ELECTRICIDAD Y ELECTROMAGNETISMO

¿QUE ES?

En términos técnicos, una fuerza es una magnitud capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma dada de un cuerpo o una partícula. No debe ser confundida con los conceptos de esfuerzo o de energía. Comúnmente, el concepto de fuerza se explica en los términos de la mecánica clásica establecida por los principios de Isaac Newton (1642-1727), conocidos como las Leyes del Movimiento y publicadas en 1687 en sus Principia Matemática. Según la mecánica clásica, la fuerza que incide sobre un cuerpo es responsable de los cambios en su estado de movimiento, tales como su trayectoria rectilínea y su desplazamiento uniforme, y de imprimirle una aceleración (o desaceleración). Además, toda fuerza actuando sobre un cuerpo genera una fuerza idéntica, pero en sentido contrario. Normalmente hablamos de fuerza en nuestra vida cotidiana, sin necesariamente emplear esta palabra como lo hace la física. La fuerza es estudiada por la física y según ella se reconocen cuatro fuerzas fundamentales a nivel cuántico: la fuerza gravitacional, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. En cambio, en la mecánica newtoniana (o clásica), existen muchas otras fuerzas identificables, como la fuerza de roce, la fuerza gravitatoria, la fuerza centrípeta, etc.

CARACTERISTICAS

Una fuerza puede pensarse como un ente físico que describe la intensidad de las interacciones entre los objetos, estrechamente relacionado con la energía.

Para la mecánica clásica, toda fuerza está compuesta por una magnitud y una dirección, con lo cual se la denota con un vector. Esto significa que se trata de una magnitud vectorial, no escalar.

TIPOS

Existen varios tipos de fuerza, según su naturaleza y enfoque:
SEGÚN LA MECÁNICA NEWTONIANA:
• FUERZA DE FRICCIÓN. Es la fuerza que se opone al cambio de movimiento de los cuerpos, ejerciendo una resistencia a abandonar el estado de reposo, o de movimiento, como podemos percibirlo a la hora de echar a andar un objeto pesado al empujarlo.

• FUERZA GRAVITATORIA. Es la fuerza que ejerce la masa de los cuerpos sobre los objetos cercanos, atrayéndolos hacia sí. Esta fuerza se hace notable cuando todos o alguno de los objetos que interactúan son muy masivos. El ejemplo por excelencia es el planeta Tierra y los objetos y seres que vivimos sobre su superficie; existe una fuerza de atracción gravitatoria entre ellos.

• FUERZA ELECTROMAGNÉTICA. Es la fuerza tanto atractiva como repulsiva que se genera por la interacción de los campos electromagnéticos.

TAMBIÉN PUEDE HABLARSE DE:

• FUERZA DE CONTACTO. Es la fuerza que se ejerce a partir del contacto físico directo entre un cuerpo y otro.

• FUERZA A DISTANCIA. Es la fuerza que puede ejercerse sin contacto físico alguno entre los cuerpos.

SEGÚN LA MECÁNICA RELATIVISTA O EINSTEINIANA:

• FUERZA GRAVITATORIA. Es la fuerza que parece existir cuando los objetos masivos curvan el espacio–tiempo a su alrededor, obligando a los objetos más pequeños a desviar sus trayectorias y aproximarse hacia ellos.

• FUERZA ELECTROMAGNÉTICA. Es la fuerza que ejercen los campos electromagnéticos sobre las partículas cargadas de la materia, siguiendo la expresión de la fuerza de Lorenz.

SEGÚN LA MECÁNICA CUÁNTICA:

• FUERZA GRAVITACIONAL. Es la fuerza que ejerce una masas sobre la otra, siendo una fuerza débil, en un solo sentido (atractiva), pero eficaz a lo largo de grandes distancias.

¿QUE ES?

En física, se entiende por trabajo al cambio en el estado de movimiento de un cuerpo producido por una fuerza de una magnitud dada o, lo que es lo mismo, será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo de una manera acelerada.
Se trata de una magnitud escalar representada por el símbolo W (de Work, en inglés), expresada en unidades de energía, es decir, en Julios (J) según el Sistema Internacional. Esto se debe a que es básicamente un tránsito de energía y, por la misma razón, no se puede calcular como incremento de trabajo, ni puede simbolizárselo mediante ΔW.
Para que el trabajo se produzca debe haber una fuerza aplicada, un desplazamiento producto de su accionar, y la fuerza debe tener una componente a lo largo de dicho desplazamiento.

El cálculo del trabajo responderá a diversas formulaciones por parte de la mecánica clásica, la relativista o la cuántica.

TRABAJO POSITIVO Y NEGATIVO

El trabajo se produce, por ejemplo, cuando un hombre empuja un vehículo sin combustible por la calle o cuando una máquina hidráulica levanta una pesada caja de madera. Para calcularlo, pues, se deben considerar la fuerza aplicada (con su respectiva dirección) y la distancia recorrida por el cuerpo en movimiento.

De allí que pueda hablarse de dos tipos de trabajo: el positivo y el negativo.

Trabajo positivo. Ocurre cuando la fuerza aplicada va en el mismo sentido del desplazamiento del cuerpo, produciendo una aceleración positiva.

Trabajo negativo. Ocurre cuando la fuerza aplicada va en sentido contrario al desplazamiento del cuerpo, pudiendo producir una aceleración negativa o desaceleración.

¿QUE ES?

La energía es la capacidad de una fuerza de generar una acción o un trabajo. El término proviene del vocablo griego enérgeia, que significa “actividad”, y se usa en diversas áreas del conocimiento como son la física y la química. Toda fuerza que realiza un trabajo sobre un objeto provocará un cambio de energía en él.

Existe un principio fundamental en física que se conoce como el principio de conservación de la energía, que establece que la energía no puede crearse ni destruirse sino que solo puede transformarse. Por ejemplo, un objeto que cae de cierta altura con una velocidad inicial igual a cero, transforma toda su energía potencial gravitatoria en energía cinética a medida que va ganando velocidad al acercase al piso. El principio de conservación de la energía rige absolutamente todos los fenómenos físicos, desde la caída de un objeto hasta la formación de una estrella.

La energía también puede almacenarse para ser usada cuando se la requiere. Por ejemplo las pilas o baterías son elementos que almacenan energía química y la transforman en energía eléctrica. Incluso los seres vivos almacenan energía a través de lo que conocemos como “grasa” (lípidos) o azúcares. Mediante diversos procesos, el organismo transforma la energía química de estas sustancias en otros tipos, como puede ser la energía calórica necesaria para mantener la temperatura corporal.

TIPOS

Existen diversas formas de energía, de las cuales podemos destacar las siguientes:
• ENERGÍA CINÉTICA. Es la energía que poseen los cuerpos que están en movimiento, que tienen una velocidad. Si un objeto está quiero, su energía cinética es nula.
• ENERGÍA POTENCIAL. Es la energía contenida en un sistema físico o en un objeto y que puede luego transformarse en otras formas de energía (como cinética, calórica, etc). Es energía “en potencia”.

• ENERGÍA ELÉCTRICA. Es la energía que existe en presencia de partículas cargadas eléctricamente. El tipo de partículas más común es el electrón, que produce a su alrededor un potencial eléctrico. Cuando otros electrones se mueven a través de este potencial, adquieren energía eléctrica. Lo que conocemos como corriente eléctrica es una gran cantidad de electrones moviéndose a través de una diferencia de potencial.

• ENERGÍA MAGNÉTICA. Es la energía que generan las corrientes eléctricas y los materiales magnetizados (imanes)

• ENERGÍA EÓLICA. Es la energía producida por el empuje del viento.

• ENERGÍA SOLAR. Es la energía que emite el Sol en forma de radiación calórica y lumínica a través del espacio hacia los planetas del Sistema Solar.

• ENERGÍA ATÓMICA O NUCLEAR. Es la energía que proviene de las fuerzas que mantienen unidas a las partículas subatómicas: las fuerzas nucleares fuertes y débiles. También se llama así a la energía eléctrica obtenida del calor liberado por las reacciones de fusión o fisión atómica en una central nuclear.

• ENERGÍA QUÍMICA. Es la energía que interviene en las uniones atómicas y las reacciones a nivel molecular, indispensable para la vida, ya que mantiene en marcha el metabolismo de los seres vivos.

• ENERGÍA CALÓRICA O TÉRMICA. Es la energía que se da con transferencias de energía causadas por las diferencias de temperatura. La temperatura, a su vez, es una medida de la energía cinética de las moléculas que componen un cuerpo.

• ENERGÍA HIDRÁULICA. Es la energía que se obtiene del movimiento de grandes masas de agua, como pueden ser ríos, mareas o caídas de agua. Las represas eléctricas funcionan con energía hidráulica.

• ENERGÍA LUMINOSA. Es la energía electromagnética producida por ondas electromagnéticas en el rango visible (es decir, la luz).

• ENERGÍA SONORA. Es la energía que producen las onda del sonido.

¿QUE ES?

La potencia física se refiere a la cantidad de trabajo realizado (o energía consumida) por una unidad de tiempo. La potencia es una magnitud escalar, siendo su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades el julio por segundo (J / s), conocido como vatio en honor a James Watt.

Otra unidad de medida bastante común es el tradicional caballo de vapor. En física se estudian distintos tipos de potencia: potencia mecánica, potencia sonora, potencia calorífica, entre otros. En general existe una idea intuitiva del significado de potencia. Habitualmente se hace la asocia a mayor potencia mayor consumo.

Así, una bombilla consume más energía eléctrica si su potencia es mayor; lo mismo sucede con un secador de pelo, un radiador o un ordenador personal.

Por ello se hace necesario comprender bien su significado, los distintos tipos de potencias que existen y entender cómo se calcula y cuáles son las relaciones entre sus unidades de medida más habituales

FORMULAS

UNIDADES

La unicidad de potencia en el Sistema Internacional de Unidades es el julio por segundo (J / s), conocido como vatio (W). También es bastante común en determinados contextos la utilización de otras unidades como kilovatio (kW), caballo de vapor (CV), entre otras.

Como es lógico, el kilovatio equivale a 1000 vatios. Por su parte, la equivalencia entre el caballo de vapor y el vatio es la siguiente:

1 CV = 745,35 W

Otra unidad de potencia, si bien su uso es mucho menos habitual, es el ergio por segundo (erg/s), que equivale a 10-7 W.

Es importante distinguir el kilovatio del kilovatio hora (kWh), ya que este último es una unidad de energía o de trabajo y no de potencia

TIPOS

De entre los distintos tipos de potencia que existen, algunos de los más importantes son los que se van a estudiar a continuación.
Potencia mecánica
La potencia mecánica ejercida sobre un sólido rígido se obtiene efectuando el producto entre la fuerza resultante total aplicada y la velocidad transmitida a ese cuerpo.

P = F ∙ v

Esta expresión es equivalente la expresión: P = W / t, y de hecho se obtiene a partir de ella.

En el caso de que además se produzca un movimiento de rotación del sólido rígido y que, por tanto, las fuerzas ejercidas sobre este modifiquen su velocidad angular dando lugar a una aceleración angular, se tiene que:

P = F ∙ v + M ∙ ω

En esta expresión M es el momento resultante de las fuerzas aplicadas y ω es la velocidad angular del cuerpo.

Potencia eléctrica

La potencia eléctrica suministrada o consumida por un componente eléctrico es el resultado de dividir la cantidad de energía eléctrica entregada o absorbida por dicho componente y el tiempo empleado en ello. Se calcula a partir de la siguiente expresión:

P = V ∙ I

En esta ecuación V es la diferencia de potencial a través del componente e I es la intensidad de corriente eléctrica que lo atraviesa.

En el caso particular de que el componente sea una resistencia eléctrica, se pueden utilizar las siguientes expresiones para calcular la potencia: P = R ∙ I2 = V2 / R, donde R es el valor de la resistencia eléctrica del componente en cuestión.

Potencia calorífica

Se define la potencia calorífica de un componente como la cantidad de energía disipada o liberada en forma de calor por dicho componente en una unidad de tiempo. Se calcula a partir de la siguiente expresión:

P = E / t

En dicha expresión E es la energía liberada en forma de calor.

Potencia sonora

La potencia sonora se define como la energía transportada por una onda sonora en una unidad de tiempo a través de cierta superficie.

De este modo, la potencia sonora depende tanto de la intensidad de la onda sonora como de la superficie atravesada por dicha onda, y se calcula por medio de la siguiente integral:

PS = ⌠S IS ∙ d S

En esta integral Ps es la potencia sonora de la onda, Is es la intensidad sonora de la onda, y dS es el diferencial de superficie atravesado por la onda.

Potencia nominal y potencia real

Se denomina potencia nominal a la potencia máxima que requiere o que puede ofrecer una máquina o un motor en condiciones normales de uso; es decir, la potencia máxima que puede soportar u ofrecer la máquina o motor.

El término nominal se utiliza porque esa potencia en general se utiliza para caracterizar la máquina, para nombrarla.

Por su parte, la potencia real o útil —es decir, la potencia que realmente se aprovecha, genera o utiliza la máquina o motor— es generalmente distinta de la nominal, siendo habitualmente menor

La energía eólica es una fuente de energía renovable que se obtiene de la energía cinética del viento que mueve las palas de un aerogenerador el cual a su vez pone en funcionamiento una turbina que la convierte en energía eléctrica.

El proceso comienza cuando el aerogenerador se posiciona para aprovechar al máximo la energía del viento, usando los datos registrados por la veleta y anemómetro y girando sobre su torre. Después, el viento hace girar las palas que se conectan a un rotor que a su vez se conecta a una multiplicadora que eleva la velocidad de giro a miles de revoluciones por minuto. Esta energía cinética se transfiere al generador que la convierte en energía eléctrica que es conducida por el interior de la torre hasta su base, luego sigue por la subestación para que eleve su tensión y continúa hasta la red eléctrica para su posterior distribución.



Debido a sus características, esta es una de las energías limpias más usadas en el mundo (junto con la energía solar). Como Enel Green Power inauguramos en el Perú la Central Eólica Wayra, la más grande del país, ubicada en el distrito de Marcona de la provincia de Nazca, región Ica. Puedes encontrar más información sobre esta central aquí

La energía química es el potencial de una sustancia química para experimentar una transformación a través de una reacción química o, de transformarse en otras sustancias químicas. Formar o romper enlaces químicos implica energía. Esta energía puede ser absorbida o evolucionar desde un sistema químico.

¿Qué es la energía química?

La energía que puede ser liberada (o absorbida) por una reacción entre un conjunto de sustancias químicas es igual a la diferencia entre la cantidad de energía de los productos y de los reactivos. Este cambio en energía se llama energía interna de una reacción química.



Dado que la fuerza de los enlaces químicos se asocia con la distancia entre las especies químicas (de hecho los enlaces químicos más fuertes son los que tienen los elementos químicos implicados en la unión más cerca), la energía química depende de la posición mutua de las partículas que constituyen una sustancia. Por lo tanto, la energía química es la energía almacenada en los enlaces químicos. Esta energía es atribuible, en gran parte, a la suma de la energía potencial de las interacciones electrostáticas de las cargas presentes en la materia ponderable, más la energía cinética de los electrones. Esta energía también se presenta en la unión de las partículas subatómicas (protones y neutrones) del núcelo de un átomo. És lo que se llama energía nuclear;.



Si se tiene un "nivel cero" de la energía química que es donde no hay enlaces químicos, la energía química es negativa.



La resonancia es un fenómeno químico-estructural que influye en gran medida la energía química en el sentido estabilizador. La reactividad y la cinética de los diversos compuestos sufren de las diferencias de energía química.



La energía química se produce en el curso de las transformaciones que tienen lugar a nivel de moléculas.

La energía solar es aquella que se obtiene de la radiación solar que llega a la Tierra en forma de luz, calor o rayos ultravioleta. Es un tipo de energía limpia y renovable, pues su fuente, el Sol, es un recurso ilimitado.

Para transformar la energía solar en energía eléctrica, la radiación electromagnética que proviene del Sol es recolectada por distintos medios (colectores térmicos, células fotovoltaicas, etc.).



La energía solar puede aprovecharse de dos maneras: mediante la conversión térmica, que consiste en transformar la energía solar en energía térmica, y la conversión fotovoltaica, en la cual se emplean paneles solares para recolectar la energía luminosa y convertirla en eléctrica.



La energía proveniente del Sol ha sido aprovechada por los seres humanos desde tiempos antiguos de manera múltiples. Un ejemplo de ello es la utilización del Sol como fuente de calor para secar la ropa.



La energía solar es importante para el planeta pues es un recurso energético renovable que podría reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, altamente contaminantes. Además, ayuda al desarrollo sustentable, disminuye la contaminación y reduce el impacto ambiental.

La energía potencial electrostática o energía potencial eléctrica es un tipo de energía potencial (medida en julios en el S.I.) que resulta de la fuerza de Coulomb y está asociada a la configuración particular de un conjunto de cargas puntuales en un sistema definido. No se debe confundir con el potencial eléctrico (medido en voltios). El término "energía potencial eléctrica" se suele emplear para describir la energía potencial en sistemas con campos eléctricos que varían con el tiempo, mientras que el término "Energía potencial electrostática" hace referencia a la energía potencial en sistemas con campos eléctricos constantes en el tiempo

La electrodinámica es la disciplina que se dedica a analizar los fenómenos que genera la electricidad cuando está en movimiento. Estos estudios se orientan a la interacción de campos magnéticos y eléctricos con cargas que se desplazan.

Antes de avanzar, cabe recordar que la electricidad es una fuerza que surge por la presencia de protones y electrones y se origina a partir del rechazo o la atracción entre partículas cargadas.



El comportamiento que adoptan estas partículas en los campos eléctricos y magnéticos, la transmisión de las ondas electromagnéticas y las fuerzas que están inducidas por campos magnéticos variables son algunas de las cuestiones investigadas por la electrodinámica, cuyos orígenes se remontan a la primera mitad del siglo XIX.





Es importante tener en cuenta que la totalidad de los cuerpos están formados por átomos o moléculas, a su vez compuestos de electrones, neutrones y protones. Los electrones tienen carga eléctrica negativa, los neutrones carga neutra y los protones, carga positiva.



El fundamento de la electrodinámica se halla en el movimiento de las cargas eléctricas que apelan a un material conductor para trasladarse. Ese movimiento da lugar a múltiples fenómenos y produce numerosos efectos que son estudiados por la electrodinámica.



El paso sin interrupciones de los electrones por un conductor es lo que se conoce como corriente eléctrica. Para que esto se concrete debe haber una diferencia de potencial entre dos puntos del conductor. Una fuerza electromotriz, en tanto, es necesaria para que las cargas eléctricas se pongan en movimiento y entre en funcionamiento un circuito, según los principios de la electrodinámica.