La energía eléctrica es el resultado del movimiento de una carga eléctrica y se la denomina comúnmente simplemente «electricidad». En definitiva, tiene su origen en la fuerza electromagnética: una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y la responsable del comportamiento de los objetos cargados eléctricamente. La energía eléctrica es el resultado de la interacción de partículas subatómicas con esta fuerza. La electricidad se manifiesta en fenómenos naturales como los rayos y es fundamental para la vida. La capacidad de los seres humanos para generar, transmitir y almacenar electricidad es fundamental para la industria moderna, la tecnología y, en la mayoría de los países, la vida doméstica.
El origen de la energía eléctrica
Hay dos tipos de carga eléctrica, llamadas positivas y negativas. Si dos objetos cargados eléctricamente se acercan entre sí, experimentarán una fuerza. Si las cargas son las mismas, tanto positivas como negativas, la fuerza actuará para alejar los objetos entre sí. Si tienen cargas diferentes, se atraerán entre sí. Esta repulsión o atracción se conoce como fuerza electromagnética y se puede aprovechar para crear un flujo de energía eléctrica.
Los átomos consisten en un núcleo que contiene protones cargados positivamente, con electrones cargados negativamente orbitando a su alrededor. Los protones normalmente permanecen en el núcleo, pero los electrones pueden moverse de un átomo a otro, lo que les permite fluir a través de materiales, como los metales, que conducen la electricidad. Un lugar con un exceso de electrones sobre protones tendrá carga negativa; un lugar con déficit tendrá carga positiva. Dado que las cargas opuestas se atraen entre sí, los electrones fluirán desde un área cargada negativamente a una cargada positivamente si se les permite hacerlo, creando una corriente eléctrica.
Uso de energía eléctrica
La electricidad es útil tanto en sí misma como como medio para transferir energía a largas distancias. Es fundamental para diversos procesos industriales, telecomunicaciones e Internet, computadoras, televisores y muchos otros dispositivos de uso común. También se puede convertir en otras formas de energía para su uso en una variedad de otras aplicaciones.
Cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor, genera una cierta cantidad de calor. La cantidad generada depende de qué tan bien el material conduce la electricidad. Un buen conductor, como el cobre, produce muy poco. Por esta razón, los alambres y cables de cobre se usan comúnmente para transmitir electricidad: cuando se produce calor, se pierde energía, por lo que un buen conductor minimiza la pérdida de energía. Los materiales que no conducen bien la electricidad producen más calor, por lo que tienden a usarse en calentadores eléctricos, cocinas y hornos, por ejemplo.
La energía eléctrica también se puede convertir en luz. Las primeras luces de arco dependían de una descarga eléctrica a través de un pequeño espacio para calentar el aire hasta el punto en que brillaba, el mismo principio que los rayos. Más tarde, se introdujo la bombilla de luz de filamento: esta se basa en la corriente que hace que un alambre delgado y enrollado brille al rojo vivo. Las bombillas modernas que ahorran energía pasan una corriente de alto voltaje a través de un gas delgado, lo que hace que emita luz ultravioleta, que incide en una capa fluorescente para producir luz visible.
Cuando un material conductor, como un alambre de cobre, se mueve en un campo magnético, se genera una corriente. Por el contrario, una corriente que fluye a través de un cable, si experimenta un campo magnético, producirá movimiento. Este es el principio detrás de un motor eléctrico. Estos dispositivos consisten en una disposición de imanes y bobinas de alambre de cobre de tal manera que cuando fluye una corriente a través del alambre, se produce un movimiento giratorio. Los motores eléctricos se utilizan ampliamente en la industria y en el hogar, por ejemplo, en lavadoras y reproductores de DVD.
Medición de energía eléctrica
La energía se mide en julios, un término que lleva el nombre del físico James Prescott Joule. Un julio es aproximadamente la cantidad de energía necesaria para levantar una libra (0.45 kilogramos) de peso a una distancia vertical de nueve pulgadas (22.9 cm). Sin embargo, suele ser más conveniente pensar en la electricidad en términos de potencia, que es la energía dividida por el tiempo o la velocidad a la que fluye. Esto da la unidad posiblemente más familiar del vatio, que lleva el nombre del científico James Watt. Un vatio equivale a un julio por segundo.
Hay una serie de otras unidades relacionadas con la electricidad. El culombio es la unidad de carga eléctrica. Puede considerarse como una cantidad de electrones (1.6 x 1019), ya que todos los electrones tienen la misma carga, muy pequeña. El amperio, generalmente abreviado como «amp», es la unidad de corriente eléctrica o el número de electrones que fluyen en un período de tiempo determinado. Un amperio equivale a un culombio por segundo.
El voltio es la unidad de fuerza electromotriz o la cantidad de energía que se transfiere por unidad de carga o culombio. Un voltio equivale a un julio de energía transferida por cada culombio de carga. La potencia, en vatios, es equivalente a voltios multiplicados por amperios, por lo que una corriente de cinco amperios a 100 voltios sería equivalente a 500 vatios.
Generación de energía eléctrica
La mayor parte de la electricidad se genera mediante dispositivos que convierten el movimiento de rotación en energía eléctrica, utilizando el mismo principio que un motor eléctrico, pero a la inversa. El movimiento de bobinas de alambre dentro de un campo magnético produce una corriente eléctrica. Comúnmente, el calor, a menudo generado por la quema de combustibles fósiles, se usa para producir vapor que impulsa una turbina para proporcionar el movimiento de rotación. En una planta de energía nuclear, la energía nuclear proporciona el calor. La energía hidroeléctrica utiliza el movimiento del agua por gravedad para impulsar la turbina.
La electricidad generada en las centrales eléctricas generalmente se encuentra en forma de corriente alterna (CA). Esto significa que la corriente invierte constantemente su dirección, muchas veces por segundo. Para la mayoría de los propósitos, el aire acondicionado funciona bien, y así es como la electricidad llega al hogar. Sin embargo, algunos procesos industriales requieren corriente continua (CC), que fluye en una sola dirección. Por ejemplo, la fabricación de ciertos productos químicos utiliza la electrólisis: la división de compuestos en elementos o compuestos más simples utilizando electricidad. Esto requiere corriente continua, por lo que estas industrias requerirán conversión de CA a CC o tendrán su propio suministro de CC.
Es más eficiente transmitir electricidad a través de líneas eléctricas a voltajes más altos. Por esta razón, las plantas generadoras utilizan dispositivos llamados transformadores para aumentar el voltaje de transmisión. Esto no aumenta la energía ni la potencia: cuando se eleva el voltaje, la corriente se reduce y viceversa. La transmisión de electricidad a larga distancia tiene lugar a muchos miles de voltios; sin embargo, no se puede utilizar en hogares con estos voltajes. Los transformadores locales reducen el voltaje a alrededor de 110 voltios en los EE. UU. Y 220-240 voltios en Europa, para el suministro doméstico.
La electricidad para dispositivos pequeños de baja potencia a menudo se suministra mediante baterías. Estos utilizan energía química para generar una corriente eléctrica relativamente pequeña. Siempre generan una corriente continua, por lo que tienen un terminal negativo y uno positivo. Los electrones fluyen desde el terminal negativo al positivo cuando se completa un circuito.