Electricidad IV: Conductorres y Aislantes

Estás leyendo la cuarta parte del bloque introductorio [Electricidad I]. Por si no sabes de qué estoy hablando, se trata de una breve serie de artículos que intentan dar una introducción sin fórmulas y con los mínimos requisitos previos a los conceptos básicos de carga eléctrica, corriente, potencial eléctrico y cosas por el estilo. Posteriormente habrá otros bloques que irán “construyendo” conocimiento con estos cimientos. Al tener ya listos cuatro artículos, hemos preparado una página de descripción/índice del bloque para que sirva de referencia, a la que iremos sumando artículos según se publiquen: [Electricidad I]

Como he dicho antes en el bloque, una cosa es que no supongamos que tienes conocimientos previos de Física, pero otra distinta es que esto sea coser y cantar. Estos artículos son a veces largos, a veces densos –por mucho que intente que sean agradables de leer–, y requieren concentración y cuidado al razonar. Mi recomendación es que en una primera lectura te saltes los cuadros de colores diversos y luego, si comprendes la base del artículo, amplies una segunda lectura con los cuadros que te interesen o cuyos títulos te llamen la atención. Así que, si estás listo para seguir aprendiendo las bases de la electricidad (si te nos unes ahora, empieza por el principio), vamos con ello.


En el artículo anterior hablamos acerca del concepto de corriente eléctrica y su magnitud asociada, la intensidad de corriente. Lo hicimos entonces en abstracto, con cargas libres que se movían en el vacío, libres de cualquier injerencia por parte de cualquier otra cosa. Pero, en la realidad, las cosas no son tan simples: las cargas forman parte de átomos, y eso complica la situación. Hoy nos dedicaremos precisamente a ver cómo es la corriente eléctrica, no en abstracto, sino en el mundo real que nos rodea, destruyendo de paso alguna falsa idea que mucha gente tiene en la cabeza sobre la corriente en los cables.

Pero, antes de nada, la solución al Desafío 2 que planteamos hace un par de semanas, que nos será útil para utilizar algunos números en el artículo de hoy.

Solución al Desafío 2 – ¿A qué velocidad se mueven los electrones en un cable?
Para obtener una respuesta aproximada a la pregunta, haremos justamente lo que se indicaba en la pista final: calcular cuánto tiempo hará falta para que toda la carga contenida en ese cable salga de él. De ese modo tendremos la distancia que recorren los electrones que empiezan en un extremo del cable hasta salir por el otro (que es la longitud del cable) y el tiempo que tardan en hacerlo (el tiempo en salir de él), es decir, la velocidad media de esos electrones en el cable.
1. En primer lugar calculemos el volumen del cable: 10 mm² de sección (es decir, 10^-5 m²) y 1 m de longitud resultan en un volumen de 10^-5 m³.
2. ¿Cuál es la masa de ese cable? Puesto que la densidad del cobre es 8940 kg/m³, nuestro cable tiene una masa de 0,0894 kg, pero como no nos importa redondear, porque esto es una estimación, digamos que es 0,09 kg.
3. ¿Cuántos electrones móviles hay allí? Dijimos que cada gramo de cobre contiene 9,5·10²¹ electrones móviles, con lo que nuestro cable (de 90 gramos) contiene unos 8,5·10²³ electrones moviéndose por él: unos 136 000 culombios de electrones, ¡que se dice pronto!
4. La intensidad de corriente es 1 A, es decir, 1 culombio cada segundo. Esto significa que, para que los 136 000 culombios de electrones móviles del cable salgan de él, hacen falta 136 000 segundos (porque cada segundo atraviesa el extremo del cable 1 culombio).
5. La velocidad media de los electrones en el cable es entonces de 1 metro (la longitud del cable) cada 136 000 segundos… 7,4·10^-6 m/s. Sí, lo lees bien. Pero analizaremos el resultado más en detalle al final del texto principal, porque es muy relevante para el artículo.

Aislantes

Como recordarás, en el artículo anterior describimos cómo conseguir mover cargas sin el menor problema utilizando la Ley de Coulomb: colocando cargas de uno u otro signo en determinados lugares, podríamos hacer que una carga libre empezase a moverse hacia donde nosotros queremos. Y así es realmente como conseguimos, en la realidad, producir corrientes eléctricas, pero con una complicación: en el mundo que nos rodea, las cargas no están libres, sino “atrapadas” en las distintas substancias. Y esto hace mucho más difícil, en algunos casos, hacer que se muevan. Me explico. Recordemos el dibujo de entonces:





Establecimos el concepto de corriente eléctrica en el caso más sencillo posible: un protón en el vacío, libre de cualquier influencia más que la de las otras dos cargas del dibujo –un protón y un electrón fijos–. Pero ¿dónde vas a encontrar esa situación en el mundo que te rodea, salvo que la prepares 
cuidadosamente en un laboratorio? Casi en ninguna parte. La Ley de Coulomb es la clave para mover cargas, pero también es la culpable de que sea difícil moverlas: al atraerse unas a otras, las cargas de distinto signo tienden a agruparse en átomos, como vimos en la primera entrada del bloque, debido a la propia Ley de Coulomb. Y, puesto que la atracción es tanto mayor cuanto más cerca están unas cargas de otras, afectar a las cargas de un átomo para que se muevan es difícil.


Imagina, por ejemplo, que tenemos un átomo de hidrógeno como el que describimos en el artículo de la carga eléctrica. Al constar de un protón y un electrón, nuestro átomo es neutro. Visto desde lejos, “negro” y, si lo hacemos de cerca, un núcleo de carga positiva rodeado de carga negativa:





Si hacemos lo mismo que hicimos en el ejemplo sencillo de arriba, poniendo un par de cargas a los lados para producir un movimiento de cargas…





Tenemos un problema. Si has comprendido la serie hasta el momento, deberías ser capaz de comprender por qué rápidamente. Sí, el electrón fijo de la derecha tiende a mover el protón del hidrógeno hacia la derecha (porque lo atrae) y el electrón del hidrógeno hacia la izquierda (porque lo repele), y el protón fijo de la izquierda hace lo propio: tiende a mover el protón del hidrógeno hacia la derecha y el electrón hacia la izquierda. Todo parece sumarse igual que antes, para que el protón del hidrógeno vaya hacia la derecha y el electrón hacia la izquierda, produciendo un movimiento de cargas — una corriente eléctrica…

¡Pero el protón y el electrón del hidrógeno también se atraen el uno al otro! En el ejemplo en el vacío, no había ninguna injerencia sobre la carga libre que estaba flotando ella sola… pero ahora sí la hay. Ese protón y ese electrón no sólo se atraen: como están mucho más cerca el uno del otro de lo que lo están las otras dos cargas “externas”, se atraen con muchísima más intensidad de lo que los repelen o atraen las otras dos cargas. Como consecuencia, no va a haber apenas movimiento de carga. Lo más que va a suceder es que se produzca un ligerísimo desplazamiento, y que se acabe con algo parecido a lo que sucedió con nuestros experimentos con peines de plástico:





Es decir, que las cargas del átomo se desdoblen muy ligeramente, pero no que se separen. Haría falta una cantidad de carga gigantesca fuera del átomo de hidrógeno para que las fuerzas de Coulomb correspondientes fueran más intensas que las que existen entre el protón y el electrón dentro del átomo. Como consecuencia, aunque todo lo que explicamos en la entrada anterior es cierto, conseguir que las cargas se muevan en ese átomo de hidrógeno es dificilísimo.

Lo mismo sucede con cualquier otro átomo suelto, claro. Sin embargo, cuando los átomos se unen unos a otros, pueden suceder cosas algo más complejas que hagan más fácil que las cargas puedan moverse. Todo depende básicamente de cómo se unen esos átomos, y las razones últimas del comportamiento de las cargas en las sustancias se escapan con mucho del alcance de este bloque. Dependiendo de qué átomos forman una sustancia y cómo son las fuerzas de atracción entre ellos, y entre los núcleos y los electrones que los rodean, existen una miríada de comportamientos eléctricos diferentes, pero centrémonos en dos extremos.

Muchas sustancias, como todos los gases de la atmósfera, el agua, el vidrio, el papel, la madera, etc., se comportan casi igual que el átomo de hidrógeno que hemos utilizado antes como ejemplo. Las fuerzas que mantienen unos átomos unidos a otros son mucho menos intensas que las de atracción entre electrones y núcleos, con lo que es complicadísimo hacer que las cargas se muevan. Son los materiales comúnmente llamados aislantes, aunque la palabra es, como tantas otras cosas, relativa: hay distintos grados, y una sustancia puede ser más aislante que otra y menos que una tercera. De hecho, más adelante veremos cómo medir este carácter cuantitativamente, pero por ahora lo que nos interesa es el concepto.

Plasma y corriente eléctrica
Si conseguimos romper los átomos del hidrógeno del ejemplo de arriba, de modo que los protones y electrones estén sueltos, no habría problema alguno para que condujese la corriente eléctrica. Lo que tendríamos entonces, claro, ya no sería hidrógeno propiamente dicho, sino núcleos y electrones sueltos, es decir, un plasma. Los plasmas sí conducen muy bien la corriente, puesto que las cargas ya no están atrapadas unas en el férreo puño de las otras.
Para conseguir eso, claro está, hace falta mucha energía. Una manera de conseguirlo es calentar el hidrógeno tantísimo que la energía cinética de los electrones y los núcleos sea tan grande que se separen espontáneamente por sus violentas vibraciones, como sucede en las estrellas. Otra manera sería utilizar, no un par de cargas como en el ejemplo de ahí arriba, sino una cantidad tan gigantesca de carga externa que superase las propias atracciones internas y el átomo se desgajase en su núcleo positivo por un lado y su electrón por el otro. Esto es lo que sucede, por ejemplo, en la descarga de un rayo.

Lea el artículo completo en:

El Tamiz

Electricidad III - Corriente Eléctrica

Ésta es la tercera parte del Bloque [Electricidad I]. En la primera parte hablamos acerca del concepto de carga eléctrica, y en la segunda parte lo hicimos sobre la Ley de Coulomb y la electrización. Si te fijas, hasta ahora no hemos estudiado apenas movimientos de cargas, que es en lo que normalmente pensamos al hablar de “electricidad”. La razón es que, para entender esos movimientos y conceptos relacionados con ellos –como la corriente eléctrica–, necesitábamos establecer unas bases, como el concepto de carga eléctrica. En la última entrada ya hablamos de la causa esencial del movimiento de cargas, la fuerza de Coulomb, con lo que ya estás preparado para entender el concepto de corriente eléctrica.

Fíjate en que digo “no hemos estudiado apenas” porque, aunque no hayamos entrado en detalles, en la entrada anterior sí que describimos movimientos perceptibles de cargas: por ejemplo, en el chorro de agua del grifo en el Experimento 1 o el movimiento del péndulo en el Experimento 2 había cargas moviéndose debido a atracciones y repulsiones de Coulomb. Sin embargo, se trataba de movimientos muy leves, a lo largo de distancias minúsculas, y desde luego no intentamos entonces evaluarlos de ninguna manera rigurosa — a eso nos dedicaremos hoy.


Por cierto, una aclaración: hay cargas moviéndose siempre que cualquier objeto se mueve, porque cualquier objeto está hecho de cargas de ambos tipos. Sin embargo, no se observan efectos eléctricos perceptibles cuando se mueve un objeto con equilibrio de cargas por la misma razón que no se notan las fuerzas de Coulomb salvo que te acerques mucho: porque los efectos de ambos tipos de carga, “desde lejos”, se cancelan.

Solución al Desafío 1 – Pilas y electrones
Como dijimos la semana pasada, el primer Desafío del bloque tenía como principal objetivo acostumbrarte a pensar de cierta manera más que cuestionar tu conocimiento. Si aún no has leído el Desafío, hazlo antes de seguir con la solución, ¡el objetivo es que pienses, no que leas!
El razonamiento básico para demostrar que la explicación que dimos de cómo funcionan las pilas es algo así: si esa explicación fuera cierta, una pila gastada no tendría electrones. Pero, dado que el número total de cargas positivas/negativas en cualquier cuerpo es tan gigantesco, aunque normalmente se compensen unas con otras, esa pila tendría un desequilibrio brutal de carga positiva. Y como la fuerza de Coulomb se nota tanto por pequeño que sea el desequilibrio de carga, una pila gastada sería una fuente de fuerzas increíbles y una catástrofe continua: induciría tremendos desequilibrios de carga en todo lo que la rodease, generando efectos muchos órdenes de magnitud mayores que los del experimento del peine y el chorro de agua. Estos fenómenos tan extremos no se notan en absoluto, luego esa explicación es absurda.
Aunque con eso queda demostrado, tal vez hayas ido un poco más allá: si la pila ha perdido esos electrones según se gastaba, ¿dónde están esas miríadas de electrones? Si han quedado en los aparatos que usan la pila, éstos tendrían entonces un desequilibrio brutal de cargas y originarían, igual que lo hacía la pila –pero al revés, claro, por tener el tipo contrario de carga excesiva– fenómenos tremendos que no se observan. Si esos electrones se quedasen en el cable, lo mismo sucedería entonces con los cables.
Observa cómo, para desmontar una explicación de cómo funciona una pila, no nos hace falta entender cómo funciona de verdad ni dar una explicación alternativa. Simplemente sabemos que las consecuencias de la explicación que se nos dio no se cumplen, luego la explicación es falsa. Más adelante, en este mismo Bloque, explicaremos cómo funciona de verdad una pila… y no es, claro está, porque pierda electrones poco a poco hasta quedarse sin ninguno.

Pero vamos con el contenido del artículo de hoy: la causa de que las cargas se muevan y la manera de cuantificar ese movimiento.

Desequilibrio como fuente del movimiento de cargas

De lo que no debería caberte duda, si comprendiste las dos entradas anteriores, es de que es muy fácil producir movimientos de cargas simplemente creando un desequilibrio entre ambos tipos. Es posible además, si se es cuidadoso, utilizar la Ley de Coulomb para controlar tanto la intensidad como la dirección y sentido de esos movimientos… pero permite que te muestre esto con un pequeño experimento mental.

Imagina que tenemos un protón y un electrón separados una distancia cualquiera (digamos que dos metros). E imagina también, para simplificar nuestro experimento, que de algún modo hemos conseguido “clavar” ambas partículas en las posiciones en las que se encuentran; de otro modo, claro está, se atraerían el uno al otro y acabarían juntos. Observa de lo que partimos: un desequilibrio de cargas.

Supón que ahora dejamos libre, justo en medio de las dos partículas, un segundo protón. En este caso no lo “clavamos”, sino que lo dejamos moverse libremente. De acuerdo con la Ley del buen Coulomb, ese protón empezará a moverse, alejándose del protón fijo y acercándose al electrón: estamos haciendo que este protón se mueva empleando la fuerza de Coulomb a través de un desequilibrio de cargas. Y podemos controlar hacia dónde se mueve — si el electrón fijo se encuentra al norte del protón fijo, nuestro protón libre irá hacia el norte, y si el electrón está hacia el este, sucederá lo propio.

Pero también podemos controlar cómo de rápido lo hace: si en vez de tener un protón y un electrón fijos tenemos dos protones y dos electrones fijos en cada sitio –es decir, el desequilibrio de cargas es mayor–, el protón sufrirá una mayor fuerza de repulsión por parte de los protones, y de atracción por parte de los electrones, con lo que su movimiento será más violento que antes.

Dos maneras básicas de crear corrientes eléctricas
El desequilibrio entre cargas eléctricas de uno y otro tipo es una de las dos maneras más comunes mediante las que los seres humanos ponemos cargas en movimiento y producimos corrientes eléctricas: es lo que sucede, como veremos más adelante en el Bloque, con las pilas de nuestros aparatos eléctricos. Sin embargo, es más común todavía emplear una segunda manera de hacer que las cargas se muevan: utilizar el campo magnético para crear la corriente eléctrica, como se hace en la mayor parte de las centrales eléctricas. De este segundo modo de producir corriente, sin embargo, hablaremos cuando hayamos estudiado el campo magnético.

Corriente eléctrica

Dado que el movimiento de cargas desempeña un papel fundamental en nuestra sociedad –tanto en ciencia como en tecnología–, es muy conveniente definirlo cuidadosamente y cuantificarlo de algún modo. El fenómeno en sí del movimiento de cargas eléctricas recibe un nombre arcaico, inventado cuando conocíamos bastante menos que ahora acerca de la naturaleza de la carga eléctrica y su comportamiento. Algunos pensaban entonces que la carga eléctrica era una especie de fluido invisible que se encontraba dentro de los cuerpos, y que esta sustancia podía fluir de unos cuerpos a otros. Ese flujo, como el de un río, era una especie de corriente, pero no de agua, sino de electricidad: una corriente eléctrica.

Una vez definido el fenómeno, hace falta una magnitud que lo cuantifique y una unidad para medirla. En el caso de la corriente eléctrica, esa magnitud recibe el nombre de intensidad de corriente. A menudo se utiliza “corriente eléctrica” para referirse a la magnitud, y no al fenómeno, pero esto crea a veces malentendidos que se resuelven fácilmente distinguiendo ambos términos. De modo que, a lo largo de esta serie –si no se me escapa alguna vez, claro– emplearemos el término corriente para referirnos al fenómeno físico del movimiento de cargas, e intensidad de corriente (o simplemente intensidad) para la magnitud que cuantifica el movimiento.

Aquí tienes una definición lo más llana posible de lo que es la intensidad de corriente:

La intensidad de corriente a través de una superficie es la cantidad de carga que la atraviesa por unidad de tiempo.

Como puedes ver, se trata de una definición que no tiene mucho sentido para un solo protón, o electrón, que se mueva. Recuerda que es un concepto antiguo, que no funciona demasiado bien para describir las cosas a escala microscópica sino a gran escala, con continuos movimientos de cargas a través de algo. De ahí que, cuando se trabaja –como hicimos nosotros en nuestro experimento mental unos párrafos más arriba– con unas pocas cargas sueltas, se suelan utilizar para describir su movimiento cosas como su velocidad o aceleración, mientras que, cuando se trabaja con muchas partículas cargadas moviéndose (como sucede, como veremos más adelante, en un cable eléctrico) sea muy útil emplear el concepto de intensidad de corriente.

La idea de un “fluido eléctrico” que se mueve se percibe en la propia definición. Si te fijas, es muy parecida a la del caudal de agua en un río: en vez del volumen de agua que fluye por unidad de tiempo, se mide la cantidad de carga que fluye por unidad de tiempo. El concepto es, de hecho, muy similar: si la intensidad de corriente es pequeña, hay poca carga atravesando la superficie por unidad de tiempo. Si es grande, hay mucha carga atravesando la superficie por unidad de tiempo.

Normalmente se asigna a la intensidad de corriente eléctrica, además de un valor, una dirección y sentido, como hacemos con la velocidad del viento, por ejemplo. Sin embargo, con la velocidad del viento no hay problema: su dirección y sentido es la del aire que se mueve. ¡Pero la corriente eléctrica puede ser un movimiento de cargas positivas, o negativas, o de ambas a la vez! Hace falta establecer un convenio –y podría haber varios, todos arbitrarios, como nos ha sucedido antes en este bloque–. El que se eligió históricamente, y que seguimos usando hoy en día, es el siguiente:

La dirección y sentido de la intensidad de corriente son los del movimiento de las cargas positivas, y contrario al de las cargas negativas.

Con este convenio, si se mueven, por ejemplo, protones hacia la derecha, la intensidad de corriente va hacia la derecha:





Si se trata, por el contrario, de electrones que se muevan hacia la izquierda, la intensidad de corriente va también hacia la derecha:





Este convenio puede parecer peor que otro en principio más simple, como el de que la intensidad de corriente tuviera el sentido de movimiento de las cargas, cualquiera que fuera su tipo… pero tiene ventajas en el cálculo que lo hacen muy útil, aunque a veces cree confusión o incluso induzca a error –aunque, como en este Bloque aún no usaremos fórmulas, por ahora tendrás que creerme–.

Fuente:

Lea el artículo completo en:

El Tamiz

Los molinos que quitan la sed en la sierra ecuatoriana

A principios de 2013 el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable de Ecuador presentó un Atlas Eólico.

"Es una ilusión de niño, siempre quise tener un molino de viento y ya lo tengo. Al menos para esta cosa puedo morir tranquilo", suspira el francés Christopher Vercoutere, quien lleva 40 años viviendo en Ecuador.

A su lado asiente en silencio Agustín Seminario, el ingeniero que siete años atrás construyó su primer molino, ése que disfruta Vercoutere en su campo, el mismo que tímidamente comienza a moverse como si lo empujaran el francés y el ecuatoriano con la mirada.

El molino de Vercoutere se encuentra en la comunidad de San Roque, provincia de Imbabura, en el norte de la región Sierra, una de las zonas del Ecuador que más sufre para regar sus sembradíos.

"Vivimos en una zona que no tiene acceso a la energía. Si bien es cierto que la electricidad llega a la casa, no llega a las fuentes de agua. Incluso en una gran hacienda que tenga electricidad, ésta llega solo a la casa de la hacienda", explica Seminario, quien estudió ingeniería mecánica en Quito.

Aunque ha llevado sus molinos por todas las provincias serranas, desde Carchi hasta Azuay, Seminario se mueve en un mercado dominado por bombas que funcionan a gasolina o a diesel debido al bajo precio de estos combustibles, pero su apuesta por la generosidad de los vientos ha calado también en Quito.

Un atlas de vientos

A comienzo de este año, el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable de Ecuador presentó su Atlas Eólico, para identificar las zonas del país donde este recurso puede ser aprovechado para la generación de electricidad y diversificar la matriz energética.

"La participación de la energía eólica en la matriz de producción eléctrica hasta la fecha es marginal"

Esteban Albornoz, ministro de Electricidad y Energía Renovable de Ecuador.

"La participación de la energía eólica en la matriz de producción eléctrica hasta la fecha es marginal, con tan solo 16,5 MW en el territorio continental correspondientes al proyecto Villonaco que entró en operación en enero de 2013", dijo a BBC Mundo el ministro Esteban Albornoz y agregó:

"La información contenida en el Atlas Eólico, sumada a los incentivos que se vienen implementando a nivel regulatorio, establecen condiciones propicias para el desarrollo de nuevos proyectos eólicos de iniciativa pública y privada, que contribuirán al abastecimiento de la demanda y al desplazamiento de energía térmica que consume combustibles fósiles".

Pero los subsidios oficiales a estos combustibles han alejado del mercado a otros amantes de los molinos de viento como el ingeniero mecánico Marcos Cabrera, quien comenzó a construirlos como hobby en la provincia del Azuay, en el sur de la Sierra ecuatoriana, seis años atrás.

"La idea nació cuando un amigo me preguntó si le podría hacer un molino de viento y yo por alegrarlo le hice uno de adorno. Luego los fabriqué como negocio, pero hoy en día ya casi estoy retirándome de esta actividad porque la energía en Ecuador, el gas y la electricidad, es muy baratas y las posibilidades de hacer negocios son bien escasas".

Por eso, los artesanos de los molinos de viento han tenido que encontrarles nuevas funciones a las aspas de estos gigantes imaginados por Cervantes: bombear agua ya no es su única misión, sino oxigenarla.

Agua estancada 

Los molinos de viento ya no sólo bombean el agua, sino que también la oxigenan.

Inspirado por los molinos levantados en las zonas rurales del Ecuador por una misión internacional en la década del 60, Agustín Seminario comenzó a investigar cómo construirlos y cómo comercializarlos.

"Vi molinos de la Misión Andina que habían durado desde el año 65 y todavía seguían, aunque ya no bombeaban. Entonces fui a un molino, me subí, tomé fotos de sus partes, y dije 'esto ya está inventado, lo que hay que hacer es adaptarse a lo que tenemos acá'".

El principal inconveniente que enfrentó era el costo de cada uno de los cuatro piñones que movían estos molinos, que puede variar de 200 a 300 dólares, pero por fortuna, uno de sus trabajadores sugirió utilizar los piñones de una moto, mucho más baratos, y el invento funcionó.

Pero no todos los campesinos ubicados en la ladera del volcán Imbabura necesitaban bombear agua de pozos cavados en la tierra, algunos requerían hacer algo con el agua caída del cielo.

"Nosotros plantamos papa, zanahoria y hierva para el ganado pero para riego no hay nada de agua, solo esperamos a la lluvia en abril y mayo que son aguas medias duras, por eso hicieron esos reservorios", dice a BBC Mundo Luis Rosales, cuidador de unos de los campos de la comunidad Cerotal, ubicada a 3.200 metros de altura.

Fabricar piscinas para almacenar el agua pareció ser la mejor solución, pero los campesinos pronto descubrieron el agua estancada por mucho tiempo pierde el oxígeno y se pudre… y ahí entraron los molinos.

Otro sabor

"En Estados Unidos se diseñó un molino que en lugar de llevar una bomba de agua tenía un compresor, entonces el aire que es comprimido se inyecta debajo del agua y comienzan a salir burbujas como si estuviera hirviendo", cuenta el ingeniero Seminario, quien comenzó a reproducir este modelo en Ecuador.

"Lo interesante de esta agua es que es muy agradable para tomar porque no tiene gusto a cloro"

Christopher Vercoutere

Al oxigenar los reservorios se eliminan las algas y se prolonga la vida útil del agua que pueden beber los animales.

Mientras los animales sacian su sed en los molinos ideados para oxigenar el agua, los hombres que aman los molinos en la sierra ecuatoriana disfrutan del agua que bombean de los pozos estas máquinas inventadas hace siglos.

"Todo el mundo piensa hoy en día que el agua tiene que ser suministrada por redes, pero no se puede comparar a nivel de sabor del agua entubada con esta agua", dice el francés Vercoutere.

"Lo interesante de esta agua es que es muy agradable para tomar porque no tiene gusto a cloro. Es algo que me ha sobrado de niño, porque en cada persona hay algo de niño que hay que tratar de guardar", concluye.

Tomado de BBC Ciencia

¿Por qué produce electricidad una placa solar?

play

Vídeo: Mario Viciosa | Daniel Izeddin | Madrid

La energía fotovoltaica es la energía del futuro. Tenemos energía del Sol para que 50.000 veces la población actual del planeta viva como vivíamos los españoles en 2006.

Las células de una placa solar son de muy diversos materiales y formas, pero básicamente de silicio (poli)cristalino. Este silicio (arena de playa fundida y solidificada lentamente para formar un cristal muy puro) se dopa con muy pequeñas cantidades de galio y arsénico, exactamente como los transistores que a miles de millones están en los ordenadores, teléfonos móviles y otros aparatos.

Antonio Ruiz de Elvira, catedrático de Física de la Universidad de Alcalá de Henares, nos los explica desde Cosmocaixa, el museo de la ciencia de la Obra Social La Caixa.

La introducción de otros metales en la red cristalina del silicio cambia la disposición de los electrones de sus átomos en la red: es como sentar a alguien muy grueso en una fila de sillas. En esta nueva disposición la luz de la frecuencia adecuada proporciona energía, al hacer oscilar al electrón con mayor amplitud hasta que el electrón salta lejos del núcleo de su átomo y llega a la banda de conducción.

Un símil burdo pero ilustrativo es un almendro a orillas de un río: Si agitamos (la luz) con fuerza las almendras, éstas caen al río que se las lleva. El árbol es el átomo, los electrones que se mueven por los cables son el río de corriente eléctrica que enciende las bombillas o mueve los motores de los aparatos de casa.

Fuente:

El Mundo Ciencia

Electricidad II: Ley de Coulomb

En el primer artículo del bloque introductorio sobre electricidad hablamos acerca del concepto de carga eléctrica y sus unidades. Hoy continuaremos profundizando en este asunto; como siempre en este nivel básico, tratando de centrarnos en los conceptos y no en las fórmulas. Hablaremos en primer lugar de la Ley de Coulomb, y luego de sus consecuencias perceptibles en nuestra vida cotidiana, especialmente los dos tipos fundamentales de electrización.

Como recordarás, terminamos aquel artículo preguntándonos cuánto es un culombio. Dimos una definición oficial, derivada de otras, que no era demasiado informativa, y después otra más fundamental, basada en un número concreto y arbitrario de protones o electrones. Sin embargo, para comprender de verdad si un culombio es mucha carga o poca, hace falta compararlo con algo que podamos percibir: con lo que define la carga de verdad, es decir, la fuerza electromagnética.

Esta fuerza puede percibirse en la Naturaleza de dos formas determinadas: como fuerza eléctrica y como fuerza magnética, aunque ambas tengan el mismo origen último. Ahora mismo no nos interesa la fuerza magnética, de la que hablaremos en un bloque diferente: nos centraremos en la versión eléctrica de la interacción electromagnética, descrita en su forma más simple y asequible por el genial Charles-Augustin de Coulomb en su famosa Ley.

La Ley de Coulomb

En el siguiente bloque atacaremos la Ley de Coulomb numéricamente, pero por ahora lo que más me interesa es dejar claro su concepto. Esta ley es una de las dos conexiones (en términos de 1785, por supuesto) entre la carga y su fuerza correspondiente: en este caso, entre la carga eléctrica y la fuerza electromagnética. Expresada con mis palabras, de forma algo más extensa a como lo hizo el buen Coulomb,

Las cargas del mismo signo se repelen; las cargas de signo contrario se atraen. La fuerza con la que lo hacen es tanto mayor cuanto mayores son las cargas, y tanto menor cuanto más lejos están una de la otra, y depende además del medio que separa ambas cargas.

Como cualquier otra ley física, no tiene demostración: se trata de algo que hemos observado que es así, y punto. Si en algún momento se verifica, mediante experimentos, que esta ley no siempre se cumple, o que hay algo más fundamental por debajo de ella y que es simplemente una consecuencia de otra cosa, la descartaríamos, o la dejaríamos como un caso particular de una Ley más amplia. Hasta ahora, todos los experimentos realizados con cargas han cumplido la Ley de Coulomb, con lo que la mantenemos.

Si analizamos la Ley con un poco de calma, no debería resultar demasiado sorprendente. Dos protones se repelen entre sí; dos núcleos de oxígeno, cada uno con ocho protones, se repelen mucho más intensamente. Y, si los alejamos mucho uno del otro, se repelen con menos intensidad. Si ponemos esas cargas en el aire, la fuerza que sufren no es la misma que si están en el agua o dentro de un metal. Cuánto vale esa fuerza exactamente es algo que discutiremos en el siguiente bloque; por ahora, lo importante es que te quedes con la copla de quiénes se repelen y quiénes se atraen, y que la fuerza aumenta con la cantidad de carga y disminuye con la distancia. La influencia de la sustancia que haya entre las cargas tampoco será algo que tratemos en detalle por ahora, porque no es lo importante.

Con esta Ley, podemos responder a la cuestión de ¿cuánto es un culombio? “hacia atrás”. Es decir: Si tuvieras algo con una carga de 1 C en una mano, y un objeto idéntico, con una carga de 1 C, en la otra mano, y tuvieras los brazos extendidos ante ti y separados un metro, ¿qué fuerza notarías? ¿serías capaz de resistir la repulsión y mantener los objetos quietos, o no? ¿podrías ser capaz de vencer esa fuerza y forzar a los objetos a acercarse el uno al otro?

Por ahora, tendrás que creerme en el cálculo, porque no será hasta el siguiente bloque que haremos números con la Ley de Coulomb. Y el resultado tal vez resulte difícil de creer: cada uno de los objetos repelería al contrario con una fuerza de 9 000 000 000 newtons. Dado que tampoco hemos dedicado ningún bloque a la dinámica hasta ahora, permite que “traduzca” esto a términos que nuestra cabeza comprende bien. Para levantar 1 kg en la Tierra hacen falta más o menos 10 newtons. Para levantar un coche de 1 000 kg, por tanto, hacen falta 10 000 newtons. Dicho de otro modo, cada mano que sujeta la carga de un culombio, para mantenerla ahí, quieta, tendría que hacer la misma fuerza que se necesitaría para levantar 900 000 coches. ¡Toma castaña!

Vamos, que la respuesta a “¿cuánto es un culombio”? es: “una verdadera barbaridad”. No sólo no serías capaz de mantener esos dos objetos quietos, si no los soltases a tiempo te arrancarían los brazos de cuajo. La razón, de la que hablaremos más en detalle en el Bloque II, es que la fuerza electromagnética es de una intensidad terrorífica.

De hecho, si has entendido la verdadera magnitud de un culombio, puedes utilizar las células grises para sacar conclusiones sobre las situaciones en las que te das cuenta de que has notado cargas eléctricas: por intenso que te pareciese entonces el fenómeno eléctrico que fuera, tiene que haberse tratado de desequilibrios de carga absolutamente minúsculos.

Por cierto, ¿por qué digo “te das cuenta de que has notado” y no simplemente “has notado”? ¡Porque estás notando la fuerza de Coulomb constantemente! Otra cosa es que no te parezca que haya electricidad por ningún lado cuando coges una piedra o caminas por el suelo, pero un ejemplo relativamente sencillo debería hacerte ver lo contrario:

Los dedos de mi mano están compuestos de átomos. Lo mismo sucede con las teclas con las que estoy escribiendo este texto. Cuando mi dedo está lejos de la tecla (“lejos” = “a una distancia mucho mayor que el tamaño del átomo”), la posición exacta de los electrones y protones en los átomos es irrelevante: mis átomos ven a los de la tecla “negros”, es decir, con cargas superpuestas, y los de la tecla ven a los de mi mano exactamente igual. ¿Qué noto entonces? Absolutamente nada.

Pero, si acerco mi dedo a la tecla hasta que la distancia sea suficientemente pequeña como para notar las posiciones relativas de cada partícula que compone los átomos (traducción a nuestro lenguaje cotidiano: si “toco la tecla”), mis átomos y los de la mesa se ven como son: un núcleo verde rodeado de una nube roja de electrones. Y, de acuerdo con la Ley de Coulomb, cuanto más cerca están las cargas, con más intensidad se atraen o repelen. Pensemos con un poco de cuidado sobre lo que sucede entonces.

Mis núcleos verdes se repelen con los núcleos verdes de la mesa, y se atraen con los electrones rojos de la mesa; y mis electrones se repelen con los electrones rojos de la mesa, y se atraen con los núcleos verdes de la mesa. Dado que las cargas totales rojas y verdes son las mismas, ¿quién gana? Gana, y con diferencia, la repulsión entre mis electrones rojos y los electrones rojos de la mesa, dado que son los que están más cerca unos de otros.



Es más: si me empeño en seguir acercando mi dedo a la tecla, la repulsión será mayor y mayor. Tanto que, estrictamente hablando, nunca puedo llegar a tocar “realmente”, por ejemplo, una mesa, porque la fuerza de repulsión se hace muchísimo mayor que la que puedo ejercer yo con mis patéticos deditos. Desde luego, todos nos entendemos, pero en este sentido físico, “tocar” significa “acercar una cosa a otra lo suficiente como para notar la fuerza de repulsión entre las nubes electrónicas de ambas cosas”.

De hecho, cuando me empeño en acercarme a la tecla, llega un momento en el que la fuerza con la que nos repelemos es mayor que la fuerza elástica del muelle que la mantiene en su sitio, y entonces, empujo la tecla. Sólo que es un empujón indirecto, como el de un imán que se acerca a otro hasta empujarlo sin realmente tocarlo. La cuestión es que la distancia entre una y otra es tan pequeña que me es imposible verla; y “noto que la toco”, sólo que lo que estoy notando realmente con los nervios de mi piel es esa fuerza de repulsión.

Lo mismo sucede cuando estoy de pie sobre el suelo: realmente, no estoy tocando el suelo “de verdad”, estoy levitando sobre él, pero a una distancia comparable al tamaño de un átomo, claro, o la fuerza de repulsión no vencería a las otras entre protones y electrones de uno y otro lado. De modo que la fuerza de Coulomb es lo suficientemente intensa como para sostenerme sobre el suelo (y mucho más); y, si no existiera, dada la cantidad de espacio vacío entre átomos y dentro de cada átomo, atravesaría el suelo y seguiría cayendo hacia el centro de la Tierra, porque nada me sujetaría. Pero yo no soy lo único que la fuerza de Coulomb sostiene: la propia Tierra no se colapsa sobre sí misma por su propia atracción gravitatoria porque los átomos de las capas más profundas se repelen, a través de las nubes electrónicas rojas de unos y otros, a las capas superiores del planeta.

Colapso gravitatorio y enanas blancas

La fuerza eléctrica, como hemos visto, es de una intensidad tremenda, y basta para “sostener” la Tierra, de modo que su propia gravedad no la haga colapsarse sobre sí misma. Dicho de cierto modo, la fuerza de repulsión entre nubes electrónicas “sostiene el peso de la Tierra”. Pero ¿y si la Tierra fuera mucho más masiva? ¿Llegaría un momento en el que la fuerza de Coulomb no pudiera sostener tal presión gravitatoria?

La respuesta es que sí: aunque intensa, la fuerza eléctrica tiene un límite, y si se acumula suficiente masa sin que nada más sostenga su propio peso, se produce un colapso cataclísmico. Pero, para que eso suceda, hace falta una cantidad de masa mucho mayor que la de la Tierra: la masa de una estrella.
Lo que sucede cuando una estrella no es capaz de sostener su propia masa mediante la Ley de Coulomb y la presión de la radiación producida por la fusión en su interior es algo de lo que hemos hablado en La vida privada de las estrellas y, en particular, en Las enanas blancas.

Aunque por ahora no entraremos más en esto, las fuerzas de atracción entre cargas positivas y negativas desempeñan otros papeles fundamentales, y sin ellas no habría química ni estarías leyendo este artículo. Pero mi objetivo era simplemente hacerte ver que sí, efectivamente, sí que notas la fuerza de Coulomb y el hecho de que las cosas tienen carga todo el tiempo. Es imposible escapar de ella, ya que estamos compuestos de enormes cantidades de carga de ambos tipos (dentro de un momento veremos cuánta).

Pero, a veces, notamos las cargas eléctricas y la Ley de Coulomb de un modo que no podemos ignorar. Uno de los fenómenos en los que las cargas se muestran sin tapujos, y se pone de manifiesto la inmensidad de un culombio, es la electrización.

Electrización

“Electrización” es un nombre, en mi opinión, desafortunado, como tantos otros en este Bloque. Electrizar un cuerpo significa conseguir de algún modo desequilibrar las cargas de un cuerpo (quitando cargas de un tipo o añadiendo cargas del contrario). El nombre, como digo, no me parece muy bueno, porque suena como si antes no hubiera “electricidad” en el cuerpo y se la estuviéramos dando, pero no es así — lo único que hacemos es crear un minúsculo desequilibrio entre las cargas de ambos tipos en el cuerpo.

Es así como casi todos entramos en contacto con la electricidad de un modo obvio. Los fenómenos resultantes de la electrización de los cuerpos reciben el nombre colectivo de “electricidad estática”, un nombre que tampoco me gusta lo más mínimo. Seguro que sabes de lo que estoy hablando: frotas un peine de plástico contra tu pelo y, si lo acercas a un trocito de papel, notas la fuerza de Coulomb.

La manera en la que solemos conseguir esto es mediante la triboelectricidad, o electricidad por frotamiento. ¡Otro nombre malísimo! Dicho mal y pronto, cuando se ponen en contacto dos objetos, mediante adhesión, golpes o frotamiento, en determinadas circunstancias, uno de ellos puede “robar” electrones al otro, de modo que uno se queda con un exceso de electrones y el otro con un defecto de electrones, es decir, ambos quedan cargados (en el sentido de que tienen un desequilibrio entre los dos tipos de cargas). De ahí que el nombre no sea bueno: se puede lograr esta electrización por contacto frotando los cuerpos, pero hay otros medios. Si alguna vez has botado un balón de baloncesto y luego has sentido un chispazo al tocar otra cosa, sabes a lo que me refiero.

El caso más típico es el cepillarse el pelo con un cepillo o peine de plástico: a veces, el cepillo se lleva algunos electrones del pelo, con lo que el cepillo o el peine queda cargado negativamente y el pelo positivamente, y ambos se atraen (quién roba electrones a quién depende, en último término, de la naturaleza de los dos materiales a escala atómica y de sus “hambres de electrones” relativas). Estoy convencido de que has notado esto. Dicho en términos de nuestras cargas de colores, el cepillo se ha llevado un poco de carga roja del pelo:



Tanto el pelo como el cepillo quedan cargados, y se atraen. Esto es precisamente lo primero que te pedí que hicieras en el Experimento 1 del artículo anterior (si no lo hiciste, no pasa nada, puedes seguir entendiendo esto sin problemas aunque no lo hayas visto tú mismo): que frotases un cepillo o peine de plástico contra tu pelo. Ahora entiendes la primera de las dos cosas importantes que sucedieron durante el experimento — el cepillo “robó” algunos electrones a tu pelo.

Pero para entender qué es lo que sucedió después (que, al acercar el peine al agua, el chorro de agua se curva y se acerca al peine de plástico) hace falta comprender el segundo método fundamental de electrizar una sustancia. Es posible desequilibrar las cargas de un cuerpo sin tocarlo; es decir, es posible inducir, indirectamente, un desequilibrio de cargas en un cuerpo, utilizando la maravillosa Ley de Coulomb. El resultado no es que el cuerpo tenga más cargas positivas que negativas ni viceversa, de forma total, sino que la distribución de cargas sea diferente a la de antes, de modo que una parte del cuerpo quede cargada negativamente y la contraria positivamente. Esta electrización sin contacto, indirecta, se denomina inducción electrostática, y es lo que hiciste tú al acercar el cepillo de plástico al agua del grifo.

Es evidente que lo que pasa al acercar el peine al agua no es trata de un fenómeno triboeléctrico, porque el peine nunca toca el agua, de modo que no ha podido “robarle electrones”. Si la materia realmente no tuviera carga alguna, lo que viste al hacer el experimento nunca podría suceder. La clave de la cuestión es que tanto el cepillo como el agua son una superposición de verde y rojo; en el caso del agua, una superposición completa (el agua es “negra”), en el caso del cepillo, con un poco más de rojo que de verde, porque robó electrones a tu pelo, con lo que tiene un ligero exceso de electrones, de carga roja. ¿Qué pasa al acercar el cepillo al agua? Que la Ley de Coulomb hace su aparición una vez más, y se produce la inducción electrostática.

La situación, en gráficos de rojo y verde, es básicamente la siguiente (los dibujos, por si no lo habéis notado, son míos, no de Geli, así que la calidad es… bueno, la que es):



Pero recuerda: el agua en el dibujo no es negra porque no tenga ninguna carga; es negra porque es la superposición de rojo y verde. Y esos rojo y verde sufren sendas fuerzas al acercar el cepillo… la carga roja es repelida, la carga verde atraída… y entonces se rompe la superposición completa, porque las cargas se mueven dentro del agua: no mucho, como veremos más adelante, simplemente un poquito:



El agua se ha electrizado, es decir, se hace ahora evidente que existen cargas en ella, aunque su carga total siga estando completamente equilibrada. Esta electrificación no es por contacto como antes, sino por un simple acercamiento: el agua se ha electrizado por inducción. Esta inducción, por cierto, no es la misma que la inducción de las ollas de inducción, a eso llegaremos más adelante en la serie. ¡Pero la cosa no acaba aquí!

Ahora entra en juego, otra vez, la influencia de la distancia en la Ley de Coulomb: sí, el rojo del cepillo repele al rojo del agua y atrae al verde del agua… pero el verde está más cerca. Como consecuencia, la atracción es más fuerte que la repulsión, y el agua se acerca al cepillo. Incluso la carga negativa se acerca, porque las fuerzas internas del agua son más intensas que las que ejerce el cepillo, con lo que la carga verde que se acerca “tira” del resto del agua, y todo el líquido se curva hacia el cepillo:



La verdad es que verlo con tus propios ojos es mucho más revelador que leer mi descripción o ver los tristes diagramas, pero bueno.

Según el agua sigue fluyendo hacia abajo y se aleja del cepillo, claro, las fuerzas de atracción y repulsión van desapareciendo hasta que no se notan, con lo que el líquido vuelve a caer verticalmente como si el cepillo no estuviera ahí, mientras que el agua “nueva” que cae del grifo, al acercarse al cepillo cargado, sufre el mismo fenómeno. Pero, si has realizado este experimento y anteriormente entendiste la magnitud real de un culombio, creo que la conclusión debería ser clara: las cargas “desnudas” (sin ser solapadas por una carga igual de signo contrario) que percibimos en la vida cotidiana son minúsculas comparadas con un culombio. Si no fuera así, esa leve y sutil fuerza que sufre el agua te bañaría en una ducha infernal, mientras que el cepillo se rompería en pedazos por las fuerzas cataclísmicas que sufriría.

Dicho de otro modo: cuando frotas el cepillo contra tu pelo, el desequilibrio entre cargas es una nimiedad comparado con la carga total, positiva y negativa, que hay en tu cuerpo. Fíjate que ya hemos dicho –y creo que deberías estar convencido– que un culombio “desnudo” originaría una fuerza de Coulomb catastrófica, con lo que cualquier desequilibrio de carga que hayas visto seguramente ha sido mucho más pequeño. Pero, igual que un culombio es mucho mayor que las cargas “desnudas” que has visto, la carga total de cada tipo en tu cuerpo es muchísimo mayor que 1 C. Para que te hagas una idea, hay unos cuantos miles de millones de culombios (!) de carga negativa, y aproximadamente los mismos de positiva, en tu cuerpo. ¡Tela marinera!

Lea el artículo completo en:

El Tamiz

La Primera Parte AQUÍ: (Electricidad I - Carga Eléctrica)

¿Son los autos eléctricos más ecológicos?

Los gobiernos ven los autos eléctricos como una parte importante de sus planes para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en la atmósfera y su impacto en el calentamiento global.

Sin embargo, algunos científicos cuestionan que este tipo de vehículos sean tan ecológicos como se los pinta.

Un reciente estudio llevado a cabo por científicos noruegos descubrió que en algunas circunstancias los autos eléctricos pueden tener un impacto incluso mayor en el calentamiento global que un vehículo convencional.

Baterías de litio

Gillaume Majeau-Bettez, uno de los autores de este trabajo en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, admite que quedó sorprendido y defraudado con los resultados.

"El auto eléctrico tiene un gran potencial para mejorar, pero lo que al final lo conducirá al éxito o al fracaso desde un punto de vista ambiental es cuán limpia es nuestra red eléctrica, tanto para la electricidad que usas para conducir tu auto como para la que se usa para producir el auto", explica.

Para hacer el estudio, los investigadores analizaron el impacto que la producción y funcionamiento de los autos eléctricos tiene en el calentamiento global, tras circular 150.000 km. Luego compararon estos datos con la producción y funcionamiento de los autos convencionales.

Uno de sus hallazgos fue que la enegía empleada para fabricar masivamente los vehículos eléctricos suponía que algunos autos tenían el doble de impacto sobre el calentamiento global que los convencionales.

Esto, dicen, se debe principalmente a la energía y los materiales necesarios para fabricar las baterías de iones de litio.

Electricidad más contaminante

El alto costo del gas incrementó el volumen de energía producido con carbón, más contaminante. 

Sin embargo, aseguran que todo depende de cómo se genera la electricidad en el país donde se conduce el auto. Incluso puede depender de a qué hora del día se cargan las baterías, porque la electricidad nocturna es menos dependiente del carbón.

En 2012, en países como Reino Unido, la generación eléctrica a partir de carbón aumentó en un 40%, debido al incremento de precios del gas usado también para generar energía.

La electricidad a partir de carbón, que es la forma más contaminante de producir energía, reduce drásticamente las ventajas de los autos eléctricos. Por ejemplo, como China genera casi toda su energía con carbón, el análisis de los autos eléctricos en el gigante asiático mostró que eran muchísimo más contaminantes que los autos a gasolina.

No obstante, en países como Noruega, donde gran parte de la energía es producida por centrales hidroeléctricas, los autos eléctricos tuvieron menos impacto ambiental que los normales.

"Para la media de generación eléctrica en Europa, si usas un auto por 150.000 km puedes esperar una mejora de un 25% (en impacto global) respecto a un vehículo con gasolina", apunta.

El debate

Algunos acusan a las petroleras de financiar informes que desprestigian al auto eléctrico frente al de gasolina.

Estos resultados les añaden un dilema más a todos aquellos consumidores que evalúan si cambiarse o no a los autos eléctricos.

Aparte de cuestionamientos sobre su conducción o si uno podrá alcanzar su destino sin tener que cambiar batería, los beneficios ambientales no están siempre del todo claros.

Cierto es que algunas investigaciones deben mirarse con más detenimiento, ya que algunas empresas petroleras han sido acusadas de financiar reportes seudocientíficos para desprestigiar a los autos eléctricos.

Aunque el estudio noruego ha sido criticado por algunos, alegando que existen vínculos entre la universidad y la petrolera Statoil, el equipo detrás de la investigación insiste en que ningún dinero procedente de la firma se usó para financiar el trabajo.

Además, los científicos publicaron en internet los datos del estudio.

"Queremos que la gente elija con los ojos abiertos, conociendo las ventajas, dice Majeau-Bettez. "Se han dado gran cantidad de malinterpretaciones a ambos lados del debate. No existe nada que sea cero emisiones, ya sea un vehículo o un edificio".

"Todo tiene emisiones, pero a veces se dan lejos del usuario".

Fuente:

BBC Tecnología

 Lea en los archivos de "Conocer Ciencia":

¿Qué es una electrolinera?

Autos eléctricos ¿La solución a la contaminación en China?

La amenaza ambiental de los autos eléctricos

Electricidad I - Carga eléctrica

Como anunciamos hace unos días, hoy empezamos una mini-serie sobre electricidad, en la que trataremos de establecer unos conceptos básicos que nos permitan construir cosas más complejas en un segundo bloque, y que nos sirvan de referencia en otros artículos en general. A lo largo de esta primera aproximación a la electricidad, mi objetivo es doble; por un lado, responder conceptualmente a las preguntas más fundamentales acerca de los fenómenos eléctricos y, por otro, desterrar algunas de las nociones erróneas sobre electricidad que muchas veces tenemos en la cabeza. En este primer bloque, por lo tanto, nos interesan más los conceptos que las fórmulas, y habrá sólo las imprescindibles.

Aunque en este caso no sea tan útil como, supongo, lo será en otros, ésta es la “ficha” del bloque, para que sepas a qué atenerte cuando lo leas (esto parece la descripción de un paquete de software en Linux, pero bueno):

• Nivel: Básico
• Bloques en los que se basa: Ninguno
• Bloques que se basan en él: Ninguno

(Cuando haya bloques que se basen en éste iremos actualizando las categorías).

A lo largo del bloque, de vez en cuando te encontrarás con texto dentro de cuadros de tres colores: azul, amarillo y verde. El texto de cualquier cuadro es un “extra”, que no es necesario leer para seguir el curso del bloque. Los cuadros azules son experimentos, en los que te sugerimos pequeñas experiencias acerca de lo que estás leyendo. Los cuadros amarillos son ampliaciones, en las que encontrarás enlaces a otros artículos o textos externos en los que leer más cosas acerca de algún aspecto concreto. Los cuadros verdes son desafíos que se responden más adelante en el bloque. Puede tratarse de preguntas para que razones, problemas numéricos, demostraciones o cualquier otro tipo de cosa que requiera que des una respuesta, para que compruebes lo mucho (o poco) que has aprendido hasta ese momento.

Ya sé que, a algunos, mucho de lo que diga os resultará conocido a lo largo del bloque en general, y especialmente en este artículo. Si es así, puede que siga siéndote útil, no tanto para entender, sino para explicar la electricidad. Mucho me temo que, a menudo, quienes la explicamos utilizamos ejemplos que confunden más que aclarar las cosas, y no hacemos el suficiente énfasis en aspectos importantes. Pero, si esto te resulta demasiado básico, siempre puedes esperar al siguiente bloque. Eso sí, si consigues terminar el bloque sin aprender absolutamente nada nuevo, me como el sombrero.

Si, por el contrario, o nunca has aprendido electricidad o nunca la entendiste cuando te la explicaron, tengo que pedirte algo diferente. En primer lugar, aunque no partamos de la base de que sepas cosas, es necesaria una buena dosis de concentración y de esfuerzo para razonar según lees y comprender los conceptos que se explican, de modo que no esperes leerte esto de un tirón y ser un experto en nada. No se adquiere conocimiento sin esfuerzo. Mi recomendación es que te leas el artículo tranquilamente, dejando los cuadros amarillos para una segunda lectura… y, cuando termines, que te lo leas de nuevo, incluidos los cuadros amarillos (aunque no tienes por qué leer los enlaces que allí se mencionan). Y, desde luego, que no tengas el menor rubor en preguntar las dudas que aún te queden.

Dicho esto, empecemos a establecer nuestros cimientos.

Electricidad

¿Qué es la electricidad? La respuesta a esa pregunta es más difícil de lo que pudiera parecer en principio. En Física, desde luego, no existe ninguna magnitud con ese nombre, y no emplearemos esta palabra en el bloque para referirnos a nada concreto. En general, podríamos decir que la electricidad es un conjunto de fenómenos físicos en los que desempeña un papel fundamental la carga eléctrica pero eso probablemente haga que cualquier lector sagaz arquee la ceja, porque no está realmente definiendo nada. 

Tenemos que ir más allá, y hablar de qué es la carga eléctrica… y para eso tampoco hay una respuesta concreta y sencilla, aunque todos sepamos en uno y otro caso a qué nos estamos refiriendo.

Naturaleza de la carga eléctrica

En Física, el término carga se emplea para denotar varias cosas diferentes, pero casi todas ellas tienen varias cosas en común al nivel más fundamental: suele tratarse de una propiedad de las partículas, cumple ciertas leyes de conservación y existe algún tipo de simetría, y está siempre asociada a una fuerza fundamental de la Naturaleza. Sé que todo esto intimida, y por eso he dicho que no es una pregunta fácil de responder. Si estás empezando con esto y quieres una respuesta fácil, sáltate el cuadro amarillo y ya volverás a él más adelante pues, como he dicho antes, no es necesario en absoluto para entender este artículo.

La carga de color y la carga eléctrica
Una carga diferente de la eléctrica, y de la que hemos hablado antes en El Tamiz, es la carga de color o simplemente color, asociada a la interacción nuclear fuerte. Como cualquier fuerza fundamental de la Naturaleza, la interacción fuerte está mediada por un bosón, en este caso al gluón. Como recordarás si leíste aquellos artículos, existen varios colores diferentes; las partículas subatómicas pueden tener unos colores u otros, y existe un bosón (el gluón, en este caso) que transmite una fuerza que ejercen, y notan, las partículas con carga de color. Las partículas sin color (como el electrón, por ejemplo) no notan esta fuerza.

La carga eléctrica, a veces simplemente llamada carga porque es la que más notamos y la que más aparece en la vida cotidiana, cumple las mismas condiciones: se trata de una propiedad de las partículas subatómicas, existen distintos tipos (en este caso dos, de los que hablaremos en un momento), y está asociada a un bosón, el fotón, que media una fuerza, la fuerza electromagnética, que notan aquellas partículas que tienen carga eléctrica.

El problema es que, para cualquier carga en Física, la definición es algo así como una pescadilla que se muerde la cola: es una propiedad de las cosas que puede tenerse de varios tipos o no tenerse, y las partículas que la tienen interaccionan unas con otras mediante una fuerza determinada. De modo que, al final, lo que de verdad determina cualquiera de estas cargas, incluida la eléctrica, es la fuerza a la que están asociadas. Podríamos definir la carga eléctrica como algo así:

La carga eléctrica es la propiedad de las partículas que ejercen y sufren la interacción electromagnética.

Hay dos tipos de cargas eléctricas diferentes. Dicho en términos de la fuerza electromagnética, existen dos fuentes diferentes, y dos reacciones distintas, ante esa fuerza. Tradicionalmente, se ha llamado a estos dos “sabores” de la carga eléctrica carga positiva y carga negativa… y esto, como tantas otras cosas relacionadas con ella, ha llevado a mucha confusión (en parte, porque el concepto de carga eléctrica apareció en Física bastante antes de que conociéramos la mecánica cuántica).

Pero no hay nada positivo en la “carga positiva”, y nada negativo en la “carga negativa”. Todo está en nuestra cabeza. Se trata de una manera de mirar la carga que es muy útil matemáticamente, y hace de nuestras fórmulas algo más simple de lo que serían si empleásemos otros convenios diferentes, pero eso es todo. Siempre que trates de aferrarte a conceptos como éstos, recuerda: las fórmulas están en tu cabeza, y son la forma que tenemos de tratar de predecir el comportamiento de las cosas. Las fórmulas no están en las cosas, son una construcción de nuestro intelecto.

Es decir, que existen dos tipos de cargas que cumplen ciertas simetrías, y punto. Podríamos, por ejemplo, llamar a la carga del electrón “carga positiva” y a la del protón “carga negativa”, cambiar el signo en varias de nuestras fórmulas, y no cambiaría absolutamente nada (excepto que, si no nos ponemos todos de acuerdo, sería difícil comprendernos unos a otros al hablar de la carga eléctrica). Pero la carga de color debería ser un signo de que podemos ir aún más allá.

Podríamos llamar a uno de los dos tipos de carga “carga verde” y a la otra “carga roja”, y aprender electricidad utilizando esos conceptos. Al utilizar fórmulas, la cosa se complicaría bastante, pero conceptualmente no habría problema alguno. De hecho, es una ventaja en cierto sentido, porque elimina algunos de nuestras ideas preconcebidas sobre la electricidad, y tal vez te abra la mente a ideas, o maneras de ver las cosas, nuevas. La idea de hacer esto no es mía ni mucho menos; la primera vez que leí sobre ello fue en la excelente página de William J. Beaty, Red and Green “Electricity”.

De modo que, aunque estoy seguro de que “sabes” que el electrón “tiene carga negativa” y el protón “positiva”, permite que, por ahora, utilicemos este convenio de colores para desterrar ideas preconcebidas, y que te diga lo siguiente: la carga eléctrica es la propiedad de las cosas que notan, y ejercen, la fuerza electromagnética, y existen dos tipos de carga eléctrica, la roja y la verde. Los electrones, por ejemplo, tienen carga roja, y los protones tienen carga verde (los equivalentes de la carga negativa y positiva tradicionales respectivamente, claro).

Los dos tipos de carga cumplen una cierta simetría, son como las dos caras de una misma moneda: se comportan de modos opuestos ante la interacción electromagnética. Por ejemplo, si un cuerpo tiene la misma cantidad de carga roja que verde, no nota la fuerza electromagnética “en total”. No es que no la note en absoluto: su carga roja sufrirá una fuerza determinada, y su carga verde otra igual pero opuesta, ya que son simétricas, y en total –salvo que pasen cosas extrañas, de las que hablaremos luego– el cuerpo no parece ser afectado por la fuerza cuando lo miramos “desde fuera”.

Lo mismo sucede al ejercer esa fuerza electromagnética sobre otras cosas: el cuerpo que tiene igual cantidad de ambas cargas sí ejerce fuerzas electromagnéticas sobre cualquier cosa con carga. Pero, una vez más, si su carga roja “empuja”, su carga verde “tira”, con lo que la carga que sufra esas fuerzas en general no parecerá sentir nada, ya que ambas se compensarán. Por eso, cuando decimos que algo no tiene carga eléctrica, lo que realmente queremos decir es que tiene la misma cantidad de carga roja que de carga verde. Es decir, ambos tipos de carga están en equilibrio.

Un ejemplo relativamente sencillo: el neutrón. Suele enseñarse en el colegio que el neutrón “no tiene carga” y punto. Y, efectivamente, un neutrón que entra en un campo magnético o en un campo eléctrico parece no sentir absolutamente ninguna fuerza, ¡pero sí la siente, sólo que varias veces! La cuestión es que, aunque no suela mencionarse en la escuela, un neutrón no es una especie de canica subatómica sin carga: está compuesto de partículas más simples. Aunque para este artículo no son importantes sus nombres ni la mayor parte de sus propiedades, esas partículas que forman el neutrón (de una manera similar a como los protones, electrones y neutrones forman el átomo) se llaman quarks, de los que hay varios tipos diferentes.
El neutrón está formado por tres de estos quarks: dos de ellos son del tipo down (esto no es importante) y tienen carga roja (esto sí lo es). El tercero es del tipo up, y tiene carga verde que vale el doble de la de los otros dos rojos. En total, existe un equilibrio en el neutrón entre la carga roja y la verde y, como resultado, decimos que el neutrón “no tiene carga”, y todos nos entendemos, pero no olvides lo que eso significa de verdad: que ambas cargas están en equilibrio entre sí, porque hay la misma cantidad de roja que de verde.

Neutrones, protones y quarks
El Tamiz tiene una serie, Esas maravillosas partículas, en la que recorremos muchas de las partículas fundamentales conocidas. Entre ellas hablamos precisamente del neutrón, el electrón, el protón y los quarks, sus tipos y propiedades, de modo que puedes leerla para saber más sobre ellos, aunque no sea necesario para entender esta entrada.

Desde luego, aquí puedes ver ya por qué utilizamos los nombres “positiva” y “negativa” para ambos tipos de carga: así podemos trabajar matemáticamente con ambos tipos “opuestos” de modo que la carga del neutrón sea -1 (de un quark rojo) -1 (del otro) +2 (del verde con el doble de carga) = 0. Pero la razón de que no hayamos empezado así es que, al ver ese “0″, parece que no hay nada en el neutrón, cuando eso es una mentira tremenda, ¡claro que hay cargas! Eso sí, ¿cómo pensar en el equivalente de ese “0″, de esa cancelación de ambos tipos de cargas opuestas, en nuestro sistema de colores?

Empecemos a dibujar cargas rojas y verdes, pero con una peculiaridad: cuando tengamos cargas de ambos colores superpuestas, lo haremos de color negro. Ese color negro, por tanto, será el equivalente gráfico del “0″ de ahí arriba. Una partícula negra, por tanto, será una partícula con la misma cantidad de carga roja que verde, y no notará aparentemente ninguna fuerza electromagnética, es decir, “no tendrá carga” en el lenguaje habitual. Imagina que los quarks que forman el neutrón (dos down rojos con la mitad de carga que otro up verde) son éstos, dibujados de un tamaño proporcional a su carga:




Si juntamos los dos quarks rojos con el verde…




Formamos, por fin, el neutrón:




Que es, evidentemente, negro, porque rojo y verde, al superponerse en nuestro sistema de colores, forman el negro… pero no es neutro porque no tenga cargas. Algo diferente sucede, por ejemplo, con el fotón, que no tiene carga, pero no porque esté compuesto de cosas más simples con cargas de distintos colores, sino simplemente porque no la tiene. Y soy consciente de que, visto “desde lejos”, no se nota la diferencia. Pero esto es importante para entender a qué nos referimos cuando decimos que un objeto macroscópico “tiene carga eléctrica”.

Aunque vayamos lentos, permite que “construya” un protón de manera similar. El protón está formado por dos quarks up y uno down, es decir, en nuestro código de colores, dos verdes grandes como el de ahí arriba y uno rojo pequeño:




Al unir los tres…





Obtenemos un protón que, al contrario que el neutrón, no es completamente negro ni mucho menos:




El electrón, por su parte, es (hasta donde sabemos) una partícula fundamental, no formada por otras más simples, y su carga es, en nuestros términos, roja, y tiene un valor tres veces mayor que la de un quark down rojo del neutrón, es decir, en nuestros dibujos, un tamaño de tres cuadrados:




Cuando se unen un protón y un electrón para formar un átomo, éste es el resultado:




Y lo que se tiene entonces es un átomo de hidrógeno (el elemento de un protón en el núcleo), que es neutro:




Esta manera de ver el átomo “negro” es bastante útil cuando se lo mira desde lejos, porque ambas cargas están en equilibrio, pero en la realidad existen los dos tipos de carga en él (la positiva (verde) en el núcleo y la negativa (roja) alrededor de él). Si miras el átomo de cerca puedes ver, eléctricamente hablando, algo así (no está a escala ni mucho menos):




Pero, dado que la materia que nos rodea está compuesta de átomos, al mirarla desde lejos también suele ser “negra” como la hemos dibujado antes, es decir, un solapamiento casi total de cargas rojas y verdes. Es decir, nos parece que no notamos la carga de los objetos. Fíjate en que no digo “no notamos la carga”, porque ¡desde luego que la notamos!, pero no la reconocemos como lo que es. De eso hablaremos en un momento, cuando discutamos sobre la Ley de Coulomb.

En el resto del bloque alternaremos la nomenclatura tradicional (positiva/negativa) con la que hemos empleado en este epígrafe (verde/roja); utilizaremos la segunda, sobre todo, cuando nos sirva para desterrar alguna idea preconcebida causada por la nomenclatura normal. Mi recomendación: en uno u otro caso, intenta traducir en tu cabeza a la nomenclatura contraria, por si una de las dos te ayuda a comprender mejor una cuestión.

Lea el artículo completo en:

El Tamiz