¿Qué es la corriente eléctrica?
Torres de transmisión eléctrica alambres de soporte que transportan la electricidad desde las centrales hasta los hogares.
La corriente eléctrica es la carga eléctrica en movimiento. Puede tomar la forma de una súbita descarga de la electricidad estática, como un rayo o una chispa entre el dedo y una placa de interruptor de luz de tierra. Más comúnmente, sin embargo, cuando hablamos de la corriente eléctrica, nos referimos a la forma más controlada de la electricidad de los generadores, baterías, células solares o celdas de combustible.
La mayor carga eléctrica es transportada por los electrones y protones dentro de un átomo. Los protones tienen carga positiva, mientras que los electrones tienen carga negativa. Sin embargo, los protones se inmovilizan sobre todo dentro de los núcleos atómicos, por lo que el trabajo de llevar la carga de un lugar a otro es manejado por los electrones. Los electrones en un material conductor tal como un metal son en gran parte libre de moverse de un átomo a otro a lo largo de sus bandas de conducción, que son las órbitas altas de electrones. Una fuerza suficiente electromotriz (emf), o voltaje, produce un desequilibrio de carga que puede causar los electrones se muevan a través de un conductor tal como una corriente eléctrica, de acuerdo con Serif Uran, un profesor de física en la Universidad Estatal de Pittsburg.
Si bien es un poco incierto para comparar la corriente eléctrica para el flujo de agua en una tubería, hay algunas similitudes que podrían hacer algo más fácil de entender. Podemos pensar en el flujo de electrones en un alambre, como el flujo de agua en una tubería, de acuerdo con Michael Dubson, profesor de física en la Universidad de Colorado más audaz. La advertencia es que, en este caso, la tubería está siempre lleno de agua. Si abrimos la válvula en un extremo para permitir que el agua en el tubo, no tenemos que esperar a que el agua para hacer su camino hasta el final al final de la tubería. Obtenemos el agua sale por el otro extremo casi instantáneamente debido a que el agua entrante empuja el agua que ya está en el tubo hacia el final. Esto es lo que sucede en el caso de la corriente eléctrica en un cable. Los electrones de conducción ya están presentes en el cable; sólo tenemos que empezar a empujar los electrones en un extremo, y ellos comienzan a fluir en el otro extremo casi de inmediato.
De acuerdo con la Universidad Estatal de Georgia HiperFísica sitio web, la velocidad real de un electrón en un cable es del orden de unos pocos millones de metros por segundo, pero no viaja directamente hacia abajo el alambre. Rebota alrededor casi al azar y sólo hace que el progreso a unos pocos milímetros por segundo. Esto se conoce como velocidad de arrastre del electrón. Sin embargo, la velocidad de transmisión de la señal, cuando los electrones comienzan a ser empujados por el otro extremo del cable después de accionar el cambio, es casi la velocidad de la luz, que es de unos 300 millones de metros por segundo (186.000 millas por segundo). En el caso de la corriente, donde la corriente cambia de dirección 50 o 60 veces por segundo, la mayor parte de los electrones no lo hace hacia fuera del alambre alterna.
Desequilibrios de carga se pueden crear en un número de maneras. La forma primero conocida era crear una carga estática por el roce de dos materiales diferentes entre sí, tal como frotando un trozo de ámbar con la piel animal. Una corriente podría entonces ser creado tocando el ámbar a un cuerpo con menos carga o a tierra. Sin embargo, esta corriente tuvo muy alto voltaje, amperaje muy bajo, y duró sólo una fracción de segundo, por lo que no se podría hacer para hacer cualquier tipo de trabajo útil.
Corriente continua
La forma conocida próximo para crear un desequilibrio de la carga fue la batería electro-química , inventado en 1800 por el físico italiano Alessandro Volta para los cuales la unidad de fuerza electromotriz, la voltios (V) se nombra. Su "pila voltaica" consistía en una pila de alternar placas de zinc y de cobre separadas por capas de paño empapado en agua salada y produjo una fuente constante de corriente continua (DC). Él y otros mejoró y perfeccionó su invento durante las próximas décadas. De acuerdo con el Museo Nacional de Historia Americana , "baterías atrajeron la atención de muchos científicos e inventores, y por la década de 1840 eran proporcionar corriente para los nuevos dispositivos eléctricos como electroimanes de Joseph Henry y el telégrafo de Samuel Morse."
Otras fuentes de CC incluyen células de combustible , que combinan oxígeno e hidrógeno en agua, y producen energía eléctrica en el proceso. El oxígeno y el hidrógeno pueden ser suministrados como gases puros o de aire y un combustible químico, tal como alcohol. Otra fuente de corriente continua es la fotovoltaica o de células solares . En estos dispositivos de la energía fotónica de la luz solar es absorbida por electrones y se convierte en energía eléctrica.
Corriente alterna
La mayor parte de la electricidad que utilizamos viene en forma de corriente alterna (CA) de la red de energía eléctrica. La corriente alterna es producida por los generadores eléctricos que operan en la ley de inducción de Faraday , por el cual un campo magnético variable puede inducir una corriente eléctrica en un conductor. Generadores han bobinas de alambre que pasan a través de campos magnéticos, ya que se convierten en rotación. Como las bobinas giran, se abren y cierran con respecto al campo magnético y producen una corriente eléctrica que invierte la dirección cada media vuelta. La corriente pasa por un ciclo hacia adelante y marcha atrás completa de 60 veces por segundo, o 60 hertz (Hz) (50 Hz en algunos países). Los generadores pueden ser alimentados por turbinas de vapor calentados por carbón, gas natural, aceite o un reactor nuclear. También pueden ser accionados por turbinas de viento o turbinas de agua en las presas hidroeléctricas.
Desde el generador, la corriente pasa a través de una serie de transformadores , donde se acercó a una tensión mucho mayor para la transmisión. La razón de esto es que el diámetro de los hilos determina la cantidad de corriente o amperaje, que pueden transportar sin riesgo de sobrecalentamiento y la pérdida de energía, pero la tensión está limitado sólo por lo bien que las líneas están aisladas del suelo. Es interesante observar que la corriente es transportada por un solo cable y no dos. Los dos lados de corriente continua se designan como positivo y negativo. Sin embargo, debido a que la polaridad de AC cambia 60 veces por segundo, las dos partes de la corriente alterna se designan como caliente y suelo. En las líneas de transmisión de energía de larga distancia, los cables llevan el lado caliente y el lado de tierra viaja a través de la tierra para completar el circuito.
Dado que la energía es igual al voltaje amperaje, puede enviar más potencia en la línea al mismo amperaje mediante el uso de un voltaje más alto. La alta tensión se dio un paso hacia abajo, ya que se distribuye a través de una red de subestaciones hasta que llega al transformador cerca de su casa, donde finalmente se bajó a 110 V. (En los Estados Unidos, enchufes de pared y luces funcionan con 110 V a 60 Hz. en Europa, casi todo se ejecuta en 230 V a 50 Hz).
Una vez que la corriente llega al final de la línea, la mayor parte se utiliza una de dos maneras: ya sea para proporcionar calor y de la luz a través de la resistencia eléctrica, o el movimiento mecánico a través de inducción eléctrica. Hay algunas otras aplicaciones - luces fluorescentes y hornos de microondas vienen a la mente - que operan en diferentes principios, pero la mayor parte de la energía va a los dispositivos basados en la resistencia y / o inductancia. Un secador de pelo, por ejemplo, utiliza dos al mismo tiempo.
Esto nos lleva a una característica importante de la corriente eléctrica: puede hacer el trabajo. Puede iluminar su casa, lavar y secar su ropa, e incluso aumentar su puerta de garaje en el movimiento del interruptor. Lo que se hace cada vez más importante, sin embargo, es la capacidad para la corriente eléctrica para transmitir información, sobre todo en forma de datos binarios. Aunque la conexión a Internet para su computadora utiliza sólo una pequeña fracción de la corriente eléctrica de, por ejemplo, un calentador eléctrico, se está convirtiendo cada vez más importante para la vida moderna.
¿Qué es la carga eléctrica?
Los protones y los electrones crean campos eléctricos.Crédito: Igor Zh. | Shutterstock
La mayor carga eléctrica es transportada por los electrones y protones dentro de un átomo. Los electrones se dice que llevar carga negativa, mientras que los protones se dice que llevar carga positiva, aunque estas etiquetas son completamente arbitraria (más sobre esto más adelante). Los protones y los electrones se atraen entre sí, el arquetipo del cliché de "los opuestos se atraen", de acuerdo con la Universidad de Georgia sitio web, HiperFísica . A la inversa, dos protones se repelen entre sí, al igual que dos electrones.
Los protones y los electrones crean campo eléctrico s, que ejercen una fuerza llamada la fuerza de Coulomb, que irradia hacia fuera en todas las direcciones. De acuerdo con Serif Uran, un profesor de física en la Universidad Estatal de Pittsburg, el campo eléctrico se irradia hacia el exterior de una partícula cargada de manera similar a cómo la luz se irradia hacia el exterior de una bombilla. Al igual que con el brillo de la luz, la resistencia del campo eléctrico disminuye como el cuadrado de la distancia desde la fuente (1 / r 2 ). Si se muda dos veces más lejos, la fuerza del campo disminuye a un cuarto, y si se mueve tres veces más lejos, el campo se reduce a una novena parte.
Debido a que los protones se limita generalmente a los núcleos incrustados dentro de los átomos, que no son casi tan libre de moverse como son electrones. Por lo tanto, cuando hablamos de la carga eléctrica, que casi siempre significa un superávit o déficit de electrones. Cuando existe un desequilibrio de cargas, y los electrones son capaces de fluir, se crea una corriente eléctrica.
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Un déficit o superávit de electrones localizado y persistente en un objeto hace que la electricidad estática. La corriente puede tomar la forma de una súbita descarga de la electricidad estática, como un rayo o la chispa entre el dedo y una placa de interruptor de la luz a tierra; el flujo constante de corriente continua (DC) de una batería o de células solares; o una corriente oscilante tal como la de un generador de corriente alterna (AC), un transmisor de radio, o un amplificador de audio.
universo eléctrico
Por lo general somos conscientes de la carga eléctrica, porque la mayoría de los objetos contienen la misma cantidad de carga positiva y negativa que neutralizan eficazmente entre sí, de acuerdo con Michael Dubson, profesor de física en la Universidad de Colorado en Boulder. En general se cree que la carga neta del universo es neutral. Si la proporción de positivos a carga negativa estaban fuera por un factor de sólo el 10 -40 , la fuerza de Coulomb sería más poderosa que la gravedad, lo que haría que el universo muy diferente de la que observamos, Dubson dijo a Live Science. Sin embargo, algunos investigadores, como Michael Düren de la Universidad Justus Liebig de Giessen en Alemania, han especulado sobre la posibilidad de un universo cargado eléctricamente .
la investigación eléctrica temprana
Los valores positivos y negativos de la carga fueron asignados originalmente por el estadista e inventor estadounidense Benjamin Franklin , quien inició el estudio de la electricidad en 1742. Hasta entonces, la mayoría de la gente pensaba que los efectos eléctricos fueron el resultado de la mezcla de los dos fluidos eléctricos diferentes, uno positivo y uno negativo . Sin embargo, Franklin se convenció de que sólo había una sola fluido eléctrico y que podría tener objetos exceso o deficiencia de este fluido. Por lo tanto, de acuerdo con la Universidad de Arizona , inventó los términos positivos y negativos para designar un exceso o deficiencia, respectivamente.
La unidad para medir la carga eléctrica es el culombio (C), el nombre de Charles-Augustin de Coulomb , un físico francés del siglo 18. Coulomb desarrolló la ley que dice "cargas iguales se repelen, cargas opuestas se atraen." Un coulomb se define como la cantidad de carga transportada por una corriente de un amperio durante un segundo. Si bien esto suena como una pequeña cantidad, de acuerdo con HiperFísica , “Dos cargas de un culombio cada una separadas por un metro se repelen entre sí con una fuerza de alrededor de un millón de toneladas!” Los ingenieros eléctricos a menudo prefieren utilizar una unidad más grande para la carga, la amperio hora, que es igual a 3600 C.
La fuerza de Coulomb es una de las dos fuerzas fundamentales que se nota en una escala macroscópica, el otro es la gravedad. Sin embargo, la fuerza eléctrica es mucho, mucho más fuerte que la gravedad. La fuerza de Coulomb de repulsión entre dos protones debido a su carga es de 4,1 x 10 42 veces más fuerte que la fuerza gravitatoria de atracción entre ellos debido a su masa. Esto es cierto a cualquier distancia, ya que la distancia anula en ambos lados de la ecuación.
¿Qué tan grande de un número es eso? La comparación de la magnitud de las dos fuerzas es como comparar la masa de la Tierra a la masa de una sola molécula de la penicilina! Sin embargo, la gravedad sigue dominando el universo a gran escala, ya que, a diferencia de carga, es posible montar grandes cantidades de masa. Grandes acumulaciones de partículas con carga similar no son posibles debido a su repulsión mutua y su afinidad por los cargos diferencia.
Otras propiedades de carga
La carga eléctrica está cuantizada, es decir, que se produce en unidades discretas. Los protones y los electrones llevan cargas de ± 1,602 × 10 -19 C. Cada acumulación de carga es un múltiplo par de este número, y no puede existir cargas fraccionarias. Cromodinámica cuántica (QCD) afirma que los protones y los neutrones están compuestos cada uno de tres quarks con cargas de +2/3 o -1/3 de la carga de protones unidad, y dos de uno y uno de la otra se combinan para formar partículas con cargas de cero o 1 unidad de carga.
Sin embargo, estas partículas no pueden existir por separado. Siempre que se intenta dividir un protón o un neutrón en sus quarks constituyentes, se necesita mucha energía para hacerlo, la energía se convierte en asunto de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein E = mc 2 , y en lugar de un único quark, se termina con un par quark-antiquark carga neutra, llamado un mesón. Los electrones, sin embargo, se cree que son verdaderamente fundamental, lo que significa que no se pueden dividir en partes más pequeñas.
La carga eléctrica es una cantidad conservada. Esto significa que no se crea ni se destruye, y la cantidad neta de la carga eléctrica en el universo es constante e inmutable. Las cargas positivas y negativas pueden neutralizar entre sí, o partículas neutras pueden dividir para formar pares de carga positiva y negativa de las partículas, pero la cantidad neta de carga siempre sigue siendo el mismo.