Diferencia entre revisiones de «Electricidad»
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La '''electricidad''' (del griego ''elektron'', cuyo significado es [[ámbar]]) es un [[fenómeno]] físico cuyo origen son las [[carga eléctrica|cargas eléctricas]] y cuya [[energía]] se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros.<ref name="larousse">{{cita libro
|título = El pequeño Larousse Ilustrado
|año= 2006
| editorial = Editorial Larousse, S. A
|id= ISBN 970-22-1233-2}}</ref>
<ref name="enciclopediacumbre">{{cita libro
|título= Enciclopedia ilustrada Cumbre
|año= 1958
| editorial = Mexico:Editorial Cumbre, S. A.}}</ref><ref>{{cita libro
|título= Gran diccionario enciclopédico siglo xxi
|año= 2001
| editorial = Colombia:Ibalpe Internacional de Ediciones, S. A. DE C.V
|ID= ISBN 958-615-582-X}}</ref><ref name="glosario">{{cita web
|título= Glosario
|url= http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/107/htm/sec_16.htm
|fechaacceso= 17 de julio
|añoacceso= 2008
}}</ref> Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo los [[rayo]]s, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energía entre la ionosfera y la superficie terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una parte). Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y asimismo de todos los dispositivos electrónicos.<ref>{{cita libro
|autor= Varios autores
|título= Enciclopedia de Ciencia y Técnica Tomo 5. Electricidad
|año= 1984
|editorial = Salvat Editores, S. A.
|id= ISBN 84-345-4490-3
}}</ref> Además es esencial para la producción de sustancias químicas como el aluminio y el cloro.
También se denomina '''electricidad''' a la rama de la [[física]] que estudia las leyes que rigen el fenómeno y a la rama de la [[tecnología]] que la usa en aplicaciones prácticas. Desde que, en 1831, [[Faraday]] descubriera la forma de producir [[corriente eléctrica|corrientes eléctricas]] por [[inducción electromagnética|inducción]] —fenómeno que permite transformar energía mecánica en energía eléctrica— se ha convertido en una de las formas de energía más importantes para el desarrollo tecnológico debido a su facilidad de generación y distribución y a su gran número de aplicaciones.
[[Archivo:Tormenta sobre Madrid (Salamanca) 01.jpg|thumb|left|La electricidad en una de sus manifestaciones naturales: el [[relámpago]].]]
La electricidad es originada por las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento, y las interacciones entre ellas. Cuando varias cargas eléctricas están en reposo relativo se ejercen entre ellas [[fuerza electrostática|fuerzas electrostáticas]]. Cuando las cargas eléctricas están en movimiento relativo se ejercen también [[fuerza magnética|fuerzas magnéticas]]. Se conocen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Los átomos que conforman la materia contienen [[partículas subatómicas]] positivas (protones), negativas (electrones) y neutras (neutrones). También hay [[partículas elementales]] cargadas que en condiciones normales no son estables, por lo que se manifiestan sólo en determinados procesos como los [[rayo cósmico|rayos cósmicos]] y las [[desintegración radiactiva|desintegraciones radiactivas]].<ref>{{cita web
|url= http://www.universidadperu.com/electricidad-peru.php
|título= ¿Qué es la electricidad?
|autor= Universidad de Perú.
|fechaacceso= 10 de mayo
|añoacceso= 2008
}}</ref>
La electricidad y el magnetismo son dos aspectos diferentes de un mismo fenómeno físico, denominado [[electromagnetismo]], descrito matemáticamente por las [[ecuaciones de Maxwell]]. El movimiento de una carga eléctrica produce un [[campo magnético]], la variación de un campo magnético produce un [[campo eléctrico]] y el movimiento acelerado de cargas eléctricas genera [[onda electromagnética|ondas electromagnéticas]] (como en las descargas de rayos que pueden escucharse en los receptores de [[amplitud modulada|radio AM]]).<ref>{{cita libro
|autor = Varios autores
|título = Enciclopedia de Ciencia y Técnica Tomo 5 . Electricidad
|año= 1984
| editorial = Salvat Editores S.A
|id= ISBN 84-345-4490-3
}}</ref>
Debido a las crecientes aplicaciones de la electricidad como [[vector energético]], como base de las telecomunicaciones y para el procesamiento de información, uno de los principales desafíos contemporáneos es generarla de modo más eficiente y con el mínimo [[impacto ambiental]].
== Historia de la electricidad ==
{{AP|Historia de la electricidad}}
[[Archivo:SS-faraday.jpg|thumb|left|[[Michael Faraday]] relacionó el magnetismo con la electricidad.]]
[[Archivo:Atomo di rame.svg|thumb|left|[[Configuración electrónica]] del átomo de [[cobre]]. Sus propiedades conductoras se deben a la facilidad de circulación que tiene su electrón más exterior (4s).]]
La historia de la electricidad como rama de la física comenzó con observaciones aisladas y simples especulaciones o intuiciones médicas, como el uso de peces eléctricos en enfermedades como la gota y el dolor de cabeza, u objetos arqueológicos de interpretación discutible (la [[batería de Bagdad]]).<ref>{{citation
|first= Simon C. | last = Morris
|title= Life's Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe
|pages= 182–185
|publisher= Cambridge University Press
|year= 2003
|isbn= 0521827043}}
</ref> [[Tales de Mileto]] fue el primero en observar los fenómenos eléctricos cuando, al frotar una barra de ámbar con un paño, notó que la barra podía atraer objetos livianos.<ref name="enciclopediacumbre" /><ref name="glosario" />
Mientras la electricidad era todavía considerada poco más que un espectáculo de salón, las primeras aproximaciones científicas al fenómeno fueron hechas en los siglos XVII y XVIII por investigadores sistemáticos como [[William Gilbert|Gilbert]], [[Otto von Guericke|von Guericke]], [[Henry Cavendish]], [[Charles François de Cisternay du Fay|Du Fay]], [[Pieter van Musschenbroek|van Musschenbroek]] y [[William Watson|Watson]]. Estas observaciones empiezan a dar sus frutos con [[Luigi Galvani|Galvani]], [[Alessandro Volta|Volta]], [[Charles-Augustin de Coulomb|Coulomb]] y [[Benjamin Franklin|Franklin]], y, ya a comienzos del siglo XIX, con [[André-Marie Ampère|Ampère]], [[Michael Faraday|Faraday]] y [[Georg Ohm|Ohm]]. No obstante, el desarrollo de una teoría que unificara la electricidad con el magnetismo como dos manifestaciones de un mismo fenómeno no se alcanzó hasta la formulación de las ecuaciones de Maxwell (1861-1865).
Los desarrollos tecnológicos que produjeron la [[primera revolución industrial]] no hicieron uso de la electricidad. Su primera aplicación práctica generalizada fue el [[telégrafo eléctrico]] de [[Samuel Morse]] (1833), que revolucionó las [[telecomunicaciones]]. La generación masiva de 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]]. Más que de grandes teóricos, como [[Lord Kelvin]], fue éste el momento de grandes inventores como [[Zénobe Gramme|Gramme]], [[George Westinghouse|Westinghouse]], [[Ernst Werner von Siemens|von Siemens]] y [[Alexander Graham Bell]]. Entre ellos destacaron [[Nikola Tesla]] y [[Thomas Alva Edison]], cuya revolucionaria manera de entender la relación entre [[investigación]] y [[mercado capitalista]] convirtió la innovación tecnológica en una actividad industrial. Tesla, un inventor serbio-americano, descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882, que es la base de la maquinaria de corriente alterna. También inventó el sistema de motores y generadores de [[corriente alterna]] polifásica que da energía a la sociedad moderna.
El alumbrado artificial modificó la duración y distribución horaria de las actividades individuales y sociales, de los [[procesos industriales]], del transporte y de las telecomunicaciones. [[Lenin]] definió el [[socialismo]] como la suma de la electrificación y el poder de los [[soviet]]s.<ref>{{cita web
|título= Frase muy citada, aquí glosada por [[Slavoj Žižek]], ''Lenin ciberespacial: ¿por que no?'', International Socialism, n.º 95, 2002.
|url= http://www.infoamerica.org/teoria_articulos/zizek02.htm
}}</ref> La [[sociedad de consumo]] que se creó en los países capitalistas dependió (y depende) en gran medida del uso doméstico de la electricidad.
El desarrollo de la [[mecánica cuántica]] durante la primera mitad del siglo XX sentó las bases para la comprensión del comportamiento de los electrones en los diferentes materiales. Estos saberes, combinados con las tecnologías desarrolladas para las transmisiones de radio, permitieron el desarrollo de la [[electrónica]], que alcanzaría su auge con la invención del [[transistor]]. El perfeccionamiento, la miniaturización, el aumento de velocidad y la disminución de costo de las [[computadora]]s durante la segunda mitad del siglo XX fue posible gracias al buen conocimiento de las propiedades eléctricas de los materiales [[semiconductor]]es. Esto fue esencial para la conformación de la [[sociedad de la información]] de la [[tercera revolución industrial]], comparable en importancia con la generalización del uso de los automóviles.
Los problemas de almacenamiento de electricidad, su transporte a largas distancias y la autonomía de los aparatos móviles alimentados por electricidad todavía no han sido resueltos de forma eficiente. Asimismo, la multiplicación de todo tipo de aplicaciones prácticas de la electricidad ha sido —junto con la proliferación de los motores alimentados con destilados del [[petróleo]]— uno de los factores de la [[crisis energética]] de comienzos del siglo XXI. Esto ha planteado la necesidad de nuevas [[fuentes de energía]], especialmente las [[energías renovables|renovables]].
== Electrostática y electrodinámica ==
{{AP|electrostática|AP2=electrodinámica}}
[[Archivo:BenjaminFranklinLightening.jpg|thumb|[[Benjamin Franklin]] experimentando con un [[rayo]].]]
La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos resultantes de la distribución de cargas eléctricas en reposo, esto es, del [[campo electrostático]].<ref name="larousse" /> Los fenómenos electrostáticos son conocidos desde la antigüedad. Los griegos del siglo V a. C. ya sabían que al frotar ciertos objetos estos adquirían la propiedad de atraer cuerpos livianos. En 1785 el físico francés Charles Coulomb publicó un tratado donde cuantificaba las fuerzas de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas y describía, por primera vez, cómo medirlas usando una balanza de torsión. Esta ley se conoce en su honor con el nombre de [[ley de Coulomb]].
Durante el siglo XIX se generalizaron las ideas de Coulomb, se introdujo el concepto de [[campo eléctrico]] y [[potencial eléctrico]], y se formuló la [[ecuación de Laplace]], que determina el potencial eléctrico en el caso electrostático. Se produjeron también avances significativos en la electrodinámica, que estudia los fenómenos eléctricos producidos por cargas en movimiento. En estos fenómenos aparecen asimismo campos magnéticos, que pueden ser ignorados en el caso de circuitos con [[corriente eléctrica estacionaria]], pero deben ser tomados en cuenta en el caso de circuitos de corriente alterna.
Finalmente, en 1864 el físico escocés [[James Clerk Maxwell]] unificó las leyes de la electricidad y del magnetismo en un sistema de cuatro [[ecuaciones en derivadas parciales]] conocidas como [[ecuaciones de Maxwell]]. Con ellas se desarrolló el estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos, mostrando que ambos tipos son manifestaciones del único fenómeno del [[electromagnetismo]], que incluía también a las [[ondas electromagnéticas]].<ref>{{cita web
|url= http://www.lawebdefisica.com/dicc/maxwell/
|título= Ecuaciones de Maxwell
|autor= La web de Física
|fechaacceso= 11 de mayo
|añoacceso= 2008
}}</ref>
=== Carga eléctrica ===
{{AP|Carga eléctrica}}
[[Archivo:Cargas electricas.png|thumb|left|Interacciones entre cargas de igual y distinta naturaleza.]]
La carga eléctrica es una propiedad que poseen algunas [[partículas subatómicas]] y que se manifiesta mediante las [[fuerza]]s observadas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de las cuatro [[interacciones fundamentales]], la [[interacción electromagnética]]. La partícula que transporta la información de estas interacciones es el [[fotón]]. Estas fuerzas son de alcance infinito y no se manifiestan de forma inmediata, sino que tardan un tiempo <math>t = \frac{d}{c}</math>, donde <math>c</math> es la [[velocidad de la luz]] en el medio en el que se transmite y <math>d</math> la distancia entre las cargas.
Las dos partículas elementales cargadas que existen en la materia y que se encuentran de forma natural en la Tierra son el [[electrón]] y el [[protón]], aunque pueden encontrarse otras partículas cargadas procedentes del exterior (como los [[muón|muones]] o los [[pión|piones]]). Todos los [[hadrón|hadrones]] (como el protón y el neutrón) además, están constituidos por partículas cargadas más pequeñas llamadas [[quark]]s, sin embargo estas no pueden encontrarse libres en la naturaleza.
Cuando un átomo gana o pierde un electrón, queda cargado eléctricamente. A estos átomos cargados se les denomina [[ión|iones]].
Los trabajos de investigación realizados en la segunda mitad del siglo XIX por el premio Nobel de Física [[Joseph John Thomson]], que le llevaron en 1897 a descubrir el electrón, y de [[Robert Millikan]] a medir su carga, determinaron la naturaleza discreta de la carga eléctrica.<ref name="historia">{{cita web
|url= http://www.fisica-facil.com/Temario/Electrostatica/Teorico/Carga/centro.htm
|título= Electrostática
|autor= Profs. Casatroja - Ferreira
|fechaacceso= 21 de Febrero
|añoacceso= 2008
}}</ref>
En el [[Sistema Internacional de Unidades]] la unidad de carga eléctrica se denomina [[culombio]] (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la [[corriente eléctrica]] es de 1 [[amperio]]. Se corresponde con la carga de 6,24 × 10<sup>18</sup> electrones aproximadamente. La carga más pequeña que se encuentra en la naturaleza es la carga del electrón (que es igual en magnitud a la del protón y de signo opuesto): ''e = 1,602 × 10<sup>-19</sup> C'' (1 [[eV]] en unidades naturales).
{{VT|Átomo|Polarización electroquímica|Experimento de Millikan|Electroscopio}}
=== Fuerza entre cargas ===
{{AP|Ley de Coulomb}}
Coulomb fue el primero en determinar, en 1785, el valor de las fuerzas ejercidas entre cargas eléctricas.<ref>Coulomb, C.A.. ''Construction et usage d'une balance electrique sur la propriete qu’ont les fils de metal, d’avoir une force de réaction de torsion proportionnelle a l'angle de torsion''. Mem. de l’acad. Sci. pags. 569 y 579. 1785.</ref> Usando una [[balanza de torsión]] determinó que la magnitud de la fuerza con que se atraen o repelen dos cargas eléctricas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de las magnitudes de cada carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.<ref name="Jackson">Jackson, J.D.. Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons, Inc. 2ª edición. 1975. ISBN 978-0-471-43132-9:</ref>
<center><math>F = k \frac{\left|q_1\right| \cdot \left|q_2\right|}{r^2} \,\!</math></center> donde <math>q_1</math> y <math>q_2</math> son las cargas, <math>r</math> es la distancia que las separa y la constante de proporcionalidad ''k'' depende del sistema de unidades.
Una propiedad fundamental de estas fuerzas es el [[principio de superposición]] que establece que, cuando hay varias cargas <math>q_j</math>, la fuerza resultante sobre una cualquiera de ellas es la suma vectorial de las fuerzas ejercidas por todas las demás. La fuerza <math>\overrightarrow {F_i}</math> ejercida sobre la carga puntual <math>q_i</math> en reposo está dada en el SI por:
<center><math>\overrightarrow {F_i} = 9 \cdot 10^9 \cdot q_i \cdot \sum_{j \ne i} q_j \cdot \frac {\overrightarrow {r_{ij}}}{r_{ij}^3}.</math></center>
donde <math>\overrightarrow {r_{ij}}=\overrightarrow {r_{i}}-\overrightarrow {r_{j}}</math> denota el vector que une la carga <math>q_j</math> con la carga <math>q_i</math>.
Cuando las cargas están en movimiento aparecen también fuerzas magnéticas. La forma más sencilla de describir el fenómeno es con el uso de [[Campo (física)|campos]] eléctrico (<math>\vec E</math>) y magnético (<math>\vec B</math>), de los que a su vez se pueden derivar las fuerzas a partir de la [[fuerza de Lorentz|fórmula de Lorentz]]:
<center><math>\vec F = q(\vec E + \vec v \times \vec B)</math></center>
En el caso general de cargas distribuidas de manera arbitraria, no es posible escribir expresiones explícitas de las fuerzas. Hay que resolver las ecuaciones de Maxwell, calcular los campos y derivar las fuerzas a partir de las expresiones de la energía electromagnética.<ref>Reitz, J. R.; Milford F. J.; Christy, R. W. (1979), ''Foundations of electromagnetic theory''; Addisson-Wesley, Reading (Mass. EE.UU); pp. 125-129</ref>
{{VT|Fuerza de Lorentz|polarización eléctrica}}
=== Campos eléctrico y magnético ===
[[Archivo:Electric dipole field lines.svg|thumb|[[Línea de campo|Líneas de campo]] de dos cargas eléctricas de igual valor absoluto y signos opuestos.]]
{{AP|campo eléctrico|AP2=campo magnético}}
Los campos eléctrico <math>(\vec E)</math> y magnético <math>(\vec B)</math>, son [[campo vectorial|campos vectoriales]] caracterizables en cada punto del espacio y cada instante del tiempo por un módulo, una dirección y un sentido. Una propiedad fundamental de estos campos es el [[principio de superposición]], según el cual el campo resultante puede ser calculado como la suma vectorial de los campos creados por cada una de las cargas eléctricas.
Se obtiene una descripción sencilla de estos campos dando las [[línea de fuerza|líneas de fuerza]] o de campo, que son curvas tangentes a la dirección de los vectores de campo. En el caso del campo eléctrico, esta línea corresponde a la trayectoria que seguiría una carga sin masa que se encuentre libre en el seno del campo y que se deja mover muy lentamente.
Normalmente la materia es neutra, es decir, su carga eléctrica neta es nula. Sin embargo, en su interior tiene cargas positivas y negativas y se localizan corrientes eléctricas en los átomos y moléculas, lo cual da lugar a campos eléctricos y magnéticos. En el caso de dos cargas opuestas se generan campos [[dipolo eléctrico|dipolares]], como el representado en la figura de la derecha, donde las cargas de igual magnitud y signos opuestos están muy cercanas entre sí. Estos campos dipolares son la base para describir casos tan fundamentales como los [[enlace iónico|enlaces iónicos]] en las moléculas, las características como disolvente del [[agua]], o el funcionamiento de las [[Dipolo (antena)|antenas]] entre otros.
Los campos eléctricos y magnéticos se calculan resolviendo las [[ecuaciones de Maxwell]], siendo magnitudes inseparables en general.
== Electromagnetismo ==
{{AP|Electromagnetismo}}
[[Archivo:Ferrofluid poles.jpg|thumb|200px|Fluido ferroso que se agrupa cerca de los polos de un [[Imán (física)|imán o magneto]].]]
Se denomina '''electromagnetismo''' a la teoría física que unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos son obra de Faraday, pero fueron formulados por primera vez de modo completo por Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales, conocidas como [[ecuaciones de Maxwell]], que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales: [[densidad de carga eléctrica]], [[corriente eléctrica]], [[desplazamiento eléctrico]] y [[corriente de desplazamiento]].
A principios del siglo XIX [[Hans Christian Ørsted|Ørsted]] encontró evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. A partir de esa base [[James Clerk Maxwell|Maxwell]] unificó en 1861 los trabajos de físicos como [[André-Marie Ampère|Ampère]], [[William Sturgeon|Sturgeon]], [[Joseph Henry|Henry]], [[Georg Simon Ohm|Ohm]] y [[Michael Faraday|Faraday]], en un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno solo, el fenómeno electromagnético.<ref name="historia" />
Se trata de una [[teoría de campos]]; las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas [[campo vectorial|vectoriales]] y son dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los que intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre la materia. Para la descripción de fenómenos a nivel molecular, atómico o corpuscular, es necesario emplear las expresiones clásicas de la energía electromagnética conjuntamente con las de la [[mecánica cuántica]].
{| cellpadding=10 align="right"
|-
|
{|class="wikitable" border="1" cellpadding="7" cellspacing="0"
|+ '''Ecuaciones de Maxwell, en su forma diferencial'''
! Nombre de la ley
! [[Ecuaciones diferenciales|Forma diferencial]]
|-
| [[Ley de Gauss]]
| <math>\nabla \cdot \mathbf{D} = \rho_f</math>
|-
| [[Ley de Gauss para el magnetismo]]<br />o inexistencia del [[monopolo magnético]]
| <math>\nabla \cdot \mathbf{B} = 0</math>
|-
| Ecuación de Maxwell-Faraday<br />([[ley de Faraday]])
| <math>\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}</math>
|-
| [[Ley de Ampère-Maxwell]]
| <math>\nabla \times \mathbf{H} = \mathbf{J}_f + \frac{\partial \mathbf{D}} {\partial t}</math> <math></math>
|}
|}
Las ecuaciones de Maxwell describen los campos eléctricos y magnéticos como manifestaciones de un solo campo electromagnético. Además, explican la naturaleza ondulatoria de la [[luz]] como parte de una [[onda electromagnética]].<ref>{{Cita web| url = http://en.wikisource.org/wiki/A_Treatise_on_Electricity_and_Magnetism | título = A Treatise on Electricity and Magnetism | primero = James | último = Clerk Maxwell | año = 1873 | fechaacceso = 20 de noviembre de 2007 | idioma = inglés}}</ref> Al contar con una teoría unificada consistente que describiera estos dos fenómenos antes separados, se pudieron realizar varios experimentos novedosos e inventos muy útiles, como el generador de corriente alterna inventado por Tesla.<ref>{{Cita web
|url= http://en.wikisource.org/wiki/Author:Nikola_Tesla
|título= Obras de Nikola Tesla en Wikisource
|idioma= inglés
|primero= Nikola
|último= Tesla
|año = 1856–1943
|fechaacceso= 20 de noviembre
|añoacceso= 2007
}}</ref> El éxito predictivo de la teoría de Maxwell y la búsqueda de una interpretación coherente con el [[experimento de Michelson y Morley]] llevó a [[Albert Einstein|Einstein]] a formular la [[teoría de la relatividad]], que se apoyaba en algunos resultados previos de [[Hendrik Antoon Lorentz|Lorentz]] y [[Henri Poincaré|Poincaré]].
Esta unificación es fundamental para describir las relaciones que existen entre los campos eléctricos variables que se utilizan en la vida diaria —como la corriente alterna utilizada en las redes eléctricas domésticas— y los campos magnéticos que inducen. Entre otras aplicaciones técnicas, se utiliza para el cálculo de antenas de telecomunicaciones y de circuitos eléctricos o electrónicos en los que hay campos eléctricos y magnéticos variables que se generan mutuamente.
{{VT|Inducción magnética|Ley de Faraday|Onda electromagnética|Fotón}}
== Potencial y tensión eléctrica ==
{{AP|Potencial eléctrico}}
[[Archivo:Polaridad.png|thumb|Representación esquemática de una [[resistencia eléctrica|resistencia]] ''R'' por la que circula una [[intensidad de corriente]] ''I'' debido a la [[diferencia de potencial]] entre los puntos ''A'' y ''B''.]]
Se denomina [[tensión eléctrica]] o voltaje a la [[energía potencial]] por unidad de carga que está asociada a un campo electrostático. Su unidad de medida en el SI son los [[voltio]]s.<ref>{{cita web
|url= http://fcmaf.castillalamancha.es/Diccionario/T.htm
|título= Diccionario ferroviario
|año= 2002
|fechaacceso= 24 de julio
|añoacceso= 2008
}}</ref> A la diferencia de energía potencial entre dos puntos se le denomina voltaje. Esta tensión puede ser vista como si fuera una "presión eléctrica" debido a que cuando la presión es uniforme no existe circulación de cargas y cuando dicha "presión" varía se crea un campo eléctrico que a su vez genera fuerzas en las cargas eléctricas. Matemáticamente, la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos ''A'' y ''B'' es la [[integral de línea]] del campo eléctrico:
:<math> V(A)-V(B)=-\int_{B}^{A} \vec E\ \cdot d\vec l\ </math>
Generalmente se definen los potenciales referidos a un punto inicial dado. A veces se escoge uno situado infinitamente lejos de cualquier carga eléctrica. Cuando no hay campos magnéticos variables, el valor del potencial no depende de la trayectoria usada para calcularlo, sino únicamente de sus puntos inicial y final. Se dice entonces que el campo eléctrico es ''conservativo''. En tal caso, si la carga eléctrica ''q'' tan pequeña que no modifica significativamente <math>\vec E</math>, la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos ''A'' y ''B'' será el trabajo ''W'' por unidad de carga, que debe ejercerse en contra del campo eléctrico <math>\vec E</math> para llevar ''q'' desde ''B'' hasta ''A''. Es decir:
:<math> V = \frac{W}{q}\ \cdot </math>
Otra de las formas de expresar la tensión entre dos puntos es en función de la intensidad de corriente y la resistencia existentes entre ellos. Así se obtiene uno de los enunciados de la [[ley de Ohm]]:
:<math> V = {R} \cdot{I} </math>
Cuando por dos puntos de un circuito puede circular una corriente eléctrica, la polaridad de la caída de tensión viene determinada por la dirección convencional de la misma; esto es, del punto de mayor potencial al de menor. En el caso de campos no estacionarios el campo eléctrico no es conservativo y la integral de línea del campo eléctrico contiene efectos provenientes de los campos magnéticos variables inducidos o aplicados, que corresponden a una [[fuerza electromotriz]] inducida (f.e.m.), que también se mide en voltios.
La fuerza electromotriz, cuyo origen es la inyección de energía externa al circuito, permite mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Esta energía puede representarse por un campo de origen externo cuya circulación (integral de línea sobre una trayectoria cerrada ''C'') <math>\oint_{C} \vec E \; ds</math> define la fuerza electromotriz del generador. Esta expresión corresponde el trabajo que el generador realiza para forzar el paso por su interior de una carga, del polo negativo al positivo (es decir, en contra de las fuerzas eléctricas), dividido por el valor de dicha carga. El [[trabajo (física)|trabajo]] así realizado puede tener origen mecánico (dínamo), químico (batería), térmico ([[efecto termoeléctrico]]) o de otro tipo.
== Propiedades eléctricas de los materiales ==
=== Origen microscópico ===
La posibilidad de generar corrientes eléctricas en los materiales depende de la estructura e interacción de los átomos que los componen. Los átomos están constituidos por partículas cargadas positivamente (los protones), negativamente (los electrones) y neutras (los neutrones). La conducción eléctrica de los materiales sólidos, cuando existe, se debe a los electrones más exteriores, ya que tanto los electrones interiores como los protones de los [[núcleo atómico|núcleos atómicos]] no pueden desplazarse con facilidad. Los materiales conductores por excelencia son [[metal]]es, como el [[cobre]], que usualmente tienen un único electrón en la última [[capa electrónica]]. Estos electrones pueden pasar con facilidad a átomos contiguos, constituyendo los [[electrón libre|electrones libres]] responsables del flujo de corriente eléctrica. En otros materiales sólidos los electrones se liberan con dificultad constituyendo semiconductores, cuando la liberación puede ser producida por [[excitación térmica]], o aisladores, cuando no se logra esta liberación.
Los mecanismos microscópicos de conducción eléctrica son diferentes en los materiales [[superconductor]]es y en los líquidos. En los primeros, a muy bajas temperaturas y como consecuencia de [[Mecánica cuántica|fenómenos cuánticos]], los electrones no interactúan con los átomos desplazándose con total libertad (resistividad nula). En los segundos, como en los electrólitos de las baterías eléctricas, la conducción de corriente es producida por el desplazamiento de átomos o moléculas completas ionizadas de modo positivo o negativo. Los materiales superconductores se usan en [[imán superconductor|imanes superconductores]] para la generación de elevadísimos campos magnéticos.
En todos los materiales sometidos a campos eléctricos se modifican, en mayor o menor grado, las distribuciones espaciales relativas de las cargas negativas (electrones) y positivas (núcleos atómicos). Este fenómeno se denomina [[polarización eléctrica]] y es más notorio en los aisladores eléctricos debido a la ausencia de apantallamiento del campo eléctrico aplicado por los electrones libres. Los materiales con alta capacidad de polarización se usan en la construcción de [[condensador eléctrico|condensadores eléctricos]] y se denominan [[dieléctrico]]s. Aquellos cuya polarización es permanente ([[electreto]]s y materiales [[ferroelectricidad|ferroeléctricos]]) se usan para fabricar dispositivos como [[micrófono electret|micrófonos]] y altavoces, entre otros.
=== Conductividad y resistividad ===
[[Archivo:Stranded lamp wire.jpg|thumb|Conductor eléctrico de cobre.]]
{{AP|Conductividad eléctrica|AP2=Resistividad}}
La conductividad eléctrica es la propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico. La resistividad es una magnitud inversa a la conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos, dando una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.
Los materiales se clasifican según su conductividad eléctrica o resistividad en conductores, dieléctricos, [[semiconductor]]es y [[superconductor]]es.
* [[conductor eléctrico|Conductores eléctricos]]. Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como son el [[grafito]], las soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el metal más empleado es el [[cobre]] en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el [[aluminio]], metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión. Para aplicaciones especiales se utiliza como conductor el [[oro]].<ref>{{cita web
|autor= Giordano, José Luis
|año= 2006
|url= http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=19
|título= El conductor eléctrico, Profísica, Chile.
|fechaacceso= 13 de mayo
|añoacceso= 2008
}}</ref>
La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la [[Comisión Electrotécnica Internacional]] en 1913 como la referencia estándar para esta magnitud, estableciendo el ''International Annealed Copper Standard'' (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 [[grado Celsius|°C]] es igual a 0,58108 [[siemens (unidad)|S]]/m.<ref>{{cita web
|url = http://webstore.ansi.org/RecordDetail.aspx?sku=ASTM+E1004-02
|título = Norma ASTM E1004-02
|fechaacceso = 4 de mayo
|añoacceso= 2008
|editorial = ANSI
}}</ref> A este valor se lo denomina 100% IACS, y la conductividad del resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS, pero existen excepciones como la [[plata]] o los cobres especiales de muy alta conductividad, designados C-103 y C-110.<ref>{{cita web
|url= http://www.cda.org.uk/megab2/elecapps/pub116/appen5.htm
|título= Appendix 4 - Types of Copper
|fechaacceso=
|añoacceso=
|obra= Megabytes on Copper
|editorial= Copper Development Association
|idioma= inglés
}}</ref>
* [[Dieléctrico]]s. Son los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como [[aislante]]s. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son [[vidrio]], [[cerámica]], [[plástico]]s, [[goma]], [[mica]], [[cera]], [[papel]], [[madera]] seca, [[porcelana]], algunas grasas para uso industrial y electrónico y la [[baquelita]]. Aunque no existen materiales absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar [[cortocircuito]]s (forrando con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una [[descarga eléctrica|descarga]]) y para confeccionar aisladores (elementos utilizados en las redes de distribución eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto eléctrico). Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, es aislante a temperatura ambiente pero, bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.
[[Archivo:AsociacionesMixtas.png|thumb|Asociaciones mixtas de resistencias: a) serie de paralelos, b) paralelo de series y c) otras posibles conexiones.]]
La conductividad se designa por la letra griega sigma minúscula (<math> \sigma </math>) y se mide en [[Siemens (unidad)|siemens]] por [[metro]], mientras que la resistividad se designa por la letra griega ''rho'' minúscula (''ρ'') y se mide en [[ohm]]s por metro (Ω•m, a veces también en Ω•mm²/m).
La ley de Ohm describe la relación existente entre la intensidad de corriente que circula por un circuito, la tensión de esa corriente eléctrica y la resistencia que ofrece el circuito al paso de dicha corriente: la diferencia de potencial (''V'') es directamente proporcional a la intensidad de corriente (''I'') y a la resistencia '''(R)'''. Se describe mediante la fórmula:
:<math> V = I \times R </math>
Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente [[inductancia|inductiva]] ni [[capacitancia|capacitiva]]. De existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de [[impedancia]].
{{VT|Impedancia|Resistencia eléctrica}}
== Corriente eléctrica ==
{{AP|Corriente eléctrica}}
[[Archivo:densité de courant.png|thumb|Relación existente entre la intensidad y la densidad de corriente.]]
Se denomina corriente eléctrica al flujo de carga eléctrica a través de un material sometido a una [[diferencia de potencial]]. Históricamente, se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo, posteriormente se observó, gracias al [[efecto Hall]], que en los metales los portadores de carga son electrones, con carga negativa, y se desplazan en sentido contrario al convencional.
A partir de la corriente eléctrica se definen dos magnitudes: la intensidad y la densidad de corriente. El valor de la intensidad de corriente que atraviesa un circuito es determinante para calcular la sección de los elementos conductores del mismo.
* La [[intensidad de corriente]] (''I'') en una sección dada de un conductor (''s'') se define como la carga eléctrica (''Q'') que atraviesa la sección en una unidad de tiempo (''t''):
:<math> I = \frac{dQ}{dt} </math>. Si la intensidad de corriente es constante, entonces <math> I = \frac{Q}{t} </math>
* La [[densidad de corriente]] (''j'') es la intensidad de corriente que atraviesa una sección por unidad de superficie de la sección (''S'').
:<math>j = {I \over S}</math>
=== Corriente continua ===
{{AP|Corriente continua}}
[[Archivo:Gratz.rectifier.en.png|thumb|300px|Rectificador de corriente alterna en continua, con puente de Gratz. Se emplea cuando la tensión de salida tiene un valor distinto de la tensión de entrada.]]
Se denomina corriente continua (CC en español, en inglés DC, de ''Direct Current'') al flujo de cargas eléctricas que no cambia de sentido con el tiempo. La corriente eléctrica a través de un material se establece entre dos puntos de distinto potencial. Cuando hay corriente continua, los terminales de mayor y menor potencial no se intercambian entre sí. Es errónea la identificación de la corriente continua con la corriente constante (ninguna lo es, ni siquiera la suministrada por una batería). Es continua toda corriente cuyo sentido de circulación es siempre el mismo, independientemente de su valor absoluto.
Su descubrimiento se remonta a la invención de la primera [[pila voltaica]] por parte del conde y científico italiano [[Alessandro Volta]]. No fue hasta los trabajos de Edison sobre la generación de electricidad, en las postrimerías del siglo XIX, cuando la corriente continua comenzó a emplearse para la transmisión de la energía eléctrica. Ya en el siglo XX este uso decayó en favor de la corriente alterna, que presenta menores pérdidas en la transmisión a largas distancias, si bien se conserva en la conexión de redes eléctricas de diferentes frecuencias y en la transmisión a través de cables submarinos.
Actualmente (2008) se está extendiendo el uso de generadores de corriente continua a partir de [[célula fotoeléctrica|células fotoeléctricas]] que permiten aprovechar la [[energía solar]].
Cuando es necesario disponer de corriente continua para el funcionamiento de aparatos electrónicos, se puede transformar la corriente alterna de la red de suministro eléctrico mediante un proceso, denominado rectificación, que se realiza con unos dispositivos llamados [[rectificador]]es, basados en el empleo de [[diodo]]s semiconductores o [[tiristor]]es (antiguamente, también de [[tubo de vacío|tubos de vacío]]).<ref>{{cita web
|url= http://www.sertec.com.py/telergia/telergia/informaciones/rectificadores_corrientes.html |título= Rectificadores de corriente
|autor= ertec.com py
|fechaacceso= 8 de julio
|añoacceso= 2008
}}</ref>
=== Corriente alterna ===
{{AP|Corriente alterna}}
[[Archivo:Sinus2.png|thumb|200px|Onda senoidal.]]
[[Archivo:3-phase-voltage.svg|thumb|200px|Voltaje de las fases de un sistema trifásico. Entre cada una de las fases hay un desfase de 120º.]]
[[Archivo:TT-earthing.png|thumb|200px|Esquema de conexión.]]
[[Archivo:Transformacion Delta-Estrella.svg|thumb|200px|Conexión en ''triángulo'' y en ''estrella''.]]
Se denomina corriente alterna (simbolizada CA en español y AC en inglés, de ''Alternating Current'') a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda [[sinusoide|sinoidal]].<ref>García Alvárez, José Antonio E[http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_corriente_alterna/ke_corriente_alterna_1.htm ¿Qué es la corriente alterna?] asifunciona.com [23-08-2008]</ref> En el [[uso coloquial]], "corriente alterna" se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas.
El sistema usado hoy en día fue ideado fundamentalmente por [[Nikola Tesla]], y la distribución de la corriente alterna fue comercializada por [[George Westinghouse]]. Otros que contribuyeron al desarrollo y mejora de este sistema fueron [[Lucien Gaulard]], [[John Gibbs]] y [[Oliver Shallenger]] entre los años 1881 y 1889. La corriente alterna superó las limitaciones que aparecían al emplear la corriente continua (CC), la cual constituye un sistema ineficiente para la distribución de energía a gran escala debido a problemas en la transmisión de potencia.
La razón del amplio uso de la corriente alterna, que minimiza los problemas de trasmisión de potencia, viene determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que carece la corriente continua. La [[energía eléctrica]] trasmitida viene dada por el producto de la [[Diferencia de potencial|tensión]], la [[Intensidad de corriente eléctrica|intensidad]] y el tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica depende de la intensidad, se puede, mediante un [[transformador]], modificar el voltaje hasta altos valores ([[Alta tensión eléctrica|alta tensión]]), disminuyendo en igual proporción la intensidad de corriente. Esto permite que los conductores sean de menor sección y, por tanto, de menor costo; además, minimiza las pérdidas por [[efecto Joule]], que dependen del cuadrado de la intensidad. Una vez en el punto de consumo o en sus cercanías, el voltaje puede ser de nuevo reducido para permitir su uso industrial o doméstico de forma cómoda y segura.
Las frecuencias empleadas en las redes de distribución son 50 y 60 Hz. El valor [[:Image:WorldMap Voltage&Frequency.png|depende del país]].
==== Corriente trifásica ====
{{AP|Corriente trifásica}}
Se denomina corriente trifásica al conjunto de tres corrientes alternas de igual [[frecuencia]], [[amplitud]] y [[valor eficaz]] que presentan una diferencia de fase entre ellas de 120°, y están dadas en un orden determinado. Cada una de las corrientes que forman el sistema se designa con el nombre de [[Fase (onda)|fase]].
La generación trifásica de energía eléctrica es más común que la monofásica y proporciona un uso más eficiente de los conductores. La utilización de electricidad en forma trifásica es mayoritaria para transportar y distribuir energía eléctrica y para su utilización industrial, incluyendo el accionamiento de motores. Las corrientes trifásicas se generan mediante [[alternador]]es dotados de tres bobinas o grupos de bobinas, arrolladas en un sistema de tres electroimanes equidistantes angularmente entre sí.
Los conductores de los tres electroimanes pueden conectarse en estrella o en triángulo. En la disposición en estrella cada bobina se conecta a una fase en un extremo y a un conductor común en el otro, denominado ''neutro''. Si el sistema está equilibrado, la suma de las corrientes de línea es nula, con lo que el transporte puede ser efectuado usando solamente tres cables. En la disposición en triángulo o delta cada bobina se conecta entre dos hilos de fase, de forma que un extremo de cada bobina está conectado con otro extremo de otra bobina.
El sistema trifásico presenta una serie de ventajas, tales como la economía de sus líneas de transporte de energía (hilos más finos que en una línea monofásica equivalente) y de los transformadores utilizados, así como su elevado rendimiento de los receptores, especialmente motores, a los que la línea trifásica alimenta con potencia constante y no pulsada, como en el caso de la línea monofásica.
Tesla fue el inventor que descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882, el cual es la base de la maquinaria de corriente alterna. Él inventó el sistema de motores y generadores de corriente alterna polifásica que da energía al planeta.<ref>[http://www.electroinstalador.com/informacion/news/2008/04/24/nota_tecnica.pdf Que es la corriente trifasica] electroinstalador.com [27-6-2008]</ref>
{{VT|Motor de corriente alterna}}
==== Corriente monofásica ====
{{AP|Corriente monofásica}}
Se denomina corriente monofásica a la que se obtiene de tomar una fase de la corriente trifásica y un cable neutro. En España y demás países que utilizan valores similares para la generación y trasmisión de energía eléctrica, este tipo de corriente facilita una tensión de 220/230 voltios, lo que la hace apropiada para que puedan funcionar adecuadamente la mayoría de electrodomésticos y luminarias que hay en las viviendas.
Desde el centro de transformación más cercano hasta las viviendas se disponen cuatro hilos: un neutro (N) y tres fases (R, S y T). Si la tensión entre dos fases cualesquiera (tensión de línea) es de 380 voltios, entre una fase y el neutro es de 220 voltios. En cada vivienda entra el neutro y una de las fases, conectándose varias viviendas a cada una de las fases y al neutro; esto se llama corriente monofásica. Si en una vivienda hay instalados aparatos de potencia eléctrica alta (aire acondicionado, motores, etc., o si es un taller o una empresa industrial) habitualmente se les suministra directamente corriente trifásica que ofrece una tensión de 380 voltios.
== Circuitos ==
[[Archivo:EjemploCircuito.png|thumb|250px|Ejemplo de [[circuito eléctrico]].]]
{{AP|Circuito eléctrico}}
En electricidad y [[electrónica]] se denomina ''circuito'' a un conjunto de [[componente electrónico#componentes pasivos|componentes pasivos]] y [[componente electrónico#componentes activos|activos]] interconectados entre sí por conductores de baja resistencia. El nombre implica que el camino de la circulación de corriente es cerrado, es decir, sale por un borne de la [[fuente de alimentación]] y regresa en su totalidad (salvo pérdidas accidentales) por el otro. En la práctica es difícil diferenciar nítidamente entre circuitos eléctricos y circuitos electrónicos. Las instalaciones eléctricas domiciliarias se denominan usualmente circuitos eléctricos, mientras que los [[circuito impreso|circuitos impresos]] de los aparatos electrónicos se denominan por lo general circuitos electrónicos. Esto sugiere que los últimos son los que contienen [[Componente electrónico#Componentes semiconductores|componentes semiconductores]], mientras que los primeros no, pero las instalaciones domiciliarias están incorporando crecientemente no sólo semiconductores sino también [[microprocesador]]es, típicos dispositivos electrónicos.
El comportamiento de los circuitos eléctricos que contienen solamente resistencias y fuentes electromotrices de corriente continua está gobernado por las [[Leyes de Kirchoff]]. Para estudiarlo, el circuito se descompone en [[malla eléctrica|mallas eléctricas]], estableciendo un [[sistema de ecuaciones lineales]] cuya resolución brinda los valores de los voltajes y corrientes que circulan entre sus diferentes partes.
La resolución de circuitos de corriente alterna requiere la ampliación del concepto de resistencia eléctrica, ahora ampliado por el de impedancia para incluir los comportamientos de [[bobina]]s y [[condensador]]es. La resolución de estos circuitos puede hacerse con generalizaciones de las leyes de Kirchoff, pero requiere usualmente métodos matemáticos avanzados, como el de [[Transformada de Laplace]], para describir los comportamientos [[corriente transitoria|transitorios]] y [[régimen estacionario|estacionarios]] de los mismos.
== Fenómenos termoeléctricos ==
{{AP|Termoelectricidad}}
[[Archivo:Module thermoelectrique segmente.png|thumb|250px|Sección de un [[termopar]] o ''termocupla''.]]
Se denominan fenómenos termoeléctricos o termoelectricidad a tres fenómenos relacionados entre sí por las [[Efecto Thomson|relaciones de Thomson]], descubiertas por [[William Thomson, primer barón Kelvin|lord Kelvin]]:<ref>J. F. Nye, ''Physical properties of crystals'', Oxford University Press, 1957, p. 216-218 </ref> el [[efecto Seebeck]], el [[efecto Peltier]] y el [[calor de Thomson]].
Cuando dos metales distintos a temperaturas diferentes se ponen en contacto formando una unión bimetálica, entre ambos lados de la unión se genera una fuerza electromotriz. Este fenómeno se denomina efecto Seebeck y es la base del funcionamiento de los [[termopar]]es, un tipo de termómetro usado en el control del flujo de gas en dispositivos domésticos como [[estufa doméstica|cocinas]], [[calefactor]]es y [[calentador de agua|calentadores de agua corriente]].
Cuando se hace circular una corriente a través de una unión bimetálica, para mantener constante la temperatura de la unión hay que entregar o extraer calor, según sea el sentido de circulación. Este fenómeno, llamado [[efecto Peltier]], tiene aplicación práctica en dispositivos de refrigeración pequeños, teniendo la ventaja, a diferencia de los [[refrigerador]]es basados en la compresión y descompresión de gases, de no tener partes móviles que se desgasten.
Es menos conocido el fenómeno denominado calor de Thomson, descubierto por lord Kelvin. Cuando fluye una corriente a través de un conductor homogéneo de sección transversal constante donde se ha establecido un gradiente de temperatura, para mantener invariable la distribución de temperatura hay que entregar o extraer calor del conductor.<ref>{{cita libro
|autor= J. F. Nye
|título= Physical properties of crystals
|editorial= Oxford University Press
|año= 1957
|páginas= 215-216
}}</ref>
== Generación de energía eléctrica ==
=== Generación masiva ===
[[Archivo:Alternador de fábrica textil.jpg|thumb|Alternador de fábrica textil <small>([[Museo de la Ciencia y de la Técnica de Cataluña]], [[Tarrasa]])</small>.]]
{{AP|Generación de energía eléctrica}}
Desde que Nikola Tesla descubrió la corriente alterna y la forma de producirla en los alternadores, se ha llevado a cabo una inmensa actividad tecnológica para llevar la electricidad a todos los lugares habitados del mundo, por lo que, junto a la construcción de grandes y variadas centrales eléctricas, se han construido sofisticadas redes de transporte y sistemas de distribución. Sin embargo, el aprovechamiento ha sido y sigue siendo muy desigual en todo el planeta. Así, los países industrializados o del [[Primer mundo]] son grandes consumidores de energía eléctrica, mientras que los países del llamado [[Tercer mundo]] apenas disfrutan de sus ventajas.
La generación, en términos generales, consiste en transformar alguna clase de energía no eléctrica, sea esta química, mecánica, térmica o luminosa, entre otras, en energía eléctrica. Para la generación industrial se recurre a instalaciones denominadas centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las transformaciones citadas. Estas constituyen el primer escalón del [[sistema de suministro eléctrico]].
Las centrales generadoras se pueden clasificar en termoeléctricas (de combustibles fósiles, biomasa, nucleares o solares), hidroeléctricas, eólicas, solares fotovoltaicas o mareomotrices. La mayor parte de la energía eléctrica generada a nivel mundial proviene de los tres primeros tipos de centrales reseñados: termoeléctricas, hidroeléctricas y eólicas. Todas estas centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen en común el elemento generador, constituido por un alternador, movido mediante una [[turbina]] que será distinta dependiendo del tipo de energía primaria utilizada.
La demanda de energía eléctrica de una ciudad, región o país tiene una variación a lo largo del día. Esta variación es función de muchos factores, entre los que se destacan: tipos de industrias existentes en la zona y turnos que realizan en su producción, tipo de electrodomésticos que se utilizan más frecuentemente, tipo de calentador de agua que haya instalado en los hogares, la meteorología, la estación del año y la hora del día en que se considera la demanda. La generación de energía eléctrica debe seguir la curva de demanda y, a medida que aumenta la potencia demandada, se debe incrementar el suministro. Esto conlleva el tener que iniciar la generación con unidades adicionales, ubicadas en la misma central o en centrales reservadas para estos períodos. En general los sistemas de generación se diferencian por el periodo del ciclo en el que deben ser utilizados, siendo normalmente de base la nuclear o la eólica, de valle las termoeléctricas de combustibles fósiles y de pico la hidroeléctrica principalmente. Los combustibles fósiles y la hidroeléctrica también pueden usarse como base si es necesario.
==== Centrales termoeléctricas ====
{{AP|Central termoeléctrica}}
[[Archivo:Turbina de vapor.jpg|thumb|Turbina de una central termoeléctrica.]]
Una central termoeléctrica o central térmica es una instalación empleada para la generación de energía eléctrica a partir de calor. Este calor puede obtenerse tanto de [[combustibles fósiles]] (petróleo, gas natural o carbón) como de la [[fisión nuclear]] del uranio u otro [[combustible nuclear]]. Las centrales que en el futuro utilicen la [[fusión]] también serán centrales termoeléctricas.
En su forma más clásica, las centrales termoeléctricas consisten en una [[caldera (máquina)|caldera]] en la que se quema el combustible para generar calor que se transfiere a unos tubos por donde circula agua, la cual se evapora. El vapor obtenido, a alta presión y temperatura, se expande a continuación en una [[turbina de vapor]], cuyo movimiento impulsa un alternador que genera la electricidad.
En las centrales termoeléctricas denominadas de [[ciclo combinado]] se usan los gases de la combustión del gas natural para mover una [[turbina de gas]]. Como, tras pasar por la turbina, esos gases todavía se encuentran a alta temperatura, se reutilizan para generar vapor que mueve una turbina de vapor. Cada una de estas turbinas impulsa un alternador, como en una central termoeléctrica común.
[[Archivo:Nuclear Power Plant Cattenom.jpg|thumb|200px|left|Planta nuclear en Cattenom, [[Francia]].]]
Las centrales térmicas que usan combustibles fósiles liberan a la atmósfera dióxido de carbono ([[CO2]]), considerado el principal gas responsable del [[calentamiento global]]. También, dependiendo del combustible utilizado, pueden emitir otros contaminantes como [[óxido de azufre|óxidos de azufre]], [[óxidos de nitrógeno]], partículas sólidas (polvo) y cantidades variables de residuos sólidos. Las [[Central nuclear|centrales nucleares]] pueden contaminar en situaciones accidentales (véase [[accidente de Chernóbil]]) y también generan [[residuo radiactivo|residuos radiactivos]] de diversa índole.
{{VT|controversia sobre la energía nuclear}}
[[Archivo:PS10 solar power tower 2.jpg|280px|thumb|La central termosolar [[PS10]] de 11MW funcionando en [[Sevilla]], [[España]].]]
Una [[central térmica solar]] o central termosolar es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como en una central térmica clásica. En ellas es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 °C hasta 1000 °C, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La captación y concentración de los rayos solares se hacen por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños de geometría parabólica. El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientación se denomina [[heliostato]]. Su principal problema medioambiental es la necesidad de grandes extensiones de territorio que dejan de ser útiles para otros usos (agrícolas, forestales, etc.).<ref>[http://www.energy-base.org/fileadmin/media/base/downloads/tools_EDD/edd_solar_thermal.pdf EDD (diligencia medioambiental) de proyectos de energías renovables. Guías para los sistemas termosolares. Programa de Medioambiente de las Naciones Unidas (UNEP). (en inglés)]</ref>
==== Centrales hidroeléctricas ====
[[Archivo:Turbina hidraúlica.jpg|thumb|200px|[[Turbina Pelton]] de una central hidroeléctrica.]]
{{AP|Central hidroeléctrica}}
Una central hidroeléctrica es aquella que se utiliza para la generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la [[energía potencial]] del agua embalsada en una [[presa (hidráulica)|presa]] situada a más alto nivel que la central. El agua fluye por una tubería de descarga a la sala de máquinas de la central, donde mediante [[turbina hidráulica|turbinas hidráulicas]] se produce la electricidad en alternadores. Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad, son:
* La [[potencia]], que es función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo que puede mover las turbinas, además de las características de las turbinas y de los generadores.
* La [[Energía (tecnología)|energía]] garantizada en un lapso determinado, generalmente un año, que es función del volumen útil del embalse, de la pluviometría anual y de la potencia instalada.
La potencia de una central hidroeléctrica puede variar desde unos pocos [[megavatio]]s (MW) hasta varios [[gigavatio]]s (GW). Por debajo de 10 MW se denominan [[Central minihidroeléctrica|minicentrales]]. En China se encuentra la mayor central hidroeléctrica del mundo (la [[Presa de las Tres Gargantas]]), con una potencia instalada de 22.500 MW. La segunda es la [[Represa de Itaipú]] (que pertenece a [[Brasil]] y [[Paraguay]]), con una potencia instalada de 14.000 MW repartida en 20 turbinas de 700 MW cada una.
La utilización de esta forma de energía presenta problemas medioambientales derivados de la necesidad de construcción de grandes embalses en los que se acumula agua, que deja de poder emplearse para otros usos, tiende a aumentar su salinidad y obstaculiza la circulación de la fauna acuática, entre otros.<ref>[http://www.consumer.es/web/es/medio_ambiente/energia_y_ciencia/2007/03/19/160873.php Impacto ambiental de la energía hidroeléctrica]</ref>
Las [[Energía mareomotriz|centrales mareomotrices]] utilizan el flujo y reflujo de las [[marea]]s. En general, pueden ser útiles en zonas costeras donde la amplitud de la marea sea amplia y las condiciones morfológicas de la costa permitan la construcción de una presa que corte la entrada y salida de la marea en una bahía. Se genera energía tanto en el momento del llenado como en el momento del vaciado de la bahía.
Actualmente se encuentra en desarrollo la explotación comercial de la conversión en electricidad del potencial energético que tiene el oleaje del mar, en las llamadas [[energía undimotriz|centrales undimotrices]].
==== Centrales eólicas ====
[[Archivo:Wind 2006andprediction en.png|thumb|200px|Capacidad eólica mundial total instalada y previsiones 1997-2010. Fuente: [http://www.wwindea.org/ WWEA e.V.]]]
{{AP|Energía eólica}}
La energía eólica se obtiene del viento, es decir, de la [[energía cinética]] generada por efecto de las corrientes de aire o de las vibraciones que dicho viento produce. Los [[molino de viento|molinos de viento]] se han usado desde hace muchos siglos para moler el grano, bombear agua u otras tareas que requieren energía. En la actualidad se usan [[aerogenerador]]es para generar electricidad, especialmente en áreas expuestas a vientos frecuentes, como zonas costeras, alturas montañosas o islas. La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión.<ref>{{cita web
|url= http://www.construible.es/noticiasDetalle.aspx?c=19&m=21&idm=158&pat=20&n2=20 |título= Energía eólica
|autor= construible.es
|fechaacceso= 29 de mayo
|añoacceso= 2008
}}</ref>
El impacto medioambiental de este sistema de obtención de energía se centra en la muerte de aves por choque con las aspas de los aerogeneradores o la necesidad de extensiones grandes de territorio que se sustraen de otros usos. También hay un impacto estético, pues alteran el paisaje.<ref>[http://news.bbc.co.uk/nolpda/ukfs_news/hi/newsid_5205000/5205430.stm El dilema de la energía eólica en la isla Lewis. BBC. (en inglés)]</ref><ref>[http://www.newscientist.com/article/mg19125591.600 Los costes ocultos de las turbinas eólicas. NewScientist. (en inglés)]</ref> Además, este tipo de energía, al igual que la solar o la hidroeléctrica, están fuertemente condicionadas por las condiciones climatológicas, lo que aleatoriza la cantidad de energía generada.
==== Centrales fotovoltaicas ====
[[Archivo:Solar Panels.jpg|thumb|200px|Panel solar.]]
{{AP|Energía solar fotovoltaica}}
Se denomina energía solar fotovoltaica a la obtención de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. Los paneles, módulos o colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores tipo [[diodo]] que, al recibir [[radiación solar]], se excitan y provocan saltos electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial entre sus extremos. El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtención de voltajes mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. A mayor escala, la corriente eléctrica continua que proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna e inyectar en la red eléctrica. En la actualidad (2008) el principal productor de energía solar fotovoltaica es [[Japón]], seguido de [[Alemania]] que posee cerca de 5 millones de metros cuadrados de colectores que aportan un 0,03% de su producción energética total. La venta de [[panel fotovoltaico|paneles fotovoltaicos]] ha crecido en el mundo al ritmo anual del 20% en la década de los noventa. En la Unión Europea el crecimiento medio anual es del 30%, y Alemania tiene el 80% de la potencia instalada de la Unión.<ref>{{cita web
|url= http://www.solarweb.net/solar-fotovoltaica.php
|título= Energía solar fotovoltaica
|autor= solarweb.net
|fechaacceso= 29 de mayo
|añoacceso= 2008
}}</ref>
Los principales problemas de este tipo de energía son: su elevado coste en comparación con los otros métodos, la necesidad de extensiones grandes de territorio que se sustraen de otros usos, la competencia del principal material con el que se construyen con otros usos (el [[silicio]] es el principal componente de los circuitos integrados), o su dependencia de las condiciones climatológicas.<ref>[http://www.chem.uu.nl/nws/www/publica/97072.htm Aspectos medioambientales de los sistemas fotovoltaicos. IEA PVPS Task 1 Workshop. (1997). (en inglés)]</ref> Además, si se convierte en una forma de generar electricidad usada de forma generalizada, se deberían considerar sus emisiones químicas a la atmósfera, de [[cadmio]] o [[selenio]].<ref>[http://www.chem.uu.nl/nws/www/publica/Publicaties1996/96074.pdf Aspectos medioambientales de las células solares (Resumen). E.A. Alsema (1996) para la "Netherlands Agency for Energy and the Environment". (en inglés)]</ref> Por su falta de constancia puedan ser convenientes sistemas de almacenamiento de energía para que la potencia generada en un momento determinado pueda usarse cuando se solicite su consumo. Se están estudiando sistemas como el [[almacenamiento cinético]], bombeo de agua a presas elevadas, [[almacenamiento químico]], entre otros, que a su vez tendrían un impacto medioambiental.
{{VT|Energía solar espacial}}
=== Generación a pequeña escala ===
==== Grupo electrógeno ====
{{AP|Grupo electrógeno}}
[[Archivo:Cumminspower.jpg|thumb|200px|Grupo electrógeno de 500 kVA instalado en un complejo turístico en [[Egipto]].]]
Un grupo electrógeno es una máquina que mueve un generador de energía eléctrica a través de un [[motor de combustión interna]]. Normalmente se utiliza cuando hay déficit en la generación de energía de algún lugar, o cuando hay un corte en el [[suministro eléctrico]] y es necesario mantener la actividad. Una de sus utilidades más comunes es en aquellos lugares donde no hay suministro a través de la red eléctrica, generalmente son zonas agrícolas con pocas infraestructuras o viviendas aisladas. Otro caso es en locales de pública concurrencia, hospitales, fábricas, etc., que, a falta de energía eléctrica de red, necesiten de otra fuente de energía alterna para abastecerse en caso de emergencia. Un grupo electrógeno consta de las siguientes partes:<ref> Fajardo Gálvez, Basilio[http://es.geocities.com/bfgnet/ Grupo electrógeno] geocities.com [22-08-2008]</ref>
* '''Motor de combustión interna'''. El motor que acciona el grupo electrógeno suele estar diseñado específicamente para ejecutar dicha labor. Su potencia depende de las características del generador. Pueden ser motores de gasolina o diésel.
* '''Sistema de refrigeración'''. El sistema de refrigeración del motor es problemático, por tratarse de un motor estático, y puede ser refrigerado por medio de agua, aceite o aire.
* '''Alternador'''. La energía eléctrica de salida se produce por medio de un alternador apantallado, protegido contra salpicaduras, autoexcitado, autorregulado y sin escobillas, acoplado con precisión al motor. El tamaño del alternador y sus prestaciones son muy variables en función de la cantidad de energía que tengan que generar.
* '''Depósito de combustible y bancada'''. El motor y el alternador están acoplados y montados sobre una bancada de acero. La bancada incluye un depósito de combustible con una capacidad mínima de funcionamiento a plena carga según las especificaciones técnicas que tenga el grupo en su autonomía.
* '''Sistema de control'''. Se puede instalar uno de los diferentes tipos de paneles y sistemas de control que existen para controlar el funcionamiento, salida del grupo y la protección contra posibles fallos en el funcionamiento.
* '''Interruptor automático de salida'''. Para proteger al alternador, llevan instalado un interruptor automático de salida adecuado para el modelo y régimen de salida del grupo electrógeno. Existen otros dispositivos que ayudan a controlar y mantener, de forma automática, el correcto funcionamiento del mismo.
* '''Regulación del motor'''. El regulador del motor es un dispositivo mecánico diseñado para mantener una velocidad constante del motor con relación a los requisitos de carga. La velocidad del motor está directamente relacionada con la frecuencia de salida del alternador, por lo que cualquier variación de la velocidad del motor afectará a la frecuencia de la potencia de salida.
==== Pila voltaica ====
{{AP|Pila eléctrica}}
[[Archivo:Pila galvanica.jpg|thumb|350px|Esquema funcional de una pila eléctrica.]]
Se denomina ordinariamente pila eléctrica a un dispositivo que genera energía eléctrica mediante un proceso químico transitorio, tras el cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante su funcionamiento. Se trata por ello de un [[generador primario]]. La electricidad producida resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, [[electrodo]]s o bornes. Uno de ellos es el polo positivo o [[ánodo]] y el otro es el polo negativo o [[cátodo]]. En español es habitual llamarla así, mientras que a las pilas recargables o acumuladores se les suele llamar [[batería eléctrica|baterías]].
La primera pila eléctrica fue dada a conocer al mundo por [[Alessandro Volta|Volta]] en [[1800]], mediante una carta que envió al presidente de la ''Royal Society'' londinense, por tanto las pilas datan de los primeros tiempos de la electricidad. Aunque la apariencia de una pila sea simple, la explicación de su funcionamiento dista de serlo y motivó una gran actividad científica en los siglos XIX y XX, así como diversas teorías. La demanda creciente que tiene este producto en el mercado sigue haciendo de él objeto de investigación intensa.
El funcionamiento de una pila se basa en el potencial de contacto entre dos sustancias, mediado por un electrolito.<ref>Véase por ejemplo, Francis W. Sears, ''Electricidad y magnetismo'', Editorial Aguilar, Madrid (España), 1958, pp. 142-155.</ref> Cuando se necesita una corriente mayor que la que puede suministrar un elemento único, siendo su tensión en cambio la adecuada, se pueden añadir otros elementos en la conexión llamada [[circuito paralelo|en paralelo]]. La capacidad total de una pila se mide en amperios-hora (A•h); es el número máximo de [[amperio]]s que el elemento puede suministrar en una hora. Es un valor que no suele conocerse, ya que no es muy claro dado que depende de la intensidad solicitada y la temperatura.
Un importante avance en la calidad de las pilas ha sido la [[pila seca|pila denominada seca]], al que pertenecen prácticamente todas las utilizadas hoy día (2008). Las pilas eléctricas, baterías y acumuladores se presentan en unas cuantas formas normalizadas en función de su forma, tensión y capacidad.
Los metales y productos químicos constituyentes de las pilas pueden resultar perjudiciales para el medio ambiente. Una vez que la envoltura metálica que recubre las pilas se daña, las sustancias químicas que contienen se ven liberadas al medio ambiente causando contaminación. Con mayor o menor grado, las sustancias son absorbidas por la tierra pudiéndose filtrar hacia los [[manto acuífero|mantos acuíferos]] y de éstos pueden pasar directamente a los seres vivos, entrando con esto en la [[cadena alimenticia]]. Es muy importante no tirarlas a la [[basura]] (en algunos países está prohibido), sino llevarlas a [[centros de reciclado]]. En algunos países, la mayoría de los proveedores y tiendas especializadas también se hacen cargo de las pilas gastadas. Las pilas son [[residuo peligroso|residuos peligrosos]] por lo que, desde el momento en que se empiezan a reunir, deben ser manejadas por personal capacitado que siga las precauciones adecuadas empleando todos los procedimientos técnicos y legales para el manejo de dicho residuos.<ref>{{cita web
|url= http://perso.wanadoo.es/chyryes/glosario/pila.htm
|título= Pila eléctrica
|autor= perso.wanadoo.es
|fechaacceso= 21 de mayo
|añoacceso= 2008
}}</ref>
Las pilas desechables suelen utilizarse en los aparatos eléctricos portátiles, como por ejemplo juguetes, linternas, relojes, teléfonos móviles, [[marcapasos]], [[audífono]]s, [[calculadora]]s, [[Computadora portátil|ordenadores personales portátiles]], [[MP3|reproductores de música]], [[Receptor de radio|radio transistores]], [[mando a distancia]], etc. En todas estas aplicaciones se utilizan también cada vez más baterías recargables.
{{VT|Almacenamiento de energía|Batería eléctrica|Condensador eléctrico|Supercondensador|Bobina|Central hidroeléctrica reversible}}
==== Pilas de combustible ====
[[Archivo:Fuel cell NASA p48600ac.jpg|thumb|200px|Pila de hidrógeno. La celda en sí es la estructura cúbica del centro de la imagen.]]
{{AP|Pila de combustible}}
Una celda, célula o pila de combustible es un dispositivo [[electroquímica|electroquímico]] de generación de electricidad similar a una [[batería eléctrica|batería]], que se diferencia de esta en estar diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los [[reactivo]]s consumidos. Esto permite producir electricidad a partir de una fuente externa de combustible y de [[oxígeno]], en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía de una batería. Además, la composición química de los [[electrodo]]s de una batería cambia según el estado de carga, mientras que en una celda de combustible los electrodos funcionan por la acción de [[catalizador]]es, por lo que son mucho más estables.
En las [[celda de hidrógeno|celdas de hidrógeno]] los reactivos usados son [[hidrógeno]] en el [[ánodo]] y oxígeno en el [[cátodo]]. Se puede obtener un suministro continuo de hidrógeno a partir de la [[electrólisis]] del agua, lo que requiere una fuente primaria de generación de electricidad, o a partir de reacciones catalíticas que desprenden hidrógeno a partir de [[hidrocarburo]]s. El hidrógeno puede almacenarse, lo que permitiría el uso de fuentes discontinuas de energía como la solar y la eólica. Sin embargo, el hidrógeno gaseoso (H<sub>2</sub>) es altamente inflamable y explosivo, por lo que se están desarrollando métodos de almacenamiento en matrices porosas de diversos materiales.<ref>{{cita web
|url= http://www.fecyt.es/especiales/hidrogeno/descripcion.htm
|título= Pilas de combustible de hidrógeno Artículo técnico
|autor= fecyt.es
|fechaacceso= 30 de mayo
|añoacceso= 2008
}}</ref>
==== Generador termoeléctrico de radioisótopos ====
{{AP|Generador termoeléctrico de radioisótopos}}
Un generador termoeléctrico de radioisótopos es un [[generador eléctrico]] simple que obtiene su energía de la liberada por la [[radiactividad|desintegración radiactiva]] de determinados elementos. En este dispositivo, el [[calor]] liberado por la desintegración de un material radiactivo se convierte en electricidad directamente gracias al uso de una serie de [[termopar]]es, que convierten el calor en electricidad gracias al [[efecto Seebeck]] en la llamada [[unidad de calor de radioisótopos]] (o RHU en inglés). Los RTG se pueden considerar un tipo de batería y se han usado en [[satélite artificial|satélites]], sondas espaciales no tripuladas e instalaciones remotas que no disponen de otro tipo de fuente eléctrica o de calor. Los RTG son los dispositivos más adecuados en situaciones donde no haya presencia humana y se necesiten potencias de varios centenares de vatios durante largos períodos de tiempo, situaciones en las que los generadores convencionales como las [[pila de combustible|pilas de combustible]] o las baterías no son viables económicamente y donde la falta de luz impide usar [[célula fotovoltaica|células fotovoltaicas]].
== Suministro eléctrico ==
{{AP|Sistema de suministro eléctrico}}
Se denomina suministro eléctrico al conjunto de etapas que son necesarias para que la energía eléctrica llegue al consumidor final. Como la energía eléctrica es difícil de almacenar, este sistema tiene la particularidad de generar y distribuir la energía conforme ésta es consumida. Por otra parte, debido a la importancia de la energía eléctrica, el suministro es vital para el desarrollo de los países y de interés para los gobiernos nacionales, por lo que estos cuentan con instituciones especializadas en el seguimiento de las tres etapas fundamentales: generación, transmisión y distribución.
<center>
[[Archivo:Redelectrica2.png]]
''Diagrama esquematizado del sistema de suministro eléctrico''
</center>
=== Transporte de energía eléctrica ===
{{AP|Red de transporte de energía eléctrica}}
[[Archivo:Electric transmission lines.jpg|thumb|200px|Torre para el transporte de energía eléctrica.]]
La red de transporte es la parte del sistema constituida por los elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo y a través de grandes distancias la energía generada en las centrales eléctricas. Para ello, los volúmenes de energía eléctrica producidos deben ser transformados, elevándose su nivel de tensión. Esto se hace considerando que para un determinado nivel de potencia a transmitir, al elevar el voltaje se reduce la intensidad de corriente eléctrica que circulará, reduciéndose las pérdidas por efecto Joule. Con este fin se emplean [[subestación eléctrica|subestaciones elevadoras]] con equipos eléctricos denominados [[transformador]]es. De esta manera, una red de transmisión opera usualmente con voltajes del orden de 220 [[kilovoltio|kV]] y superiores, denominados alta tensión, de 440 kV.
Parte fundamental de la red son las líneas de transporte. Una línea de transporte de energía eléctrica o línea de [[Alta tensión eléctrica|alta tensión]] es el medio físico mediante el que se realiza la transmisión de la energía a grandes distancias. Está constituida tanto por el elemento conductor, usualmente cables de cobre o aluminio, como por sus elementos de soporte, las [[torre de alta tensión|torres de alta tensión]]. Los cables de alta tensión están sujetos a tracciones causadas por la combinación de agentes como el viento, la temperatura del conductor, la temperatura del aire, etc. El voltaje y la capacidad de la línea de transmisión afectan el tamaño de estas estructuras principales. Las torres pueden ser postes simples de madera para las líneas de transmisión pequeñas hasta 46 kV. Se emplean estructuras de postes de madera en forma de H, para las líneas de 69 a 231 kV. Se utilizan estructuras de acero independientes, de circuito simple, para las líneas de 161 kV o más. Es posible tener líneas de transmisión de hasta 1.000 kV.
El [[impacto ambiental potencial]] de las líneas de transmisión incluye la red de transporte, el derecho de vía, las playas de distribución, las subestaciones y los caminos de acceso o mantenimiento. Las estructuras principales de la línea de transmisión son la línea misma, los conductores, las torres y los soportes.<ref>Libro de Consulta para Evaluación Ambiental (Volumen I; II y III). Trabajos Técnicos del Departamento de Medio Ambiente del Banco Mundial.</ref> Los impactos ambientales negativos de las líneas de transmisión son causados por la construcción, operación y mantenimiento de las mismas. Al colocar líneas a baja altura o ubicarlas próximas a áreas con actividades humanas —como carreteras o edificios— se incrementa el riesgo de electrocución. Normalmente, las normas técnicas reducen este peligro. Las torres y las líneas de transmisión pueden interrumpir la trayectoria de vuelo de los aviones cerca de los aeropuertos y poner en peligro las naves que vuelan muy bajo, especialmente, las que se emplean para actividades agrícolas.<ref>{{cita web
|url= http://www.ree.es/transporte/transporte.asp
|título= Transporte de energía eléctrica
|autor= Red Eléctrica Española
|fechaacceso= 29 de julio
|añoacceso= 2008
}}</ref>
{{VT|Alta tensión eléctrica}}
=== Distribución de energía eléctrica ===
{{AP|Red de distribución de energía eléctrica}}
La red de distribución es un componente del sistema de suministro, siendo responsabilidad de las compañías distribuidoras. La distribución de la energía eléctrica desde las subestaciones de transformación de la red de transporte se realiza en dos etapas.
La primera está constituida por la red de reparto, que, partiendo de las subestaciones de transformación, reparte la energía, normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros de consumo, hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribución. Las tensiones utilizadas están comprendidas entre 25 y 132 kV. Intercaladas en estos anillos están las estaciones transformadoras de distribución, encargadas de reducir la tensión desde el nivel de reparto al de distribución en media tensión.
La segunda etapa la constituye la red de distribución propiamente dicha, con tensiones de funcionamiento de 3 a 30 kV y con una disposición en red radial. Esta red cubre la superficie de los grandes centros de consumo (población, gran industria, etc.), uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los centros de transformación, que son la última etapa del suministro en media tensión, ya que las tensiones a la salida de estos centros es de baja tensión (125/220 o 220/380 ).<ref>El nuevo [[Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión]] (2002) exige tensiones de distribución en baja tensión de 230/400 V.</ref>
Las líneas que forman la red de distribución se operan de forma radial, sin que formen mallas. Cuando existe una avería, un dispositivo de protección situado al principio de cada red lo detecta y abre el interruptor que alimenta esta red. La localización de averías se hace por el método de "prueba y error", dividiendo la red que tiene la avería en mitades y suministrando energía a una de ellas; a medida que se acota la zona con avería, se devuelve el suministro al resto de la red. Esto ocasiona que en el transcurso de la localización se puedan producir varias interrupciones a un mismo usuario de la red.
La topología de una red de distribución se refiere al esquema o arreglo de la distribución, esto es la forma en que se distribuye la energía por medio de la disposición de los segmentos de los circuitos de distribución. Esta topología puede tener las siguientes configuraciones:
* '''Red radial o red en antena:''' resaltan su simplicidad y la facilidad que presenta para ser equipada de protecciones selectivas. Como desventaja tiene su falta de garantía de servicio.
* '''Red en bucle abierto:''' tiene todas las ventajas de la distribución en redes radiales y además la posibilidad de alimentar alternativamente de una fuente u otra.
* '''Red en anillo o en bucle cerrado:''' se caracteriza por tener dos de sus extremos alimentados, quedando estos puntos intercalados en el anillo o bucle. Como ventaja fundamental se puede citar su seguridad de servicio y facilidad de mantenimiento, si bien presenta el inconveniente de una mayor complejidad y sistemas de protección más complicados.
Como sistemas de protección se utilizan conductores aislados, fusibles, seccionadores en carga, seccionalizadores, órganos de corte de red, reconectadores, interruptores, [[pararrayos]] antena, pararrayos autoválvulas y protecciones secundarias asociadas a transformadores de medida, como son relés de protección.<ref>{{cita web
|url= http://www.hezkuntza.ejgv.euskadi.net/r43-2639/es/contenidos/informacion/sis_cualif_prof_pv/es_2020/adjuntos/ee233_c.pdf
|título= Sistemas de distribución de energía eléctrica
|autor= hezkuntza.ejbv.euskadi.net
|fechaacceso= 30 de julio
|añoacceso= 2008
}}</ref>
== Mediciones eléctricas ==
=== Unidades eléctricas ===
;[[Culombio]] (C, unidad de [[carga eléctrica]])
[[Archivo:Amperímetro.png|thumb|200px|Conexión de un amperímetro en un circuito.]]
La introducción de las magnitudes eléctricas requiere añadir una nueva unidad fundamental a la física: la de carga eléctrica. Esta unidad, que no puede derivarse de las unidades de la [[mecánica]], fue originalmente denominada Coulomb (término castellanizado a culombio, cuyo símbolo es C) en honor a [[Charles-Augustin de Coulomb]], primero que midió directamente la fuerza entre cargas eléctricas. Debido a la gran dificultad de medir directamente las cargas eléctricas con precisión, se ha tomado como [[unidad básica (física)|unidad básica]] la unidad de corriente eléctrica, que en el [[Sistema Internacional de Unidades]] es el [[amperio]]. La unidad de carga resulta entonces una [[unidad derivada (física)|unidad derivada]], que se define como la cantidad de carga eléctrica que fluye durante 1 segundo a través de la sección de un conductor que transporta una intensidad constante de corriente eléctrica de 1 amperio:
:<math>C = A \cdot s</math>
;[[Voltio]] (V, unidad de [[potencial eléctrico]] y [[fuerza electromotriz]])
El voltio se define como la [[diferencia de potencial]] a lo largo de un conductor cuando una corriente con una intensidad de un amperio utiliza un [[vatio]] de [[potencia eléctrica|potencia]]:
:<math>V=\frac{J}{C}=\dfrac{\mbox{m}^2 \cdot \mbox{kg}}{\mbox{s}^3 \cdot \mbox{A}}</math>
;[[Ohmio]] (Ω, unidad de [[resistencia eléctrica]])
Un ohmio es la resistencia eléctrica que existe entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia de potencial constante de 1 voltio aplicada entre estos dos puntos produce, en dicho conductor, una corriente de intensidad 1 amperio, cuando no haya fuerza electromotriz en el conductor:
:<math>\Omega = \dfrac{\mbox{V}}{\mbox{A}} = \dfrac{\mbox{m}^2 \cdot \mbox{kg}}{\mbox{s}^{3} \cdot \mbox{A}^2}</math>
[[Archivo:Condensador.png|thumb|200px|[[Condensador]] ideal cuya capacidad se expresa en [[faradio]]s.]]
;[[Siemens (unidad)|Siemens]] (S, unidad de [[conductancia eléctrica]])
Un siemens es la conductancia eléctrica que existe entre dos puntos de un conductor que tiene un ohmio de resistencia:
:<math>S=\frac{1}{\Omega}</math>
;[[Faradio]] (F, unidad de [[capacidad eléctrica]])
Un faradio es la capacidad de un [[capacitor]] entre cuyas armaduras aparece una diferencia de potencial eléctrico de 1 voltio cuando está cargado de una cantidad de electricidad igual a un culombio:<ref>{{cita libro
| apellidos = Bureau international des poids et mesures
| título = Le Système international d'unités
| edición = 8ª
| fecha = 2006
| isbn = 92-822-2213-6
| capítulo = cap.2, pág.54
| urlcapítulo = http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_fr.pdf
| cita = Le farad est la capacité d’un condensateur électrique entre les armatures duquel apparaît une différence de potentiel électrique de 1 volt, lorsqu’il est chargé d’une quantité d’électricité égale à 1 coulomb.
}}
</ref>
:<math>\mbox{F}
= \,\mathrm \frac{A \cdot s}{V}
= \dfrac{\mbox{C}}{\mbox{V}}
= \dfrac{\mbox{C}^2}{\mbox{J}}
= \dfrac{\mbox{C}^2}{\mbox{N} \cdot \mbox{m}}
= \dfrac{\mbox{s}^2 \cdot \mbox{C}^2}{\mbox{m}^{2} \cdot \mbox{kg}}
= \dfrac{\mbox{s}^4 \cdot \mbox{A}^2}{\mbox{m}^{2} \cdot \mbox{kg}}
</math>
;[[Tesla (unidad)|Tesla]] (T, unidad de [[densidad de flujo magnético]] e [[inductividad magnética]])
Un tesla es una inducción magnética uniforme que, repartida normalmente sobre una superficie de un [[metro cuadrado]], produce a través de esta superficie un flujo magnético total de un weber:
:<math>T=\frac{Wb}{m^2}=\frac{V \cdot s}{m^2}=\frac{kg}{s^2 \cdot A}</math>
;[[Weber (unidad)|Weber]] (Wb, unidad de [[flujo magnético]])
Un weber es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira, produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 voltio si se anula dicho flujo en 1 segundo por decrecimiento uniforme:
:<math>Wb=V \cdot s=T \cdot m^2=\frac{m^2 \cdot kg}{s^2 \cdot A}</math>
;[[Henrio]] (H, unidad de [[inductancia]])
Un henrio es la inductancia de un circuito en el que una corriente que varía a razón de un amperio por [[segundo (unidad de tiempo)|segundo]] da como resultado una fuerza electromotriz autoinducida de un voltio:
:<math>H=\frac{V \cdot s}{A}=\frac{ m^2 \cdot kg }{s^2 \cdot A^2} </math>
=== Instrumentos de medida ===
Se denominan instrumentos de medidas de electricidad a todos los [[dispositivo]]s que se utilizan para medir las magnitudes eléctricas y asegurar así el buen funcionamiento de las instalaciones y máquinas eléctricas. La mayoría son aparatos portátiles de mano y se utilizan para el montaje; hay otros instrumentos que son conversores de medida y otros métodos de ayuda a la medición, el análisis y la revisión. La obtención de datos cobra cada vez más importancia en el ámbito industrial, profesional y privado. Se demandan, sobre todo, instrumentos de medida prácticos, que operen de un modo rápido y preciso y que ofrezcan resultados durante la medición.
[[Archivo:Moving coil instrument principle.png|thumb|100px|Principio de funcionamiento de un galvanómetro.]]
Existen muchos tipos de instrumentos diferentes siendo los más destacados los amperímetros, voltímetros, óhmetros, multímetros y osciloscopios.<ref>{{cita web
|url= http://www.pce-iberica.es/Catalogo/catalogo-electricidad.pdf |título= Medidores de electricidad
|autor= pce-iberica.es Catálogo comercial
|fechaacceso= 21 de julio
|añoacceso= 2008
}}</ref>
==== Galvanómetro ====
{{AP|Galvanómetro}}
Los galvanómetros son aparatos que se emplean para indicar el paso de [[corriente eléctrica]] por un circuito y para la medida precisa de su [[intensidad de corriente eléctrica|intensidad]]. Suelen estar basados en los efectos magnéticos o térmicos causados por el paso de la corriente.<ref>{{cita web
|url= http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_magnetico/galvanometro/galvanometro.htm |título= El galvanómetro
|autor= Electromagnetismo sc.ehu.es
|fechaacceso= 21 de julio
|añoacceso= 2008
}}</ref>
En un galvanómetro de imán móvil la aguja indicadora está asociada a un imán que se encuentra situado en el interior de una bobina por la que circula la corriente que tratamos de medir y que crea un [[campo magnético]] que, dependiendo del sentido de la misma, produce una atracción o repulsión del imán proporcional a la intensidad de dicha corriente.
En el caso de los galvanómetros térmicos, lo que se pone de manifiesto es el alargamiento producido al calentarse, por el ''[[Efecto Joule]]'', al paso de la corriente, un hilo muy fino arrollado a un cilindro solidario con la aguja indicadora.
==== Amperímetros ====
[[Archivo:Tongtester.jpg|thumb|Amperímetro de pinza.]]
{{AP|Amperímetro}}
Un amperímetro es un instrumento que sirve para medir la intensidad de corriente que está circulando por un circuito eléctrico.<ref>{{cita web
|título= Glosario de electrónica
|fechaacceso= 17 de julio
|añoacceso= 2008
|url= http://www.unicrom.com/tut_glosarioeletronicaA.asp
}}</ref> En su diseño original los amperímetros están constituidos, en esencia, por un [[galvanómetro]] cuya escala ha sido graduada en amperios. En la actualidad, los amperímetros utilizan un [[Conversor analógico-digital|conversor analógico/digital]] para la medida de la caída de tensión sobre un [[resistor]] por el que circula la corriente a medir. La lectura del conversor es leída por un [[microprocesador]] que realiza los cálculos para presentar en un [[display]] numérico el valor de la corriente circulante.
Para efectuar la medida de la intensidad de la corriente circulante el amperímetro ha de colocarse ''[[circuito serie|en serie]]'', para que sea atravesado por dicha corriente. Esto lleva a que el amperímetro debe poseer una resistencia interna lo más pequeña posible, a fin de que no produzca una caída de tensión apreciable. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica, están dotados de bobinas de hilo grueso y con pocas espiras.<ref>{{cita web
|url= http://www.galeon.com/ultimopunto/cat_cien/fisi_multim4.htm
|título= El galvanómetro
|autor= galeon.com
|fechaacceso= 23 de junio
|añoacceso= 2008
}}</ref>
==== Voltímetros ====
{{AP|Voltímetro}}
[[Archivo:Voltmeter.jpg|thumb|Dos voltímetros digitales.]]
Un voltímetro es un instrumento que sirve para medir la [[diferencia de potencial]] o voltaje entre dos puntos de un circuito eléctrico cerrado pero a la vez abierto en los polos. Los voltímetros se clasifican por su funcionamiento mecánico, siendo en todos los casos el mismo instrumento:
* Voltímetros electromecánicos: en esencia, están constituidos por un galvanómetro cuya escala ha sido graduada en voltios. Existen modelos que separan las corrientes continua y alterna de la señal, pudiendo medirlas independientemente.
* Voltímetros electrónicos: añaden un [[amplificador]] para proporcionar mayor [[impedancia]] de entrada y mayor sensibilidad.
* Voltímetros vectoriales: se utilizan con señales de microondas. Además del módulo de la tensión dan una indicación de su fase.
* Voltímetros digitales: dan una indicación numérica de la tensión, normalmente en una pantalla tipo LCD. Suelen tener prestaciones adicionales como memoria, detección de valor de pico, verdadero valor eficaz (RMS), selección automática de rango y otras funcionalidades.
Para efectuar la medida de la diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse ''[[circuito paralelo|en paralelo]]'', esto es, en derivación sobre los puntos entre los que se trata de efectuar la medida. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica, están dotados de bobinas de hilo muy fino y con muchas espiras, con lo que con poca intensidad de corriente a través del aparato se consigue la fuerza necesaria para el desplazamiento de la aguja indicadora.<ref>{{cita web
|url= http://148.202.148.5/cursos/17721/modulo2/2p2/2p2.htm
|título= Voltimetro Curso técnico
|fechaacceso= 24 de junio
|añoacceso= 2008
}}</ref>
==== Óhmetro ====
{{AP|Óhmetro}}
[[Archivo:Ohmmeter.jpg|thumb|Óhmetro.]]
Un óhmetro u ohmímetro es un instrumento para medir la [[resistencia eléctrica]]. El diseño de un óhmetro se compone de una pequeña batería para aplicar un voltaje a la resistencia bajo medida, para luego mediante un galvanómetro medir la corriente que circula a través de la resistencia. La escala del galvanómetro está calibrada directamente en [[ohmio]]s, ya que en aplicación de la ley de Ohm, al ser el voltaje de la batería fijo, la intensidad circulante a través del galvanómetro sólo va a depender del valor de la resistencia bajo medida, esto es, a menor resistencia mayor intensidad de corriente y viceversa.
Existen también otros tipos de óhmetros más exactos y sofisticados, en los que la batería ha sido sustituida por un circuito que genera una corriente de intensidad constante I, la cual se hace circular a través de la resistencia R bajo prueba. Un óhmetro de precisión tiene cuatro terminales, denominados contactos Kelvin. Dos terminales llevan la corriente constante desde el medidor a la resistencia, mientras que los otros dos permiten la medida del voltaje directamente entre terminales de la misma, con lo que la caída de tensión en los conductores que aplican dicha corriente constante a la resistencia bajo prueba no afecta a la exactitud de la medida.<ref>{{cita web
|url= http://www.pce-iberica.es/medidor-detalles-tecnicos/instrumento-de-electricidad/óhmetro-PCE-DM-12.htm |título= óhmetro datos técnicos Pce-iberica Instrumentos de electricidad
|fechaacceso= 24 de junio
|añoacceso= 2008
}}</ref>
==== Multímetro ====
{{AP|Multímetro}}
[[Archivo:Digital Multimeter Aka.jpg|thumb|Multímetro digital donde pueden medirse varias magnitudes eléctricas.]]
Un multímetro, llamado también polímetro o ''tester'', es un instrumento que ofrece la posibilidad de medir distintas magnitudes en el mismo aparato. Las más comunes son las de voltímetro, amperímetro y óhmetro. Es utilizado frecuentemente por el personal técnico en toda la gama de electrónica y electricidad. Existen distintos modelos que incorporan además de las tres funciones básicas antes citadas otras mediciones importantes, tales como medida de [[inductancia]]s y [[capacitancia]]s; comprobador de [[diodo]]s y [[transistor]]es; o escalas y [[zócalo]]s para la medida de temperatura mediante [[termopar]]es normalizados.
También hay multímetros con funciones avanzadas que permiten: generar y detectar la [[frecuencia intermedia]] de un aparato, así como un circuito [[amplificador]] con [[altavoz]] para ayudar en la sintonía de circuitos de estos aparatos; el seguimiento de la señal a través de todas las etapas del receptor bajo prueba; realizar la función de osciloscopio por encima del millón de muestras por segundo en velocidad de barrido, y muy alta [[resolución]]; sincronizarse con otros instrumentos de medida, incluso con otros multímetros, para hacer medidas de potencia puntual (potencia = voltaje * intensidad); utilizarse como aparato telefónico, para poder conectarse a una línea telefónica bajo prueba, mientras se efectúan medidas por la misma o por otra adyacente; realizar comprobaciones de circuitos de electrónica del automóvil y grabación de ráfagas de alto o bajo voltaje.
Este instrumento de medida por su precio y su exactitud sigue siendo el preferido del aficionado o profesional en electricidad y electrónica. Hay dos tipos de multímetros: analógicos y digitales.<ref>{{cita web
|autor= Rafael Lopardo
|url= http://www.webelectronica.com.ar/news27/nota07.htm
|título= ¿Como usar el multímetro? webelectronica.com
|fechacceso= 21 de junio
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Se denomina osciloscopio a un [[instrumento de medición]] electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo, que permite visualizar fenómenos transitorios así como formas de ondas en circuitos eléctricos y electrónicos y mediante su análisis se puede diagnosticar con facilidad cuáles son los problemas del funcionamiento de un determinado circuito. Es uno de los instrumentos de medida y verificación eléctrica más versátiles que existen y se utiliza en una gran cantidad de aplicaciones técnicas. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, si va provisto del transductor adecuado.
El osciloscopio presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje
El osciloscopio se fabrica bajo muchas formas distintas, no sólo en cuanto al aspecto puramente físico sino en cuanto a sus características internas y por tanto a sus prestaciones y posibilidades de aplicación de las mismas. Existen dos tipos de osciloscopios: analógicos y digitales. Los analógicos trabajan con variables continuas mientras que los digitales lo hacen con variables discretas. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos, como picos de tensión que se producen aleatoriamente.
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