La electricidad (del
griego ήλεκτρον elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno
físico cuyo origen son
las cargas
eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos,
entre otros.[1][2][3][4] Se puede observar de forma natural en fenómenos
atmosféricos, por ejemplo los rayos, que son descargas eléctricas producidas
por la transferencia de energía entre la ionosfera y la superficie terrestre
(proceso complejo del que los rayos solo forman una parte). Otros mecanismos
eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como el
funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas
máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como
los trenes de alta velocidad, y de todos los dispositivos electrónicos.[5] Además es esencial para la producción de
sustancias químicas como el aluminio y el cloro.
También se denomina electricidad
a la rama de la física que estudia las leyes que rigen el
fenómeno y a la rama de la tecnología que la usa en aplicaciones prácticas. Desde que,
en 1831, Faraday descubriera la forma de producir corrientes
eléctricas por inducción —fenómeno que permite transformar energía
mecánica en energía eléctrica— se ha convertido en una de las formas de energía
más importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facilidad de generación
y distribución y a su gran número de aplicaciones.
La electricidad
en una de sus manifestaciones naturales: el relámpago.
La electricidad es originada por
las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento, y las interacciones entre
ellas. Cuando varias cargas eléctricas están en reposo relativo se ejercen
entre ellas fuerzas
electrostáticas. Cuando
las cargas eléctricas están en movimiento relativo se ejercen también fuerzas
magnéticas. Se conocen
dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Los átomos que conforman
la materia contienen partículas
subatómicas positivas
(protones), negativas (electrones) y neutras (neutrones). También hay partículas
elementales cargadas que
en condiciones normales no son estables, por lo que se manifiestan sólo en
determinados procesos como los rayos cósmicos y las desintegraciones
radiactivas.[6] La electricidad y el magnetismo
son dos aspectos diferentes de un mismo fenómeno físico, denominado electromagnetismo, descrito matemáticamente por las ecuaciones
de Maxwell. El movimiento
de una carga eléctrica produce un campo magnético, la variación de un campo magnético produce un campo eléctrico y el movimiento acelerado de cargas eléctricas
genera ondas
electromagnéticas (como
en las descargas de rayos que pueden escucharse en los receptores de radio AM).[7] Debido a las crecientes
aplicaciones de la electricidad como vector
energético, como base de
las telecomunicaciones y para el procesamiento de información, uno de los
principales desafíos contemporáneos es generarla de modo más eficiente y con el
mínimo impacto
ambiental.
Historia
de la electricidad
Michael
Faraday relacionó el
magnetismo con la electricidad.
La historia de la electricidad
como rama de la física comenzó con observaciones aisladas y simples
especulaciones o intuiciones médicas, como el uso de peces eléctricos en
enfermedades como la gota y el dolor de cabeza, u objetos arqueológicos de
interpretación discutible (la batería de
Bagdad).[8]Tales de Mileto fue el primero en observar los fenómenos
eléctricos cuando, al frotar una barra de ámbar con un paño, notó que la barra
podía atraer objetos livianos.[2][4]
Mientras la electricidad era
todavía considerada poco más que un espectáculo de salón, las primeras
aproximaciones científicas al fenómeno fueron hechas en los siglos XVII y XVIII
por investigadores sistemáticos como Gilbert, von Guericke, Henry Cavendish, Du Fay, van
Musschenbroek y Watson. Estas observaciones empiezan a dar sus frutos
con Galvani, Volta, Coulomb y Franklin, y, ya a comienzos del siglo XIX, con Ampère, Faraday y Ohm. No obstante, el desarrollo de una teoría que unificara la electricidad
con el magnetismo como dos manifestaciones de un mismo fenómeno no se alcanzó
hasta la formulación de las ecuaciones de Maxwell (1861-1865).
Los desarrollos tecnológicos que
produjeron la primera revolución industrial no hicieron uso de la electricidad. Su primera aplicación práctica
generalizada fue el telégrafo
eléctrico de Samuel Morse (1833), que revolucionó las telecomunicaciones. La generación masiva de electricidad
comenzó cuando, a fines del siglo XIX, se extendió la iluminación eléctrica de
las calles y las casas. La creciente sucesión de aplicaciones que esta
disponibilidad produjo hizo de la electricidad una de las principales fuerzas
motrices de la segunda revolución industrial. Más que de grandes teóricos, como Lord Kelvin, fue éste el momento de grandes inventores como Gramme, Westinghouse, von
Siemens y Alexander
Graham Bell. Entre ellos
destacaron Nikola Tesla y Thomas
Alva Edison, cuya
revolucionaria manera de entender la relación entre investigación y mercado
capitalista convirtió la
innovación tecnológica en una actividad industrial. Tesla, un inventor
serbio-americano, descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882,
que es la base de la maquinaria de corriente alterna. También inventó el
sistema de motores y generadores de corriente alterna polifásica que da energía a la sociedad moderna.
El alumbrado artificial modificó
la duración y distribución horaria de las actividades individuales y sociales,
de los procesos
industriales, del
transporte y de las telecomunicaciones. Lenin definió el socialismo como la suma de la electrificación y el
poder de los soviets.[9] La sociedad
de consumo que se creó en
los países capitalistas dependió (y depende) en gran medida del uso doméstico
de la electricidad.
El desarrollo de la mecánica
cuántica durante la
primera mitad del siglo XX sentó las bases para la comprensión del
comportamiento de los electrones en los diferentes materiales. Estos saberes,
combinados con las tecnologías desarrolladas para las transmisiones de radio,
permitieron el desarrollo de la electrónica, que alcanzaría su auge con la invención del transistor. El perfeccionamiento, la miniaturización, el
aumento de velocidad y la disminución de costo de las computadoras durante la segunda mitad del siglo XX fue posible
gracias al buen conocimiento de las propiedades eléctricas de los materiales semiconductores. Esto fue esencial para la conformación de la sociedad
de la información de la tercera revolución industrial, comparable en importancia con la generalización del uso de los
automóviles.
Los problemas de almacenamiento
de electricidad, su transporte a largas distancias y la autonomía de los
aparatos móviles alimentados por electricidad todavía no han sido resueltos de
forma eficiente. Asimismo, la multiplicación de todo tipo de aplicaciones
prácticas de la electricidad ha sido —junto con la proliferación de los motores
alimentados con destilados del petróleo— uno de los factores de la crisis energética de
comienzos del siglo XXI. Esto ha planteado la necesidad de nuevas fuentes
de energía, especialmente
las renovables.
Electrostática
y electrodinámica
La electrostática es la rama de
la física que estudia los fenómenos resultantes de la distribución de cargas
eléctricas en reposo, esto es, del campo
electrostático.[1] Los fenómenos electrostáticos son conocidos desde
la antigüedad. Los griegos del siglo V a. C. ya sabían que al frotar
ciertos objetos estos adquirían la propiedad de atraer cuerpos livianos. En
1785 el físico francés Charles Coulomb publicó un tratado donde cuantificaba
las fuerzas de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas y
describía, por primera vez, cómo medirlas usando una balanza de torsión. Esta
ley se conoce en su honor con el nombre de ley de Coulomb.
Durante el siglo XIX se
generalizaron las ideas de Coulomb, se introdujo el concepto de campo eléctrico y potencial
eléctrico, y se formuló
la ecuación
de Laplace, que determina
el potencial eléctrico en el caso electrostático. Se produjeron también avances
significativos en la electrodinámica, que estudia los fenómenos eléctricos
producidos por cargas en movimiento. En estos fenómenos aparecen asimismo
campos magnéticos, que pueden ser ignorados en el caso de circuitos con corriente eléctrica estacionaria, pero deben ser tomados en cuenta en el caso de circuitos de corriente
alterna.
Carga
eléctrica
La carga eléctrica es una
propiedad que poseen algunas partículas
subatómicas y que se
manifiesta mediante las fuerzas observadas entre ellas. La materia
cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a
su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la
fuente de una de las cuatro interacciones fundamentales, la interacción electromagnética. La partícula que transporta la información de estas interacciones es el fotón. Estas fuerzas son de alcance infinito y no se manifiestan de forma inmediata,
sino que tardan un tiempo , donde es la velocidad
de la luz en el medio en
el que se transmite y la distancia entre las cargas. Las dos partículas elementales
cargadas que existen en la materia y que se encuentran de forma natural en la
Tierra son el electrón y el protón, aunque pueden encontrarse otras partículas cargadas procedentes del
exterior (como los muones o los piones). Todos los hadrones (como el protón y el neutrón) además,
están constituidos por partículas cargadas más pequeñas llamadas quarks, sin embargo estas no pueden encontrarse libres en la naturaleza. Cuando un átomo gana o pierde un
electrón, queda cargado eléctricamente. A estos átomos cargados se les denomina
iones.
Fuerza
entre cargas
Coulomb fue el primero en
determinar, en 1785, el valor de las fuerzas ejercidas entre cargas eléctricas.[12] Usando una balanza
de torsión determinó que
la magnitud de la fuerza con que se atraen o repelen dos cargas eléctricas
puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de las magnitudes
de cada carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las
separa.[13]
donde y son las cargas, es la distancia que las separa y la constante de
proporcionalidad k depende del sistema de unidades.
Una propiedad fundamental de
estas fuerzas es el principio
de superposición que
establece que, cuando hay varias cargas , la fuerza resultante sobre una cualquiera de
ellas es la suma vectorial de las fuerzas ejercidas por todas las demás. La
fuerza ejercida sobre la carga puntual en reposo está dada en el SI por:
donde denota el vector que une la carga con la carga .
Cuando las cargas están en
movimiento aparecen también fuerzas magnéticas. La forma más sencilla de
describir el fenómeno es con el uso de campos eléctrico () y magnético (), de los que a su vez se pueden derivar las
fuerzas a partir de la fórmula de Lorentz:
En el caso general de cargas
distribuidas de manera arbitraria, no es posible escribir expresiones
explícitas de las fuerzas. Hay que resolver las ecuaciones de Maxwell, calcular
los campos y derivar las fuerzas a partir de las expresiones de la energía
electromagnética.[14]
Campos
eléctrico y magnético
Los campos eléctrico y magnético , son campos vectoriales caracterizables en cada punto del espacio
y cada instante del tiempo por un módulo, una dirección y un sentido. Una
propiedad fundamental de estos campos es el principio
de superposición, según
el cual el campo resultante puede ser calculado como la suma vectorial de los
campos creados por cada una de las cargas eléctricas.
Se obtiene una descripción
sencilla de estos campos dando las líneas de fuerza o de campo, que son curvas tangentes a la
dirección de los vectores de campo. En el caso del campo eléctrico, esta línea
corresponde a la trayectoria que seguiría una carga sin masa que se encuentre
libre en el seno del campo y que se deja mover muy lentamente.
Electromagnetismo
Se denomina electromagnetismo
a la teoría física que unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una
sola teoría, cuyos fundamentos son obra de Faraday, pero fueron formulados por
primera vez de modo completo por Maxwell. La formulación consiste en cuatro
ecuaciones diferenciales vectoriales, conocidas como ecuaciones
de Maxwell, que
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 siglo XIX Ørsted encontró evidencia empírica de que los
fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. A partir de esa base Maxwell unificó en 1861 los trabajos de físicos
como Ampère, Sturgeon, Henry, Ohm y Faraday, en un conjunto de ecuaciones que describían
ambos fenómenos como uno solo, el fenómeno electromagnético.[11]
Se trata de una teoría de campos; las explicaciones y predicciones que
provee se basan en magnitudes físicas vectoriales y son dependientes de la posición en el espacio y
del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos
en los que intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para
ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre la materia. Para la
descripción de fenómenos a nivel molecular, atómico o corpuscular, es necesario
emplear las expresiones clásicas de la energía electromagnética conjuntamente
con las de la mecánica
cuántica.
Potencial
y tensión eléctrica
Se denomina tensión eléctrica o
voltaje a la energía
potencial por unidad de
carga que está asociada a un campo electrostático. Su unidad de medida en el SI
son los voltios.[17] A la diferencia de energía potencial entre dos
puntos se le denomina voltaje. Esta tensión puede ser vista como si fuera una
"presión eléctrica" debido a que cuando la presión es uniforme no
existe circulación de cargas y cuando dicha "presión" varía se crea un
campo eléctrico que a su vez genera fuerzas en las cargas eléctricas.
Matemáticamente, la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos A
y B es la integral
de línea del campo
eléctrico:
Generalmente se definen los
potenciales referidos a un punto inicial dado. A veces se escoge uno situado
infinitamente lejos de cualquier carga eléctrica. Cuando no hay campos
magnéticos variables, el valor del potencial no depende de la trayectoria usada
para calcularlo, sino únicamente de sus puntos inicial y final. Se dice
entonces que el campo eléctrico es conservativo. En tal caso, si la
carga eléctrica q tan pequeña que no modifica significativamente , la diferencia de potencial eléctrico entre dos
puntos A y B será el trabajo W por unidad de carga, que
debe ejercerse en contra del campo eléctrico para llevar q desde B hasta A.
Es decir:
Otra de las formas de expresar la
tensión entre dos puntos es en función de la intensidad de corriente y la
resistencia existentes entre ellos. Así se obtiene uno de los enunciados de la ley de Ohm:
En el caso de campos no
estacionarios el campo eléctrico no es conservativo y la integral de línea del
campo eléctrico contiene efectos provenientes de los campos magnéticos
variables inducidos o aplicados, que corresponden a una fuerza
electromotriz inducida
(f.e.m.), que también se mide en voltios.
La fuerza electromotriz, cuyo
origen es la inyección de energía externa al circuito, permite mantener una
diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir
una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Esta energía puede
representarse por un campo de origen externo cuya circulación (integral de
línea sobre una trayectoria cerrada C) define la fuerza electromotriz del
generador. Esta expresión corresponde el trabajo que el generador realiza para
forzar el paso por su interior de una carga, del polo negativo al positivo (es
decir, en contra de las fuerzas eléctricas), dividido por el valor de dicha
carga. El trabajo así realizado puede tener origen mecánico
(dínamo), químico (batería), térmico (efecto
termoeléctrico) o de otro
tipo.
Conductividad
y resistividad
La conductividad eléctrica es la
propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas
pueden moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico. La
resistividad es una magnitud inversa a la conductividad, aludiendo al grado de
dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos, dando una idea
de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el
material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen
conductor. Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la
temperatura, mientras que la de los semiconductores disminuye ante el aumento
de la temperatura.
Los materiales se clasifican
según su conductividad eléctrica o resistividad en conductores, dieléctricos, semiconductores y superconductores.
Conductores
eléctricos. Son los
materiales que, puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad,
transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores
conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros
materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la
electricidad, como son el grafito, las soluciones salinas (por ejemplo, el
agua de mar) y cualquier material en estado de plasma. Para el transporte
de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso
doméstico o industrial, el metal más empleado es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos.
Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad
eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material
mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de
energía eléctrica en las redes de alta tensión. Para aplicaciones
especiales se utiliza como conductor el oro.[18]
La conductividad eléctrica del
cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta
magnitud, estableciendo el International Annealed Copper Standard
(Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta definición, la
conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual a 0,58108 S/m.[19] A este valor se lo denomina 100% IACS, y la
conductividad del resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje
de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a
100% IACS, pero existen excepciones como la plata o los cobres especiales de muy alta conductividad, designados C-103 y
C-110.[20]
Dieléctricos. Son los materiales que no conducen la
electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes. Algunos ejemplos de este tipo de
materiales son vidrio, cerámica, plásticos, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana, algunas grasas para uso industrial y
electrónico y la baquelita. Aunque no existen materiales
absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores,
son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos (forrando con ellos los conductores
eléctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los
sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran
en tensión, pueden producir una descarga) y para
confeccionar aisladores (elementos utilizados en las redes de distribución
eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto
eléctrico). Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo
ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, es aislante
a temperatura ambiente pero, bajo condiciones de frecuencia de la señal y
potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.
La conductividad se designa por
la letra griega sigma minúscula () y se mide en siemens por metro, mientras que la resistividad se designa por la letra griega rho
minúscula (ρ) y se mide en ohms por metro (Ω•m, a veces también en Ω•mm²/m).
La ley de Ohm describe la
relación existente entre la intensidad de corriente que circula por un
circuito, la tensión de esa corriente eléctrica y la resistencia que ofrece el
circuito al paso de dicha corriente: la diferencia de potencial (V) es
directamente proporcional a la intensidad de corriente (I) y a la
resistencia (R). Se describe mediante la fórmula:
Esta definición es válida para la
corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos
resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la
oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia.
Corriente
eléctrica
Se denomina corriente eléctrica
al flujo de carga eléctrica a través de un material sometido a una diferencia
de potencial.
Históricamente, se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el
sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas
desde el polo positivo al negativo. Sin embargo, posteriormente se observó,
gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de
carga son electrones, con carga negativa, y se desplazan en sentido contrario
al convencional.
A partir de la corriente
eléctrica se definen dos magnitudes: la intensidad y la densidad de corriente.
El valor de la intensidad de corriente que atraviesa un circuito es
determinante para calcular la sección de los elementos conductores del mismo.
La intensidad de corriente (I) en una sección dada de un
conductor (s) se define como la carga eléctrica (Q) que
atraviesa la sección en una unidad de tiempo (t):
. Si la intensidad de corriente es
constante, entonces
La densidad
de corriente (j)
es la intensidad de corriente que atraviesa una sección por unidad de
superficie de la sección (S).
Corriente
continua
Rectificador de
corriente alterna en continua, con puente de Gratz. Se emplea cuando la tensión
de salida tiene un valor distinto de la tensión de entrada.
Se denomina corriente continua
(CC en español, en inglés DC, de Direct Current) al flujo de cargas
eléctricas que no cambia de sentido con el tiempo. La corriente eléctrica a
través de un material se establece entre dos puntos de distinto potencial. Cuando
hay corriente continua, los terminales de mayor y menor potencial no se
intercambian entre sí. Es errónea la identificación de la corriente continua
con la corriente constante (ninguna lo es, ni siquiera la suministrada por una
batería). Es continua toda corriente cuyo sentido de circulación es siempre el
mismo, independientemente de su valor absoluto.
Su descubrimiento se remonta a la
invención de la primera pila voltaica por parte del conde y científico italiano Alessandro Volta. No fue hasta los trabajos de Edison sobre la
generación de electricidad, en las postrimerías del siglo XIX, cuando 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,
que presenta menores pérdidas en la transmisión a largas distancias, si bien se
conserva en la conexión de redes eléctricas de diferentes frecuencias y en la
transmisión a través de cables submarinos.
Desde 2008 se está extendiendo el
uso de generadores de corriente continua a partir de células
fotoeléctricas que
permiten aprovechar la energía solar.
Cuando es necesario disponer de
corriente continua para el funcionamiento de aparatos electrónicos, se puede
transformar la corriente alterna de la red de suministro eléctrico mediante un
proceso, denominado rectificación, que se realiza con unos dispositivos
llamados rectificadores, basados en el empleo de diodos semiconductores o tiristores (antiguamente, también de tubos de
vacío).[21]
Corriente
alterna
Onda senoidal.
Voltaje de las
fases de un sistema trifásico. Entre cada una de las fases hay un desfase de
120º.
Esquema de
conexión.
Conexión en triángulo
y en estrella.
Se denomina corriente alterna
(simbolizada CA en español y AC en inglés, de Alternating Current) a la
corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La
forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una
onda sinoidal.[22] En el uso coloquial, "corriente alterna" se refiere a la
forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas.
El sistema usado hoy en día fue
ideado fundamentalmente por Nikola Tesla, y la distribución de la corriente alterna fue
comercializada por George
Westinghouse. Otros que
contribuyeron al desarrollo y mejora de este sistema fueron Lucien Gaulard, John Gibbs y Oliver Shallenger entre los años 1881 y 1889. La corriente alterna
superó las limitaciones que aparecían al emplear la corriente continua (CC), la
cual constituye un sistema ineficiente para la distribución de energía a gran
escala debido a problemas en la transmisión de potencia.
La razón del amplio uso de la
corriente alterna, que minimiza los problemas de trasmisión de potencia, viene
determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que carece la
corriente continua. La energía
eléctrica trasmitida
viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el
tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de
energía eléctrica depende de la intensidad, se puede, mediante un transformador, modificar el voltaje hasta altos valores (alta
tensión), disminuyendo en
igual proporción la intensidad de corriente. Esto permite que los conductores
sean de menor sección y, por tanto, de menor costo; además, minimiza las
pérdidas por efecto Joule, que dependen del cuadrado de la
intensidad. Una vez en el punto de consumo o en sus cercanías, el voltaje puede
ser de nuevo reducido para permitir su uso industrial o doméstico de forma
cómoda y segura.
Las frecuencias empleadas en las
redes de distribución son 50 y 60 Hz. El valor depende del país.
Corriente
trifásica
Se denomina corriente trifásica
al conjunto de tres corrientes alternas de igual frecuencia, amplitud y valor eficaz que presentan una diferencia de fase entre ellas
de 120°, y están dadas en un orden determinado. Cada una de las corrientes que
forman el sistema se designa con el nombre de fase.
La generación trifásica de
energía eléctrica es más común que la monofásica y proporciona un uso más
eficiente de los conductores. La utilización de electricidad en forma trifásica
es mayoritaria para transportar y distribuir energía eléctrica y para su
utilización industrial, incluyendo el accionamiento de motores. Las corrientes
trifásicas se generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o grupos de bobinas,
arrolladas en un sistema de tres electroimanes equidistantes angularmente entre
sí.
Los conductores de los tres
electroimanes pueden conectarse en estrella o en triángulo. En la disposición
en estrella cada bobina se conecta a una fase en un extremo y a un conductor
común en el otro, denominado neutro. Si el sistema está equilibrado, la
suma de las corrientes de línea es nula, con lo que el transporte puede ser
efectuado usando solamente tres cables. En la disposición en triángulo o delta
cada bobina se conecta entre dos hilos de fase, de forma que un extremo de cada
bobina está conectado con otro extremo de otra bobina.
El sistema trifásico presenta una
serie de ventajas, tales como la economía de sus líneas de transporte de
energía (hilos más finos que en una línea monofásica equivalente) y de los
transformadores utilizados, así como su elevado rendimiento de los receptores,
especialmente motores, a los que la línea trifásica alimenta con potencia
constante y no pulsada, como en el caso de la línea monofásica.
Tesla fue el inventor que
descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882, el cual es la
base de la maquinaria de corriente alterna. Él inventó el sistema de motores y
generadores de corriente alterna polifásica que da energía al planeta.[23]
Corriente
monofásica
Se denomina corriente monofásica
a la que se obtiene de tomar una fase de la corriente trifásica y un cable
neutro. En España y demás países que utilizan valores similares para la
generación y trasmisión de energía eléctrica, este tipo de corriente facilita
una tensión de 230 voltios, lo que la hace apropiada para que puedan funcionar
adecuadamente la mayoría de electrodomésticos y luminarias que hay en las
viviendas.
Desde el centro de transformación
más cercano hasta las viviendas se disponen cuatro hilos: un neutro (N) y tres
fases (R, S y T). Si la tensión entre dos fases cualesquiera (tensión de línea)
es de 400 voltios, entre una fase y el neutro es de 230 voltios. En cada
vivienda entra el neutro y una de las fases, conectándose varias viviendas a
cada una de las fases y al neutro; esto se llama corriente monofásica. Si en
una vivienda hay instalados aparatos de potencia eléctrica alta (aire
acondicionado, motores, etc., o si es un taller o una empresa industrial)
habitualmente se les suministra directamente corriente trifásica que ofrece una
tensión de 400 voltios.
Instrumentos de medida
Se denominan instrumentos de
medidas de electricidad a todos los dispositivos que se utilizan para medir las magnitudes
eléctricas y asegurar así el buen funcionamiento de las instalaciones y
máquinas eléctricas. La mayoría son aparatos portátiles de mano y se utilizan
para el montaje; hay otros instrumentos que son conversores de medida y otros
métodos de ayuda a la medición, el análisis y la revisión. La obtención de
datos cobra cada vez más importancia en el ámbito industrial, profesional y
privado. Se demandan, sobre todo, instrumentos de medida prácticos, que operen
de un modo rápido y preciso y que ofrezcan resultados durante la medición.
Galvanómetro
Los galvanómetros son aparatos
que se emplean para indicar el paso de corriente
eléctrica por un circuito
y para la medida precisa de su intensidad. Suelen
estar basados en los efectos magnéticos o térmicos causados por el paso de la
corriente.
En un galvanómetro de imán móvil
la aguja indicadora está asociada a un imán que se encuentra situado en el
interior de una bobina por la que circula la corriente que tratamos de medir y
que crea un campo
magnético que,
dependiendo del sentido de la misma, produce una atracción o repulsión del imán
proporcional a la intensidad de dicha corriente.
En el caso de los galvanómetros
térmicos, lo que se pone de manifiesto es el alargamiento producido al
calentarse, por el Efecto Joule, al paso de la corriente, un hilo muy
fino arrollado a un cilindro solidario con la aguja indicadora.
Amperímetros
Un amperímetro es un instrumento
que sirve para medir la intensidad de corriente que está circulando por un
circuito eléctrico.[42] En su diseño original los amperímetros están
constituidos, en esencia, por un galvanómetro cuya escala ha sido graduada en amperios. En la
actualidad, los amperímetros utilizan un conversor analógico/digital para la medida de la caída de tensión sobre un resistor por el que circula la corriente a medir. La lectura del conversor es leída
por un microprocesador que realiza los cálculos para presentar
en un display numérico el valor de la corriente circulante.
Para efectuar la medida de la
intensidad de la corriente circulante el amperímetro ha de colocarse en serie, para que sea atravesado por dicha
corriente. Esto lleva a que el amperímetro debe poseer una resistencia interna
lo más pequeña posible, a fin de que no produzca una caída de tensión
apreciable. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos
electromagnéticos de la corriente eléctrica, están dotados de bobinas de hilo
grueso y con pocas espiras.
Voltímetros
Un voltímetro es un instrumento
que sirve para medir la diferencia
de potencial o voltaje
entre dos puntos de un circuito eléctrico cerrado pero a la vez abierto en los
polos. Los voltímetros se clasifican por su funcionamiento mecánico, siendo en
todos los casos el mismo instrumento:
Voltímetros electromecánicos: en
esencia, están constituidos por un galvanómetro cuya escala ha sido
graduada en voltios. Existen modelos que separan las corrientes continua y
alterna de la señal, pudiendo medirlas independientemente.
Voltímetros electrónicos: añaden un amplificador para proporcionar mayor impedancia de entrada y mayor sensibilidad.
Voltímetros vectoriales: se utilizan
con señales de microondas. Además del módulo de la tensión dan una
indicación de su fase.
Voltímetros digitales: dan una
indicación numérica de la tensión, normalmente en una pantalla tipo LCD.
Suelen tener prestaciones adicionales como memoria, detección de valor de
pico, verdadero valor eficaz (RMS), selección automática de rango y otras
funcionalidades.
Para efectuar la medida de la
diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse en paralelo, esto es, en derivación sobre los puntos
entre los que se trata de efectuar la medida. Para ello, en el caso de
instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente
eléctrica, están dotados de bobinas de hilo muy fino y con muchas espiras, con
lo que con poca intensidad de corriente a través del aparato se consigue la
fuerza necesaria para el desplazamiento de la aguja indicadora.[43]
Óhmetro
Un óhmetro u ohmímetro es un instrumento
para medir la resistencia
eléctrica. El diseño de
un óhmetro se compone de una pequeña batería para aplicar un voltaje a la
resistencia bajo medida, para luego mediante un galvanómetro medir la corriente
que circula a través de la resistencia. La escala del galvanómetro está
calibrada directamente en ohmios, ya que en aplicación de la ley de Ohm,
al ser el voltaje de la batería fijo, la intensidad circulante a través del
galvanómetro sólo va a depender del valor de la resistencia bajo medida, esto
es, a menor resistencia mayor intensidad de corriente y viceversa.
Existen también otros tipos de
óhmetros más exactos y sofisticados, en los que la batería ha sido sustituida
por un circuito que genera una corriente de intensidad constante I, la cual se
hace circular a través de la resistencia R bajo prueba. Un óhmetro de precisión
tiene cuatro terminales, denominados contactos Kelvin. Dos terminales llevan la
corriente constante desde el medidor a la resistencia, mientras que los otros
dos permiten la medida del voltaje directamente entre terminales de la misma,
con lo que la caída de tensión en los conductores que aplican dicha corriente
constante a la resistencia bajo prueba no afecta a la exactitud de la medida.[44]
Multímetro
Un multímetro, llamado también
polímetro o tester, es un instrumento que ofrece la posibilidad de medir
distintas magnitudes en el mismo aparato. Las más comunes son las de
voltímetro, amperímetro y óhmetro. Es utilizado frecuentemente por el personal
técnico en toda la gama de electrónica y electricidad. Existen distintos
modelos que incorporan además de las tres funciones básicas antes citadas otras
mediciones importantes, tales como medida de inductancias y capacitancias; comprobador de diodos y transistores; o escalas y zócalos para la medida de temperatura mediante termopares normalizados.
También hay multímetros con
funciones avanzadas que permiten: generar y detectar la frecuencia
intermedia de un aparato,
así como un circuito amplificador con altavoz para ayudar en la sintonía de circuitos de estos aparatos; el seguimiento
de la señal a través de todas las etapas del receptor bajo prueba; realizar la
función de osciloscopio por encima del millón de muestras por segundo en
velocidad de barrido, y muy alta resolución; sincronizarse con otros instrumentos de
medida, incluso con otros multímetros, para hacer medidas de potencia puntual
(potencia = voltaje * intensidad); utilizarse como aparato telefónico, para
poder conectarse a una línea telefónica bajo prueba, mientras se efectúan
medidas por la misma o por otra adyacente; realizar comprobaciones de circuitos
de electrónica del automóvil y grabación de ráfagas de alto o bajo voltaje.
Este instrumento de medida por su
precio y su exactitud sigue siendo el preferido del aficionado o profesional en
electricidad y electrónica. Hay dos tipos de multímetros: analógicos y
digitales.
Osciloscopio
Se denomina osciloscopio a un instrumento
de medición electrónico
para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el
tiempo, que permite visualizar fenómenos transitorios así como formas de ondas
en circuitos eléctricos y electrónicos y mediante su análisis se puede
diagnosticar con facilidad cuáles son los problemas del funcionamiento de un
determinado circuito. Es uno de los instrumentos de medida y verificación
eléctrica más versátiles que existen y se utiliza en una gran cantidad de
aplicaciones técnicas. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos,
si va provisto del transductor adecuado.
El osciloscopio presenta los
valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en
la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical)
representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada "eje Z" que controla la
luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la
traza. El funcionamiento del osciloscopio está basado en la posibilidad de
desviar un haz de electrones por medio de la creación de campos eléctricos y
magnéticos. Las dimensiones de la pantalla del TRC están actualmente
normalizadas en la mayoría de instrumentos, a 10 cm en el eje horizontal (X)
por 8 cm en el eje vertical (Y).
El osciloscopio se fabrica bajo
muchas formas distintas, no sólo en cuanto al aspecto puramente físico sino en
cuanto a sus características internas y por tanto a sus prestaciones y
posibilidades de aplicación de las mismas. Existen dos tipos de osciloscopios:
analógicos y digitales. Los analógicos trabajan con variables continuas
mientras que los digitales lo hacen con variables discretas. Ambos tipos tienen
sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es
prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo
real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y
estudiar eventos no repetitivos, como picos de tensión que se producen
aleatoriamente.
Analizador
de espectro
Un analizador de espectro es un equipo de medición electrónica que permite visualizar en una pantalla las componentes
espectrales de las
señales presentes en la entrada, pudiendo ser éstas cualquier tipo de ondas
eléctricas, acústicas u ópticas.
En el eje de ordenadas suele
presentarse en una escala logarítmica el nivel en dB del contenido espectral de la señal. En el eje de abscisas se representa
la frecuencia, en una escala que es función de la separación
temporal y el número de muestras capturadas. Se denomina frecuencia central
del analizador a la que corresponde con la frecuencia en el punto medio de la
pantalla. A menudo se mide con ellos el espectro de la potencia eléctrica.[45]
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