Introducción a la electricidad

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UNIDAD 1: “FUNDAMENTOS DE LA ELECTRICIDAD INDUSTRIAL”
1.1 INTRODUCCIÓN A LA ELECTRICIDAD
Las aplicaciones de la electricidad son virtualmente interminables. Observamos
el uso de la electricidad al poner en marcha un automóvil, en nuestras casas para la
iluminación, la operación de aparatos: teléfono, televisor, licuadora, radio, etcétera.
Vemos por ejemplo su aplicación en el transporte. La electricidad se emplea en la
fabricación de la mayor parte de las cosas que usamos, ya sea directamente o para
operar las máquinas que hacen o procesan los productos que necesitamos; la
electricidad hace posible la mayoría de los avances técnicos y comodidades que
disfrutamos. Pero ¿Qué es esta fuerza invisible que llamamos electricidad? ¿De qué
está hecha?¿Cómo fue que finalmente el hombre la capturó y la controló?
Empezaremos el estudio de la electricidad directos al corazón de la materia.
¿Qué propósito práctico hay que aprender qué es materia? Simplemente esto, la
materia es un elemento importante en la generación de la fuerza que nosotros
llamamos “electricidad”.
1.1.1 Teoría atómica y electricidad
La electricidad es la base de todo lo que existe, nuestro mundo es un mundo
eléctrico. Existen fenómenos naturales que dan origen a la electricidad y a sus
efectos muy importantes como: la luz eléctrica, el calor, el movimiento de las
máquinas y vehículos, etcétera. Fenómenos que son difíciles de entender porque
suceden al interior de partículas tan pequeñas como el átomo que el ser humano no
puede captar, y sólo con ilustraciones podemos explicarlos.
¿Qué es la electricidad?

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La electricidad (del griego elektron, cuyo significado es ámbar) es un fenómeno
físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en
fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Se puede
observar de forma natural en los rayos que son descargas eléctricas producidas por
el rozamiento de las partículas de agua en la atmósfera (electricidad estática).
Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños
electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad
y de todos los dispositivos electrónicos. La electricidad 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.
Figura 1.1 Fenómeno eléctrico
Otra característica importante de la energía eléctrica es que está libre de toda
clase de productos indeseables de la combustión como humos, cenizas y
emanaciones que dañan la atmósfera. La aplicación de la electricidad se logra
fácilmente si se posee un completo conocimiento de las leyes de la corriente

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eléctrica, sus relaciones con el magnetismo, así como la manera de producirla y de
obtener efectos electromecánicos y electroquímicos.
Composición de la materia
Para entender qué es un electrón y cómo se comporta, tendremos que estudiar
la composición de la materia. Materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio y
tiene masa. Toda la materia está compuesta de bloques químicos los cuales son
llamados elementos. La naturaleza ha proporcionado más de 100 elementos los
cuales en combinación forman los diferentes tipos de materia que se encuentran en
nuestro planeta.
El hierro, cobre, hidrógeno, oxígeno, aluminio, mercurio, sodio y cloro son
ejemplos de elementos. Toda la materia está formada por dos o más elementos,
ejemplo: cuando los elementos hidrógeno y oxígeno se combinan químicamente, se
forma agua. La sal es el resultado cuando se combinan químicamente el cloro y el
sodio.
Dependiendo del grado de unión que haya entre estas partículas, los cuerpos
pueden presentarse en tres diferentes estados:
Estado sólido: Cuando el contacto entre dichas partículas es muy fuerte. Se
caracteriza por tener forma y volumen definidos.
Estado líquido: Cuando el contacto entre ellas es más flojo. En este caso, la
materia cambia constantemente de forma para adaptarse a la del recipiente que la
contiene.

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Estado gaseoso: Las partículas están totalmente libres, es decir, no existe
contacto entre ellas. Se caracteriza porque puede cambiar su volumen y su forma,
adaptándose a cualquier espacio.
Figura 1.2 Estados de la materia
Ahora que sabemos que la materia está compuesta de elementos y que la
combinación de estos forman los diferentes tipos de materia que se encuentran en
nuestro planeta; veamos la estructura de la materia.
Si tomamos una gota de agua y la dividimos en dos, tendremos dos partes,
pero ambas serán de agua. El agua es un compuesto químico de dos elementos:
hidrógeno (H) y oxígeno (O) cuya fórmula es H2O. Podemos imaginarnos otras
divisiones de la gota de agua, hasta que llegue un momento en el que tendremos
una molécula de agua, si seguimos dividiéndola tendremos dos átomos de hidrógeno
por uno de oxígeno, y estos a su vez están compuestos por electrones, protones y
neutrones.
Molécula

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Es la parte más pequeña en que puede dividirse la materia y seguir
conservando sus características de compuesto. Por ejemplo una molécula de agua,
H2O; una molécula de sal, NaCl.
Átomo
La partícula más pequeña en la cual un elemento puede ser reducido y
clasificado, aún como un elemento es el átomo. Por ejemplo un átomo de hidrógeno,
un átomo de oxígeno, un átomo de cloro, etcétera. El átomo es similar a nuestro
sistema solar en el cual el sol es el núcleo y sus planetas las partículas que giran
alrededor del núcleo.
El núcleo del átomo está compuesto de partículas llamadas protones y
neutrones. Los protones contienen cargas de electricidad positivas, los neutrones no
tienen carga.
Los electrones que giran alrededor del núcleo tienen carga negativa. Desde
este momento cuando hablemos de electricidad, sólo hablaremos de protones y
electrones dado que son partículas que contienen cargas eléctricas.
Figura 1.3 Constitución del átomo

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1.1.2 Electricidad estática y dinámica
De acuerdo con la actividad de las cargas eléctricas, la electricidad puede
clasificarse en dos grandes grupos: como electricidad estática o como electricidad
dinámica.
Electricidad estática
La palabra estática significa “en reposo”. La electricidad estática es eso
precisamente electricidad en reposo. Los pedacitos de papel que son atraídos por un
peine de plástico que fue frotado con un pedazo de tela es un ejemplo de
electricidad. La electricidad estática es la que se forma en nuestro cuerpo cuando
arrastramos los pies sobre una alfombra. Si tocamos objetos de metal la energía
eléctrica es liberada en forma de chispa. Por lo tanto no permanece mucho tiempo
estática.
Figura 1.4 Los materiales cargados con electricidad estática pueden atraerse o
repelerse. La atracción toma lugar cuando las cargas son diferentes y las cargas se
repelen cuando son iguales.
La acumulación de electrones, resultado de la fricción, puede ser
excesivamente peligrosa en ciertos casos, por ejemplo, los carros-tanque que

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transportan combustible constituyen uno de ellos. A medida que el carro-tanque se
desplaza, la fricción con el aire acumula electricidad estática en él. Si la tensión entre
éste y cualquier objeto a su alrededor se hace muy grande, puede generarse una
descarga eléctrica que podría causar un incendio y la explosión del combustible.
Para prevenir esto, la gran mayoría de estos vehículos poseían en la parte inferior
una cadena de metal que se arrastraba constantemente por el camino para provocar
un contacto con la tierra; de esta forma se descargaba el vehículo y se previene de
algún accidente. Este fenómeno se hace visible ya que se producen chispas contra el
pavimento a medida que el vehículo se descargaba, actualmente la carrocería de los
vehículos se conecta a la terminal negativa de la batería permitiendo descargar esa
electricidad estática por medio de ésta.
Figura 1.5 La protección contra los rayos se obtiene solamente proporcionando a los
electrones un camino fácil hacia la tierra por medio de pararrayos los cuales son muy
efectivos.

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Cuando los materiales se encuentran muy cargados, los electrones saltan de un
material a otro antes de que se establezca un contacto real entre ellos. En estos
casos la descarga se ve en forma de arco luminoso. Un claro ejemplo son las cargas
que se producen en las nubes al frotarse con las moléculas del aire; la gran cantidad
de electricidad acumulada en éstas puede descargarse a través de grandes espacios
provocando arcos de muchos metros de longitud llamados rayos, tal como se
muestra en la figura 1.5. El poder destructivo de ellos es un claro ejemplo de la
cantidad de energía que pueden transportar los cuerpos cargados eléctricamente.
Aplicaciones de la electricidad estática
La electricidad estática es de gran utilidad en la industria, por ejemplo:
 Se emplea para aplicar pintura a objetos fabricados en serie; este proceso es
conocido como pintura por aspersión o pintura electrostática. Durante este
procedimiento se comunica una carga electrostática a las partículas pulverizadas
de pintura después de que salen de la boquilla del aspersor; dichas partículas son
atraídas por el objeto que se está pintando, obteniendo así una capa uniforme y
sin desperdicio de pintura.
 En la fabricación de papel abrasivo (de lija) para metales.
 En la fabricación de fibras para tejer alfombras y telas especiales.
Electricidad dinámica
Para que la electricidad sea realmente útil, ésta debe permanecer en
movimiento; es decir, debe ser dinámica o activa y la fuente que la genere debe estar
en constante renovación de sus cargas eléctricas para que no pierda su capacidad
en pocos segundos de trabajo.

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El conde italiano Alessandro Volta (1745 – 1827) inventó la pila eléctrica en
1799, lo que originó una revolución científica en ese tiempo; se dio cuenta que
mediante la acción química pueden restituirse constantemente las cargas eléctricas y
que a medida que circula la corriente por el circuito, los electrones que salen de la
terminal negativa de la batería, son sustituidos por la misma cantidad de estos
(pertenecientes al conductor) que entran por la terminal positiva de la misma.
Sólo después de que Volta descubrió una fuente de electricidad constante, se
pudo conocer lo que es en realidad un circuito eléctrico, y por consiguiente, lo que es
la electricidad dinámica.
Campo eléctrico
Es el espacio en el cual pueden manifestarse las fuerzas de atracción y
repulsión entre cargas eléctricas. El campo eléctrico rodea a cualquier tipo de carga,
ya sea positiva o negativa y en general, rodea a cualquier objeto cargado tal como se
muestra en la figura 1.6.
Figura 1.6 Campo eléctrico

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Dicho campo puede representarse mediante innumerables líneas rectas que
salen radialmente desde el centro de la carga y van dirigidas en todas direcciones.
Estas líneas reciben el nombre de líneas de fuerza eléctrica, las cuales tienen fuerza
natural que actúa en un sentido determinado, hacia afuera en los protones y hacía
adentro en los electrones. Éste es el origen de las leyes de atracción y repulsión de
las cargas.
Cuando decimos que un electrón repele a otro sin hacer contacto, es la fuerza
de repulsión entre las líneas de fuerza la que hace que las cargas se separen. Y,
cuando decimos que un electrón y un protón se atraen, son las líneas de fuerza en el
campo eléctrico quienes hacen que las cargas se unan.
De esta forma, podemos definir el campo eléctrico como la fuerza de origen
eléctrico ejercida sobre una carga, capaz de orientarla y moverla de un átomo a otro.
Diferencia de potencial
Figura 1.7 Potencial eléctrico

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En su estado natural, los átomos de los cuerpos se encuentran equilibrados o
sea que todos poseen igual número de electrones y de protones. Un átomo o un
cuerpo puede ser desequilibrado aplicando a éste una fuerza externa lo
suficientemente grande para hacer que el átomo pierda o gane electrones. Según lo
anterior se pueden presentar tres casos tal como se observa en la figura 1.7. En
otras palabras, el potencial es el estado eléctrico en que se encuentra un cuerpo.
Comparando el estado de los dos átomos de la figura 1.7, vemos que existe
una diferencia de potencial de cuatro electrones. De otra manera, podemos decir que
la diferencia de potencial nos indica una diferencia entre átomos de potencial distinto,
o lo que es lo mismo, hay diferencia de potencial cuando los átomos de uno y otro
cuerpo son diferentes en su estado eléctrico. Esta diferencia de potencial se llama
voltaje, tensión o fuerza electromotriz (Fem) y se define como la fuerza o presión
capaz de obligar a los electrones libres de un conductor a moverse en una
determinada dirección. Su unidad de medida es el voltio.
La diferencia de potencial sólo puede existir entre dos puntos diferentes. Según
esto una fuente de voltaje es un dispositivo que tiene entre sus terminales una
diferencia de potencial. Dicha fuente puede ser una pila, una batería o un generador
y sus puntos de conexión o terminales reciben el nombre de bornes; uno de ellos
posee mayor concentración de cargas positivas y el otro de cargas negativas, razón
por la cual entre ellos existe un fuerte campo eléctrico, el cual tratará de mover las
cargas eléctricas que se encuentren entre ellos.
En la figura 1.8 podemos observar cómo al conectar un material conductor
entre los bornes de una fuente de voltaje, produce una circulación de los electrones
libres del conductor.
Es conveniente recordar que: voltaje, tensión, fuerza electromotriz y diferencia
de potencial se refiere a lo mismo.

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Figura 1.8 Diferencia de potencial