MÁQUINAS FRIGORÍFICAS Y DE AIRE ACONDICIONADO.

La invención de las máquinas frigoríficas ha supuesto un avance importante en todos los aspectos relacionados con la conservación y trasiego de alimentos frescos que necesitan conservarse fríos para que tengan mayor duración en su estado natural, y en conseguir una climatización adecuada en viviendas y locales públicos. Las máquinas frigoríficas se clasifican en congeladoras y en refrigeradoras. Las de uso industrial están ubicadas en empresas, barcos o camiones que trabajan con alimentos congelados o refrigerados; en el ámbito doméstico se utilizan máquinas conocidas con el nombre de frigorífico y congelador, así como aparatos de aire acondicionado que están presente en muchas viviendas variando en prestaciones y capacidad.
En 1784 William Cullen construye la primera máquina para enfriar, pero hasta 1927 no se fabrican los primeros refrigeradores domésticos (de General Electric). Cuatro años más tarde, Thomas Midgley descubre el freón, que por sus propiedades ha sido desde entonces muy empleado como fluido de trabajo en máquinas de enfriamiento como equipos de aire acondicionado y refrigeradores, tanto a escala industrial como doméstica. Sin embargo, se ha demostrado que el freón y los compuestos químicos similares a él, también conocidos como clorofluorocarburos (CFC), son los principales causantes de la destrucción en la capa de ozono, produciendo el agujero detectado en la Antártida, por lo que en 1987 se firmó el Protocolo de Montreal para restringir el uso de estos compuestos. En la actualidad (2008) todas las máquinas frigoríficas utilizan gases refrigerantes que no perjudican a la capa de ozono.
Una máquina frigorífica es un tipo de máquina térmica generadora que transforma algún tipo de energía, habitualmente mecánica, en energía térmica para obtener y mantener en un recinto una temperatura menor a la temperatura exterior. La energía mecánica necesaria puede ser obtenida previamente a partir de otro tipo de energía, como la energía eléctrica mediante un motor eléctrico. Esta transferencia se realiza mediante un fluido frigorígeno o refrigerante, que en distintas partes de la máquina sufre transformaciones de presión, temperatura y fase (líquida o gaseosa); y que es puesto en contacto térmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras.
Una máquina frigorífica debe contener como mínimo los cuatro siguientes elementos:
Compresor: es el elemento que suministra energía al sistema. El refrigerante llega en estado gaseoso al compresor y aumenta su presión.
Condensador: es un intercambiador de calor, en el que se disipa el calor absorbido en el evaporador (más adelante) y la energía del compresor. En el condensador el refrigerante cambia de fase pasando de gas a líquido.
Sistema de expansión: el refrigerante líquido entra en el dispositivo de expansión donde reduce su presión y esta a su vez reduce bruscamente su temperatura.
Evaporador: el refrigerante a baja temperatura y presión pasa por el evaporador, que al igual que el condensador es un intercambiador de temperatura, y absorbe el calor del recinto donde esta situado. El refrigerante líquido que entra al evaporador se transforma en gas al absorber el calor del recinto.
Tanto en el evaporador como en el condensador la transferencia energética se realiza principalmente en forma de calor latente.

Diagrama del ciclo de una bomba térmica simple: 1) condensador, 2) válvula de expansión, 3) evaporador, 4) compresor.
Desde el punto de vista económico, el mejor ciclo de refrigeración es aquel que extrae la mayor cantidad de calor (Q2) del foco frío (T2) con el menor trabajo (W). Por ello, se define la eficiencia de una máquina frigorífica como el cociente Q2/W:
Eficiencia
Q2: Representa el calor extraído de la máquina frigorífica por los serpentines refrigerantes situados en su interior (congelador).
W: Es el trabajo realizado por el motor que acciona el compresor.
Q1: Es el calor cedido a los serpentines (o radiador) refrigerantes exteriores (en la parte posterior del aparato y que se elimina al ambiente por una circulación de aire (natural o forzada con auxilio de un ventilador, caso de los aparatos de aire refrigerado).
La máquina frigorífica se puede utilizar como calentador. Para ello, basta con hacer que el foco caliente sea la habitación, T1, y el frío el exterior. Es el principio de funcionamiento de la bomba de calor, que es más ventajosa de utilizar que un caldeo por resistencia eléctrica. Esta doble función de producir frío y calor se utiliza en los equipos modernos de aire acondicionado que se instalan en las viviendas.
El ingeniero francés Nicolas Léonard Sadi Carnot fue el primero que abordó el problema del rendimiento de un motor térmico.
En España, todas las empresas que se dedican a las actividades relacionadas con máquinas frigoríficas y climatización se encuadran bajo el concepto de frío industrial y los profesionales dedicados a estas tareas reciben el nombre de frigoristas.

ELECTROIMÁNES.

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente. Fue inventado por el electricista británico William Sturgeon en 1825. Sturgeon podía regular su electroimán, lo que supuso el principio del uso de la energía eléctrica en máquinas útiles y controlables, estableciendo los cimientos para las comunicaciones electrónicas a gran escala.
El tipo más simple de electroimán es un trozo de cable enrollado. Una bobina con forma de tubo recto (parecido a un tornillo) se llama solenoide, y cuando además se curva de forma que los extremos coincidan se denomina toroide. Pueden producirse campos magnéticos mucho más fuertes si se sitúa un «núcleo» de material paramagnético o ferromagnético (normalmente hierro dulce) dentro de la bobina. El núcleo concentra el campo magnético, que puede entonces ser mucho más fuerte que el de la propia bobina.
La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético puede ser rápidamente manipulado en un amplio rango controlando la cantidad de corriente eléctrica. Sin embargo, se necesita una fuente continua de energía eléctrica para mantener el campo. En aplicaciones donde no se necesita un campo magnético variable, los imanes permanentes suelen ser superiores. Adicionalmente, éstos pueden ser fabricados para producir campos magnéticos más fuertes que los electroimanes de tamaño similar.
Los electroimanes se usan en muchas situaciones en las que se necesita un campo magnético variable rápida o fácilmente. Muchas de estas aplicaciones implican la deflección de haces de partículas cargadas, como en los casos del tubo de rayos catódicos y el espectrómetro de masa.
Los electroimanes son los componentes esenciales de muchos interruptores, siendo usados en los frenos y embragues electromagnéticos de los automóviles. En algunos tranvías, los frenos electromagnéticos se adhieren directamente a los raíles. Se usan electroimanes muy potentes en grúas para levantar pesados bloques de hierro y acero, así como contenedores, y para separar magnéticamente metales en chatarrerías y centros de reciclaje. Los trenes de levitación magnética emplean poderosos electroimanes para flotar sin tocar la pista y así poder ir a grandes velocidades. Algunos trenes usan fuerzas atractivas, mientras otros emplean fuerzas repulsivas.
Los electroimanes se usan en los motores eléctricos rotatorios para producir un campo magnético rotatorio y en los motores lineales para producir un campo magnético itinerante que impulse la armadura. Aunque la plata es el mejor conductor de la electricidad, el cobre es el material usado más a menudo debido a su bajo coste. A veces se emplea aluminio para reducir el peso.
Calcular la fuerza sobre materiales ferromagnéticos es, en general, bastante complejo. Esto se debe a las líneas de campo de contorno y a las complejas geometrías. Puede simularse usando análisis de elementos finitos. Sin embargo, es posible estimar la fuerza máxima bajo condiciones específicas. Si el campo magnético está confinado dentro de un material de alta permeabilidad, como es el caso de ciertas aleaciones de acero, la fuerza máxima viene dada por:

donde:
F es la fuerza en newtons;
B es el campo magnético en teslas;
A es el área de las caras de los polos en m²;
μo es la permeabilidad del espacio libre.

CAMPOS ELÉCTRICO Y MAGNÉTICO.

Líneas de campo de dos cargas eléctricas de igual valor absoluto y signos opuestos.

Los campos eléctrico y magnético , son 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 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 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 enlaces iónicos en las moléculas, las características como disolvente del agua, o el funcionamiento de las antenas entre otros.

Los campos eléctricos y magnéticos se calculan resolviendo las ecuaciones de Maxwell, siendo magnitudes inseparables en general.

FUERZA ENTRE CARGAS

Coulomb fue el primero en determinar, en 1785, el valor de las fuerzas ejercidas entre cargas eléctricas. 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.

donde q₁ y q₂ son las cargas, r 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 q_j, la fuerza resultante sobre una cualquiera de ellas es la suma vectorial de las fuerzas ejercidas por todas las demás. La fuerza ejercida sobre la carga puntual q_i en reposo está dada en el SI por:

donde denota el vector que une la carga q_j con la carga q_i.

Cuando las cargas están en movimiento aparecen también fuerzas magnéticas. La forma más sencilla de describir el fenómeno es con el uso de campos eléctrico () y magnético (), de los que a su vez se pueden derivar las fuerzas a partir de la fórmula de Lorentz:

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.

CORRIENTE ELECTRICA

La corriente eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. Esta se mide en amperios y se indica con el símbolo A. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético.
Históricamente, la corriente eléctrica 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 negativos, estos son los electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional.
En el siglo XVIII cuando se hicieron los primeros experimentos con electricidad, solo se disponía de carga eléctrica generada por frotamiento o por inducción. Se logró, por primera vez, en 1800 tener un movimiento constante de carga cuando el físico italiano Alessandro Volta inventó, la primera pila eléctrica.
El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

FLUORESCENTES

Una lámpara o tubo fluorescente es una fuente de descarga eléctrica en una atmósfera de vapor de mercurio entre eléctrodos caldeados a baja presión.
Las radiaciones ultravioletas producidas excitan la sustancia fluorescente de la pared interior del tubo de vidrio haciendo que se genere luz visible.
Sin la sustancia fluorescente que recubre toda la pared interior del tubo son lámparas de vapor de mercurio a baja presión que producen muy poca luz en el esprecto visible, pero el arco eléctrico emite una gran potencia de radiación ultravioleta con longitud de onda de 253,7nm.
La capa fluorescente transforma la radiación ultravioleta no visible en radiaciones visibles de mayor longitud de onda.

Consta de las siguientes partes:
a) Tubo de cristal de distintas longitudes y diámetro normalizado, recubierto en su superficie interior de una sustancia fluorescente en forma de polvo según la composición de esta sustancia, el color de la luz emitida será distinto. En el interior del cristal existe una mezcla de argón a baja presión y mercurio.
b) Casquillos: situados en ambos extremos del tubo y que soportan los filamentos (electrodos) y contactos.
c) Filamentos y electrodos: en espiral doble o triple de wolframio recubiertos de óxidos, estos son sustancias que emiten o liberan electrones a altas temperaturas.
Reactancia
Como el arco eléctrico tiene una resistencia negativa, las lámparas de descarga presentan una impedancia negativa u es preciso instalar una reactancia en serie que haga de bobina de choque.
La reactancia limita la corriente y produce la fuerza electromotriz inducida necesaria para ionizar el vapor de mercurio y producir el encendido de la lámpara.
En contrapartida, la reactancia y los electrodos presentan una impedancia inductiva con un bajo factor de potencia, del orden de 0,5 que hace necesario instalar un condensador en paralelo con la red para mejorar el factor de potencia a un valor mínimo de 0,85.
Consta de las siguientes partes:
a) Cuerpo: compuesto por un arrollamiento o bobina sobre un núcleo de chapas magnéticas.
b) Carcasa: que posee dos terminales de salida.
c) Sustancia de poliéster: situada entre la carcasa y el núcleo como aislamiento y reductor de zumbido
EL CEBADOR
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1-Ampolla de vidrio
2-Laminillas bimetálicas
3-Soporte
4-Condensador antiparasitario

LEY DE OHM.

Si tenemos una resistencia unida a dos puntos a distinto potencial, se cumple la Ley de Ohm, que dice:

V=I x R

Diferencia de potencial es igual a intensidad multiplicado por resistencia.

RESISTENCIA

Si tenemos dos depósitos de agua a distinta altura y los unimos por una tubería, circulará agua.
Si la tubería es más estrecha, circulará menos agua.

Cuanto más estrecha sea la tubería, más resistencia presenta al paso del agua.

Con la electricidad pasa igual. Un cable muy fino tendrá más resistencia que uno ancho. Una bombilla tiene más resistencia que un cable. Un trozo de plástico tiene una resistencia infinita, porque no deja pasar la electricidad Un cable de cobre tendrá una resistencia muy pequeña, tan pequeña que nosotros vamos a suponer que los cables no tienen ninguna resistencia, es decir la resistencia de un cable es cero.

Lo que sí tiene resistencia es una bombilla, o un calentador eléctrico.

Vamos a representar las resistencias con éste símbolo:

Y las bombillas (que también se suelen llamar lámparas) con éste:

De todas formas, una bombilla es también una resistencia.
La unidad de resistencia es el ohmio.

POTENCIAL

Para que circule la corriente por un cable, hay que conectar un extremo a un polo positivo, y el otro al negativo.

Esto lo podemos hacer por medio de una pila, un enchufe y con algunas cosas más.

Imagina que tenemos dos puntos, los unimos por dos cables y circula electricidad por él. Entonces decimos que esos puntos están a diferente potencial, que hay una diferencia de potencial entre ellos.

¿Y eso qué es? Bueno, vamos a volver al ejemplo de la tubería. Imagina que tienes una manguera llena de agua con los extremos tapados. Metes cada extremo en una piscina diferente ¿Circulará el agua por la manguera?

Bueno, pues circulará el agua si una piscina está más alta que la otra. Si no, no circulará.

Y dijimos antes que la electricidad se parecía al movimiento del agua por tuberías. Para ver si el agua circula o no por una tubería, tenemos que saber si los extremos de la tubería están a distinta altura. Igualmente, para saber si la electricidad circulará por un cable, tenemos que saber si los extremos están a distinto potencial. O sea que a partir de ahora, cuando oigas la palabra potencial, te imaginas que el cable es una tubería y el potencial es la altura.

Pero el potencial no se mide en metros como la altura. Se mide en voltios. Ya sabes lo que es un voltio.

¿Qué es una pila? Pues es un aparato con dos extremos, cada uno a un potencial diferente, de modo que si unimos los extremos por un cable, circulará la corriente.

Además, los extremos de una pila tienen siempre la misma diferencia de potencial. Es decir, si tenemos una pila de seis voltios y ponemos el polo negativo a diez voltios, el positivo estará a dieciséis, porque diez más seis son dieciséis. Si ponemos el negativo a catorce, ¿A cuánto estará el positivo?

Siguiendo con el ejemplo del agua, una pila será como un escalón. Por ejemplo, un escalón de seis metros. Si la parte de abajo está a dieciséis metros, la de arriba a veinte. Como en el ejemplo de la pila.

Normalmente en vez de decir cero voltios se dice tierra.

Si tenemos dos puntos a distinto potencial y no están unidos por un cable, no circulará corriente entre ellos. Pero de todos modos seguirán estando a distinto potencial. Es igual que cuando dos puntos están a distinta altura. Aunque no circule agua entre ellos, están a distinta altura. Aunque esto te parezca una tontería, normalmente mucha gente se confunde con esto.

Para poder hacer experimentos con electricidad sin riesgo de que nos dé calambre, trabajaremos siempre con pilas de 4 voltios o de 6 voltios.

Con estos potenciales nunca va a haber ningún riesgo. Nunca hagas ninguna prueba con un enchufe de la pared, a no ser que esté contigo un adulto que te ayude. Porque si haces algo mal, hay riesgo de accidente, incluso de muerte.

INTENSIDAD

Hemos dicho que el funcionamiento de la electricidad se parece a la circulación de agua por tuberías.

La cantidad de agua que pasa por una tubería en un segundo se llama caudal. Por ejemplo, podemos decir que una tubería tiene un caudal de medio litro por segundo, eso quiere decir que cada segundo pasa medio litro de agua por la tubería. ¿Puede ser diferente el caudal en distintos puntos de la misma tubería?

En el caso de los electrones, el caudal se llamará intensidad. Es decir, la intensidad será el número de electrones que pasa por la tubería en un segundo. Cuanto mayor sea el número de electrones que pase por el cable cada segundo, mayor será la intensidad.

La unidad de intensidad es el amperio. Imagínate que colocamos los electrones en paquetes, y por un cable pasan dos paquetes de electrones cada segundo. Entonces, por ese cable pasarán dos amperios.

¿QUE ES LA ELECTRICIDAD?

La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos. Y dentro de esos átomos hay otras partículas que se llaman electrones. Imagínate que el material es una ciudad, los átomos son las casas, y los electrones son las personas. Los átomos están quietos, como las casas, y los electrones pueden estar dentro del átomo sin moverse, o bien moverse de un átomo a otro. Igual que las personas pueden estar quietas dentro de las casas o moverse de una a otra.

Hay materiales, como los plásticos, en los que los electrones no se mueven de un átomo a otro. Sería como una ciudad en que las personas están todas dentro de sus casas. Esos materiales en los que los electrones no se pueden mover llaman aislantes.

En otros materiales, los electrones se pueden mover. Sería como una ciudad en la que la gente va andando por la calle. Esos materiales se llaman conductores. Por ejemplo los metales.

Bueno, pues la electricidad se debe al movimiento de los electrones. Cuando una bombilla se enciende, o funciona una lavadora es porque los electrones se mueven dentro de ella. En una bombilla, los electrones entran por un cable y salen por el otro.

Para transportar los electrones de un sitio a otro se utilizan cables de metal, normalmente de cobre, y se recubren de plástico para que los electrones no salgan del cable.

A partir de ahora, mejor que imaginar una ciudad en la que la gente se mueve, imaginemos una tubería por la que se mueve agua. El agua serán los electrones, y la tubería el cable.

Los electrones no se mueven de cualquier manera por el cable, siguen unas normas, vamos a verlas:

- Para que los electrones se muevan por un cable, de una punta a la otra, debemos conectar una punta a un punto, y la otra a otro punto, por ejemplo en una pila o un enchufe. En el ejemplo del agua sería como colocar una punta de la tubería en un punto alto (polo negativo) y la otra punta en un punto bajo (polo positivo) Entonces el agua pasará. Ahora entiendes por qué los enchufes tienen dos agujeros.

No basta con conectar un extremo al polo negativo del que salen los electrones. Hay que conectar el otro extremo al polo positivo, al que vuelven los electrones.

- Si cortamos el cable en un punto, los electrones se detienen en todo el cable, por muy largo que sea. Igual que cuando cerramos un grifo el agua se detiene en toda la tubería.

Vamos a aprender ahora unas palabras nuevas. Es importante recordarlas y saber lo que significan, por que si no, lo que leas o hablemos a partir de ahora te sonará a chino.

EL ELECTROSCOPIO

El electroscopio consta de dos láminas delgadas de oro o aluminio A que están fijas en el extremo de una varilla metálica B que pasa a través de un soporte C de ebonita, ámbar o azufre. Cuando se toca la bola del electroscopio con un cuerpo cargado, las hojas adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que ha recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas.

Si se aplica una diferencia de potencial entre la bola C y la caja del mismo, las hojas también se separan. Se puede calibrar el electroscopio trazando la curva que nos da la diferencia de potencial en función del ángulo de divergencia.

Un modelo simplificado de electroscopio consiste en dos pequeñas esferas de masa m cargadas con cargas iguales q y del mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud d, tal como se indica la figura. A partir de la medida del ángulo q que forma una bolita con la vertical, se calcula su carga q.

Sobre una bolita actúan tres fuerzas El peso mg La tensión de la cuerda T La fuerza de repulsión eléctrica entre las bolitas F

En el equilibrio

Tsenq =F
Tcosq =mg

• Conocido el ángulo θ determinar la carga q

Dividiendo la primera ecuación entre la segunda, eliminamos la tensión T y obtenemos

F=mg·tanθ

Midiendo el ángulo θ obtenemos la fuerza de repulsión F entre las dos esferas cargadas

De acuerdo con la ley de Coulomb

Calculamos el valor de la carga q, si se conoce la longitud d del hilo que sostiene las esferas cargadas.

• Conocida la carga q determinar el ángulo θ

Eliminado T en las ecuaciones de equilibrio, obtenemos la ecuación

La carga q está en mC y la masa m de la bolita en g.

Expresando el coseno en función del seno, llegamos a la siguiente ecuación cúbica

El programa interactivo, calcula las raíces de la ecuación cúbica

En la figura, se muestra el comportamiento de un electroscopio, para cada carga q en μC tenemos un ángulo de desviación θ en grados, del hilo respecto de la vertical. Si se mide el ángulo θ en el eje vertical obtenemos la carga q en el eje horizontal.

LEY DE COULOMB

Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, q’ y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9·10⁹ Nm²/C².

Obsérvese que la ley de Coulomb tiene la misma forma funcional que la Ley de la Gravitación Universal.

MEDIDA DE LA CARGA ELÉCTRICA

Tomamos un cuerpo con carga arbitraria Q y a una distancia d colocamos una carga q. Medimos la fuerza F ejercida sobre q. Seguidamente colocamos una carga q’ a la misma distancia d de Q, y medimos la fuerza F’ ejercida sobre q’.

Definimos los valores de las cargas q y q’ como proporcionales a las fuerzas F y F’.

Si arbitrariamente asignamos un valor unitario a la carga q’, tenemos un medio de obtener la carga q.

En el Sistema Internacional de Unidades de Medida, la magnitud fundamental es la intensidad cuya unidad es el ampère o amperio, A, siendo la carga una magnitud derivada cuya unidad es el coulomb o culombio C.

ELECTRICIDAD POR FROTAMIENTO: EL ELECTRÓFORO

Los antiguos griegos ya sabían que el ámbar frotado con lana adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros.

Todos estamos familiarizados con los efectos de la electricidad estática, incluso algunas personas son más susceptibles que otras a su influencia. Ciertos usuarios de automóviles sienten sus efectos al cerrar con la llave (un objeto metálico puntiagudo) o al tocar la chapa del coche.

Creamos electricidad estática, cuando frotamos un bolígrafo con nuestra ropa. A continuación, comprobamos que el bolígrafo atrae pequeños trozos de papel. Lo mismo podemos decir cuando frotamos vidrio con seda o ámbar con lana.

Para explicar como se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra, tiene el mismo número de cargas positivas y negativas.

Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en la serie triboeléctrica.

Estos son algunos ejemplos de materiales ordenados de más positivo a más negativo:

Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón.

El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas, por que ambos materiales ocupan posiciones distintas en la serie triboeléctrica, lo mismo se puede decir del ámbar y del vidrio. Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales (de su separación en la serie triboeléctrica), y del área de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas (la superficie de contacto es pequeña). La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad.

Habremos observado que frotando el bolígrafo con nuestra ropa atrae a trocitos de papeles. En las experiencias de aula, se frotan diversos materiales, vidrio con seda, cuero, etc.. Se emplean bolitas de sauco electrizadas para mostrar las dos clases de cargas y sus interacciones.

De estos experimentos se concluye que:

1. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga.
Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro, un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, la carga total o neta no cambia.

2. Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen.
   
3. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.

El electróforo

Johannes Wilcke inventó el electróforo que fue posteriormente perfeccionado por Alessandro Volta. Este dispositivo se extendió por los laboratorios que realizaban experimentos en electrostática, por que era una fuente de carga fácil de usar.

1. La carga se genera frotando una superficie aislante por ejemplo, de Teflon que se comporta muy bien ya que es un excelente aislante y es fácil de limpiar y mantener. El signo de la carga depende de la naturaleza de la superficie aislante y del material utilizado para frotarla. Suponemos que una carga negativa se distribuye en la superficie del material aislante.

2. La carga en el conductor se genera por inducción, las cargas positivas son atraídas en la parte del conductor más cercana a la superficie aislante y las negativas son repelidas. Aunque el conductor se ponga en contacto con la superficie aislante no se transfiere carga negativa al conductor. En principio, el conductor se puede cargar cualquier número de veces repitiendo los pasos que se muestran en el dibujo.
   
3. La parte superior del conductor se pone en contacto con tierra, tocándola con un dedo o mediante una conexión directa a tierra con un cable. Las cargas negativas se neutralizan mientas que las positivas permanecen en la parte inferior del conductor.
   
4. El conductor se aleja de la superficie aislante, la carga positiva se redistribuye en la superficie del conductor hasta que se alcanza el equilibrio.
   
5. Finalmente, el conductor se pone en contacto con el electroscopio que nos indica la carga del conductor.

Antes de repetir estos pasos es necesario descargar el conductor y el electroscopio poniéndoles en contacto a tierra. El procedimiento se puede repetir sin necesidad de volver a frotar la superficie aislante. La razón estriba en que carga por frotamiento está ligada a la superficie aislante, no se puede redistribuir en el aislante ni puede ser transferida al conductor. La combinación de la carga estacionaria en el aislante, el movimiento libre de las cargas en el conductor y la transferencia de cargas cuando se pone en contacto a tierra, es lo que hace al electróforo un dispositivo de carga pepetuo.

VOCABULARIO TÉCNICO UTILIZADO EN ELECTRICIDAD

Aislante

Cuerpo mal conductor del calor y la electricidad.

Alternador

Dinamo generadora de corriente alterna.

Batería

Sistema eléctrico que permite la acumulación de energía y su posterior suministro.

Bornes

Extremo al cual se unen los hilos conductores de un aparato eléctrico.

Central eléctrica

Instalación industrial para la producción de energía eléctrica.

Circuito eléctrico

Camino que sigue la corriente eléctrica de uno a otro polo del generador.

Cobre

Elemento químico metálico de color rojizo, tenaz, dúctil, maleable y uno de los mejores conductores de la electricidad.

Conmutador

Dispositivo eléctrico que sirve para que una corriente eléctrico cambie de conductor.

Conductor

Cuerpo que deja pasar fácilmente a través de su masa el calor y la electricidad.

Corriente eléctrica

Paso de electricidad entre dos puntos de diferente potencial a través de un conductor.

Dinamo

Máquina destinada a convertir la energía mecánica en eléctrica.

Elementos de control

Elementos que nos permiten maniobrar con el circuito conectando y desconectando sus diferentes elementos según nuestra voluntad.

Elementos de protección

Elementos que tienen la misión de proteger a la instalación y sus usuarios de cualquier avería que los pueda poner en peligro.

Electricidad

Forma de energía debida a la separación o movimiento de los electrones que forman los átomos.

Electrón

Componente del átomo que lleva carga eléctrica negativa.

Energía

Capacidad que tiene la materia de producir trabajo en forma de luz, calor, movimiento, etc.

Esquema eléctrico

Representación gráfica y simbólica de un circuito eléctrico.

Fluorescente

Propiedad que tienen algunos cuerpos de emitir luz cuando se exponen a ciertos rayos del espectro.

Fusible

Hilo o chapa metálica, fácil de fundirse, que se coloca en algunas partes de las instalaciones eléctricas, para que cuando la corriente sea excesiva, la interrumpa fundiéndose.

Generador

Circuito o dispositivo que engendra señales eléctricas.

Interruptor

Aparato destinado a interrumpir el paso de la corriente eléctrica por un circuito.

Paralelo

Circuitos conectados de tal modo que la corriente circulante se divide entre los dos.

Potencia

Trabajo producido por unidad de tiempo.

Protón

Partícula que entra en la composición de los núcleos atómicos, con carga eléctrica positiva.

Pulsador

Botón que, al ser pulsado, pone en funcionamiento un aparato eléctrico.

Receptor

Son los componentes que reciben la energía eléctrica y la transforman en otras formas más útiles para nosotros como: movimiento, luz, sonido o calor.

Resistencia

Mayor o menor dificultad que opone un cuerpo a ser atravesado por una corriente eléctrica.

Serie

Sistema de conexión de dos o más elementos de un circuito eléctrico, de forma tal que por todos ellos circula la misma intensidad.

Símbolo

Representación gráfica de un elemento eléctrico.

Voltaje

Potencial eléctrico expresado en voltios.

CIRCUITOS SERIE Y PARALELO

Serie

Decimos que un circuito eléctrico está en serie cuando sus elementos se encuentran conectados uno a continuación del otro.

Si realizamos este tipo de conexión con generadores, uniendo el polo positivo de uno con el negativo del siguiente, sus tensiones se acumulan.

En este tipo de circuitos si se desconecta cualquiera de sus elementos se interrumpe el paso de la corriente eléctrica por todos los demás.

Además cuantos más receptores sean conectados en serie estos funcionarán con menos energía, en el caso de bombillas lucirán menos.

Paralelo

Decimos que un circuito eléctrico está en paralelo cuando todos sus elementos se encuentran conectados entre el polo positivo y el negativo del generador.

Si realizamos este tipo de conexión con generadores, uniendo todos sus polos positivos entre sí al igual que los negativos, nos proporcionarán un valor de tensión igual al de cada uno de ellos que deben ser iguales.

En este tipo de circuitos si se desconecta cualquiera de sus elementos no se interrumpe el paso de la corriente eléctrica por todos los demás.

Además aunque se conecten más receptores en paralelo estos funcionarán con la misma menos energía.

Mixto

Denominamos un circuito mixto cuando en el podemos encontrar elementos conectados en serie y otros en paralelo.