Vida e inventos de Edison

Thomas Alva Edison
(1847−1931)
Inventor estadounidense cuyo desarrollo de una práctica bombilla o foco eléctrico, un sistema generador de
electricidad, un aparato para grabar sonidos y un proyector de películas, ha tenido profundos efectos en la
configuración de la sociedad moderna.
Edison nació en Milan (Ohio) el 11 de febrero de 1847. Sólo fue a la escuela durante tres meses en Port
Huron (Michigan). Cuando tenía 12 años empezó a vender periódicos en una estación de ferrocarriles,
dedicando su tiempo libre a la experimentación con imprentas y con aparatos mecánicos y eléctricos. En
1862 publicó un semanario, el Grand Trunk Herald, impreso en un vagón de mercancías que también le
servía como laboratorio. Por salvar la vida del hijo de un jefe de estación, fue recompensado con la
realización de un curso de telegrafía. Mientras trabajaba como operador de telégrafos, realizó su primer
invento destacado, un repetidor telegráfico que permitía transmitir mensajes automáticamente a una segunda
línea sin que estuviera presente el operador.
A continuación, Edison consiguió un empleo en Boston (Massachusetts) y dedicó todo su tiempo libre a la
investigación. Inventó una grabadora que, aun teniendo muchas cualidades, no era lo suficientemente
práctica como para justificar su utilización. También ideó y realizó parcialmente una impresora.
Posteriormente, mientras trabajaba en la compañía de telégrafos de Nueva York Gold and Stock, introdujo
grandes mejoras en los aparatos y en los servicios de la empresa. Con la venta de accesorios telegráficos,
Edison ganó 40.000 dólares, con los que montó su propio laboratorio en 1876. Más tarde concibió un sistema
telegráfico automático que hacía posible una mayor rapidez y calidad de transmisión. El logro supremo de
Edison en la telegrafía fue el invento de unas máquinas que hacían posible la transmisión simultánea de
diversos mensajes por una línea, lo que aumentó enormemente la utilidad de las líneas telegráficas existentes.
El invento de Edison del transmisor telefónico de carbono fue importante para el desarrollo del teléfono, que
había sido inventado recientemente por el físico e inventor estadounidense Alexander Graham Bell.
En 1877, Edison anunció el invento de un fonógrafo mediante el cual se podía grabar el sonido en un cilindro
de papel de estaño. Dos años más tarde exhibió públicamente su bombilla o foco eléctrico incandescente, su
invento más importante y que necesitó una investigación y una experimentación más cuidadosa para
perfeccionarlo (véase Iluminación eléctrica). Este invento tuvo un éxito extraordinario y, rápidamente,
Edison se ocupó del perfeccionamiento de las bombillas y de las dinamos para generar la corriente eléctrica
necesaria. En 1882 desarrolló e instaló la primera gran central eléctrica del mundo en Nueva York. Sin
embargo, más tarde, su uso de la corriente continua se vio desplazado ante el sistema de corriente alterna
desarrollado por los inventores estadounidenses Nikola Tesla y George Westinghouse.
En 1887, Edison trasladó su fábrica de Menlo Park a West Orange (Nueva Jersey) donde construyó un gran
laboratorio de experimentación e investigación. (Su casa y su laboratorio fueron convertidos en museo en
1955). En 1888 inventó el kinetoscopio, la primera máquina que producía películas mediante una rápida
sucesión de imágenes individuales. Entre sus posteriores inventos dignos de mención se encuentra la batería
(un acumulador alcalino de níquel), resultado de miles de experimentos. También desarrolló un fonógrafo en
el que el sonido se registraba en un disco en lugar de un cilindro, y que tenía una aguja de diamante y otras
mejoras. Al sincronizar el fonógrafo con el kinetoscopio, produjo en 1913 la primera película sonora (véase
La industria del cine). Entre sus otros descubrimientos se encuentran el microtasímetro (se utiliza para la
detección de cambios de temperatura) y un método de telegrafía sin hilos para comunicarse con los trenes en
movimiento. Cuando estalló la I Guerra Mundial, Edison proyectó, construyó y dirigió factorías para la
fabricación de benceno, fenol y derivados de la anilina. En 1915 fue nombrado presidente del Consejo asesor
de la Marina de Estados Unidos y en calidad de ello hizo muchos descubrimientos valiosos. Su trabajo
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posterior consistió fundamentalmente en mejorar y perfeccionar inventos anteriores. En total, Edison patentó
más de 1.000 inventos. Fue más un tecnólogo que un científico y aportó poco al conocimiento científico
original. Sin embargo, en 1883, observó el flujo de los electrones en un filamento caliente (el llamado efecto
Edison), cuyas implicaciones profundas no se comprendieron hasta varios años más tarde. Edison murió el
18 de octubre de 1931 en West Orange.
En 1878 Edison fue nombrado caballero de la Legión de Honor francesa y en 1889 comendador de la misma.
En 1892 fue galardonado con la medalla Albert de la Sociedad Real de las Artes de Gran Bretaña y en 1928
recibió la medalla de Oro del Congreso estadounidense "por el desarrollo y la aplicación de inventos que
han revolucionado la civilización en el último siglo".
Iluminación eléctrica, iluminación mediante cualquiera de los numerosos dispositivos que convierten la
energía eléctrica en luz. Los tipos de dispositivos de iluminación eléctrica utilizados con mayor frecuencia
son las lámparas incandescentes, las lámparas fluorescentes y los distintos modelos de lámparas de arco y de
vapor por descarga eléctrica.
Tecnología de la iluminación eléctrica
Si una corriente eléctrica pasa a través de cualquier conductor que no sea perfecto, se gasta una determinada
cantidad de energía que en el conductor aparece en forma de calor. Por cuanto cualquier cuerpo caliente
despedirá una cierta cantidad de luz a temperaturas superiores a los 525 ºC, un conductor que se calienta
por encima de dicha temperatura mediante una corriente eléctrica actuará como fuente luminosa. La
lámpara incandescente está formada por un filamento de material de elevada temperatura de fusión dentro de
una ampolla de vidrio, en cuyo interior se ha hecho el vacío, o bien llena de un gas inerte. Deben utilizarse
filamentos con elevadas temperaturas de fusión porque la proporción entre la energía luminosa y la energía
térmica generada por el filamento aumenta a medida que se incrementa la temperatura, obteniéndose la
fuente luminosa más eficaz a la temperatura máxima del filamento. En las primeras lámparas incandescentes
se utilizaban filamentos de carbono, aunque las modernas se fabrican con filamentos de delgado hilo de
volframio o tungsteno, cuya temperatura de fusión es de 3.410 ºC. El filamento debe estar en una atmósfera
al vacío o inerte, ya que de lo contrario al calentarse reaccionaría químicamente con el entorno circundante.
El uso de gas inerte en lugar de vacío en las lámparas incandescentes tiene como ventaja una evaporación
más lenta del filamento, lo que prolonga la vida útil de la lámpara. La mayoría de las lámparas
incandescentes modernas se rellenan con una mezcla de gases de argón y halógenos, o bien con una pequeña
cantidad de nitrógeno o de criptón. La sustitución de las ampollas de vidrio por compactos tubos de vidrio de
cuarzo fundido han permitido cambios radicales en el diseño de las lámparas incandescentes.
Tipos de lámparas
Las lámparas de descarga eléctrica dependen de la ionización y de la descarga eléctrica resultante en
vapores o gases a bajas presiones en caso de ser atravesados por una corriente eléctrica (véase Ion). Los
ejemplos más representativos de este tipo de dispositivos son las lámparas de arco rellenas con vapor de
mercurio, que generan una intensa luz azul verdosa y que se utilizan para fotografía e iluminación de
carreteras; y las lámparas de neón, utilizadas para carteles decorativos y escaparates. En las más modernas
lámparas de descarga eléctrica se añaden otros metales al mercurio y al fósforo de los tubos o ampollas para
mejorar el color y la eficacia. Los tubos de cerámica translúcidos, similares al vidrio, han permitido fabricar
lámparas de vapor de sodio de alta presión con una potencia luminosa sin precedentes.
La lámpara fluorescente es otro tipo de dispositivo de descarga eléctrica empleado para aplicaciones
generales de iluminación. Se trata de una lámpara de vapor de mercurio de baja presión contenida en un
tubo de vidrio, revestido en su interior con un material fluorescente conocido como fósforo. La radiación en
el arco de la lámpara de vapor hace que el fósforo se torne fluorescente. La mayor parte de la radiación del
arco es luz ultravioleta invisible, pero esta radiación se convierte en luz visible al excitar al fósforo. Las
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lámparas fluorescentes se destacan por una serie de importantes ventajas. Si se elige el tipo de fósforo
adecuado, la calidad de luz que generan estos dispositivos puede llegar a semejarse a la luz solar. Además,
tienen una alta eficacia. Un tubo fluorescente que consume 40 vatios de energía genera tanta luz como una
bombilla incandescente de 150 vatios. Debido a su potencia luminosa, las lámparas fluorescentes producen
menos calor que las incandescentes para generar una luminosidad semejante.
Un avance en el campo de la iluminación eléctrica es el uso de la luminiscencia, conocida como iluminación
de paneles. En este caso, las partículas de fósforo se hallan suspendidas en una fina capa de material
aislante, como por ejemplo el plástico. Esta capa se intercala entre dos placas conductoras, una de las cuales
es una sustancia translúcida, como el vidrio, revestida en su interior con una fina película de óxido de estaño.
Como los dos conductores actúan como electrodos, al ser atravesado el fósforo por una corriente alterna
hace que se ilumine. Los paneles luminiscentes se utilizan para una amplia variedad de objetos, como por
ejemplo iluminar relojes y sintonizadores de radio, para destacar los peldaños o los pasamanos de las
escaleras, y para generar paredes luminosas. Sin embargo, el uso de la iluminación de paneles está limitado
por el hecho de que las necesidades de corriente para grandes instalaciones es excesivo.
Se han desarrollado una serie de diferentes tipos de lámparas eléctricas para fines especiales, como la
fotografía y el alumbrado de alta intensidad. Por lo general, estas lámparas han sido diseñadas de manera
que puedan actuar como reflectores al ser revestidas de una capa de aluminio especular (véase Óptica). Un
ejemplo de ellas es la utilizada en fotografía, una lámpara incandescente que funciona a una temperatura
superior a la normal para obtener una mayor salida de luz. Su vida útil está limitada a 2 ó 3 horas, frente a
las 750 a 1.000 horas que dura una lámpara incandescente normal. Las lámparas utilizadas para fotografía
de alta velocidad generan un único destello (flash) de luz de alta intensidad que dura escasas centésimas de
segundo al encender una carga una hoja de aluminio plegada o un fino hilo de aluminio dentro de una
ampolla de vidrio rellena de oxígeno. La lámina se enciende por el calor de un pequeño filamento de la
ampolla. Entre los fotógrafos cada vez es más popular la lámpara estroboscópica de descarga de gas a alta
velocidad conocida como flash electrónico. Véase Estroboscopio.
Historia
Los primeros experimentos de iluminación eléctrica fueron realizados por el químico británico sir Humphry
Davy, quien fabricó arcos eléctricos y provocó la incandescencia de un fino hilo de platino en el aire al hacer
pasar una corriente a través de él. Aproximadamente a partir de 1840 fueron patentadas varias lámparas
incandescentes, aunque ninguna tuvo éxito comercial hasta que el inventor estadounidense Thomas Alva
Edison lanzara su lámpara de filamento de carbono en 1879. Durante el mismo periodo fueron presentadas
varias lámparas de arco. La primera de uso práctico se instaló en un faro de Dungeness, Inglaterra, en 1862.
El pionero estadounidense de la ingeniería eléctrica, Charles Francis Brush, produjo la primera lámpara de
arco que se comercializó en 1878. En 1907 los filamentos de carbono fueron sustituidos por filamentos de
volframio, y en 1913 se desarrollaron las lámparas incandescentes rellenas de gas. La lámpara fluorescente
se fabricó en 1938.
Luz, forma de radiación electromagnética similar al calor radiante, las ondas de radio o los rayos X. La luz
corresponde a oscilaciones extremadamente rápidas de un campo electromagnético, en un rango
determinado de frecuencias que pueden ser detectadas por el ojo humano. Las diferentes sensaciones de color
corresponden a luz que vibra con distintas frecuencias, que van desde aproximadamente 4 × 1014
vibraciones por segundo en la luz roja hasta aproximadamente 7,5 × 1014 vibraciones por segundo en la luz
violeta. El espectro de la luz visible suele definirse por su longitud de onda, que es más pequeña en el violeta
(unas 40 millonésimas de centímetro) y máxima en el rojo (75 millonésimas de centímetro). Las frecuencias
mayores, que corresponden a longitudes de onda más cortas, incluyen la radiación ultravioleta, y las
frecuencias aún más elevadas están asociadas con los rayos X. Las frecuencias menores, con longitudes de
onda más altas, se denominan rayos infrarrojos, y las frecuencias todavía más bajas son características de
las ondas de radio. La mayoría de la luz procede de electrones que vibran a esas frecuencias al ser
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calentados a una temperatura elevada. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la frecuencia de vibración
y más azul es la luz producida.
Naturaleza de la luz
La luz es emitida por sus fuentes en línea recta, y se difunde en una superficie cada vez mayor a medida que
avanza; la luz por unidad de área disminuye según el cuadrado de la distancia. Cuando la luz incide sobre un
objeto es absorbida o reflejada; la luz reflejada por una superficie rugosa se difunde en todas direcciones.
Algunas frecuencias se reflejan más que otras, y esto da a los objetos su color característico. Las superficies
blancas difunden por igual todas las longitudes de onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz.
Por otra parte, para que la reflexión forme imágenes es necesaria una superficie muy pulida, como la de un
espejo.
La definición de la naturaleza de la luz siempre ha sido un problema fundamental de la física. El matemático
y físico británico Isaac Newton describió la luz como una emisión de partículas, y el astrónomo, matemático y
físico holandés Christiaan Huygens desarrolló la teoría de que la luz se desplaza con un movimiento
ondulatorio.
En la actualidad se cree que estas dos teorías son complementarias, y el desarrollo de la teoría cuántica ha
llevado al reconocimiento de que en algunos experimentos la luz se comporta como una corriente de
partículas y en otros como una onda. En las situaciones en que la luz presenta movimiento ondulatorio, la
onda vibra perpendicular a la dirección de propagación; por eso, la luz puede polarizarse en dos ondas
perpendiculares entre sí (véase Óptica).
Velocidad
El primero en medir la velocidad de la luz en un experimento de laboratorio fue el físico francés Armand
Hippolyte Louis Fizeau, aunque observaciones astronómicas anteriores habían proporcionado una velocidad
aproximadamente correcta. En la actualidad, la velocidad de la luz en el vacío se toma como 299.792.458
m/s, y este valor se emplea para medir grandes distancias a partir del tiempo que emplea un pulso de luz o de
ondas de radio para alcanzar un objetivo y volver. Este es el principio del radar. El conocimiento preciso de
la velocidad y la longitud de onda de la luz también permite una medida precisa de las longitudes. De hecho,
el metro se define en la actualidad como la longitud recorrida por la luz en el vacío en un intervalo de tiempo
de 1/299.792.458 segundos. La velocidad de la luz en el aire es ligeramente distinta según la longitud de
onda, y en promedio es un 3% menor que en el vacío; en el agua es aproximadamente un 25% menor, y en el
vidrio ordinario un 33% menor.
La luz tiene un efecto importante en muchos compuestos químicos. Las plantas, por ejemplo, emplean la luz
solar para llevar a cabo la fotosíntesis, y la exposición a la luz de determinados compuestos de plata hace
que se oscurezcan en presencia de otros compuestos químicos, característica empleada en la fotografía.
Arco eléctrico, también llamado arco voltaico, tipo de descarga eléctrica continua que genera luz y calor
intensos, formada entre dos electrodos dentro de una atmósfera de gas a baja presión o al aire libre. Fue
descubierto y demostrado por primera vez por el químico británico Humphry Davy en 1800.
Para iniciar un arco se ponen en contacto los extremos de dos electrodos en forma de lápiz, por lo general de
carbono, y se hace pasar una corriente intensa (unos 10 amperios) a través de ellos. Esta corriente provoca
un gran calentamiento en el punto de contacto, y si a continuación se separan los electrodos, se forma entre
ellos un arco similar a una llama. La descarga está producida por electrones que van desde el electrodo
negativo al positivo, pero también, en parte, por iones positivos que se mueven en sentido opuesto. El impacto
de los iones genera un intenso calor en los electrodos, pero el positivo se calienta más debido a que los
electrones que golpean contra él tienen mayor energía total. En un arco abierto al aire a presión normal el
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electrodo positivo alcanza una temperatura de 3.500 grados centígrados.
El intenso calor generado por el arco eléctrico suele utilizarse en hornos especiales para fundir materiales
refractarios. En este tipo de hornos pueden alcanzarse fácilmente temperaturas del orden de los 2.800 ºC.
Los arcos también se utilizan como fuente de iluminación de alta intensidad. Las luces de arco tienen la
ventaja de ser fuentes luminosas concentradas, porque el 85% de la intensidad de la luz se genera en una
pequeña área de la punta del electrodo positivo de carbono. Antiguamente estas lámparas se utilizaban
ampliamente en la iluminación callejera; hoy se emplean sobre todo en proyectores cinematográficos. Las
lámparas de vapor de mercurio y de vapor de sodio son lámparas de arco cerradas, en las que el arco se
mantiene dentro de una atmósfera de vapor de mercurio o de sodio a presión reducida.
Conductor eléctrico, cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad. La diferencia
entre un conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de
tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Un buen conductor de
electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de
un buen aislante, como el vidrio o la mica. El fenómeno conocido como superconductividad se produce
cuando al enfriar ciertas sustancias a un temperatura cercana al cero absoluto su conductividad se vuelve
prácticamente infinita. En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de
los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones.
Superconductividad, fenómeno que presentan algunos conductores que no ofrecen resistencia al flujo de
corriente eléctrica (véase Electricidad). Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo,
es decir, son repelidos por los campos magnéticos. La superconductividad sólo se manifiesta por debajo de
una determinada temperatura crítica Tc y un campo magnético crítico Hc, que dependen del material
utilizado. Antes de 1986, el valor más elevado de Tc que se conocía era de 23,2 K (−249,95 °C), en
determinados compuestos de niobio−germanio. Para alcanzar temperaturas tan bajas se empleaba helio
líquido, un refrigerante caro y poco eficaz. La necesidad de temperaturas tan reducidas limita mucho la
eficiencia global de una máquina con elementos superconductores, por lo que no se consideraba práctico el
funcionamiento a gran escala de estas máquinas. Sin embargo, en 1986, los descubrimientos llevados a cabo
en varias universidades y centros de investigación comenzaron a cambiar radicalmente la situación. Se
descubrió que algunos compuestos cerámicos de óxidos metálicos que contenían lantánidos eran
superconductores a temperaturas suficientemente elevadas como para poder usar nitrógeno líquido como
refrigerante. Como el nitrógeno líquido, cuya temperatura es de 77 K (−196 °C), enfría con una eficacia 20
veces mayor que el helio líquido y un precio 10 veces menor, muchas aplicaciones potenciales empezaron a
parecer económicamente viables. En 1987 se reveló que la fórmula de uno de estos compuestos
superconductores, con una Tc de 94 K (−179 °C), era (Y0,6Ba0,4)2CuO4. Desde entonces se ha demostrado
que los lantánidos no son un componente esencial, ya que en 1988 se descubrió un óxido de cobre y
talio−bario−calcio con una Tc de 125 K (−148 °C). Véase también Criogenia.
Historia
La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, que observó
que el mercurio no presentaba resistencia eléctrica por debajo de 4,2 K (−269 °C). El fenómeno no se
empezó a entender hasta que, en 1933, los alemanes Karl W. Meissner y R. Ochsenfeld detectaron un acusado
diamagnetismo en un superconductor. Sin embargo, los principios físicos de la superconductividad no se
comprendieron hasta 1957, cuando los físicos estadounidenses John Bardeen, Leon N. Cooper y John R.
Schrieffer propusieron una teoría que ahora se conoce como teoría BCS por las iniciales de sus apellidos, y
por la que sus autores recibieron el Premio Nobel de Física en 1972. La teoría BCS describe la
superconductividad como un fenómeno cuántico, en el que los electrones de conducción se desplazan en
pares, que no muestran resistencia eléctrica. Esta teoría explicaba satisfactoriamente la superconducción a
altas temperaturas en los metales, pero no en los materiales cerámicos. En 1962, el físico británico Brian
Josephson estudió la naturaleza cuántica de la superconductividad y predijo la existencia de oscilaciones en
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la corriente eléctrica que fluye a través de dos superconductores separados por una delgada capa aislante en
un campo eléctrico o magnético. Este fenómeno, conocido como efecto Josephson, fue posteriormente
confirmado experimentalmente.
Aplicaciones
Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que
generan campos magnéticos intensos sin pérdidas de energía. Los imanes superconductores se han utilizado
en estudios de materiales y en la construcción de potentes aceleradores de partículas. Aprovechando los
efectos cuánticos de la superconductividad se han desarrollado dispositivos que miden la corriente eléctrica,
la tensión y el campo magnético con una sensibilidad sin precedentes.
El descubrimiento de mejores compuestos semiconductores es un paso significativo hacia una gama mayor de
aplicaciones, entre ellas computadoras más rápidas y con mayor capacidad de memoria, reactores de fusión
nuclear en los que el plasma se mantenga confinado por campos magnéticos, trenes de levitación magnética
de alta velocidad y, tal vez lo más importante, una generación y transmisión más eficiente de la energía
eléctrica. El Premio Nobel de Física de 1987 se concedió al físico alemán J. Georg Bednorz y al físico suizo
K. Alex Mueller por su trabajo sobre la superconductividad a altas temperaturas.
Electricidad, categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la
interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas
eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento,
produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y
movimiento relativos de las partículas cargadas. En lo que respecta a los efectos eléctricos, estas partículas
pueden ser neutras, positivas o negativas (véase Átomo). La electricidad se ocupa de las partículas cargadas
positivamente, como los protones, que se repelen mutuamente, y de las partículas cargadas negativamente,
como los electrones, que también se repelen mutuamente (véase Electrón; Protón). En cambio, las partículas
negativas y positivas se atraen entre sí. Este comportamiento puede resumirse diciendo que las cargas del
mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se atraen.
Electrostática
Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos
estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno
sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos partículas
con cargas q1 y q2 puede calcularse a partir de la ley de Coulomb
según la cual la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el cuadrado de la distancia
que las separa. La constante de proporcionalidad K depende del medio que rodea a las cargas. La ley se
llama así en honor al físico francés Charles de Coulomb.
Toda partícula eléctricamente cargada crea a su alrededor un campo de fuerzas. Este campo puede
representarse mediante líneas de fuerza que indican la dirección de la fuerza eléctrica en cada punto. Para
mover otra partícula cargada de un punto a otro del campo hay que realizar trabajo. La cantidad de energía
necesaria para efectuar ese trabajo sobre una partícula de carga unidad se conoce como diferencia de
potencial entre ambos puntos. Esta magnitud se mide en voltios. La Tierra, un conductor de gran tamaño que
puede suponerse sustancialmente uniforme a efectos eléctricos, suele emplearse como nivel de referencia cero
para la energía potencial. Así, se dice que el potencial de un cuerpo cargado positivamente es de tantos
voltios por encima del potencial de tierra, y el potencial de un cuerpo cargado negativamente es de tantos
voltios por debajo del potencial de tierra.
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Propiedades eléctricas de los sólidos
El primer fenómeno eléctrico artificial que se observó fue la propiedad que presentan algunas sustancias
resinosas como el ámbar, que adquieren una carga negativa al ser frotadas con una piel o un trapo de lana,
tras lo cual atraen objetos pequeños. Un cuerpo así tiene un exceso de electrones. Una varilla de vidrio
frotada con seda tiene una capacidad similar para atraer objetos no cargados, y atrae los cuerpos
negativamente cargados con una fuerza aún mayor. El vidrio tiene una carga positiva, que puede describirse
como un defecto de electrones o un exceso de protones.
Cuando algunos átomos se combinan para formar sólidos, frecuentemente quedan libres uno o más
electrones, que pueden moverse con facilidad a través del material. En algunos materiales, llamados
conductores, ciertos electrones se liberan fácilmente. Los metales, en particular el cobre y la plata, son
buenos conductores. Véase Conductor eléctrico.
Los materiales en los que los electrones están fuertemente ligados a los átomos se conocen como aislantes, no
conductores o dieléctricos. Algunos ejemplos son el vidrio, la goma o la madera seca.
Un tercer tipo de material es un sólido en el que un número relativamente pequeño de electrones puede
liberarse de sus átomos de forma que dejan un 'hueco' en el lugar del electrón. El hueco, que representa la
ausencia de un electrón negativo, se comporta como si fuera una unidad de carga positiva. Un campo
eléctrico hace que tanto los electrones negativos como los huecos positivos se desplacen a través del
material, con lo que se produce una corriente eléctrica. Generalmente, un sólido de este tipo, denominado
semiconductor, tiene una resistencia mayor al paso de corriente que un conductor como el cobre, pero menor
que un aislante como el vidrio. Si la mayoría de la corriente es transportada por los electrones negativos, se
dice que es un semiconductor de tipo n. Si la mayoría de la corriente corresponde a los huecos positivos, se
dice que es de tipo p.
Si un material fuera un conductor perfecto, las cargas circularían por él sin ninguna resistencia; por su
parte, un aislante perfecto no permitiría que se movieran las cargas por él. No se conoce ninguna sustancia
que presente alguno de estos comportamientos extremos a temperatura ambiente. A esta temperatura, los
mejores conductores ofrecen una resistencia muy baja (pero no nula) al paso de la corriente y los mejores
aislantes ofrecen una resistencia alta (pero no infinita). Sin embargo, la mayoría de los metales pierden toda
su resistencia a temperaturas próximas al cero absoluto; este fenómeno se conoce como superconductividad.
Cargas eléctricas
El electroscopio es un instrumento cualitativo empleado para demostrar la presencia de cargas eléctricas. En
la figura 1 se muestra el instrumento tal como lo utilizó por primera vez el físico y químico británico Michael
Faraday. El electroscopio está compuesto por dos láminas de metal muy finas (a,a) colgadas de un soporte
metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor (c). Una esfera (d) recoge
las cargas eléctricas del cuerpo cargado que se quiere observar; las cargas, positivas o negativas, pasan a
través del soporte metálico y llegan a ambas láminas. Al ser iguales, las cargas se repelen y las láminas se
separan. La distancia entre éstas depende de la cantidad de carga.
Pueden emplearse tres métodos para cargar eléctricamente un objeto: 1) contacto con otro objeto de distinto
material (como por ejemplo, ámbar y piel) seguido por separación; 2) contacto con otro cuerpo cargado; 3)
inducción.
El efecto de las cargas eléctricas sobre conductores y no conductores se muestra en la figura 2. Un cuerpo
cargado negativamente, A, está situado entre un conductor neutro, B, y un no conductor neutro, C. Los
electrones libres del conductor son repelidos hacia la zona del conductor alejada de A, mientras que las
cargas positivas se ven atraídas hacia la zona próxima. El cuerpo B en su conjunto es atraído hacia A,
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porque la atracción de las cargas distintas más próximas entre sí es mayor que la repulsión de las cargas
iguales más separadas (las fuerzas entre las cargas eléctricas son inversamente proporcionales al cuadrado
de la distancia entre las cargas). En el no conductor, C, los electrones no pueden moverse libremente, pero
los átomos o moléculas del mismo se reorientan de forma que sus electrones constituyentes estén lo más lejos
posible de A; el no conductor también es atraído por A, pero en menor medida que el conductor.
El movimiento de los electrones en el conductor B de la figura 2 y la reorientación de los átomos del no
conductor C proporciona a esos cuerpos cargas positivas en los lados más próximos a A y negativas en los
lados más distantes de A. Las cargas generadas de esta forma se denominan cargas inducidas.
Medidas eléctricas
El flujo de carga, o intensidad de corriente, que recorre un cable se mide por el número de culombios que
pasan en un segundo por una sección determinada del cable. Un culombio por segundo equivale a 1 amperio,
unidad de intensidad de corriente eléctrica llamada así en honor al físico francés André Marie Ampère.
Véase el siguiente apartado, Corriente eléctrica.
Cuando una carga de 1 culombio se desplaza a través de una diferencia de potencial de 1 voltio, el trabajo
realizado equivale a 1 julio, unidad llamada así en honor al físico británico James Prescott Joule. Esta
definición facilita la conversión de cantidades mecánicas en eléctricas.
Una unidad de energía muy usada en física atómica es el electronvoltio (eV). Corresponde a la energía
adquirida por un electrón acelerado por una diferencia de potencial de 1 voltio. Esta unidad es muy pequeña
y muchas veces se multiplica por un millón o mil millones, abreviándose el resultado como 1 MeV o 1 GeV.
Corriente eléctrica
Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por ejemplo un
cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de
electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en
ingeniería eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la
carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de conductores, los electrones fluyen desde el
punto de menor potencial hasta el punto de mayor potencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito
eléctrico. La corriente que circula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en el
mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido.
El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es
la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza electromotriz (fem) o voltaje.
La segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso
de unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección determinada del circuito. La
tercera magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como
aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita necesariamente
la corriente. La unidad empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (W), que se define como la
resistencia que limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem de 1 voltio. La ley de Ohm,
llamada así en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, que la descubrió en 1827, permite relacionar la
intensidad con la fuerza electromotriz. Se expresa mediante la ecuación e = I × R, donde e es la fuerza
electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R es la resistencia en ohmios. A partir de esta
ecuación puede calcularse cualquiera de las tres magnitudes en un circuito dado si se conocen las otras dos.
Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable pueden observarse dos efectos importantes: la temperatura
del cable aumenta y un imán o brújula colocado cerca del cable se desvía, apuntando en dirección
perpendicular al cable. Al circular la corriente, los electrones que la componen colisionan con los átomos del
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conductor y ceden energía, que aparece en forma de calor. La cantidad de energía desprendida en un circuito
eléctrico se mide en julios. La potencia consumida se mide en vatios; 1 vatio equivale a 1 julio por segundo.
La potencia P consumida por un circuito determinado puede calcularse a partir de la ecuación P = e × I, o
aplicando la ley de Ohm P = I2 × R. También se consume potencia en la producción de trabajo mecánico, en
la emisión de radiación electromagnética como luz u ondas de radio y en la descomposición química.
Electromagnetismo
El movimiento de la aguja de una brújula en las proximidades de un conductor por el que circula una
corriente indica la presencia de un campo magnético (véase Magnetismo) alrededor del conductor. Cuando
dos conductores paralelos son recorridos cada uno por una corriente, los conductores se atraen si ambas
corrientes fluyen en el mismo sentido y se repelen cuando fluyen en sentidos opuestos. El campo magnético
creado por la corriente que fluye en una espira de alambre es tal que si se suspende la espira cerca de la
Tierra se comporta como un imán o una brújula, y oscila hasta que la espira forma un ángulo recto con la
línea que une los dos polos magnéticos terrestres.
Puede considerarse que el campo magnético en torno a un conductor rectilíneo que transporta corriente se
extiende desde el conductor igual que las ondas creadas cuando se tira una piedra al agua. Las líneas de
fuerza del campo magnético tienen sentido antihorario cuando se observa el conductor en el mismo sentido
en que se desplazan los electrones. El campo en torno al conductor es estacionario mientras la corriente
fluya por él de forma uniforme.
Cuando un conductor se mueve de forma que atraviesa las líneas de fuerza de un campo magnético, este
campo actúa sobre los electrones libres del conductor desplazándolos y creando una diferencia de potencial y
un flujo de corriente en el mismo. Se produce el mismo efecto si el campo magnético es estacionario y el
cable se mueve que si el campo se mueve y el cable permanece estacionario. Cuando una corriente empieza a
circular por un conductor, se genera un campo magnético que parte del conductor. Este campo atraviesa el
propio conductor e induce en él una corriente en sentido opuesto a la corriente que lo causó (según la
llamada regla de Lenz). En un cable recto este efecto es muy pequeño, pero si el cable se arrolla para formar
una bobina, el efecto se amplía ya que los campos generados por cada espira de la bobina cortan las espiras
vecinas e inducen también una corriente en ellas. El resultado es que cuando se conecta una bobina así a una
fuente de diferencia de potencial, impide el flujo de corriente cuando empieza a aplicarse la diferencia de
potencial. De forma similar, cuando se elimina la diferencia de potencial, el campo magnético se desvanece,
y las líneas de fuerza vuelven a cortar las espiras de la bobina. La corriente inducida en estas circunstancias
tiene el mismo sentido que la corriente original, y la bobina tiende a mantener el flujo de corriente. Debido a
estas propiedades, una bobina se resiste a los cambios en el flujo de corriente, por lo que se dice que posee
inercia eléctrica o autoinducción. Esta inercia tiene poca importancia en circuitos de corriente continua, ya
que no se observa cuando la corriente fluye de forma continuada, pero es muy importante en los circuitos de
corriente alterna (véase más adelante el apartado Corrientes alternas).
Conducción en líquidos y gases
Cuando fluye una corriente eléctrica por un conductor metálico, el flujo sólo tiene lugar en un sentido, ya que
la corriente es transportada en su totalidad por los electrones. En cambio en los líquidos y gases, se hace
posible un flujo bidireccional debido a la ionización (véase Electroquímica). En una solución líquida, los
iones positivos se mueven en la disolución desde los puntos de potencial más alto a los puntos de potencial
más bajo; los iones negativos se mueven en sentido opuesto. De forma similar, en los gases que pueden ser
ionizados por radiactividad, por los rayos ultravioletas de la luz solar, por ondas electromagnéticas o por un
campo eléctrico muy intenso se produce un movimiento bidireccional de iones que produce una corriente
eléctrica a través del gas.
Fuentes de fuerza electromotriz
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Para producir un flujo de corriente en cualquier circuito eléctrico es necesaria una fuente de fuerza
electromotriz. Las fuentes disponibles son las siguientes: 1) máquinas electrostáticas, que se basan en el
principio de inducir cargas eléctricas por medios mecánicos; 2) máquinas electromagnéticas, en las que se
genera corriente desplazando mecánicamente un conductor a través de un campo o campos magnéticos; 3)
células voltaicas, que producen una fuerza electromotriz a través de una acción electroquímica; 4)
dispositivos que producen una fuerza electromotriz a través de la acción del calor; 5) dispositivos que
generan una fuerza electromotriz por la acción de la luz; 6) dispositivos que producen una fuerza
electromotriz a partir de una presión física, como los cristales piezoeléctricos. Véase Cristal.
Corrientes alternas
Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en el conductor cambia de
sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del conductor. Varios sistemas de generación de
electricidad se basan en este principio, y producen una forma de corriente oscilante llamada corriente
alterna. Esta corriente tiene una serie de características ventajosas en comparación con la corriente
continua, y suele utilizarse como fuente de energía eléctrica tanto en aplicaciones industriales como en el
hogar. La característica práctica más importante de la corriente alterna es que su voltaje puede cambiarse
mediante un sencillo dispositivo electromagnético denominado transformador. Cuando una corriente alterna
pasa por una bobina de alambre, el campo magnético alrededor de la bobina se intensifica, se anula, se
vuelve a intensificar con sentido opuesto y se vuelve a anular. Si se sitúa otra bobina en el campo magnético
de la primera bobina, sin estar directamente conectada a ella, el movimiento del campo magnético induce
una corriente alterna en la segunda bobina. Si esta segunda bobina tiene un número de espiras mayor que la
primera, la tensión inducida en ella será mayor que la tensión de la primera, ya que el campo actúa sobre un
número mayor de conductores individuales. Al contrario, si el número de espiras de la segunda bobina es
menor, la tensión será más baja que la de la primera.
La acción de un transformador hace posible la transmisión rentable de energía eléctrica a lo largo de
grandes distancias. Si se quieren suministrar 200.000 vatios de potencia a una línea eléctrica, puede hacerse
con un voltaje de 200.000 voltios y una corriente de 1 amperio o con un voltaje de 2.000 voltios y una
corriente de 100 amperios, ya que la potencia es igual al producto de tensión y corriente. La potencia
perdida en la línea por calentamiento es igual al cuadrado de la intensidad de la corriente multiplicado por
la resistencia. Por ejemplo, si la resistencia de la línea es de 10 ohmios, la pérdida de potencia con 200.000
voltios será de 10 vatios, mientras que con 2.000 voltios será de 100.000 vatios, o sea, la mitad de la potencia
disponible. Véase Generación y transporte de electricidad.
En un circuito de corriente alterna, el campo magnético en torno a una bobina varía constantemente, y la
bobina obstaculiza continuamente el flujo de corriente en el circuito debido a la autoinducción. La relación
entre el voltaje aplicado a una bobina ideal (es decir, sin resistencia) y la intensidad que fluye por dicha
bobina es tal que la intensidad es nula cuando el voltaje es máximo, y es máxima cuando el voltaje es nulo.
Además, el campo magnético variable induce una diferencia de potencial en la bobina de igual magnitud y
sentido opuesto a la diferencia de potencial aplicada. En la práctica, las bobinas siempre presentan
resistencia y capacidad además de autoinducción.
Si en un circuito de corriente alterna se coloca un condensador, también llamado capacitor, la intensidad de
corriente es proporcional al tamaño del condensador y a la velocidad de variación del voltaje en el
condensador. Por tanto, por un condensador cuya capacidad es de 2 faradios pasará el doble de intensidad
que por uno de 1 faradio. En un condensador ideal, el voltaje está totalmente desfasado con la intensidad.
Cuando el voltaje es máximo no fluye intensidad, porque la velocidad de cambio de voltaje es nula. La
intensidad es máxima cuando el voltaje es nulo, porque en ese punto la velocidad de variación del voltaje es
máxima. A través de un condensador circula intensidad aunque no existe una conexión eléctrica directa entre
sus placas porque el voltaje de una placa induce una carga opuesta en la otra.
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De los efectos indicados se deduce que si se aplica un voltaje alterno a una bobina o condensador ideales, no
se consume potencia. No obstante, en todos los casos prácticos los circuitos de corriente alterna presentan
resistencia además de autoinducción y capacidad, y se consume potencia. Esta potencia consumida depende
de la proporción relativa de las tres magnitudes en el circuito.
Historia
Es posible que el filósofo griego Tales de Mileto, que vivió en torno al 600 a.C., ya supiera que el ámbar
adquiere la propiedad de atraer objetos ligeros al ser frotado. Otro filósofo griego, Teofrasto, afirmaba en un
tratado escrito tres siglos después que otras sustancias poseen esa propiedad. Sin embargo, el primer estudio
científico de los fenómenos eléctricos no apareció hasta el 1600 d.C., cuando se publicaron las
investigaciones del médico británico William Gilbert, quien aplicó el término eléctrico (del griego elektron,
'ámbar') a la fuerza que ejercen esas sustancias después de ser frotadas. También distinguió entre las
acciones magnética y eléctrica.
La primera máquina para producir una carga eléctrica fue descrita en 1672 por el físico alemán Otto von
Guericke. Estaba formada por una esfera de azufre movida por una manivela, sobre la que se inducía una
carga cuando se apoyaba la mano sobre ella. El científico francés Charles François de Cisternay Du Fay fue
el primero en distinguir claramente los dos tipos diferentes de carga eléctrica: positiva y negativa. El
condensador más antiguo, la botella de Leyden, fue desarrollado en 1745. Estaba formado por una botella de
vidrio recubierta por dos láminas de papel de estaño, una en el interior y otra en el exterior. Si se cargaba
una de las láminas con una máquina electrostática, se producía una descarga violenta si se tocaban ambas
láminas a la vez.
El inventor estadounidense Benjamin Franklin dedicó mucho tiempo a la investigación de la electricidad. Su
famoso experimento con una cometa o papalote demostró que la electricidad atmosférica que provoca los
fenómenos del relámpago y el trueno es de la misma naturaleza que la carga electrostática de una botella de
Leyden. Franklin desarrolló una teoría según la cual la electricidad es un 'fluido' único que existe en toda la
materia, y sus efectos pueden explicarse por el exceso o la escasez de ese fluido.
La ley de que la fuerza entre cargas eléctricas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
entre las cargas fue demostrada experimentalmente por el químico británico Joseph Priestley alrededor de
1766. Priestley también demostró que una carga eléctrica se distribuye uniformemente sobre la superficie de
una esfera metálica hueca, y que en el interior de una esfera así no existen cargas ni campos eléctricos.
Charles de Coulomb inventó una balanza de torsión para medir con precisión la fuerza que se ejerce entre
las cargas eléctricas. Con ese aparato confirmó las observaciones de Priestley y demostró que la fuerza entre
dos cargas también es proporcional al producto de las cargas individuales. Faraday, que realizó numerosas
contribuciones al estudio de la electricidad a principios del siglo XIX, también desarrolló la teoría de las
líneas de fuerza eléctricas.
Los físicos italianos Luigi Galvani y Alessandro Volta llevaron a cabo los primeros experimentos importantes
con corrientes eléctricas. Galvani produjo contracciones musculares en las patas de una rana aplicándoles
una corriente eléctrica. En 1800, Volta presentó la primera fuente electroquímica artificial de diferencia de
potencial, un tipo de pila eléctrica o batería. La existencia de un campo magnético en torno a un flujo de
corriente eléctrica fue demostrada por el científico danés Hans Christian Oersted en 1819, y en 1831
Faraday demostró que la corriente que circula por una espira de cable puede inducir electromagnéticamente
una corriente en una espira cercana. Alrededor de 1840, James Prescott Joule y el científico alemán
Hermann von Helmholtz demostraron que los circuitos eléctricos cumplen la ley de conservación de la
energía, y que la electricidad es una forma de energía.
El físico matemático británico James Clerk Maxwell realizó una contribución importante al estudio de la
electricidad en el siglo XIX; Maxwell investigó las propiedades de las ondas electromagnéticas y la luz y
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desarrolló la teoría de que ambas tienen la misma naturaleza. Su trabajo abrió el camino al físico alemán
Heinrich Rudolf Hertz, que produjo y detectó ondas eléctricas en la atmósfera en 1886, y al ingeniero italiano
Guillermo Marconi, que en 1896 empleó esas ondas para producir el primer sistema práctico de señales de
radio.
La teoría de los electrones, que forma la base de la teoría eléctrica moderna, fue presentada por el físico
holandés Hendrik Antoon Lorentz en 1892. El primero en medir con precisión la carga del electrón fue el
físico estadounidense Robert Andrews Millikan, en 1909. El uso generalizado de la electricidad como fuente
de energía se debe en gran medida a ingenieros e inventores pioneros de Estados Unidos, como Thomas Alva
Edison, Nikola Tesla o Charles Proteus Steinmetz.
Tesla, Nikola (1856−1943), ingeniero electrotécnico e inventor de origen croata, nacionalizado
estadounidense y reconocido como uno de los más destacados pioneros en el campo de la energía eléctrica.
Tesla nació en Smiljan, Croacia, y estudió en la Escuela Politécnica de Graz, Austria, y en la Universidad de
Praga. Después de trabajar durante tres años como ingeniero electrotécnico emigró (1884) a Estados
Unidos, donde se hizo ciudadano de este país. Por un breve periodo trabajó para Thomas Edison, pero lo
abandonó para dedicarse en exclusiva a la investigación experimental y a la invención.
En 1888 Tesla diseñó el primer sistema práctico para generar y transmitir corriente alterna para sistemas de
energía eléctrica. Los derechos de ese invento, trascendental, en esa época, fueron comprados por el inventor
estadounidense George Westinghouse, que mostró el sistema por primera vez en la World's Columbian
Exposition de Chicago (1893). Dos años más tarde los motores de corriente alterna de Tesla se instalaron en
el diseño de energía eléctrica de las cataratas del Niágara.
Entre los muchos inventos de Tesla se encuentran los generadores de alta frecuencia (1890) y la bobina de
Tesla (1891), un transformador con importantes aplicaciones en el campo de las comunicaciones por radio.
Westinghouse, George (1846−1914), inventor, ingeniero e industrial estadounidense. Nació en Central
Bridge, Nueva York, y estudió en lo que es hoy el Union College en la Universidad de Schenectady, Nueva
York. Su primer invento importante, elaborado mientras trabajaba en la fábrica de su padre en Schenectady,
fue la horquilla de ferrocarril (aguja de cruce), un dispositivo que permitía a los trenes el paso de una vía a
otra. Su invento más famoso, el freno neumático, lo realizó antes del año 1868. Aunque quedó probado con
éxito ese año, el freno neumático no se puso en funcionamiento hasta después de la aprobación en 1893 de la
Railroad Safety Appliance Act.
Westinghouse inventó otros dispositivos de seguridad, en particular para la señalización automática del
ferrocarril; también desarrolló un sistema para transportar gas natural y obtuvo más de 400 patentes,
muchas de ellas por maquinaria de corriente alterna. Junto a Charles Steinmetz, impulsó por primera vez la
utilización de la energía de corriente alterna en Estados Unidos.
Batería, aparato que transforma la energía química en eléctrica, y consiste en dos o más pilas eléctricas
conectadas en serie o en paralelo en mixto. Se han desarrollado diversos tipos de nuevas baterías para
vehículos eléctricos. Se trata de versiones mejoradas de las baterías convencionales, pero aún tienen
numerosos inconvenientes como su corta duración, alto costo, gran volumen o problemas medioambientales.
Las baterías destinadas a vehículos eléctricos incorporan sulfuro de litio−hierro, cinc−cloro, hidruro de
níquel y sulfuro de sodio. Las compañías suministradoras de electricidad están desarrollando este tipo de
baterías para utilizarlas como niveladores de carga, a fin de compensar las fluctuaciones esporádicas del
sistema. Estas baterías ocupan poco espacio y apenas tienen efectos dañinos para el medioambiente.
Pila eléctrica, mecanismo que convierte la energía química en eléctrica. Todas las pilas consisten en un
electrólito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El
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electrólito es un conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al
conectar los electrodos al aparato que hay que alimentar, llamado carga, se produce una corriente eléctrica.
Las pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía ha sido
convertida (es decir, que las pilas se han descargado), se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas en las
que el producto químico puede ser reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en dirección
opuesta a la operación normal de la pila, se llaman pilas secundarias o acumuladores.
Pilas primarias
La pila primaria más común es la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés Georges
Leclanché en los años sesenta. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El electrólito
es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo negativo es de
cinc, igual que la parte exterior de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono rodeada por una
mezcla de carbono y dióxido de manganeso. Esta pila produce una fuerza electromotriz de unos 1,5 V.
Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc−óxido de mercurio, conocida normalmente como batería
de mercurio. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, células fotoeléctricas y relojes de
pulsera eléctricos. El electrodo negativo es de cinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el electrólito
es una disolución de hidróxido de potasio. La batería de mercurio produce unos 1,34 V.
La pila de combustible es otro tipo de pila primaria. Se diferencia de las demás en que los productos
químicos no están dentro de la pila, sino que se suministran desde fuera.
Pilas secundarias
El acumulador o pila secundaria, que puede recargarse revirtiendo la reacción química, fue inventado en
1859 por el físico francés Gaston Planté. La pila de Planté era una batería de plomo y ácido, y es la que más
se utiliza en la actualidad. Esta batería que contiene de tres a seis pilas conectadas en serie, se usa en
automóviles, camiones, aviones y otros vehículos. Su ventaja principal es que puede producir una corriente
eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente. El electrólito es una
disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de dióxido de
plomo. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones libres e iones positivos de
plomo. Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan
con los iones sulfato del electrólito para formar sulfato de plomo. Cuando los electrones vuelven a entrar en
la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo
reacciona con los iones hidrógeno del electrólito y con los electrones formando agua e iones plomo; estos
últimos se liberarán en el electrólito produciendo nuevamente sulfato de plomo.
Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en agua y
en sulfato de plomo. Al recargar la pila, las reacciones químicas descritas anteriormente se revierten hasta
que los productos químicos vuelven a su condición original. Una batería de plomo y ácido tiene una vida útil
de unos cuatro años. Produce unos 2 V por pila. Recientemente, se han desarrollado baterías de plomo para
aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años.
Otra pila secundaria muy utilizada es la pila alcalina o batería de níquel y hierro, ideada por el inventor
estadounidense Thomas Edison en torno a 1900. El principio de funcionamiento es el mismo que en la pila de
ácido y plomo, pero aquí el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo de óxido de níquel y el
electrólito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de níquel y hierro tiene la desventaja de
desprender gas hidrógeno durante la carga. Esta batería se usa principalmente en la industria pesada. La
batería de Edison tiene una vida útil de unos diez años y produce aproximadamente unos 1,15 V.
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Otra pila alcalina similar a la batería de Edison es la pila de níquel y cadmio o batería de cadmio, en la que
el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce también 1,15 V y su vida útil es de unos 25
años.
Pilas solares
Las pilas solares producen electricidad por un proceso de conversión fotoeléctrica. La fuente de electricidad
es una sustancia semiconductora fotosensible, como un cristal de silicio al que se le han añadido impurezas.
Cuando la luz incide contra el cristal, los electrones se liberan de la superficie de éste y se dirigen a la
superficie opuesta. Allí se recogen como corriente eléctrica. Las pilas solares tienen una vida muy larga y se
utilizan sobre todo en los aviones como fuente de electricidad para el equipo de a bordo.
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