es la fuerza que pone en movimiento a los electrones. La tensión en el Sistema Internacional de Unidades se expresa en voltios. Una pila AA tiene una tensión de 1,5v (voltios) y una batería estándar de automóvil 12v.

La corriente eléctrica es el efecto de aplicar una tensión a un circuito eléctrico. Se define como la cantidad de carga que atraviesa una sección del conductor por unidad de tiempo. La corriente eléctrica se mide en amperios o Ampères (A). Los submúltiplos más usuales del amperio son el miliamperio (mA), la milésima parte del amperio, (1A = 1.000 mA) y el microamperio (µA) que es la millonésima parte del amperio, (1A= 1.000.000 µA)

Circuito eléctrico De acuerdo con lo visto hasta ahora, una corriente solo puede circular cuando existe un generador de tensión cuyos bornes (extremos) están unidos por un conductor; se forma entonces un camino cerrado que se denomina circuito eléctrico. El circuito eléctrico más sencillo consta de un generador de tensión, un aparato de consumo con una cierta resistencia (una lámpara incandescente, un motor eléctrico, etc), las líneas de conexión y el interruptor.

El camino por el que se desplazan los electrones o puede definir también como un conjunto de interconectados que permiten el paso de la los electrones los que se pueden desplazar de un entre materiales diferentes, formando “corrientes

circuito eléctrico, se elementos corriente eléctrica. Son átomo a otro, incluso eléctricas” <13>.

Si se aplica una diferencia de potencial eléctrico suficientemente grande (voltaje) se genera una fuerza que puede empujar a los electrones de un átomo a otro. Este movimiento de electrones se llama corriente eléctrica. Al igual que se necesita una presión para que circule agua por una tubería, se necesita tensión (fuerza, voltaje) para que circule la corriente eléctrica por un conductor. Esto es lo que ocurre en un trozo de alambre que se conecta a los extremos de una pila. Los electrones pasan de un átomo a otro creando la corriente eléctrica. La electricidad se puede definir como una forma de energía originada por el movimiento ordenado de electrones. Hay otros tipos de energía: mecánica, calórica, eólica, hidráulica, solar, atómica, etc.

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<13> La velocidad de la corriente eléctrica NO es la velocidad de la luz en el vacío. Para las densidades de corriente ordinarias, la velocidad de los electrones pocas veces supera el milímetro por segundo. Para esas mismas densidades en corriente alterna, los electrones solo oscilan imperceptiblemente, pues apenas se alejan alternativamente muy pocas micras del punto central de la oscilación. La velocidad de arrastre dependerá del material, pues no todos tienen la misma conductividad.

Pensar que al encender un interruptor, el electrón ha viajado por todo el cableado en nanosegundos es un error.

Imaginemos una manguera muy larga. Cuando abrimos la llave y sale agua, las primeras gotas no han recorrido toda la manguera, sino que ya estaban en el extremo de la manguera y, simplemente, han sido empujadas.

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LEYES BÁSICAS Ley de Ohm El voltaje, ya sea proveniente de la red eléctrica o de un acumulador (batería), suministra la presión necesaria para que los electrones circulen bajo la forma de una corriente eléctrica. La cantidad de electrones en circulación (intensidad de la corriente o amperaje) dependerá del nivel de la resistencia que se oponga a su movimiento. Todos los metales tienen una resistencia, la cual puede controlarse alterando la longitud o el diámetro de ellos. En las bombillas, el metal aparece bajo forma de hilo - el filamento - y puede ser derecho o enroscado, según se requiera para alcanzar la longitud exacta que encaje dentro del globo, el bulbo o el tubo de cristal.

Los electrones tienen una propiedad que llamamos carga. La carga en movimiento es lo que llamamos corriente eléctrica. La carga se mide en culombios y la corriente en amperios. Así, un culombio es la cantidad de carga que una corriente de un amperio transporta en un segundo. Para construir un culombio necesitamos más de un trillón de electrones; la cantidad es enorme: 1,5 x 10.000.000.000.000.000.000 electrones.

La resistencia de un hilo metálico se determina de acuerdo con las características del material con el que ha sido fabricado, a saber, tipo, sección transversal, longitud y temperatura. Un hilo metálico fino y largo tendrá, proporcionalmente, la misma resistencia que otro más grueso y más corto. Cuando se usa en lámparas, el filamento puede ser largo y enroscado, para hacerlo encajar en un espacio pequeño, o largo y derecho, resultando en una bombilla tubular. El hilo metálico más grueso tiene menos resistencia y, por la tanto, produce menos calor y luz a paridad de longitud. En la práctica, las lámparas se han optimizado a fin de dar la mayor cantidad posible de lúmenes por vatio. El diámetro y la longitud del filamento son seleccionados cuidadosamente para brindar tanto una intensidad luminosa como una resistencia mecánica óptimas.

Para mover los electrones hay que hacer una fuerza sobre ellos. Esta fuerza (tensión) que “empuja” a los electrones se mide en voltios. También hemos hablado de la resistencia de los materiales a conducir la corriente eléctrica. La resistencia se mide en ohmios. Voltios y ohmios están relacionados del siguiente modo, por una resistencia de un ohmio circulará un amperio si se le aplica un voltio. Del mismo modo un vatio se define como la potencia usada para hacer circular un amperio por una diferencia de potencial de un voltio.

La potencia es la velocidad con la que se consume la energía. La unidad de potencia eléctrica es el vatio. Se define como la potencia producida por una tensión de 1 voltio sobre una corriente eléctrica de 1 amperio.

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Aplicando la ley de Ohm, si la resistencia de esta lámpara es de 48 ohmios y el voltaje de 100 voltios, la intensidad de la corriente es de algo más de dos amperios

La potencia de una lámpara se mide en vatios (W). Para poder calcular los vatios, primero necesitamos saber los voltios (V) y la intensidad de la corriente (A). Esta lámpara, cuyo filamento tiene una resistencia de 48 ohmios (dato irrelevante) y produce una intensidad de corriente de 5 amperios, cuando está conectada a una red eléctrica de 120 voltios resulta en una potencia de 600 vatios

La ley de Ohm proporciona la fórmula matemática para calcular el voltaje, la intensidad de la corriente o la resistencia, partiendo de dos de estos elementos a través de la fórmula V=IxR

Vatios = amperios x ohmios

En términos llanos, la tensión necesaria para “mover” una corriente eléctrica (voltaje) depende de la “cantidad” de electrones (amperios) implicados y de la resistencia a dicho “movimiento” (ohmios) que ofrezca el hilo conductor. En términos hidráulicos, la presión que hay que aplicar sobre una manguera (voltaje – voltios) dependerá de la cantidad de agua que queramos obtener (intensidad – amperios) y de la resistencia (ohmios) que ofrezca la manguera al avance del agua (manguera estrecha y larga: mayor resistencia; manguera ancha y corta: menor resistencia).

En la fórmula anterior, V es el voltaje (o tensión eléctrica) en voltios; I la intensidad de la corriente medida en amperios y R la resistencia cuya unidad es el ohmio. Esta fórmula se traspone fácilmente en: V I = ------R

V R = ------I

Según esta ley, la intensidad de la corriente (I) aumenta al subir la tensión (V) y disminuye al aumentar la resistencia (R); la intensidad varía en la misma proporción que la tensión, y en proporción inversa a la resistencia. La intensidad de la corriente (I) en amperios es muy importante <14> pues los fusibles se miden según su capacidad conductora de electricidad (5A, 13A, 15A).

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Cálculo de la potencia máxima admisible Hay otra fórmula <15>, de utilísima aplicación en iluminación, para calcular la potencia de la luz en vatios. Si el voltaje o tensión (voltios) se multiplica por la intensidad de la corriente (amperios) el resultado será dicha potencia expresada en vatios. Es decir: Vatios = voltios x amperios De la que se deducen otras dos: Vatios Amperios = ---------Voltios

Magnitud

Concepto

INTENSIDAD (amperaje o corriente)

Vatios Voltios = ----------Amperios

Unidad

Relaciones

Cantidad de electrones que circulan por un conductor en una unidad de tiempo

Amperio

Vatios Amperios = ---------Voltios

TENSION (voltaje o fuerza electromotriz)

Diferencia de potencial (o tensión) que existe entre dos cargas eléctricas o dos conductores

Voltio

Vatios Voltios = ----------Amperios

POTENCIA

Energía que consume un elemento.

Vatio

Vatio = voltio x amperio

RESISTENCIA (impedancia)

Oposición o dificultad que ofrece un conductor al paso de la corriente

Ohmio

Voltios Ohmios = ------------Amperios

Haciendo un breve repaso de todo lo anterior y con el fin de dejar lo más claro posible lo que estas unidades eléctricas son, podríamos de nuevo usar el agua como un símil para entenderlas mejor.

Un voltio es una medida de la tensión (o diferencia de potencial) de un circuito, la energía potencial eléctrica acumulada en un conductor. Es como la presión de agua en un tubo. El agua con alta presión tiene un gran potencial para trabajar sin tener en cuenta otros factores. Cuando se unen, mediante un circuito, dos puntos Nociones de electricidad – Antonio Cuevas – Pág. 19 de 29

con distinta energía (voltaje) se crea un flujo de electrones desde el punto de mayor energía potencial al de menor energía, manteniendo los electrones una velocidad constante en su movimiento. Cuanto mayor sea la diferencia de energía entre dos puntos, mayor será la amplitud de la señal eléctrica. Una pequeña pila AAA tiene solo un voltio y medio de energía potencial, poca cosa; la electricidad doméstica en nuestra área tiene una energía potencial mucho más alta: 110/120 voltios.

La resistencia inherente a cualquier circuito se mide en ohmios. La resistencia se puede imaginar como el diámetro de un tubo con agua. Hay mayor dificultad al paso de agua a través de un tubo de pequeño diámetro que por un tubo de gran diámetro.

El amperaje es una medida de la cantidad de electricidad (la cantidad de electrones) que fluye por una sección del circuito en una unidad de tiempo. Una corriente de 4 amperios dispone de un número doble de electrones que una de dos amperios. En nuestra analogía del agua, el amperaje es la cantidad de agua que está pasando.

El producto entre el voltaje y la intensidad determina la potencia (vatios) que es la capacidad de la electricidad para realizar cualquier trabajo y se mide en vatios (vatios = voltios x amperios). La potencia eléctrica (vatios) que necesitamos en una bomba de agua, depende de la cantidad de agua que queremos mover (amperios) y de la fuerza necesaria para mover ese agua (voltios). Vatios = voltios x amperios.

Amperios = vatios / voltios

Si la bombilla de una linterna consume 2 amperios con una pila de 1,5 voltios, su potencia será de 3 vatios (2 amp x 1,5 volt = 3 vatios). En otras palabras: la presión de agua multiplicada por el diámetro del tubo es igual al total de agua que fluye; voltios por amperios es igual a vatios.

Vatios = voltios x amperios Voltios = vatios / amperios Ohmios = voltios / amperios

Si queremos que pase una gran cantidad de agua a través de un tubo pequeño (alto amperaje a través de una alta resistencia), podemos lograrlo con un alto voltaje (presión de agua).

Inversamente, un tubo muy grande (baja resistencia) puede llevar un gran volumen de agua con poca presión. La baja resistencia lleva mayor amperaje con poco voltaje.

La red de energía eléctrica, como se llama al suministro, no es normalmente una fuente estable y permanente como a veces se piensa; de hecho el voltaje varía de zona a zona y de hora en hora.

Algunas compañías eléctricas suministran 110 voltios. Otras 115 o más. En general, tomamos 120 voltios, cantidad que usamos para los cálculos. A 120 voltios, 1000 vatios necesitan 8.3 amperios. Por lo tanto, 1 kw arrastra 8.3 amperios; 2 kw, 16.6 amperios. 10 Kw, 83 amperios y así sucesivamente.

Para una luz de 1Kw, 1000/120 = 8.3 amperios.

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Sin embargo, sobre lo anterior hay que hacer una importante corrección por razones de seguridad: la sobretensión y la sobreintensidad.

Sobretensión y sobreintensidad En el momento de su encendido, la intensidad eléctrica (los amperios, la cantidad de electrones que circula por la instalación eléctrica) aumenta de un 15 a un 20% respecto a la nominal o de trabajo. En este caso hablaríamos de un pico de encendido del 20% que debemos tener en cuenta a la hora de instalar equipos de iluminación ya que toda instalación tiene un límite en la potencia máxima que puede suministrar.

Supongamos que nuestra instalación está dimensionada para 2000 vatios y que sobre ella alimentamos tres lámparas incandescentes de 650 vatios. El total será 650 x 3 = 1950w.

Con las luces ya encendidas, la potencia total está dentro de la que el circuito puede suministrar.

Sin embargo, en el momento de encenderse las tres lámparas, la potencia absorbida es mayor. En este caso (lámparas incandescentes), un 20% mayor, es decir, al pulsar el interruptor de encendido estamos pidiendo al sistema 2.340w, superando su potencia máxima.

Dependiendo de las protecciones (breakers), lo más probable es que al tratarse de un pico no muy alto y de breve duración, la corriente no se interrumpa, pero también pueden saltar las protecciones pues no olvidemos que su cometido es precisamente ese: controlar la sobreintensidad.

VATIOS = VOLTIOS x AMPERIOS

Esta lámpara, cuyo filamento tiene una resistencia de 48 ohmios y produce una intensidad de corriente de 5 amperios, cuando está conectada a una red eléctrica de 120 voltios resulta en una potencia de …... > Vatios = voltios x amperios = 120 x 5 = 600 vatios VATIOS = VOLTIOS x AMPERIOS UN CASO FRECUENTE Si en un rodaje vamos a utilizar 2.500 vatios de potencia eléctrica, ¿qué amperaje va a tener que soportar el fusible (breaker)? > Vatios 2500 + 500 Amperios = ---------- = --------------- = 25 amperios Voltios 120 25 amperios sin tener en cuenta otros consumos del lugar, conectados a la misma línea

Pico de encendido (20%)

¿Cuál es la potencia máxima de iluminación que podemos conectar a un toma de una línea cuyo fusible es de 10 amperios? > Vatios = voltios x amperios = 120 x 10 = 1200 vatios 1200 vatios – 20% (240) = 960 vatios

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Pico de encendido (20%)

Ohmios = voltios / amperios Vatios = voltios x amperios Voltios = vatios / amperios Amperios = vatios / voltios SÍMILES HIDRÁULICOS Para hacer pasar una gran cantidad de agua (amperios) a través de un tubo pequeño (alto amperaje a través de una alta resistencia), necesitamos alta presión de agua (alto voltaje). > Inversamente, un tubo muy grande (baja resistencia) puede llevar un gran volumen de agua (amperios) con poca presión (voltios). La baja resistencia lleva mayor amperaje con poco voltaje.

Ohmios = voltios / amperios

>

La potencia eléctrica (vatios) que necesitamos en una bomba de agua depende de la cantidad de agua que queremos mover (amperios) y de la fuerza necesaria para mover ese agua (voltios) Vatios = voltios x amperios

TRES COSAS QUE DEBEMOS RECORDAR Vatios = voltios x amperios Al hacer el cálculo de los amperios necesarios en el fusible (breaker) para conectar un cierto volumen de iluminación, hay que tener en cuenta el pico de encendido (20% vatios adicionales). ¿Qué amperaje necesitamos para conectar 4.000 vatios?

Vatios 4.000 + 800 Amperios = ---------- = --------------- = 40 amperios Voltios 120 Regla nemotécnica En Costa Rica (y países con red de 110/120 voltios) necesitaremos 10 amperios por cada kilovatio (1.000 vatios) que vayamos a emplear.

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<14> Los fusibles (breakers) protegen los equipos de daños eventuales como explosión o incendio, y su capacidad de carga eléctrica debe ser siempre razonablemente mayor que la intensidad de la corriente que necesita el equipo utilizado. Por su parte, el cable conductor conectado al equipo tiene una capacidad conductora propia y no debe ser forzado a soportar más corriente que la indicada por dicha capacidad. Conviene recordar que cuando el fusible tiene la capacidad de carga correcta, protege tanto al cable como al equipo conectado. <15> Se denomina Ley de Watt y formula que si a un determinado cuerpo le aplicamos una fuente de alimentación (es decir le aplicamos un voltaje) se va a producir dentro del cuerpo una cierta corriente eléctrica.

Dicha corriente será mayor o menor dependiendo de la resistencia del cuerpo. Este consumo de corriente hace que la fuente esté entregando una cierta potencia eléctrica; o dicho de otra forma, el cuerpo está consumiendo determinada cantidad de potencia. Esta potencia se mide en vatios. Así, una lámpara eléctrica de 40 vatios consume 40 vatios de potencia eléctrica. Para calcular la potencia se debe multiplicar el voltaje aplicado por la corriente que atraviesa al cuerpo.

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CORRIENTE ALTERNA Y CORRIENTE CONTINUA Cuando nos referimos a tensión continua o corriente continua (CC) – DC, Direct Current en inglés queremos decir que el valor de tensión no varía a medida que va pasando el tiempo. En otras palabras, si en un momento dado medimos su valor y momentos después volvemos a medirlo, obtendremos la misma lectura. Ejemplo de ello son las pilas y baterías.

Cuando nos referimos a corriente alterna (CA) - AC, Alternating Current en inglés - queremos expresar que el valor de la tensión cambia de un instante del tiempo a otro. En un momento dado la tensión tiene un valor cero, luego comienza a crecer hasta llegar a un máximo, en ese momento comienza a decrecer hasta llegar a cero. Cuando llega a cero vemos que la tensión se hace negativa.

Que la tensión sea negativa, implica un cambio de polaridad de la misma, es decir el polo positivo pasa ser negativo y viceversa.

Corriente continua

El diccionario de la Real Academia Española de la Lengua define “ciclo” como un

"período después del cual se repiten los mismos fenómenos en el mismo orden".

Corriente alterna

Aplicando este simple concepto a la corriente alterna diremos que un ciclo es el período después del cual la señal (de corriente o tensión, por ejemplo) vuelve a tener el mismo valor y sentido. En la figura de la derecha, tenemos los puntos A, B y C los cuales tienen el mismo valor de tensión, pero sólo los puntos A y C tienen el mismo sentido, en ambos la tensión está creciendo, mientras que en el punto B la tensión está disminuyendo. Por lo tanto el ciclo se extiende desde el punto A hasta el C. En estos momentos estamos en condiciones de definir frecuencia como la cantidad de ciclos que realiza la señal en un segundo. La frecuencia se mide en hercios (Hz) <15>.

La corriente continua (CC/DC) es el flujo continuo de electricidad a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna (CA/AC), las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección del punto de mayor En Centroamérica, la corriente varía 60 veces de polaridad cada segundo potencial al de menor potencial.

Si las partículas se mueven en un mismo sentido la corriente se denomina corriente continua; por el Nociones de electricidad – Antonio Cuevas – Pág. 24 de 29

contrario, si cambian periódicamente de sentido se denomina corriente alterna. Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad pues el voltaje suministrado, es el caso de las baterías, se va agotando con el uso.

Un tubo fluorescente, igual que una lámpara incandescente, funciona en Centroamérica con corriente alterna de 120 voltios y 60 hercios lo que significa que la corriente que los alimenta sufre en un segundo 60 pulsos de encendido y otros tantos de apagado: el voltaje parte de cero, alcanza el valor máximo, vuelve a cero, se hace negativo (valor máximo de corriente eléctrica pero con los electrones moviéndose en sentido inverso a través de los conductores) y vuelve a tomar valor cero. Es decir, hay dos pasos por el valor cero y dos máximos (inversos). Para una frecuencia de red de 60 hercios habrá 120 picos de luz por segundo, 60 positivos y 60 negativos.

Las lámparas de CORRIENTE ALTERNA – EL PARPADEO tungsteno, aunque sufren igual ciclo, carecen de parpadeo debido a la naturaleza de su funcionamiento: aunque la En 1 segundo la corriente oscile corriente pasa por: cíclicamente, el filamento 60 picos no tiene tiempo suficiente 60 valles para enfriarse entre dos 120 ceros ciclos (tiene alta inercia) y puesto que la luz emitida Lámparas de alta inercia (incandescencia) NO PARPADEO es función de la Lámpara de baja inercia (descarga = nubes de gas) PARPADEO temperatura que el filamento alcanza, no hay huecos perceptibles entre En Costa Rica, la corriente ciclos de forma que la luz varía de polaridad 60 veces cada segundo > resulta “continua” tanto para el ojo como para cualquier cámara. Es decir, la lámpara incandescente no tiene tiempo de enfriarse cuando ya está calentándose de nuevo, y al no enfriarse sigue emitiendo luz. Así, las lámparas incandescentes carecen de parpadeo.

Ahora bien, si la lámpara en cuestión tiene poca inercia, caso de las lámparas de descarga de gas en general, se notará este ir y venir de la intensidad puesto que el arco que genera la luz tiene las mismas oscilaciones de la corriente que lo alimenta y muy baja inercia, se trata por así decirlo de una “nube de gas”, capaz por tanto de enfriarse con rapidez. Ello se traduce en un parpadeo que el ojo humano no detecta pero sí las cámaras cinematográficas y electrónicas.

En Costa Rica, la corriente varía 60 veces de polaridad cada segundo

Tras la demostración de Thomas Alva Edison de la generación de electricidad en las postrimerías del siglo XIX, la corriente continua comenzó a emplearse para la transmisión de la energía eléctrica. Ya en el siglo XX este uso decayó en favor de la corriente alterna por sus menores pérdidas en la transmisión a largas distancias, si bien se conserva en la conexión de redes eléctricas de diferente frecuencia y en la transmisión a través de cables submarinos. La corriente continua es empleada en infinidad de aplicaciones y específicamente en aparatos de pequeño voltaje alimentados con baterías que suministran directamente corriente continua <16>, o bien con corriente alterna convertida a Nociones de electricidad – Antonio Cuevas – Pág. 25 de 29

continua por el propio equipo como es el caso, por ejemplo, de los ordenadores y la mayoría de los equipos electrónicos domésticos en audio y vídeo. También se está extendiendo el uso de generadores de corriente continua mediante células solares, dado el nulo impacto medioambiental del uso de la energía solar frente a las soluciones convencionales (combustible fósil y energía nuclear).

El símbolo de una fuente de tensión continua es el siguiente:

En este símbolo, el terminal o polo negativo (-) indica por donde salen los electrones, mientras que por el positivo (+) es por donde ingresan los electrones. Al polo positivo se lo define como un punto o potencial positivo, ya que es el que ejerce una “fuerza” sobre los electrones, y el negativo como un punto o potencia de referencia en el cual no hay tensión (0 voltios). Por ejemplo, que una pila tenga una tensión de 1.5 V, significa que el polo positivo tiene un potencial de 1,5 V (1,5 V de “fuerza” para atraer a los electrones) respecto de una referencia, que en este caso es el terminal negativo. De ello procede el nombre diferencia de potencial.

Las instalaciones para generación y el transporte de la energía eléctrica utilizan generalmente corriente alterna, debido a que es más fácil reducir o elevar el voltaje por medio de transformadores.

El voltaje de esta corriente CA se aumenta enormemente por medio de transformadores hasta 400.000 voltios, para enviar electricidad a largas distancias a través de una red llamada red de transmisión. Cerca de su destino, los transformadores de cada subestación, reducen el voltaje a 110 o 220 voltios. Este bajo voltaje es luego distribuido a hogares y negocios. Las grandes fábricas generalmente tienen sus propios transformadores porque prefieren un voltaje alto. ¿Por qué se envía la electricidad a muy alta tensión?

Porque a bajo voltaje no puede transportarse económicamente ya que la corriente necesaria sería muy elevada y los cables se calentarían demasiado; por eso se la transforma en la llamada “alta tensión”, que en las convenciones actuales, por ejemplo en la Unión Europea, es de 380.000 voltios.

Como vimos en la Ley de Watt, la potencia total depende del voltaje y de la corriente. Por ejemplo, para suministrar a un pueblo una potencia de 380.000 vatios se podrían utilizar 120 voltios y 3.167 amperios; o bien 380.000 voltios y 1 solo amperio. Ahora bien, un cable que soporte 3.167 amperios sería muy grueso, pesado, caro, y se calentaría mucho más que otro solo que solo deba soportar 1 amperio. Es más fácil usar un cable bien aislado que uno muy grueso. ¿Por qué se usa corriente alterna en vez de continua?

La corriente continua no puede ser multiplicada ni dividida en forma económica y, por esta razón, siempre se distribuye corriente alterna. La corriente continua se obtiene hoy por rectificación de la corriente alterna, y solo se utiliza en electroquímica, en la tracción eléctrica local, o en equipos eléctricos y electrónicos pero a muy bajo voltaje.

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<15> La palabra en español es hercio, en nuestro idioma no existen hertz, ni hertzio. La Real Academia Española de la Lengua define así un hercio: (De H. R. Hertz, 1857-1894, físico alemán).

1. m. Fís. Unidad de frecuencia del Sistema Internacional, que equivale a la frecuencia de un fenómeno cuyo período es un segundo. (Símb. Hz). <16> Generalmente los aparatos de corriente continua no suelen incorporar protecciones frente a un eventual cambio de polaridad, lo que puede acarrear daños irreversibles en el aparato. Para evitarlo, y dado que la causa del problema es la colocación inadecuada de las baterías, es común que los aparatos incorporen un diagrama que muestre cómo deben colocarse; así mismo, los contactos se distinguen empleándose convencionalmente un muelle metálico para el polo negativo y una placa para el polo positivo. En los aparatos con baterías recargables, el transformador-rectificador suele tener una salida tal que la conexión con el aparato sólo puede hacerse de una determinada manera, impidiendo así la inversión de la polaridad.

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APÉNDICE

La generación de energía eléctrica en el mundo entero sigue dependiendo en gran parte de la quema diaria de cantidades ingentes de combustibles fósiles - petróleo, gas y carbón - que son sumamente contaminantes. Una de las amenazas más graves para el medio ambiente mundial procede de esta contaminación: las emisiones en rápido aumento de los denominados gases “de efecto invernadero”, en especial el dióxido de carbono (CO2) considerado por muchos científicos como el principal responsable del recalentamiento de la Tierra.

De hecho, en el último informe del Grupo Intergubernamental sobre Cambios Climáticos se advierte que, a menos que la comunidad mundial adopte de inmediato medidas drásticas para estabilizar y reducir las emisiones de gases de este tipo que retienen el calor, las temperaturas mundiales podrían aumentar como mínimo 1,5 grados centígrados de aquí a mediados del siglo, una tasa de incremento comparable al calentamiento que puso fin al último período glaciar y que podría tener efectos igualmente marcados para el nivel del mar y el clima. Entre las predicciones más alarmantes del informe están las siguientes: al cambiar los regímenes pluviométricos y térmicos podrían desaparecer ecosistemas enteros; enormes franjas de tierras densamente pobladas podrían inundarse al subir el nivel de los mares; y las sequías, inundaciones y tormentas podrían volverse más graves.

Aunque tal vez el Grupo Intergubernamental sobre Cambios Climáticos quiera presentar esta situación como la peor hipótesis, entre los científicos existe un consenso generalizado de que los crecientes volúmenes de las emisiones de gases de invernadero combinados con otras formas nocivas de contaminación atmosférica representan una amenaza considerable para la salud humana y la estabilidad ecológica mundial.

Los representantes venidos del mundo entero que se reunieron en el Brasil para la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo, celebrada en 1992, convinieron en principio en un conjunto de propuestas para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero. Los países más desarrollados se comprometieron a mantener en el año 2000 las emisiones atmosféricas en los niveles de 1990. Pero los progresos realizados desde dicha Cumbre para la Tierra han sido desiguales y en ciertos casos insignificantes. Las tasas de emisión de dióxido de carbono CO2 se han reducido solo ligeramente en algunos países industrializados - principalmente debido a la desaceleración de sus propias economías - y en la mayoría de los países en desarrollo han aumentado en forma considerable debido a la creciente demanda energética y a que se recurre a los combustibles fósiles contaminantes.

También es improbable que cambien las modalidades de consumo de los recursos por el hecho de que los combustibles fósiles se vuelvan más escasos o más caros. Según el Instituto de los Recursos Mundiales, la producción y el consumo de combustibles fósiles siguen en aumento en casi todas partes. Además, en la actualidad se estima que las reservas comprobadas de petróleo, gas natural y carbón pueden satisfacer respectivamente la demanda de los próximos 40, 60 y 230 años aproximadamente. En las dos próximas décadas, la India proyecta triplicar y China duplicar la utilización de carbón para consumo de electricidad.

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En un esfuerzo para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, algunos países optan actualmente por el gas natural, que desde el punto de vista económico es competitivo con respecto al petróleo y al carbón. Pero el consumo de gas natural produce también dióxido de carbono (aunque menos que el carbón o el petróleo) y, por otra parte, los escapes de metano durante la extracción, traslado y distribución de gas natural representan en su conjunto entre el 5 y el 10%, una magnitud que contrarresta con creces la ventaja de emisiones de CO2 más reducidas.

En vista de las perspectivas de un constante aumento del consumo de combustibles fósiles para la producción de electricidad y de la amenaza creciente para el medio ambiente mundial, la energía nucleoeléctrica (energía nuclear) puede desempeñar un papel importante para los países que necesitan crecientes suministros energéticos sin que aumenten las emisiones de gases de invernadero.

La producción mundial en los últimos 40 años aumentó más del 1300%: de 1 billón de kWh a 13 billones. El índice de producción refleja principalmente la importancia de las necesidades de las grandes potencias industriales. Estados Unidos ocupa el primer puesto, con más del 26 %, le siguen China con 8,5%, Japón con 7,40% y Rusia con 5,80%.

La electricidad de estos grandes productores es esencialmente de origen térmico, altamente contaminante: Estados Unidos con 70%, China con el 80%, Japón con el 59% y Rusia con el 66%. La electricidad de origen térmico representa un 63% de la producción mundial, le sigue la hidráulica con el 19%, la nuclear con el 17% y se produce solamente con un 1% con fuentes de energía eólica, solar y geotérmica.

Autor: Ramón. Viñetas publicadas en el diario EL MUNDO (Madrid)

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