1 UNIDAD DIDÁCTICA 1 Electricidad 1. Conceptos básicos 1: Conceptos básicos ÍNDICE ÍNDICE...............................................................................................................................................................................9 OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 11 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 12 1.1. Breve historia de la electricidad........................................................................................................................... 13 1.2. La energía y sus transformaciones...................................................................................................................... 16 1.2.1. Concepto de energía............................................................................................................................................. 16 1.3. Principios básicos de electricidad........................................................................................................................ 18 1.3.1. Electricidad........................................................................................................................................................... 18 1.3.2. Electrostática........................................................................................................................................................ 18 1.3.3. Electrodinámica..................................................................................................................................................... 19 1.3.4. Carga eléctrica...................................................................................................................................................... 19 1.3.5. Fuerza eléctrica..................................................................................................................................................... 20 1.3.6. Campo eléctrico.................................................................................................................................................... 21 1.4. Propiedades eléctricas de los materiales............................................................................................................ 25 1.4.1. Materiales conductores.......................................................................................................................................... 25 1.4.2. Materiales aislantes................................................................................................................................................ 26 1.5. Magnetismo........................................................................................................................................................... 28 1.5.1. Imanes................................................................................................................................................................ 28 1.5.2. Campo magnético................................................................................................................................................. 30 RESUMEN..................................................................................................................................................................... 31 9 1: Conceptos básicos OBJETIVOS ■ ■ ■ ■ Conocer la historia de la electricidad; analizar qué es y cómo se transmite. Conocer los fundamentos de la conducción eléctrica y saber cómo se genera una corriente eléctrica. Acercarse de forma breve al magnetismo en la materia y su relación con la electricidad. Saber distinguir los materiales según sus propiedades eléctricas. 11 Electricidad INTRODUCCIÓN ¿Qué es la electricidad?, ¿de dónde viene? Son preguntas que en algún momento nos hemos planteado, y si no es así, continuamente la estamos empleando, en casa, en el lugar de trabajo, etc. En nuestros días, ¿qué ocurriría si nos faltara?, ¿seríamos capaces de seguir viviendo como si no la hubiéramos conocido? Indudablemente que no, estaríamos desorientados, tendríamos que renunciar a muchas comodidades y necesidades. En nuestra casa o taller, cuando se produce un apagón, ¿cómo nos sentimos?. Una sensación desagradable sin duda. 12 Con estas interrogaciones, sólo se pretende exponer la importancia que ella tiene, ser conscientes de su existencia y alimentar la necesidad de conocerla, dominarla. La presente unidad didáctica está dedicada al estudio de la electricidad desde sus inicios, partiendo de cómo aparece en la naturaleza y explicando que se puede crear y utilizar. 1: Conceptos básicos 1.1. Breve historia de la electricidad La electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Tales de Mileto en el año 600 a.C. observó que frotando un trozo de ámbar con una piel o con lana, se obtenían pequeñas cargas que atraían pequeños objetos, y frotando mucho tiempo podía causar la aparición de una chispa. Miles de años después, exactamente en 1.560, fue el médico y físico inglés William Gilbert quien estudió estos efectos, y tomando la palabra griega elektron (ámbar), llamó a esas sustancias eléctricas. Tratándose de un efecto al parecer estable, a menos que se produjera alguna perturbación terminó denominándose electricidad estática o carente de movimiento. Gilbert escribió en el año 1.600 De Magnete, un libro que trataba el tema del magnetismo. También Tales había estudiado el fenómeno, pero pasaría un tiempo antes de que los físicos se dieran cuenta de que se trataba de un mismo fenómeno. Tanto la electricidad como el magnetismo pasarían a formar el electromagnetismo. Mientras tanto, se intentaba descubrir los secretos de este extraño fenómeno, y desentrañar el mecanismo oculto tras la electricidad. Figura 1.1. William Gilbert. En 1.733 el francés Charles-François de Cisternay Du Fay, descubrió que dos bolas de corcho cargadas de la misma manera se repelían, pero si cargaba cada una por medios diferentes, lograba que a veces se atrajeran; por ejemplo si cargaba una frotándola con una vara de resina y a la otra con una de vidrio. Este fenómeno de atracción y repulsión parecía indicar dos naturalezas distintas. François de Cisternay Du Fay creía que la electricidad era un fluído, y determinó que éste existía en dos tipos: resinoso o vítreo. En 1.780 Luigi Galvani, un anatomista italiano, observó por primera vez que una descarga eléctrica sobre las patas de una rana muerta producía contracciones de los músculos afectados. 13 Electricidad Probó exponer estos músculos a los efectos de una tormenta usando el descubrimiento de Franklin. Para conseguirlo, colgó patas de rana con ganchos en la reja de la casa, pero las contracciones proseguían aún cuando la tormenta había pasado. Una inspección posterior lo llevó a ver que la estimulación se producía cuando el músculo tocaba simultáneamente dos metales distintos. Galvani creyó que la electricidad así producida se generaba en el músculo, observación que resultó errónea, pero no sería él quien descubriera el error. Veinte años más tarde, en 1.800, Alessandro G. Volta supuso lo contrario, es decir, que era el contacto entre metales distintos lo que generaba la electricidad. Esta idea fue el comienzo de una gran revolución en el tema, pudiéndose comprobar dicha hipótesis inmediatamente y ello le permitió dos grandes avances: Por un lado, construir el primer dispositivo químico generador de electricidad, que denominó batería eléctrica, hoy llamada pila. Figura 1.2. Pila de Volta. Por otro lado, obtener por primera vez en la historia una corriente continua y suficientemente estable, de manera que ya no se dependía de la estática. Como todo es mejorable, y la primera pila de Volta fue perfeccionándose. En 1836 fue mejorada por el británico John Daniell (1.790-1.845), quien logró mayor estabilidad y duración. Los siguientes adelantos en la materia son otra historia. Antes de esto, en 1.820, se había dado un gran salto en la comprensión acerca de la relación entre la electricidad y el magnetismo. En ese año el físico danés Hans Christian Oersted demostró que una corriente generaba un campo magnético. Siguiendo este descubrimiento, André-Marie Ampère demostró que un solenoide (cable enrollado en forma de resorte) aumentaba considerablemente el campo magnético generado, en proporción directa con la cantidad de vueltas que se le diera al cable. Así, desde la pila de Volta, que permitió trabajar con una corriente, los descubrimientos se desencadenaron velozmente: ■ 1.821: Michael Faraday, otro hombre importante para la ciencia, aportó la idea fundamental de la física moderna por primera vez. Para describir una fuerza electromagnética se hablaba de campo. ■ 1.823: William Sturgeon, aprovechando el efecto de los solenoides, inventó el electroimán. El primero de ellos pudo levantar un peso de 4 Kg. 14 1: Conceptos básicos ■ 1.827: Georg Simon Ohm definió la resistencia eléctrica y propuso la ley que lleva su nombre: Ley de Ohm. ■ 1.831: Faraday desarrolla el transformador y el generador eléctrico. Joseph Henry crea el motor eléctrico y desarrolla un electroimán que levanta una tonelada de hierro. ■ 1.845: Gustav Rober Kirchoff enuncia las principales leyes para el análisis de circuitos eléctricos. ■ 1.879: Thomas Alva Edison consigue que una bombilla funcionara durante 48 horas seguidas. Aunque la invención de la lámpara incandescente se le atribuye a él, él únicamente perfeccionó el filamento (que entonces era de bambú carbonatado) para que la lámpara funcionara sin fundirse. ■ 1.883: Nikola Tesla desarrolla un motor que podía funcionar con corriente alterna y ya no con continua. Tomas Alva Edison se oponía al uso de esa corriente, pero sus esfuerzos fueron vanos. La máxima utilización de la electricidad comenzó cuando, a fines del siglo XIX, se extendió la iluminación eléctrica de las calles y las casas. La creciente sucesión de aplicaciones que esta disponibilidad produjo hizo de la electricidad una de las principales fuerzas motrices de la segunda revolución industrial. Los fenómenos eléctricos, unidos a los magnéticos, están presentes en todas partes, ya sea en las tormentas, la radiación solar o el cerebro humano. Modernamente, sus propiedades se aprovechan en múltiples campos de actividad, y la electricidad se ha convertido en una forma esencial de consumo y transporte de energía. Los avances hasta el momento en materia de electricidad o de sus posteriores aplicaciones tecnológicas han llegado a ser tan importantes, que hoy en día nuestra civilización no podría vivir con las comodidades y necesidades actuales. Figura 1.3. Electrodomésticos. 15 Electricidad 1.2. La energía y sus transformaciones El estudio de los orígenes de la electricidad nos obliga a situarla dentro de su ámbito general, como forma de energía. Para la mejor comprensión veremos primeramente una serie de definiciones y conceptos generales necesarios, como son los tipos de energía, formas en que se manifiesta, transformaciones y rendimientos. 1.2.1. Concepto de energía Energía es eficacia, poder, capacidad para producir un efecto, llevar a término un trabajo, un esfuerzo. Energía En Física, el concepto más empleado es el que la define como la capacidad para desarrollar trabajo, tanto asociado con agentes materiales, como en forma libre independiente de la materia. Nosotros nos quedaremos con la siguiente acepción: “energía es toda causa capaz de producir trabajo”. En el Universo, la energía existe bajo dos conceptos o formas: ■ Potencial: aquella que está almacenada, la que tienen todos los cuerpos que permanecen en reposo; un claro ejemplo lo podemos tener en una cerilla que permanece sin encender. ■ Cinética: es aquella que se está manifestando, que desarrolla una función o trabajo, aprovechando el ejemplo anterior, sería la misma cerilla, pero encendida. De lo que en potencia era capaz de realizar dicha cerilla, en este caso lo está manifestando, demostrando. De aquí debemos deducir que la energía cinética, puede manifestarse de diferentes formas: ■ Mecánica: turbina, giro de un motor. ■ Calorífica: máquina vapor, lámpara incandescente. ■ Química: batería, combustión en el motor. ■ Eléctrica: lámpara incandescente, motor eléctrico. ■ Nuclear: submarino atómico. Podemos observar que algunos elementos pueden manifestar diferentes formas de energía, en cualquier caso, en todos ellos se producen transformaciones. 16 1: Conceptos básicos Al hablar de estas manifestaciones, sin duda, deberemos tener en cuenta el principio de conservación de la energía, que dice: “La energía total de un sistema aislado, permanece constante, independientemente de cualquier cambio interno que pueda tener lugar, ya que la energía que desaparece de una forma, reaparece bajo otras formas.” Resumiendo, podemos decir que la energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma. Aunque en toda transformación se considera la energía absorbida como la empleada en realizar un trabajo, a la energía aprovechada se le llama útil, y a la no aprovechada, pero que es necesaria, se le llama perdida. Siempre se debe cumplir que la energía absorbida sea la suma de la útil más la perdida. EA= EU+EP De todas formas, cuando hablamos del trabajo realizado por una máquina, motor, etc., hablamos del rendimiento. Este dato es la relación existente entre la energía útil y la energía absorbida: η = EU / EA El resultado de dicha operación siempre tendrá un valor inferior a 1. De lo contrario estaríamos diciendo que una máquina aprovecha más energía de la que consume, y no tiene ningún tipo de pérdida, ni tan siquiera por rozamientos. Esto hoy por hoy es imposible, no existe la máquina perfecta. Generalmente el rendimiento se suele dar en tanto por ciento. 17 Electricidad 1.3. Principios básicos de electricidad Aclarados los conceptos generales sobre energía, pasaremos a estudiar concretamente lo concerniente a la energía eléctrica, siendo ésta uno de los principales temas que nos ocupa este curso. Para una mejor comprensión del funcionamiento de los circuitos eléctricos y electrónicos, así como la función que desarrollan los componentes en los mismos, estudiaremos el origen de la electricidad. 1.3.1. Electricidad Es una de las formas en que se manifiesta la energía, como ya hemos visto. Principalmente deberemos de destacar dos tipos de electricidad, la llamada estática y la dinámica. La estática se produce por frotamiento y como consecuencia tiene lugar la captación o pérdida de un electrón, y la dinámica es el paso continuo de electrones. Es el tipo dinámico el que nos interesa y sobre el que realizaremos nuestro análisis. 1.3.2. Electrostática La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en reposo en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro. La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas, esto es, el campo electrostático de un cuerpo cargado. Figura 1.4. Tormenta eléctrica. Una manifestación de carga estática la tenemos en las nubes cuando se generan tormentas eléctricas con rayos. Cuando una nube se encuentra completamente ionizada o cargada negativamente, se establece un canal o conducto natural que es capaz de atraer iones cargados positivamente desde la Tierra hasta la nube. Cuando los iones positivos procedentes de la Tierra hacen contacto con la nube, se produce el rayo al liberar ésta la enorme carga de corriente eléctrica estática acumulada. 18 1: Conceptos básicos 1.3.3. Electrodinámica Al contrario de lo que ocurre con la electrostática, la electrodinámica se caracteriza por encontrarse las cargas eléctricas en constante movimiento. La electrodinámica se basa en el movimiento de los electrones o cargas eléctricas que emplean como soporte un material conductor de la corriente eléctrica para desplazarse. Todos los cuerpos conocidos en la naturaleza, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, se componen de átomos o moléculas de elementos químicos simples o compuestos. La parte dinámica de la electricidad es la que estudiaremos en este módulo. 1.3.4. Carga eléctrica La electricidad se produce gracias a la carga eléctrica de los cuerpos. La carga eléctrica es una propiedad que poseen algunas partículas subatómicas y que se manifiesta mediante las fuerzas observadas entre ellas. Un cuerpo está formado por materia, ésta a su vez es una agrupación de moléculas, las cuales son la parte más indivisible de la materia sin que ésta pierda sus propiedades físicas y químicas. A su vez la molécula la podemos dividir en partes más pequeñas denominadas átomos. Todos los átomos o moléculas simples se componen de un núcleo formado por protones y neutrones, y alrededor de ese núcleo gira constantemente una nube de electrones situados en una o en varias órbitas, según el elemento químico de que se trate, de forma similar a como giran los planetas alrededor del sol. Es decir, que cada átomo viene siendo un sistema solar en miniatura, tal como se puede ver en la ilustración del átomo que aparece a la izquierda. Figura 1.5. Átomo. Los protones de los átomos poseen siempre carga eléctrica positiva, los neutrones carga neutra y los electrones carga eléctrica negativa. La unidad fundamental de carga es el electrón, pero por ser una unidad demasiado pequeña el Sistema Internacional define como unidad de carga eléctrica el Culombio. 19 Electricidad 1 Culombio = 6,23 x 1018 electrones El culombio (C) se define como la cantidad de carga (Q) que circula a través de una superficie por unidad de tiempo. La cantidad de protones presentes en el núcleo de un átomo neutro siempre es igual a la de los electrones que se encuentran girando en sus respectivas órbitas. Un átomo en estado neutro tiene el mismo número de cargas negativas que positivas, es decir, el núcleo neutro tiene igual número de protones que de electrones. Bajo ciertas circunstancias, un átomo puede ganar o ceder electrones de su última órbita empleando medios químicos o eléctricos y convertirse así en un ión negativo o positivo del elemento de que se trate, exceptuando los átomos de los gases nobles. En ese caso podemos decir que se trata del ión de un elemento determinado. Figura 1.6. Iones. Cuando el átomo cede o pierde electrones se convierte en un ión positivo o catión, pues la cantidad de protones con carga positiva superará a la de los electrones con carga negativa. Si por el contrario, el átomo en lugar de ceder electrones los capta o gana en su última órbita, se convierte en un ión negativo o anión, al ser superior la cantidad de electrones con carga negativa en relación con la carga positiva de los protones agrupados en el núcleo. Es necesario aclarar que el máximo de electrones que puede contener la última capa u órbita de un átomo son ocho. Cuando se trata de un cuerpo, el que tiene exceso de cargas negativas se denomina cátodo y cuando tiene falta de esas cargas se le llama ánodo. 1.3.5. Fuerza eléctrica Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica. La fuerza eléctrica es una magnitud vectorial, y para su cálculo además de determinar el módulo se debe calcular la dirección y sentido. A través de varios experimentos Coulomb determinó el cálculo de la fuerza eléctrica. La ley de Coulomb puede expresarse como: Las fuerzas ejercidas entre dos cargas puntuales en reposo son directamente proporcionales al producto de las cargas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que las separa. 20 1: Conceptos básicos Si ambas cargas tienen el mismo signo, es decir, si ambas son positivas o negativas, la fuerza es repulsiva. Si las dos cargas tienen signos opuestos la fuerza es atractiva. Figura 1.7. Cargas eléctricas. Matemáticamente esta Ley viene expresada como: F=k ⋅ q ⋅ q' r2 Donde q y q’ son las cargas y r es la distancia lineal que las separa, la constante de proporcionalidad k tiene un valor en vacío de: k=8,99 ⋅ 10 9 N ⋅ m2 C2 En muchas ocasiones veremos k como (1/4πε) donde ε se llama “permitividad del medio”. Cuando las cargas están en el vacío se representa por ε0. Una propiedad fundamental de las fuerzas eléctricas es el principio de superposición, que establece que cuando hay varias cargas la fuerza resultante sobre una cualquiera de ellas es la suma vectorial de las fuerzas ejercidas por todas las demás. 1.3.6. Campo eléctrico Las cargas eléctricas no necesitan un medio material para influir sobre otras. Cuando en la naturaleza se da una situación en la que aparecen fuerzas eléctricas recurrimos a la idea de campo para describir la influencia que los cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. El concepto físico de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas es aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. Así, por ejemplo, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sitúa, a modo de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo análogo la física introduce la noción de campo magnético y también la de campo eléctrico o electrostático. 21 Electricidad Campo eléctrico El campo eléctrico se crea o se genera por las cargas eléctricas. Siempre que exista una carga eléctrica, tanto positiva como negativa, se creará un campo eléctrico, tanto si la carga está en reposo como en movimiento. Otra forma de creación del campo eléctrico es la variación en el tiempo del campo magnético; por lo tanto, siempre que haya cargas eléctricas o variación del campo magnético con el tiempo, tendremos campo eléctrico. Se dice que cualquier distribución de carga eléctrica crea a su alrededor una situación que se llama campo eléctrico. 1.3.6.1. Cálculo del campo eléctrico Si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella. La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad positiva recibe el nombre de intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. La intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su módulo E y por su dirección y sentido. La intensidad de campo eléctrico (E) representa la cuantificación o magnitud del campo eléctrico, y se define como la fuerza que experimenta una carga eléctrica unidad positiva (q), colocada en un punto dentro del campo eléctrico creado por una carga Q. Figura 1.8. Intensidad de campo eléctrico sobre una carga. Como se trata de una fuerza electrostática estará aplicada en el punto P, dirigida a lo largo de la recta que une la carga Q y la carga unitaria q. Su sentido será atractivo o repulsivo en función de que Q sea negativa o positiva respectivamente. 22 1: Conceptos básicos Para obtener la expresión matemática de E no necesitamos más que aplicar la Ley de Coulomb: E=k ⋅ Q⋅q r2 Como q es unitaria tenemos que la intensidad del campo eléctrico creado por una carga en un punto es: E=k ⋅ Q r2 Por tanto podemos deducir que: E= F q La unidad de medida del campo en el S.I. de Unidades es el N/C (Newton/Culombio). 1.3.6.2. Representación del campo eléctrico: líneas de fuerza Es posible representar el campo eléctrico de forma gráfica dibujando las líneas que indican la dirección del campo en cualquier punto. Estas líneas se denominan líneas de campo eléctrico o líneas de fuerza. Cuando la carga eléctrica es positiva, el campo eléctrico se representa mediante líneas perpendiculares a la superficie de la carga y apuntando hacia afuera, es decir, divergen de la carga. En el caso de que la carga sea negativa serán iguales pero apuntando hacia adentro. Tal y como se muestra en la siguiente figura: Figura 1.9. Líneas de campo eléctrico de una carga eléctrica. Si colocamos relativamente próximas dos cargas iguales, veremos que el campo eléctrico en la parte central es prácticamente nulo debido a las fuerzas de repulsión entre ambas cargas. En el caso de que estas cargas fueran de distinto signo sucederá todo lo contrario debido a que éstas se atraen. Esto lo podemos comprobar en la siguiente figura. 23 Electricidad Figura 1.10. Líneas de campo eléctrico de dos cargas eléctricas. Para dibujar líneas de campo eléctrico se establecen unas reglas: ■ Las líneas de fuerza comienzan en las cargas positivas y terminan en las negativas. ■ Se dibujan simétricamente saliendo o entrando en la carga. ■ El número de líneas es proporcional a la carga. ■ Nunca pueden cortarse dos líneas de campo. 24 1: Conceptos básicos 1.4. Propiedades eléctricas de los materiales Cada material tiene distintas propiedades y usos en función de su estructura y composición. Si atendemos a las propiedades eléctricas los materiales se clasifican en tres grandes grupos: ■ Conductores: con gran facilidad para conducir la electricidad. ■ Semiconductores: son materiales poco conductores, pero que si se le aplica energía pueden llegar a conducir con facilidad. ■ Aislantes: son aquellos que no permiten el paso de electricidad. Nosotros vamos a centrarnos en los materiales conductores y aislantes. Los materiales semiconductores se usan principalmente en componentes electrónicos. 1.4.1. Materiales conductores Los mejores materiales conductores son los metales, cuya principal característica eléctrica es que ceden electrones con facilidad. Los materiales conductores tienen la finalidad de conducir la corriente eléctrica, al igual que todas las materias, poseen una serie de propiedades, que a continuación vamos a enumerar: ■ Propiedades físicas. ■ Propiedades químicas. ■ Propiedades mecánicas. ■ Propiedades eléctricas. Propiedades físicas de los materiales conductores ■ Densidad: cantidad de masa por unidad de volumen. Deben tener una densidad alta, a más densidad, mejores conductores son. ■ Punto de fusión: temperatura a la cual funde, pasa a estado líquido. Deben tener alto punto de fusión, exceptuando los fusibles, que debe ser muy bajo. ■ Dilatación: es el aumento de volumen, “dimensiones”, por efecto de la temperatura. En determinados casos, el coeficiente de dilatación, debe ser bajo, para que no ceda el material en exceso, como en el caso de las instalaciones de alta tensión entre torres. También hay que tener en cuenta, que si el material no puede dilatarse libremente, puede partir. En determinados casos, como los termocontactos, se aprovecha precisamente el exceso de dilatación del material. 25 Electricidad Propiedades químicas de los materiales conductores ■ Envejecimiento: generalmente debido a condiciones atmosféricas. ■ Oxidación y corrosión: recombinación con el oxígeno, potenciado por el calor, humedad y salitre. Aumenta la resistencia al paso de la corriente el movimiento de los electrones, produciéndose malos contactos y caídas de tensión. Propiedades mecánicas de los materiales conductores ■ Tracción: es el alargamiento y como consecuencia reducción de la sección. Esto puede llevar a su rotura. ■ Tenacidad: capacidad de soportar esfuerzos sin romperse. ■ Dureza: aguante del material a ser rayado. ■ Ductilidad: facilidad a la deformación hasta quedar en forma de hilos. ■ Resistencia: determina la fragilidad ante un esfuerzo brusco. Todas estas propiedades siempre estarán en función del tipo de instalación y, en función de ello se elegirá el conductor a emplear. Propiedades eléctricas de los materiales conductores ■ Resistividad: resistencia eléctrica que depende de la naturaleza del material, longitud y sección del elemento. Cuanto menor sea su coeficiente de resistividad, mejor dejará circular los electrones. Curiosamente, el elemento de más baja resistividad, es la plata (Ag), pero su adquisición tiene un coste muy elevado para tal fin. Como elementos conductores y cables se emplean básicamente el cobre y el aluminio, pues tienen una resistividad y coste adecuado. Para contactos de interruptores y relés, se emplean aleaciones de metales, generalmente con base de aluminio. Para fusibles, que también deben de ser elementos conductores, de bajo punto de fusión, se emplean aleaciones de plata, plomo y estaño. 1.4.2. Materiales aislantes Los materiales aislantes son aquellos que no permiten en absoluto el paso de la corriente eléctrica. A continuación, vamos a enumerar las principales características que deben tener los aislantes de acuerdo a sus propiedades: ■ Características físicas. ■ Características químicas. ■ Características eléctricas. 26 1: Conceptos básicos Características físicas de los materiales aislantes ■ Deben tener una densidad baja. ■ Disipar bien el calor. ■ Deben ser impermeables a la humedad. Características químicas de los materiales aislantes ■ Resistentes al envejecimiento y a agentes atmosféricos. ■ Soportar ataques ácidos, bases y disolventes. ■ Resistentes a la oxidación. ■ Poseer propiedades innifugas. Características eléctricas de los materiales aislantes ■ Poseer resistividad elevada. ■ Poder soportar una tensión máxima que soporta sin perforarse, en función lógicamente del espesor. ■ Espesor del aislante. ■ Su coeficiente de seguridad está determinado por la tensión de trabajo y la de perforación. Básicamente, los aislantes los podemos clasificar en función de su estado físico, su naturaleza o características térmicas. Según su estado físico: ■ Sólido, como siliconas para cables de horno. ■ Líquido, como aceite para los transformadores. ■ Gaseoso, para evitar arcos voltaicos. Por su naturaleza: ■ Minerales, como porcelana para bases de enchufe. ■ Orgánicos, como papel para condensadores. ■ Sintéticos, como plásticos para cables. Por sus características térmicas: ■ Definen la temperatura máxima de utilización. En toda instalación o circuito eléctrico es necesario el empleo de conductores, elementos que faciliten el paso de los electrones. Es necesario que exista un conductor por el que salgan y otro por el que retornen. 27 Electricidad 1.5. Magnetismo Todos hemos podido observar alguna vez el comportamiento de una brújula: cómo la aguja que lleva en su interior se empeña siempre en marcar la misma dirección por más vueltas que demos a la caja. Esta forma de actuar de la aguja nos parece un tanto mágica, de tal manera que llegamos a preguntarnos: ¿qué oculta fuerza de la Naturaleza será la causa de ese extraño comportamiento? Pues bien, a esta fuerza de la Naturaleza los físicos la llaman magnetismo. Veamos a continuación las primeras noticias de este fenómeno que hemos nombrado como magnetismo. En Magnesia, lejana ciudad del Asia Menor, se descubrió en la Antigüedad una clase de piedra que poseía la extraña propiedad de atraer pequeños trozos de hierro. Del nombre de la ciudad proviene la palabra “magnetismo”, así como la denominación de magnética para la piedra mineral, que ha resultado ser un óxido ferroso-férrico de fórmula Fe3 O4. 1.5.1. Imanes A la piedra mencionada anteriormente se la llamó piedra imán o magnetita. De aquí, y por extensión, podemos definir el imán como todo cuerpo capaz de atraer el hierro y sus derivados, y también, aunque en menor escala, el níquel, cobalto y algunas aleaciones. Los imanes pueden ser naturales o artificiales: ■ Imanes naturales: son los que tienen la propiedad magnética por naturaleza. Es el caso de la magnetita o piedra imán. Figura 1.11. Imán natural. ■ Imanes artificiales: son los que han adquirido la propiedad magnética. Se construyen principalmente de barras de acero o de hierro. La propiedad magnética puede adquirirse por distintos procedimientos: 1. Por frotamiento con imán: procediendo siempre en el mismo sentido. 28 1: Conceptos básicos Figura 1.12. Frotamiento. 2. Por influencia con otro imán: colocándolo suficientemente cerca de un imán. Figura 1.13. Influencia con otro imán. 3. Por la acción de corrientes eléctricas: enrollando un hilo conductor alrededor de la barra y aislado de ella. Figura 1.14. Acción de corrientes eléctricas. A su vez, los imanes artificiales pueden ser temporales y permanentes. ■ Imanes temporales. Sólo mantienen la propiedad magnética mientras actúe la causa imantadora y suelen estar fabricados de acero extrasuave (hierro dulce). 29 Electricidad ■ Imanes permanentes. Conservan la propiedad magnética después de haber cesado la causa imantadora y suelen estar fabricados en acero. 1.5.2. Campo magnético Inicialmente la forma de obtener campos magnéticos fue a través de los imanes naturales. Gilbert descubrió que la Tierra es un imán natural con polos magnéticos próximos a los polos geográficos. La fuerza que se produce entre dos polos magnéticos es similar a la que se crea entre dos cargas eléctricas. La principal diferencia es que los polos magnéticos siempre se presentan juntos (positivo y negativo). Si rompemos un imán por la mitad aparecen un polo norte y un polo sur en cada pedazo. El campo magnético se crea con el movimiento de las cargas eléctricas o con la variación con el tiempo del campo eléctrico. Esto nos hace tener una idea de la relación entre la electricidad y el magnetismo. Figura 1.15. Campo magnético. La unión de ambas partes de la física, electricidad y magnetismo, dio lugar a la aparición del electromagnetismo. Como consecuencia de esa unión, el movimiento de cargas eléctricas genera un campo magnético, el campo magnético se representa con la letra B y se mide en el sistema internacional en Tesla (T). El flujo magnético es la cantidad de campo magnético que atraviesa una superficie, se representa con la letra f y su unidad de medida en el sistema internacional es el Weber (W). 30 1: Conceptos básicos RESUMEN ■ ■ ■ ■ ■ ■ Los diferentes tipos de energía se pueden expresar en forma cinética o potencial. Los cuerpos están formados por átomos que tienden a estar eléctricamente neutros. Cuando un átomo tiene mas cargas negativas que positivas se le llama anión, en caso contrario, se le denomina catión. Las cargas eléctricas crean campos eléctricos. Los mejores materiales conductores son aquellos que poseen menos electrones en la última órbita de los átomos. Los materiales aislantes son aquellos que no permiten el paso de la corriente eléctrica. 31