Introducción a la electricidad

FEDERICO COCA CABA
INDICE
Introducción a la electricidad
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE ELECTROSTÁTICA Y ELECTRODINÁMICA
Introducción. Descubrimiento de la electricidad
Constitución de la materia
Configuración electrónica del átomo
Estructura cristalina
Fuerzas de atracción y repulsión y niveles de energía
Conductividad, clasificación de los materiales y sentido de la corriente
Carga eléctrica
Ley de Coulomb
Campo eléctrico e intensidad de campo eléctrico
Potencial y diferencia de potencial
CORRIENTE ELÉCTRICA: EFECTOS Y LEYES FUNDAMENTALES
Corriente eléctrica
Ley de Ohm
Concepto de circuito eléctrico
Densidad de corriente
Fuerza electromotriz
Energía y potencia eléctrica
Potencia calorífica. Ley de Joule
GENERACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Generadores y receptores
Generadores de tensión
Generadores de corriente
Pilas y acumuladores. Asociación de pilas
-1-
Introducción a la electricidad
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE
ELECTROSTÁTICA Y ELECTRODINÁMICA
Introducción. Descubrimiento de la electricidad
En la Grecia antigua, Tales de Mileto (600 años A.C.) descubrió que, frotando una
varilla de ámbar con un paño, aquélla atraía pequeños objetos como virutas de madera,
cabellos, trocitos de papel, plumas, etc. Posteriormente se comprobó que ocurría lo mismo
con el vidrio, el lacre y otros elementos.
La palabra electricidad deriva del griego "elektron" que significa "ámbar".
A las sustancias que poseían la propiedad del ámbar se les denominó eléctricas, y no
eléctricas a las que no presentaban tal propiedad.
No todas las materias poseen la propiedad de cargarse de electricidad y, aunque lo
hagan, pueden comportarse de distintas maneras. De las materias que tienen la capacidad
de cargarse de electricidad cuando se frotan se dice que se han electrizado o que han
adquirido una carga eléctrica, y a la fuerza invisible que aparece se le llama fuerza eléctrica.
Posteriormente se comprobó que al frotar una barra de vidrio con un trozo de piel,
ambas cosas se electrizaban, pero el vidrio atraía objetos que repelía la piel. De esta
observación se dedujo que existen dos clases de electricidades opuestas entre si. A la que
aparece en el vidrio se le denominó positiva (+) y a la otra negativa (-).
El siguiente experimento,
obtenido de http://fiee.uni.edu.pe,
explicará estas diferencias:
Se construye un péndulo con
una bolita de médula de saúco, un
hilo y un soporte de donde
suspender el hilo. Si ahora se le
acerca una varilla de ámbar
previamente
cargada de electricidad
Figura 1
(por frotamiento), la bolita se acerca
a la varilla, pero en el momento que la toca, se siente repelida.
La explicación es la siguiente:
• Momento inicial: la bolita está descargada y la varilla cargada. La varilla atrae la
bolita.
• Momento en que se tocan: parte de la electricidad de la varilla pasa al péndulo
cargándolo; (ya tienen cargas del mismo signo) entonces se repelen.
• Momento final: el péndulo está cargado.
Si ahora se le aproxima otra varilla cargada por frotamiento, pero de vidrio, aquel será
atraído hacia esta.
-2-
De esta experiencia se deduce:
Que existen dos tipos de electricidad: la que adquiere el vidrio y la que adquiere el
ámbar.
Que la electricidad del mismo signo se repele, y de distinto tipo se atrae.
Los fenómenos eléctricos encuentran su explicación en la Teoría Atómica.
Constitución de la materia
Hoy día se sabe que en condiciones apropiadas cualquier sustancia puede ser
electrizada, o sea que todas las sustancia poseen electricidad. Cabe entonces cuestionarse
la relación entre la materia y la electricidad. La respuesta la vamos a encontrar en el estudio
de la estructura de la materia y la constitución interna del átomo.
Vamos a recordar algunas definiciones de los términos que vamos a usar:
Materia. Es toda sustancia que tiene peso (masa) y ocupa espacio. La materia se
puede dividir en dos tipos de estas sustancias, elementos o cuerpos:
Elementos o cuerpos simples. Sustancias que no pueden dividirse ni formarse por la
unión de otras. Los elementos de la tabla periódica.
Compuestos. Sustancias formadas por elementos y cuyas propiedades son diferentes
a las de sus componentes. En condiciones apropiadas pueden descomponerse en los
elementos que las forman.
Tanto los elementos como los compuestos, o sea la materia, están constituidos por
moléculas, y estas a su vez, por átomos.
Molécula es la partícula más pequeña que puede obtenerse de una sustancia
manteniendo todas sus propiedades.
Átomo es la partícula más pequeña que puede obtenerse de una sustancia,
normalmente por procedimientos químicos.
Si los átomos que forman la molécula son iguales, la combinación es un elemento, y
si son desiguales, la combinación es un compuesto.
El átomo es, por tanto, la parte más pequeña de la materia. Pero, ¿de qué está
constituido el átomo?.
Antiguamente se creía que el átomo era indivisible (en griego: átomo = indivisible),
pero en la actualidad se sabe que está formado por partículas más pequeñas. Nos
basaremos en los modelos de Rutherford, Bhor y el modelo atómico de orbitales. La
explicación más completa la podemos encontrar en la mecánica cuántica ondulatoria que no
vamos a usar por su mayor complejidad.
El modelo de Bhor nos indica que existen tres tipos de partículas subatómicas:
• Electrón. Tiene una masa muy pequeña y una unidad de carga eléctrica negativa.
• Protón. Tiene una masa mucho mayor que el electrón, y también una unidad de
carga eléctrica, en este caso positiva.
• Neutrón. No tiene carga eléctrica y
posee una masa igual que la del protón.
Hemos considerado al átomo como la
partícula más pequeña, pero todavía se pueden
distinguir en él dos partes bien diferenciadas: el
núcleo y la corteza, como vemos en la figura 2.
En el núcleo se encuentran aglutinados protones
y neutrones, en número diferente según el
elemento de que se trate. La corteza está
formada por capas o niveles de energía que
denominaremos:
n= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ...
Figura 2
-3-
Dentro de cada nivel de energía existen zonas del espacio en las cuales giran los
electrones en órbitas alrededor del núcleo. El número máximo de orbitales en un nivel
cualquiera de energía será de n2.
Configuración electrónica del átomo
La configuración electrónica es la forma en que los electrones ocupan los orbitales
de un determinado átomo. Los orbitales se denominan s, p, d, f, g, etc y adoptan formas
distintas. En la figura 3 podemos ver una representación esquemática de un átomo con la
posición más probable de los electrones respecto al núcleo situado en el centro.
En cada capa o nivel de energía hay uno o varios electrones. El número total de
electrones de la corteza es igual al número de protones del núcleo, de tal manera que la
carga eléctrica total de un átomo es nula.
Figura 3
Número de cargas negativa "electrones" = número de cargas positivas "protones"
El máximo número de electrones presentes en un orbital cualquiera es de 2 mientras
que en un nivel o capa es de 2n2.
Los electrones se colocan en el átomo por orden creciente de energía de los orbitales
de forma que hasta que uno no está completo no se pasa al siguiente.
Podemos establecer para cada nivel de energía el número de orbitales y el número
máximo de electrones en cada orbital de la forma siguiente:
Nº máximo de orbitales = n2 = 12 = 1
Nº máximo de electrones en cada orbital = 2 n2 = 2 12 = 2
Tipo de orbital: 1s con dos electrones.
Se representa por: 1s2.
Nº máximo de orbitales = n2 = 22 = 4
Nº máximo de electrones en cada orbital = 2 n2 = 2 22 = 8
Tipo de orbital: 2s con dos electrones y 2p con 6 electrones.
Se representa por: 2s2 2p6.
Nº máximo de orbitales = n2 = 32 = 9
Nº máximo de electrones en cada orbital = 2 n2 = 2 32 = 18
Tipo de orbital: 3s con dos electrones, 3p con 6 electrones y 3d con 10
electrones.
Se representa por: 3s2 3p6 3d10.
Nº máximo de orbitales = n2 = 42 = 16
Nº máximo de electrones en cada orbital = 2 n2 = 2 42 = 32
Tipo de orbital: 4s con dos electrones, 4p con 6 electrones, 4d con 10 electrones
-4-
y 4f con 14 electrones.
Se representa por: 4s2 4p6 4d10 4f14.
Nº máximo de orbitales = n2 = 52 = 25
Nº máximo de electrones en cada orbital = 2 n2 = 2 52 = 50
Tipo de orbital: 5s con dos electrones, 5p con 6 electrones, 5d con 10 electrones,
5f con 14 electrones y 5g con 18 electrones.
Se representa por: 5s2 5p6 5d10 5f14 5g18.
Con estos criterios podemos confeccionar una tabla con la distribución de orbitales
y electrones en los distintos niveles de energía.
Capa o nivel de energía
1 2
3
4
5
Tipo de orbitales
s s p s p d s p d f s p d f g
Nº de orbitales
1 1 3 1 3 5 1 3 5 7 1 3 5 7 9
Nº máximo de electrones en orbitales 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 14 18
Establecer la configuración electrónica de un elemento cualquiera consiste en distribuir
los electrones que nos indica su número atómico por los niveles de energía con el criterio de
no pasar a un nivel superior sin completar el anterior. El orden creciente de energía en los
orbitales es: 1s - 2s - 2p - 3s - 3p - 4s - 3d - 4p - 5s - 4d - 5p - 6s - 4f - ......
A continuación, y con el fin de resolver algunos ejemplos, se representa la tabla
periódica de los elemento químicos.
1A
2A
3B
4B
5B
6B
7B
8B
8B
8B
1B
2B
3A
4A
5A
6A
7A
8A
Número atómico
Elemento
Peso atómico
Sólido
1
Líquido
Gas
Artificial
2
H
1'00797
3
Li
6'939
11
4'0026
4
5
Be
METAL
SEMIMETAL NO METAL
13
K
39'102
37
Rb
85'47
55
Cs
132'905
87
Fr
223
Al
24'312
20
Ca
40'08
38
Sr
87'62
56
Ba
137'34
88
Ra
226
6
C
7
N
8
O
9
F
10'811 12'0112 14'0067 15'9994 18'9984
Na Mg
19
B
INERTE
9'0122
12
22'9898
He
26'9815
21
Sc
44'956
39
Y
88'905
57
La
138'91
22
Ti
47'90
40
Zr
91'22
72
Hf
23
V
50'942
41
24
Cr
42
92'906
Ta
178'49 180'948
Mn
51'996 53'9380
Nb Mo
73
25
95'94
74
W
183'85
43
Tc
99
75
Re
186'2
26
Fe
27
Co
55'847 58'9332
44
Ru
45
Rh
101'07 102'905
76
Os
77
190'2
Ir
192'2
28
Ni
58'71
46
Pd
106'4
78
Pt
29
Cu
63'54
47
Ag
107'87
79
Au
195'09 196'967
30
Zn
65'37
48
Cd
112'40
80
Hg
200'59
31
14
Si
Ga Ge
69'72
In
114'82
81
Tl
204'37
P
28'086 30'9738
32
49
15
33
As
75'59 74'9216
50
Sn
118'69
82
Pb
207'19
51
Sb
121'75
83
Bi
208'98
16
S
32'064
34
Se
78'96
52
Te
17
Cl
35'453
35
Br
79'09
53
Po
210
Ne
20'183
18
Ar
39'948
36
Kr
83'80
54
I
127'6 126'904
84
10
85
At
210
Xe
131'30
86
Rn
222
89
Ac
227
58
Ce
59
Pr
140'12 140'907
90
Th
238'03
91
Pa
231
60
61
62
63
64
Nd Pm Sm Eu Gd
144'24
92
U
238'03
147
93
Np
237
150'35
94
151'96
95
65
Tb
157'25 158'924
96
97
Pu Am Cm Bk
242
243
247
249
66
Dy
162'5
98
Cf
251
67
Ho
164'93
99
68
Er
69
70
Tm Yb
167'26 168'934
100
101
173'04
102
71
Lu
174'97
103
Es Fm Md No Lw
254
253
256
254
257
Ejemplo resuelto
Determinar la configuración electrónica de los elementos más
utilizados en los materiales semiconductores, o sea los de los grupos
3A, 4A y 5A siguientes: B, C, Al, Si, P, Ga, Ge, As, In, Sn, Sb.
-5-
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Cuando un electrón salta de una capa a otra inferior, desprende energía radiante.
Para que un electrón salte de una capa a otra superior, es preciso comunicarle energía
exterior.
A continuación vamos a detallar las principales características del átomo y sus
partículas.
Diámetro del átomo: 10-8 cm.
Diámetro del electrón: 10-13 cm.
Carga del electrón: -1,602 x 10-19 Cul.
Masa del electrón: 9,108 x 10-31 kg.
Masa del protón: 1,673 x 10-27 kg.
Carga del protón: +1,602 x 10-19 Cul.
Masa del neutrón: 1,673 x 10-27 kg.
Carga del neutrón: 0
Estructura cristalina
La formación de moléculas a partir de la unión de átomos se efectúa de una
determinada forma que dependerá del cuerpo a formar.
Las sustancias sólidas naturales se caracterizan porque los átomos se ordenan
mediante la formación de planos en distintas direcciones formando figuras poliédricas. A este
tipo de estructuras se les llama cristalinas siendo características para cada sustancia. Las
estructuras más típicas son: cúbica, hexagonal, tetraédrica y rómbica.
Como hemos visto los electrones se distribuyen por niveles de energía. Cada nivel
admite un número máximo de electrones, pero hay veces que el último nivel no se completa
y el átomo tiende a completarlo. Para realizar esta acción se pueden dar tres situaciones
diferentes:
- capturar electrones de otros átomos,
- ceder electrones a otros átomos,
- compartir electrones con otros átomos.
Esta interacción entre átomos puede dar lugar a multitud de tipos de enlaces
químicos, siendo los más interesantes desde el punto de vista electrónico los siguientes:
enlace iónico, enlace covalente y enlace metálico.
-6-
Se define entonces enlace como la fuerza de atracción que mantiene estable la unión
de átomos de un molécula.
Un átomo es eléctricamente neutro, pero debido a fuerzas externas, puede perder o
ganar electrones procedentes de otros átomos. En el caso de que gane o acepte electrones,
se queda con exceso de carga negativa (es decir tiene más electrones que protones), por el
contrario, cuando pierde o cede electrones, se queda con exceso de carga positiva (tiene
más protones que electrones).
En ambos casos, dicho átomo con exceso de carga (positiva o negativa) se
comportará como si fuera él mismo una carga susceptible de moverse, siendo atraído o
repelido, según el caso, por otras cargas.
Debido a esa capacidad de moverse que tiene ahora ese átomo cargado se le da el
nombre de ión (viajero, en griego). Existen dos tipos de iones.
Ión positivo o catión: es un átomo que ha cedido electrones.
Ión negativo o anión: es un átomo que ha ganado electrones.
Un ejemplo típico de enlace iónico es la sal común o cloruro de sodio, que se forma
a partir de la unión de un átomo de cloro y uno de sodio. Si establecemos la configuración
electrónica de estos dos átomo tenemos que:
Cl
Na
Cloro
Sodio
17
11
1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
1s2 2s2 2p6 3s1
Hemos destacado el último nivel de energía, que como vemos en el caso del cloro
dispone de 7 electrones libres y en el caso del sodio de uno. Un átomo de cloro se une con
uno de sodio de forma que este último cede de su nivel 3 el electrón al cloro con lo que este
alcanza la estabilidad por tener completo su nivel 3 con ocho electrones. Se dice entonces
que se ha formado el ión cloruro que se representa por Cl-.
Por otro lado, el sodio, al perder el
electrón, se queda con su nivel 2 completo
y pasa a ser estable. Se forma entonces el
ión sodio Na+.
Los iones Cl- y Na+ quedan unidos
por una fuerza electrostática. El proceso
descrito lo vemos representado
esquemáticamente en la figura 4.
Los materiales que poseen tres
electrones en su último nivel (grupo 3A)
Figura 4
tienden a perderlos para ser estables
manteniendo completo su penúltimo nivel con 8 electrones.
Los materiales del grupo 5A, con 5 electrones en su última capa, tienden a ganar 3
electrones para alcanzar los 8 con que completar el nivel y ser estables.
Los materiales del grupo 4A, con 4 electrones de valencia, no tienen una tendencia
clara a ganar o perder electrones.
Los átomos de los materiales del grupo 4A tienden a compartir los 4 electrones de su
última capa para completar su nivel con 8 electrones y ser estables. Esta forma de
estabilidad se conoce como enlace covalente y se representa de forma esquemática (solo
se representa el núcleo y la última capa) para el caso del silicio en la figura 5.
-7-
Figura 5
Fuerzas de atracción y repulsión y niveles de energía
En un átomo, los electrones están girando alrededor del núcleo formando capas. En
cada una de ellas, la energía que posee el electrón es distinta. En efecto; en las capas muy
próximas al núcleo, la fuerza de atracción entre éste y los electrones es muy fuerte, por lo
que estarán fuertemente ligados. Por el contrario en las capas alejadas, en las que los
electrones se encuentran débilmente ligados, resultará más fácil realizar intercambios
electrónicos en las últimas capas.
Lo dicho anteriormente lo explica la ley de Coulomb, que veremos posteriormente y
de la que citaremos simplemente que dice: cargas del mismo signo se repelen y cargas de
distinto signo se atraen.
Si en el núcleo hay protones y alrededor del núcleo giran los electrones existirá una
atracción entre ellos que tiende a llevar al electrón hacia el núcleo. Esta fuerza de atracción
se contrarresta por la fuerza centrifuga del electrón al girar. La compensación de estas
fuerzas es lo que hace que el electrón no se precipite hacia el núcleo ni salga despedido en
su giro.
El hecho pues, de que los electrones de un átomo tengan diferentes niveles de
energía, nos lleva a clasificarlos por el nivel energético (o banda energética) en el que se
encuentra cada uno de ellos. Las bandas que nos interesa a nosotros para entender mejor
el comportamiento del átomo son la Banda de Valencia y la Banda de Conducción.
Banda de Valencia: es un nivel de energía en el que se realizan las combinaciones
químicas. Los electrones situados en ella, pueden transferirse de un átomo a otro, formando
iones que se atraerán debido a su diferente carga, o serán compartidos por varios átomos,
formando moléculas.
Banda de conducción: es un nivel de energía en el cual los electrones están aún más
desligados del núcleo, de tal forma que, en cierto modo, todos los electrones (pertenecientes
a esa banda) están compartidos por todos los átomos del sólido, y pueden desplazarse por
este formando una nube electrónica.
En el estudio del átomo que nos interesa nos fijaremos únicamente en los electrones,
y concretamente en los de la órbita más externa que se denominan electrones de valencia.
Cuando un electrón situado en la banda de valencia se le comunica exteriormente
energía, bien sea eléctricamente, por temperatura, luz, etc. puede (al ganar energía) saltar
a la banda de conducción, quedando en situación de poder desplazarse por el sólido.
Cuando el electrón al que se aplicó energía regresa al orbital del que salió, devuelve
la energía en forma de radiación luminosa, calor, etc.
Un átomo con defecto de electrones es un ión positivo y con exceso de electrones un
-8-
ión negativo.
Cuando, en una estructura cristalina, un electrón abandona su lugar, deja una plaza
libre que se denomina hueco. Conviene aclarar que se trata de un espacio libre que queda
en la estructura de enlaces. Si se liberan electrones que no forman parte de ningún enlace
(emisión de electrones por un átomo aislado) no se forman huecos.
Conductividad, clasificación de los materiales y sentido de la corriente
Hay sustancias que tienen más electrones en la Banda de Conducción que otras, o
que en un mismo material, cuando las condiciones exteriores cambian, se comporta de
diferente manera. Cada capa electrónica puede tener un número determinado de electrones.
En el caso de la última capa, que es la que origina la valencia o conducción, este número es
de ocho, y todos los átomos tienden a completar su última capa con ocho electrones.
Por ejemplo, un átomo que tenga siete electrones en la última capa, tendrá fuerte
tendencia a captar uno de algún otro átomo cercano, convirtiéndose en un anión. En cambio,
un átomo que tenga sólo un electrón en su última capa, tendrá tendencia a perderlo,
quedándose con los ocho de la penúltima capa, y convirtiéndose en un catión.
La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres (en la Banda
de Conducción), capaces de desplazarse, se llama conductividad
Estos materiales serán capaces, baja la acción de fuerzas exteriores, de "conducir"
la electricidad, ya que existe una carga eléctrica (los electrones) que pueden moverse en su
interior.
Basándose en el criterio de mayor o menor conductividad, se pueden clasificar los
materiales en tres grupos:
Conductores: Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de
Conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad).
Todos los metales son conductores, unos mejores que otros. Buenos conductores son: la
plata, el cobre, el aluminio, el estaño. Malos conductores son: el hierro, el plomo.
Aislantes: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por
tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos
aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster, el aire.
Semiconductores: Algunas sustancias son poco conductoras, pero sus electrones
pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción, si se les comunica
energía exterior: son los semiconductores, de gran importancia en la electrónica. Algunos
ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio.
Más adelante estudiaremos con más detalle cada uno de estos grupos de materiales.
Si conectamos un conductor eléctrico a una batería, se forma una corriente eléctrica
debida al flujo de electrones que se desplazan de unos átomos a otros con el objeto de
alcanzar el polo positivo del generador.
En este desplazamiento, los electrones dejan huecos libres detrás y ocupan huecos
delante. El efecto es que los huecos se desplazan hacia el polo negativo y los electrones
hacia el polo positivo.
Aunque realmente el hueco no existe (no es una partícula), se concibe su existencia
en cuanto que a una corriente de electrones le corresponde una de huecos (de sentido
contrario), debida a los huecos que los electrones dejan en la estructura cristalina.
La corriente de electrones de negativo a positivo se denomina sentido real de la
corriente.
Al principio se tenía el convencimiento de que la corriente circulaba de positivo a
negativo, conservandose en muchos textos y que se denomina sentido convencional de
la corriente.
Se puede trabajar con cualquiera de los dos sentidos, aunque lo más común es
-9-
adoptar el sentido real para comportamiento de materiales y el convencional para trabajar
en esquemas electrónicos.
Hasta ahora se ha hablado de la conducción eléctrica por medio de electrones; no
obstante, existe otro mecanismo de conducción, por medio de iones. Los gases y las
disoluciones electrolíticas (disoluciones de sustancias iónicas, tales como ácidos, sales,
álcalis) pueden conducir la electricidad por medio de iones. A este tipo de conductores, para
distinguirlos de los metales, se les denomina conductores de segunda especie.
Carga eléctrica
Sabemos que:
• En la naturaleza existen dos tipos de cargas, positiva y negativa.
• La cantidad más pequeña de carga es el electrón, que tienen la misma carga que
el protón, pero de signo contrario.
• Existe una fuerza entre las cargas.
Teniendo en cuenta estos puntos, la unidad de carga eléctrica es el electrón, que
es la menor cantidad de carga eléctrica que puede existir.
Esta unidad resulta extremadamente pequeña para aplicaciones prácticas y para
evitar el tener que hablar de cargas del orden de billones o trillones de unidades de carga,
se ha definido en el Sistema Internacional de Unidades el coulomb como la cantidad de
carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de
9 x 109 N. (1 Kg es igual a 9'8 N y N = m kg s-2).
Resulta de esta definición que :
1 Coulomb = 6'23 x 1018 electrones
Como el coulomb puede ser demasiado grande, se utilizan también submúltiplos o
divisores:
mili coulomb: milésima parte del coulomb, o sea
1 Cul = 1.000 mCul
micro coulomb: millonésima parte del coulomb, es decir
1 Cul = 1.000.000 Cul
Ley de Coulomb
La Ley de Coulomb establece que la fuerza que existe entre las cargas eléctricas es
directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia que las separa. Se expresa por:
=
⋅
%
⋅
&
&
Donde:
F es la fuerza expresada en Newton (N) ejercida entre las dos cargas.
q1 y q2 son las cargas expresadas en culombios.
d es la distancia expresada en metros.
K es una constante universal que vale 9 x 109.
Si las dos cargas son del mismo signo la fuerza tiende a separarlas y se llama fuerza
de repulsión.
Si son de signo contrario la fuerza tiende a unirlas y se llama fuerza de atracción.
-10-
Campo eléctrico e intensidad de campo eléctrico
Si consideramos que los orígenes de las fuerzas son las cargas, entonces el campo
eléctrico creado por una carga es la región del espacio en la que se manifiesta la acción de
dicha carga.
Si sobre un cristal plano esparcimos trocitos de cerdas y debajo colocamos una carga
eléctrica observamos que las cerdas adoptan una configuración radial alrededor de la carga
según se esquematiza en la figura 6.
Figura 6
La carga ejerce una fuerza sobre los trocitos de cerdas sin que exista contacto físico,
lo que confirma la definición dada.
La unidad de carga positiva se denomina carga de prueba. Si esta carga la colocamos
en distintos puntos del campo veremos que la fuerza que actúa sobre la misma puede ser:
Grande, si la carga está próxima.
Pequeña, si la carga está lejos.
De atracción, si la carga que crea el campo es negativa.
De repulsión, si la carga que crea el campo es positiva.
En cada punto del campo existe una fuerza distinta de la que existe en los demás
puntos del mismo, que se caracteriza por su intensidad, dirección y sentido.
Un campo eléctrico se representa por líneas de fuerza, que son líneas imaginarias que
indican la dirección y sentido de la fuerza eléctrica resultante que actuaría sobre la carga de
prueba si se colocase en ese punto.
Si el campo lo produce una carga puntual se representa por líneas de fuerza radiales
como vemos en la figura 6. Si la carga es positiva existe repulsión y si es negativa atracción,
de ahí que el sentido sea contrario.
Cuando el campo se debe a dos o más cargas, la fuerza que actúa en cada punto del
campo es la resultante de las que ejercen en ese punto cada una de las cargas.
Se define la intensidad de campo como la fuerza ejercida sobre la unidad de carga.
Si representamos la intensidad de campo eléctrico por la letra E, valdrá:
=
Donde F es la fuerza dada por la Ley de Coulomb.
Entonces, si sustituimos F por su valor, el campo eléctrico vendrá dado por:
=
⋅
&
La intensidad de campo varia en razón inversa al cuadrado de la distancia a la carga.
-11-
Potencial y diferencia de potencial
Para explicar el potencial eléctrico nos valdremos de un símil como el que vemos
representado en la figura 7 referido al campo gravitatorio terrestre. Si levantamos un objeto
desde el nivel 1 hasta el punto A hemos de realizar un trabajo que venza la fuerza de
gravedad, este trabajo queda almacenado para
ser devuelto por la gravedad en cuanto
dejemos el cuerpo libre. Este trabajo lo
denominamos T1A. El punto A tiene entonces
un nivel de energía. Podemos hacer la misma
consideración para el punto B realizando un
trabajo T1B. Por otro lado si tomamos como
referencia el nivel 2 obtenemos los trabajos T2A
y T2B. En estas condiciones se cumple que:
T1B < T1A
T2B < T2A
Los trabajos desarrollados en el nivel B
son a su vez menores que los desarrollados en
el nivel A, pero en ambos casos se cumple que
la diferencia es:
T1A - T1B = T2A - T2B = Constante
En estas condiciones podemos afirmar
que el trabajo que hay que realizar con el
cuerpo para trasladarlo de uno de los puntos al
otro es independiente de la referencia tomada.
En el campo eléctrico, esa "altura"
Figura 7
eléctrica (esa capacidad de desarrollar un
trabajo), se denomina potencial eléctrico, y
las cargas tienden a "caer" desde los potenciales más altos a los más bajos, desarrollando
un trabajo.
Como se desprende de la comparación gravitatoria, el concepto de potencial es
relativo: (por ejemplo, cuando hablamos de la altura de un edificio, nos referimos a la altura
respecto a la calle, sin embargo, cuando hablamos de la altura de una montaña, nos
referimos a la altura sobre el nivel del mar) así pues en algún punto habrá que fijar la
referencia.
Igualmente en Electrostática, hay que fijar un origen de potenciales que, por otra parte,
será arbitrario. Algunas veces se toma como origen el potencial de la Tierra, y se dice
entonces que la Tierra está a potencial cero. Otras veces es el infinito el que se toma como
punto de referencia.
De todos modos, para nosotros ese no va a ser lo importante, ya que lo que más nos
interesa no es el potencial a que está la carga, sino la diferencia de potencial, es decir la
"diferencia de alturas" o diferencia entre los potenciales de dos puntos entre los cuales se
va a mover nuestra carga.
Así pues, se define la diferencia de potencial (d.d.p.) entre dos puntos como el trabajo
que realiza la unidad de carga (el culombio) al caer desde el potencial más alto al más bajo.
El potencial lo vamos a representar con la letra V. El potencial del punto A se
representa por VA y el del punto B por VB. Entonces VA - VB, o simplemente VAB es la
diferencia de potencial entre el punto A y el punto B (en ese sentido y no al revés).
Los potenciales y diferencias de potencial, en el Sistema Internacional, se expresan
en voltios. A la diferencia de potencial también se le suele llamar voltaje o tensión.
El voltio es el trabajo por unidad de carga. Así, entre dos puntos existe una d.d.p. de
-12-
un voltio cuando al trasladar de uno a otro la unidad de carga se realiza la unidad de trabajo.
Los múltiplos y submúltiplos más usuales del voltio son:
Milivoltio (mV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3 V.
Microvoltio ( V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-6 V.
Kilovoltio (kV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 V.
Ejemplo resuelto
Vamos a considerar una batería (dispositivo que crea una d.d.p.
entre sus bornes) conectada como vemos en la figura 8. Los electrones
libre del conductor son repelidos
por el terminal negativo y
atraídos por el positivo, originandose un flujo de electrones a
través de dicho conductor, que se denomina corriente eléctrica.
(
#
(
#3
4
4
8+
"
8+
"
0
5( 6 & 5 5# 6 ) 5
(
#7
6 ) 9& 6 % 5
6 & 9) 6 9% 5
#
(7
6 & 9) 6 9% 5
6 ) 9& 6 % 5
#
( ;
7
:
Figura 8
-13-
Introducción a la electricidad
CORRIENTE ELÉCTRICA: EFECTOS Y LEYES
FUNDAMENTALES
Corriente eléctrica
Las cargas eléctricas pueden moverse a través de diferencias de potencial en un
medio conductor o en el vacío. Al movimiento de cargas se le denomina corriente eléctrica
y a la causa que la origina diferencia de potencial. Las únicas partículas que pueden
desplazarse a lo largo de los conductores, debido a su pequeño tamaño, son los electrones.
Para caracterizar esta magnitud vamos a considerar una superficie S a través de la
que se desplazan las cargas, como se aprecia en la figura 1. Adoptamos el sentido de
corriente positivo el opuesto al movimiento de electrones.
El número de electrones que circula depende de la
diferencia de potencial y de la conductividad del medio. Si en un
intervalo de tiempo t la cantidad de carga que atraviesa la
superficie S es q, se define intensidad de corriente, o
simplemente corriente, como la cantidad de carga que circula
por un conductor en la unidad de tiempo y se expresa por:
=
∆
∆
Si calculamos el límite con
expresión anterior se convierte en:
Figura 1
=
%
t tendiendo a cero la
=
%
%
La intensidad de corriente eléctrica se expresa en amperios que, por definición, es el
número de culombios por segundo.
Los submúltiplos más usuales del amperio son:
Miliamperio (mA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3 A.
Microamperio ( A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-6 A.
-14-
Ley de Ohm
El físico Alemán George Simon Ohm descubrió la relación entre la diferencia de
potencial aplicada en los extremos de un conductor y la corriente que lo atraviesa. Ohm
encontró experimentalmente que esta relación era proporcional, es decir, que para un
conductor dado, cuando, por ejemplo, se duplica o se triplica la diferencia de potencial, se
duplica o se triplica la coriente, respectivamente.
Dicho de otro modo, cuando una corriente eléctrica atraviesa un conductor, crea en
éste una diferencia de potencial directamente proporcional a la corriente. A esta constante
de proporcionalidad se le llama resistencia. La mayor o menor resistencia de un conductor
es la mayor o menor dificultad que opone al paso de la corriente. Y así tendremos buenos
y malos conductores de la corriente en función de que tengan pequeña o alta resistencia
respectivamente. Obviamente, los aislantes (no conducen la corriente) tendrán una
resistencia altísima.
Ohm establece la relación existente entre la tensión, la intensidad y la resistencia y
la enunció mediante la Ley de Ohm, que dice:
La intensidad de corriente que circula entre dos puntos de un
circuito es directamente proporcional a la tensión existente entre ellos e
inversamente proporcional a la resistencia que existe entre dichos
puntos.
Matemáticamente se expresa según las relaciones dadas en la ecuación:
=
Donde:
<
=
<
=
⋅
I = intensidad de corriente que circula,
V = diferencia de potencial o tensión, y
R = resistencia.
Para que la resistencia se exprese en ohmios, la tensión debemos
expresarla en voltios y la intensidad de corriente en amperios. Según la ley de Ohm podemos
definir las unidades de la siguiente forma:
Amperio (A): intensidad de corriente que circula por un conductor de un ohmio de
resistencia cuando entre sus extremos se aplica una tensión de un voltio.
Voltio (V): Tensión que debe existir en extremos de un conductor de un ohmio de
resistencia para que circule por él una corriente de un amperio.
Ohmio ( ): resistencia de un conductor cuando al aplicar en sus extremos una
tensión de un voltio circula una corriente de un amperio.
Los múltiplos más usuales del ohmio son:
Kilohmio (k o simplemente k) . . . . . . . . . . . 103 .
Mega ohmio (M o simplemente Mega) . . . . 106 .
Hay tres tipos:
• Corriente continua (simbolizada por CC o DC) es una corriente que no varia con el
tiempo ni de magnitud ni de sentido.
• Corriente alterna (CA o AC) es una corriente que varia con el tiempo de magnitud y
de sentido.
• Corriente pulsatoria es una corriente que varia periódicamente de magnitud pero no
de sentido.
-15-
Concepto de circuito eléctrico
En un material conductor los electrones libres se mueven de forma aleatoria en
cualquier dirección no existiendo un flujo de electrones en una dirección determinada. Si
aplicamos una d.d.p. en extremos del conductor los electrones son transportados por el
conductor constituyendo una corriente eléctrica.
Un circuito eléctrico es un camino cerrado por donde pueden circular cargas
eléctricas. Las magnitudes que fundamentan un circuito eléctrico son:
• Intensidad de corriente.
• Voltaje o diferencia de potencial.
• Resistencia.
Densidad de corriente
Se define como la corriente por unidad de superficie, o dicho de otra forma, es la
cantidad de carga eléctrica que atraviesa la sección transversal de un conductor en un
segundo, y viene dada por:
=
⋅
⋅
&
=
&
Cuando se mantiene una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor,
se establece en él un campo eléctrico (E) y una densidad de corriente(J). La Ley de Ohm
establece que en algunos materiales, entre los que se incluyen la mayoría de los metales,
la densidad de corriente es directamente proporcional al campo eléctrico y a una constante
propia del material que se denomina conductividad, y que se expresa por:
=σ⋅
Donde σ es la conductividad propia del conductor y es independiente del campo
eléctrico que produce la corriente.
A los materiales que cumplen la ley de Ohm, se les llama óhmicos.
Una forma alternativa de definir la Ley de Ohm puede obtenerse considerando un
segmento de conductor recto de área de sección transversal (A) y longitud (l). Si se establece
una diferencia de potencial V = Vb - Va entre los extremos a y b del mismo, se genera un
campo eléctrico que provocará una circulación de corriente por el conductor. Si el campo
eléctrico en el conductor se supone uniforme, la diferencia de potencial se relaciona con el
campo eléctrico por:
=
⋅
Por lo tanto, podemos expresar la densidad de corriente mediante la ecuación:
=σ⋅
=σ⋅
Por otra parte, de la definición de densidad de corriente podemos deducir que esta se
expresa por:
=
Si despejamos la d.d.p. y sustituimos J por el valor anterior obtenemos la ecuación
siguiente:
-16-
=
σ
⋅
=
σ
⋅
=
σ⋅
⋅
El término entre paréntesis se define como la resistencia del conductor, con lo que
finalmente se obtiene:
=
⋅
Fuerza electromotriz
Vamos a recurrir de nuevo a un simil hidráulico para explicar el concepto de fuerza
electromotriz o abreviadamente f.e.m.
Supongase el circuito hidráulico representado en la figura 2. Si abrimos la llave de
paso L, el deposito 1 se vaciará en el deposito 2 (de igual tamaño que el 1) debido a la
diferencia de altura, estableciendose una corriente de agua
por la tubería. La corriente de agua cesará en el momento
en que el deposito 1 se vacíe. Si queremos mantener la
corriente de agua es necesario activar la bomba para
reconducir el agua del deposito 2 al deposito 1. La fuerza
de la bomba realiza un trabajo que mantiene la diferencia
de nivel.
De igual forma, si tenemos dos terminales entre los
que existe una d.d.p. o que están a potenciales diferentes
y los unimos mediante un conductor, circulará una
corriente eléctrica hasta que el terminal negativo haya
perdido los electrones necesarios para que se restablezca
el equilibrio igualandose los potenciales de ambos
terminales y cesando la corriente. Si queremos mantener
Figura 2
la corriente de forma permanente hay que instalar un
generador que realice el trabajo de transportar los
electrones en sentido contrario al anterior a través de otro conductor.
En resumen la f.e.m. (causa) es la fuerza que mantiene la d.d.p. (Efecto). El trabajo
que realiza la fuerza electromotriz se mide en voltios.
Energía y potencia eléctrica
Cuando una corriente eléctrica circula por un circuito, éste opone una resistencia al
paso de la misma. Los electrones se ven frenados en su camino debido a los incesantes
choques con los átomos. En estos choques se desprende calor, y este efecto se utiliza para
construir estufas y lámparas eléctricas.
Por otra parte, es bien sabido que existen máquinas eléctricas capaces de transformar
la corriente en trabajo mecánico (motores).
Nuestro problema ahora reside en saber cuánto trabajo puede producir una corriente
eléctrica. Para encontrar una solución vamos a concretar algunas definiciones:
Se define trabajo como el desplazamiento de una fuerza en la propia dirección de la
fuerza, siendo su valor el producto de la fuerza por el desplazamiento.
=
⋅
Si empujamos una pared con una determinada fuerza sin que exista desplazamiento,
el trabajo resulta ser nulo.
Si empujamos un carro con una fuerza de 100 N (N=newton) y se desplaza una
-17-
distancia de 20 metros, el trabajo realizado será, según la ecuación anterior, el siguiente:
=
⋅
= %..
&. = & ...
⋅
= & ...
Recordar que en el SI la fuerza se mide en Newton, el trabajo en Julios y que el
producto de 1 Newton x 1 metro es 1 Julio.
Es todo lo susceptible de transformarse en trabajo. Existen muchos tipos de energía:
energía potencial, gravitatoria, cinética, química, eléctrica, nuclear, calorífica, luz, radiaciones,
etc.
Puesto que la energía puede transformarse en trabajo, se expresará en las mismas
unidades que éste.
Un mismo trabajo puede desarrollarse en más o menos tiempo: los 2000 J de trabajo
realizado en el ejemplo anterior pueden realizarse en un segundo o en una hora. El trabajo
realizado es el mismo, pero no así la velocidad con la que se realiza. A esta velocidad con
que se realiza dicho trabajo se le llama potencia.
Según el SI de unidades un watt es la potencia que da lugar a una producción de
energía igual a 1 joule por segundo, y se expresa por.
=
%
%
%
Entonces, realizar un trabajo de 2.000 Julios en un segundo, supone consumir una
potencia de:
=
=
& ...
%
= & ...
= & ...
Para realizar un trabajo de 2.000 Julios en una hora (3600 segundos) la potencia será:
=
=
& ...
) '..
= .=$$
= .=$$
Observemos que la potencia desarrollada en el primer caso es mucho mayor que en
el segundo, aunque hayamos realizado el mismo trabajo, lo hemos hecho en menos tiempo.
De la misma manera podemos decir que: el trabajo es igual a la potencia por el
tiempo, con lo que podemos decir que, para una misma potencia realizaremos más trabajo
cuanto más tiempo la estemos empleando.
Los múltiplos y submúltiplos más usuales del watio son:
kilowatio (Kw) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 W.
Miliwatio (mW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-3 W.
Microwatio ( W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-6 W.
Picowatio (pW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10-12 W.
Otras unidades de tipo práctico son:
-18-
-Trabajo ó energía: KILOWATIO-HORA (Kwh): Trabajo realizado por un kilowatio
durante una hora:
1 Kwh = 1000 watios x 3600 segundos = 3.600.000 Julios
-Potencia: CABALLO DE VAPOR (C.V.) ó Horse Power (H.P.)
1 C.V. = 736 watios = 0'
736 Kw.
Potencia calorífica. Ley de Joule
Ya hemos visto que la corriente eléctrica puede producir calor o trabajo. Si queremos
desplazar una determinada carga eléctrica Q entre dos terminales cuya diferencia de
potencial sea de V voltios, el trabajo que desarrollaremos será tanto mayor cuanto:
* mayor sea la carga Q queramos desplazar.
* mayor sea la d.d.p. entre los puntos que queramos desplazar dicha carga Q.
Por lo que dicho trabajo será igual al producto de la carga Q por la diferencia de
potencial V entre los dos puntos, o sea:
=
⋅
Por otro lado sabemos que Q = I • t, con lo que la ecuación se convierte en:
=
⋅ ⋅
Como hemos dicho la potencia es el trabajo por unidad de tiempo, luego podemos
poner que:
=
⋅ ⋅
=
=
⋅
Si aplicamos la ley de Ohm podemos deducir otras ecuaciones para el cálculo de la
potencia como las que vemos en las ecuaciones siguientes.
=
⋅
=
⋅
{ = ⋅ } →
=
⋅
⋅ =
⋅
&
&
→
=
=
⋅
=
El trabajo se podrá expresar entonces según las ecuaciones que se dan
seguidamente, y que expresan la conocida ley de Joule.
&
=
⋅ ⋅
=
⋅
&
⋅
=
⋅
Cuando el trabajo eléctrico se manifiesta en forma de calor, suele expresarse en
calorías. La relación entre esta nueva unidad y el julio se puede expresar por:
: 1 julio = 0,24 calorías.
•
•
: 1 caloría = 4,18 julios.
Estos valores fueron demostrados en 1845 por el físico inglés Joule, que encontró por
primera vez la equivalencia entre calor y trabajo.
Según las equivalencias anteriores podemos decir que:
(
) = .=&*⋅ ⋅
&
⋅
que es la forma más conocida de la citada ley de Joule.
-19-
Introducción a la electricidad
GENERACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE
ENERGÍA ELÉCTRICA
Generadores y receptores
Son dispositivos capaces de convertir en energía eléctrica otra forma de energía y
mantener una d.d.p. entre sus terminales exteriores que se denominan bornes o polos. Entre
ellos podemos destacar: pilas y acumuladores (energía química); alternadores y dinamos
(energía mecánica).
Son dispositivos capaces de CONSUMIR energía eléctrica y transformarla en otro tipo
de energía. Los ejemplos más típicos se dan en las lámparas eléctricas y estufas (energía
calorífica); motores (energía mecánica); acumuladores de carga (energía química); etc.
A los receptores de energía se les conoce más usualmente con el nombre de
CARGAS.
Se dice que un generador, o un cierto circuito "se carga" cuando se le
conecta un receptor, es decir, un dispositivo que consume corriente.
Se dirá que una carga es muy grande, o que un circuito está fuertemente cargado,
cuando el consumo producido por esa carga sea alto. En caso contrario se dirá que se trata
de una carga pequeña, o que el circuito está débilmente cargado.
A la resistencia de carga (RL) se le suele representar con el subíndice L (inicial de la
palabra inglesa Load que significa carga).
Vamos a distinguir dos tipos de generadores:
* Generadores de tensión.
* Generadores de corriente.
-20-
Generadores de tensión
Son dispositivos capaces de suministrar una tensión constante e independiente de la
carga que se le conecte. Será, por tanto, capaz de suministrar altísimas intensidades de
corriente manteniendo contante la tensión entre bornes.
En la figura 1 podemos ver los símbolos de generadores de tensión de corriente
continúa y de corriente alterna.
Figura 1
Ejemplo
Calcular la corriente que entrega un generador ideal de tensión
de 10 V cuando le conectamos cargas de 10
y 1 m .
"
%.
:
(
%.
:
3
>3
7
06 5?; 6 %. ?%.6 % (
%
6 . ..%
06%. ?. ..% 6 %. ... (
:7
La realidad no es así, ya que, para que un generador de tensión sea ideal es
necesario que su resistencia interna sera cero. La resistencia interna es la resistencia que
se "ve" en sus bornes de salida mirando hacia el generador.
Obviamente, no existe en la práctica ningún dispositivo capaz de proporcionar
corrientes infinitas. Dicho de otro modo, no existe la resistencia cero dado que no existe el
conductor perfecto.
Consideraremos que un generador de tensión es tanto mejor cuanto más pequeña sea
su resistencia interna o, dicho de otro modo, cuando sea capaz de mantener una diferencia
casi constante de tensión en un cierto margen de cargas.
Un generador real de tensión puede considerarse para su estudio como un generador
ideal en serie con una resistencia interna y su circuito equivalente sera el que vemos en la
figura 2.
Figura 2
En la práctica, se construyen generadores de tensión que, para muchos efectos y en
un cierto margen, pueden considerarse como ideales: una batería, un transistor en colector
común, ciertos circuitos realimentados, etc.
-21-
Generadores de corriente
Son dispositivos capaces de suministrar una corriente constante e independiente de
la carga que se le conecte. Será, por lo tanto, capaz de suministrar cualquier diferencia de
potencial.
En la figura 3 vemos los símbolos de generadores de corriente de corriente continúa
y de corriente alterna.
Figura 3
Ejemplo
Calcular la tensión en bornes de un generador ideal de corriente
de 10 A cuando le conectamos cargas de 10
y 1 m .
"
%. (
:
:
(
%.
>3
7
5 6 ; @06 %. @%. 6 %..
3
%
6 . ..%
: :7
5 6 ; @06 . ..% @%. 6 . .%
En este caso, la condición para que un generador de corriente sea ideal es que su
resistencia interna sea infinita.
Naturalmente, no existe en la práctica ningún dispositivo capaz de proporcionar
tensiones infinitas. Dicho de otro modo, no existe la resistencia infinita dado que no existe
el aislante perfecto.
Se considerará que un generador de corriente es ideal cuando su resistencia interna
sea muy grande o, de otro modo, cuando sea capaz de
mantener una corriente casi constante en un cierto margen de
cargas.
Un generador real de corriente puede considerarse para
su estudio como un generador ideal en paralelo con una
resistencia interna y su circuito equivalente será el que vemos en
la figura 4.
En la práctica, se construyen generadores de corriente
Figura 4
que, para muchos efectos y en un cierto margen, pueden
considerarse como ideales: Una batería en serie con una resistencia muy grande, un
transistor en base común, ciertos circuitos realimentados, etc.
Cuando se aplica tensión a un circuito para ponerlo en funcionamiento, se dice que
se
dicho circuito. A la tensión aplicada se le llama
ya
la corriente que el circuito consume,
.
Es importante no confundir la alimentación, que es lo que hace funcionar al circuito,
con la señal, que es la corriente o tensión que se trata de amplificar, conformar, etc.
-22-
Pilas y acumuladores. Asociación de pilas
PILAS
Una pila es un generador: Es decir un dispositivo que transforma la energía potencial
química en energía eléctrica.
Cuando dos materiales conductores distintos se ponen en contacto, y debido a la
distinta distribución de energía en sus bandas de conducción, se produce una fuerza
electromotriz capaz de generar corriente eléctrica.
Pueden construirse pilas con dos materiales cualesquiera. Lo que sucede es que,
generalmente, las fuerzas electromotrices obtenidas son tan sumamente pequeñas que no
son utilizables en la práctica, lo que convierte la fabricación de una pila en un delicado
estudio fisicoquímico que lleva a la conclusión de cuales son los mejores materiales para su
construcción.
Es la pila de Volta, que consistía en una serie de discos de cobre y cinc
alternativamente "apilados", separados por un cartón empapado en ácido sulfúrico de débil
concentración. Su f.e.m. era de aproximadamente 1,2 V. y podían obtenerse corrientes
considerables.
Pila de Daniell, muy usada en laboratorios por su alta estabilidad, pero poco
manejable en aplicaciones prácticas, ya que el electrolito empleado es líquido.
Pila de Leclanché, que es el tipo más usado en la actualidad. Es muy manejable
porque el electrolito es semisólido (pila seca), robusta, de larga duración y de una tensión
nominal de 1,5 V.
Consta de un electrodo cilíndrico de grafito (el grafito es una de las dos formas
naturales del carbono), alojado en el interior de una cuba de cinc. El elemento de grafito es
el terminal positivo o ánodo, y el de cinc, el negativo o cátodo. Entre los dos va alojado el
electrolito, en forma de pasta. En la figura 5 podemos ver una sección de una pila.
Figura 5
-23-
Ni la fuerza electromotriz ni la resistencia interna de una pila permanecen constantes.
Cuando la pila sale de fábrica, su fuerza electromotriz es ligeramente superior a la nominal,
y su resistencia interna muy baja. Debido al uso, o simplemente por el transcurso del tiempo,
la pila "envejece". El electrolito se polariza y pierde su capacidad de reacción química,
originando que la fuerza electromotriz disminuya y la resistencia interna aumente, hasta que
la pila es prácticamente inutilizable: se dice que se ha "agotado"; lo que ha ocurrido es que
ha utilizado toda su energía potencial química, transformándola en energía eléctrica. Una vez
agotada no se puede recargar y se debe desechar, aunque se observa una cierta
regeneración al cabo de un tiempo de reposo.
Para demorar el agotamiento, en el electrolito se mezclan ciertas sustancias que
actúan como despolarizantes. En la pila Leclanché el despolarizante es bióxido de
manganeso.
De unos años a esta parte y debido a la miniaturización, se han desarrollado otros
tipos de pilas, también secas, y sumamente pequeñas. Las más típicas son llamadas de
mercurio, con forma de píldora. Sometidas a una descarga relativamente fuerte, mantienen
muy poco tiempo su fuerza electromotriz nominal, pero tienen un alto poder de regeneración,
por lo que resultan muy adecuadas para funcionamiento en régimen intermitente durante
largos periodos de tiempo.
ACUMULADORES
Están basados en los mismos fenómenos que gobiernan el funcionamiento de una
pila, pero la reacción química es reversible; es decir, que una vez descargados, se pueden
recargar suministrándoles corriente.
Son los más conocidos y usados y están formados por una cubeta donde se alojan
unas placas de plomo. Entre ellas hay una disolución de ácido sulfúrico (electrolito). En la
operación de carga, sobre las placas de plomo, conectadas al polo positivo, se forma sulfato
de plomo. Este conjunto, una vez cargado, es capaz de proporcionar corriente hasta que
dicho sulfato de plomo se descomponga. Durante el funcionamiento se elimina agua, que hay
que reponer de cuando en cuando.
La fuerza electromotriz nominal de cada célula es de 2 V. Suelen ir montados en serie
dentro de una cubeta de un material impermeable y no atacable por el ácido.
Los acumuladores, aunque no se usen, se descargan con el tiempo, sobre todo en
ambientes húmedos. Como los acumuladores son recargables, conviene suministrarles una
corriente de mantenimiento.
De cuando en cuando, según recomendaciones del fabricante para cada tipo en
particular, es conveniente someterlos a una fuerte descarga.
Se llama capacidad de un acumulador a la cantidad de electricidad (carga eléctrica)
que es capaz de almacenar y, por tanto, de suministrar. Se expresa en amperios-hora (Ah)
y tiene el significado siguiente:
Una batería de 60 Ah puede suministrar 60 A durante una hora. Podría suponerse
que, por la misma razón, podría suministrar en media hora, el doble de corriente es decir 120
A ó en 10 minutos 360 A. Aunque esto no es exacto, porque la capacidad depende del
-24-
régimen de trabajo, se podría hacer este cálculo en primera aproximación.
ASOCIACIÓN
Las pilas son dispositivos dipolo, es decir, tienen dos terminales.
Como todo dipolo, pueden conectarse en serie, en paralelo o en agrupaciones mixtas.
Hay que tener en cuenta que la pila es un generador real y, como tal, es equivalente
a un generador ideal en serie con su resistencia interna.
Las pilas pueden conectarse en serie cualesquiera que sean las fuerzas
electromotrices y la máxima corriente que cada una de ellas pueda suministrar. Al
conectarlas en serie, las fuerzas electromotrices se suman, así como sus resistencias
internas.
Ejemplo:
Disponemos de las siguientes pilas:
- Una de 1,5 V con una Ri de 2
y capaz de suministrar 0,4 A.
- Una de 3 V con una Ri de 3,5
y capaz de suministrar 0,2 A.
- Una de 9 V con una Ri de 7
y capaz de suministrar 0,1 A.
Calcular la f.e.m que puede suministrar el conjunto al
conectarlas en serie, su resistencia interna y la máxima corriente
que puede suministrar.
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Al conectar pilas en paralelo debe tenerse en cuenta que sean todas de la misma
f.e.m., ya que, en caso contrario, fluiría corriente de la de más f.e.m. a la de menos,
disipándose potencia en forma de calor en las resistencias internas, agotándolas
rápidamente.
Si todas ellas son del mismo voltaje el conjunto equivale a una sola pila de la misma
tensión, pero con menor resistencia interna. Además, la corriente total que puede suministrar
el conjunto es la suma de las corrientes de cada una de ellas, por concurrir en un nudo. La
asociación en paralelo por tanto, podrá dar más corriente que una sola pila, o, dando la
misma corriente, tardará más en descargarse.
El razonamiento del cálculo explicado se comprenderá perfectamente
mediante la aplicación de leyes de las asociaciones de resistencias y
leyes de Kirchhoff.
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