Diapositiva 1: Electricidad Básica

Diapositiva 2: Introducción

Diapositiva 3:

Fue en el año 600 a.C. cuando el filósofo griego, Tales de Mileto (640-546 a.C.), llevó a cabo las primeras observaciones de los fenómenos eléctricos, al frotar un pedazo de ámbar con tela de seda y descubrir que adquiría la propiedad de atraer objetos. Esto es posible en nuestros días, frotando un pedazo de plástico con un paño y al acercarlo a pedazos de papel los atrae, lo cual es característico en

un cuerpo electrizado.

Diapositiva 4:

El filósofo griego Theophrastus (374-287 a.C.) estableció en un tratado científico de electricidad que otros cuerpos, además del ámbar y la seda, tenían la propiedad de atraer objetos pequeños. Sin embargo, no fue sino hasta el año de 1600, que William Gilbert, un médico británico, utilizó el término eléctrico (del griego elektron que significa “ámbar”) para referirse a la fuerza que ejerce una sustancia cargada, y también descubrió la diferencia entre las acciones magnética y eléctrica.

Fueron innumerables los científicos quienes, con sus aportaciones y descubrimientos, establecieron las bases teórico-prácticas, que en el siglo XIX culminaron en la generación, aprovechamiento y distribución de las primeras redes de suministro eléctrico hacia los hogares y la industria.

Diapositiva 5:

En la actualidad sería difícil concebir una ciudad o población, por pequeña que sea, que no requiera de energía eléctrica en: calefacción, ventilación, horno de microondas, televisión, planchas, lavadoras, licuadoras, escaleras eléctricas, refrigeradores, tornos, taladros, incubadoras, alumbrado público, etc.

La electricidad ha sido ampliamente estudiada, ya que una de sus características es que puede ser transportada a grandes distancias para utilizarla donde sea necesario, en las fábricas, escuelas, centro comerciales, parques industriales, campo y un sinnúmero de lugares.

Otra importante razón para el empleo de la electricidad como fuente de energía, es que está libre de productos derivados de la combustión como cenizas, humo y emanaciones que dañan la atmósfera. Para su correcto uso y

ÓrbitasNiveles

Electrones (-)

Protones (+)

aprovechamiento es necesario conocer las leyes que rigen la corriente eléctrica y su relación con el magnetismo y la manera de producir y obtener efectos electromecánicos y electroquímicos.

Diapositiva 6: Estructura del átomo

De acuerdo con la Teoría Electrónica, todos los fenómenos eléctricos tienen su origen en el movimiento o flujo de electrones de un lugar a otro, o la carencia o exceso de éstos en un lugar y tiempo dados. Véase la Figura 1a referente a la estructura del átomo.

Figura 1. Estructura del átomo. a) Modelo atómico de Borh, b) Estructura interna del átomo.

Diapositiva 7: Todo lo que nos rodea está formado por partículas elementales llamadas moléculas. Éstas a su vez están integradas por átomos. A la fecha sólo se han detectado poco más de cien átomos diferentes correspondientes a los elementos de la tabla periódica. El átomo constituye la porción más pequeña de la materia y está formado por un núcleo donde se encuentran otras partículas, como los protones y los neutrones. Véase la Figura 1b. A continuación se detallan las características principales de las partículas del átomo:

Los protones tienen masa y carga eléctrica positiva, es decir, una fuerza de atracción hacia afuera. El número de protones de un elemento se denomina número atómico. No participan activamente en la producción de energía eléctrica.

Los neutrones tienen masa, pero no tienen carga eléctrica. No participan activamente en la producción de energía eléctrica.

La masa de los electrones generalmente se desprecia, ya que es infinitamente pequeña comparada con los protones, y tienen carga eléctrica negativa, la fuerza de atracción es hacia adentro. Participan activamente en la producción de energía eléctrica.

Diapositiva 8:

a) b)

Ión positivo

Electrón libre

hueco

Átomo neutro

Diapositiva 9:

Figura 3. Estructura del átomo.

Alrededor del núcleo giran en órbitas los electrones cargados negativamente. Véase la Figura 3. En cada átomo existen igual número de electrones que de protones, por lo que se dice que es eléctricamente neutro o en está en equilibrio.

Diapositiva 10:

Existen algunos fenómenos físicos que consiguen arrancar un electrón de su órbita más externa al núcleo, la cual le representa una menor fuerza de atracción con respecto a los electrones, ubicados en las órbitas más cercanas al núcleo. Cuando un átomo pierde un electrón, queda una ausencia o hueco, por lo que el átomo se convierte en un ión positivo, es decir, queda cargado positivamente al haber un mayor número de protones (+) que de electrones (-).

Por el contrario, si el átomo gana uno o más electrones, se convierte en un ión negativo, ya que queda con cargado negativa.

Una vez que se produce el abandono del electrón, el hueco con carga positiva tiende a atraer los electrones de los átomos adyacentes, de este modo se desencadena una cascada de electrones arrancados de los átomo adyacentes, que propicia un flujo de electrones.

Diapositiva 11:

Figura 4. Origen del flujo de electrones.

Neutrones

Diapositiva 12:

En cada porción de materiales existentes en el Universo se halla electricidad en estado latente. Sin embargo, en tanto los átomo permanezcan en equilibrio, esta electricidad no puede ser liberada ni aprovechada para fines prácticos.

Para que esto ocurra, es necesario aplicar una fuente de energía externa a un grupo de átomos, de modo que los electrones tengan la energía necesaria para superar la fuerza de atracción que ejerce el núcleo y los mantenga girando en la órbita más externa del átomo o nivel de valencia, en la cual se ubican los electrones de valencia. Cuando los electrones son arrancados, se convierten en electrones libres y son los que generan la corriente eléctrica.

Diapositiva 13:

Las propiedades físicas y químicas de un elemento se definen por el número de electrones ubicados en el nivel de valencia. De acuerdo con el número de electrones de valencia, los elementos se clasifican como sigue:

Elementos con menos de cuatro electrones de valencia se denominan conductores. Estos tienden a equilibrarse cediendo electrones, lo que origina electrones libres. Por ejemplo, metales conductores como el oro, la plata, cobre, etc.

Elementos con más de cuatro electrones de valencia se llaman aislantes, dado que para lograr el equilibrio en este nivel tienden a ganar electrones, y el número de electrones libres es muy reducido.

Elementos con cuatro electrones de valencia se conocen como semiconductores, ya que presentan propiedades intermedias entre un conductor y un aislante, como por ejemplo, el silicio y el germanio.

Diapositiva 14:

La energía externa es por tanto, la que da origen a la electricidad. Las seis fuentes de energía capaces de separar un electrón con carga negativa del núcleo cargado positivamente son seis:

1. Calórica (calor)2. Mecánica (fricción)3. Química (química)4. Luminosa (luz)5. Mecánica (presión)6. Magnética (magnetismo)

Diapositiva 15:

Figura 4. Flujo de Corriente Eléctrica que muestra el desplazamiento de huecos y electrones libre en un conductor.

Diapositiva 16:

La Ley de la Conservación establece que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Por lo que lo que es posible obtener energía luminosa, mecánica, calórica, química o magnética a partir de la energía eléctrica de forma eficaz, o bien, llevar a cabo el proceso inverso, es decir generar energía eléctrica de cualquiera de estas fuentes de energía.

Energía Calórica (calor)

La unión de dos metales con diferente potencial termoeléctrico, al ser calentada genera corriente. Por ejemplo, si se retuercen los extremos de un hilo de cobre y uno de hierro formando una unión, y esta unión se calienta, generará una carga eléctrica.

El que esta carga eléctrica sea mayor o menor, dependerá de manera directa de la diferencia de temperatura entre la unión de los metales y el extremo opuesto. Entre mayor sea la diferencia de temperatura, más grande será la carga.

Una unión de este tipo se llama termopar y producirá corriente eléctrica mientras se le aplique calor.

Diapositiva 17:

Figura 5. Origen térmico de la electricidad mediante la unión de dos metales.

Diapositiva 18:

Energía Mecánica (fricción)

Cuando dos cuerpos se frotan entre sí, uno de ellos “cede” electrones al otro. Véase Figura 6. El cuerpo que pierde electrones adquiere una carga eléctrica negativa y el cuerpo que gana los electrones, tiene una carga eléctrica positiva. Esta distribución resultante de carga recibe el nombre de electricidad estática.

Algunos ejemplos de electricidad por fricción o inducción son:

El roce de la nube con el aire. La fricción de un automóvil con el aire al desplazarse por una carretera. La fricción de una prenda de vestir de lana con la piel. La piel con la pantalla del televisor. El caminar sobre una alfombra.

Diapositiva 19:

Figura 6. Cuerpos cargados por fricción (uno cede electrones y el otro los gana).

Diapositiva 20:

Energía Química

Una de las formas más eficientes y limpias de generar la electricidad es mediante el empleo de la reacción química. Por ejemplo en las pilas y baterías de carro.

La pila es un medio que transforma la energía química en energía eléctrica, ya que está formada por un electrolito (que puede ser sólido, líquido o de pasta), y dos electrodos, uno positivo y otro negativo (Véase la Figura 7).

Figura 7. Esquema de la pila.

El electrolito reacciona con los electrodos y uno de ellos pierde electrones, por lo que adquiere una carga negativa y el otro gana electrones, entonces tiene una carga positiva.

Diapositiva 21:

Energía Luminosa (luz)

La energía eléctrica se obtiene mediante el llamado Efecto Fotoeléctrico, el cual consiste en liberar electrones de un material, cuando la luz incide sobre éste. Algunos

materiales que presentan esta característica son el potasio, el sodio, el cesio, el selenio, el sulfuro de plomo, el germanio, el silicio y el cadmio.

Del efecto fotoeléctrico se derivan algunas aplicaciones, entre las cuales destaca el efecto fotovoltaico, el cual es el principio de operación de las celdas solares, y que se basa en la producción de cargas en un material semiconductor, lo cual propicia una diferencia de potencial.

El panel solar emplea un tipo especial de célula, la cual consiste en un conjunto metálico en forma de disco que se compone de tres capas de material diferentes. Una de las capas exteriores es de hierro y la otra está formada por una película de material, a través del cual puede pasar la luz. La capa interior o intermedia del conjunto está formada por una aleación de selenio, como se muestra en la Figura 8.

Diapositiva 22:

Figura 8. Paneles solares empleados en la generación de energía eléctrica.

Diapositiva 23:

Energía Mecánica (Presión)

Los materiales piezoeléctricos son aquellos que liberan electrones cuando se les aplica una fuerza. Su nombre se deriva del término griego “Piezo”, que significa presión.

Cuando se aplica fuerza sobre el material, los electrones adquieren la energía suficiente para liberarse y pasar al lado opuesto, al cual se le aplica la presión para retornar a su lugar cuando la presión cesa. Véase la Figura 9.

Diapositiva 24:

Figura 9. Generación de electricidad por presión de un material piezoeléctrico.

Diapositiva 25:

Energía Magnética (Magnetismo)

Se produce electricidad mediante movimiento relativo de un imán y una bobina de hilo conductor cuando son cortadas las líneas del campo magnético del imán por el hilo conductor.

Figura 10. Obtención de electricidad mediante un Generador.