Energía eléctrica

energía eléctrica

La energía eléctrica, también conocida como corriente eléctrica, es una especie de energía producida gracias al flujo de electrones a través de un medio. Esta clase de energía ocurre debido a la diferencia de potencial entre dos cuerpos interconectados por un conductor, se transmite a través de un medio, sea físico, líquido o gaseoso.

La física se ha encargado de estudiar el fenómeno eléctrico desde hace siglos atrás, por lo que el concepto de lo que es la energía eléctrica puede describirse tal como: El flujo constante de electrones desde un punto con exceso de electrones o de carga negativa, hasta otro punto con déficit de los mismos o bien que posea carga positiva, este escenario es bastante frecuente en la naturaleza y en innumerables procesos industriales.

La energía eléctrica se moviliza por medio de partículas subatómicas conocidas como electrones. Los electrones son partículas elementales contenidas en cada átomo y son capaces de cambiar el estado eléctrico de un cuerpo. Esta es la razón de que los electrones necesiten un medio tangible para transmitir su carga eléctrica.

Ejemplos de energía eléctrica

La energía eléctrica puede apreciarse de diversas formas, por ello cabe destacar varios ejemplos de energía eléctrica que los representen.

Las tormentas eléctricas

tormenta eléctrica
Se estima que un rayo es capaz de descargar entre 1.000 y 10.000 millones de joules, con 200.000 amperes de corriente y 100 millones de voltios.

Las tormentas eléctricas son el fenómeno natural más destacable en el planeta que puedan dejar ver el potencial de esta clase de energía. Consisten en descargas enormes de energía eléctrica, estas son el producto de la gran acumulación de electricidad y de diferencia de potencial entre las nubes de tormenta y la superficie terrestre, provocando así los relámpagos, que no son más que retazos de aire ionizado por el numeroso flujo de electrones.

El cuerpo humano

cuerpo humano

El cuerpo humano es un generador y conductor natural de energía eléctrica, tanto el hombre y como el resto de especies animales y organismos vivos, poseen sistemas nerviosos que funcionan gracias a las corrientes eléctricas que circulan a través de ellos. Por esto somos capaces de percibir ciertas cantidades de cargas de electricidad y de reaccionar rápidamente a los estímulos exteriores de nuestro ambiente.

Los electrodomésticos

electrodomésticos

Cada uno de los electrodomésticos, como su nombre muy bien lo indica, necesitan de ciertas cantidades de electricidad para encenderse y funcionar correctamente, que, para su implementación en la vida cotidiana de las personas, se transforma a otras clases de energía, tales como energía térmica, mecánica y lumínica.

Baterías

baterías eléctricas

El proceso químico responsable de que las baterías eléctricas puedan conservar y generar electricidad, es el responsable del funcionamiento de la mayoría de los aparatos eléctricos en la actualidad. El principio de este invento, es transformar la energía química que contienen, a energía eléctrica. Indispensables para teléfonos inteligentes, vehículos automotores, laptops, reproductores de música, audífonos inalámbricos y un sinfín de dispositivos eléctricos.

Iluminación

iluminación eléctrica

Luego de la idea revolucionaria por parte de Thomas Edison, las bombillas eléctricas han sido la pauta para alumbrar nuestra civilización. Cierto es que se han venido desarrollando avances y nuevas tecnologías para optimizar su funcionamiento, pero todas cumplen con la misma finalidad, recibir la energía eléctrica y transformarla en energía lumínica, sea por la incandescencia de un filamento al vacío o por la ionización de gases especiales.

Cómo se produce

generador de electricidad

La energía eléctrica se genera debido a la diferencia de potencial entre dos puntos, el cual se determina por la presencia o ausencia de las partículas elementales conocidas como electrones. Pero para que la energía sea liberada y se estabilice el sistema, se necesita de un conductor que comunique directamente ambos puntos con distinta carga, para que pueda ocurrir el flujo de corriente eléctrica.

Cómo funciona

La energía eléctrica trabaja con determinadas características y factores, los cuales han sido estudiados y utilizados a lo largo la historia. Por esto, hoy en día se puede sintetizar la naturaleza de este fenómeno mediante una serie de ideas básicas:

electricista

  • Medio conductor: La energía eléctrica puede movilizarse a través de un conductor eléctrico o cualquier cuerpo que permita el flujo de corriente eléctrica. Este puede ser físico, líquido o gaseoso, pero la corriente eléctrica tenderá a continuar el camino con menos resistencia para descargarse.
  • Generador: Es el que usualmente establece la diferencia de potencial en el circuito eléctrico. Proporciona la cantidad de carga en cuestión que será transmitida por el conductor.
  • Diferencia de potencial: Conocida comúnmente como tensión, determina el trabajo necesario para que una partícula cargada eléctricamente pueda desplazarse desde un punto A hasta un punto B.
  • Corriente eléctrica: Es el flujo de electrones que circulan a través del conductor eléctrico, producto del diferencial eléctrico entre dos puntos conectados.
  • Carga eléctrica: Propiedad intrínseca o adquirida de un material, el cual le da la capacidad de producir e interactuar con campos electromagnéticos, así como con otros materiales de distinta polaridad.

Tipos

La energía eléctrica puede demostrarse por medio de otras clases de energía conocidas. Tales como:

Energía electroestática

electroestática

La electricidad estática es una manifestación de energía o carga eléctrica. Es apreciable gracias a la acumulación de cargas eléctricas en un cuerpo, pueden llegar a notarse pequeñas descargas cuando los cuerpos cargados entran en contacto con otros cuya carga es opuesta.

Energía electromagnética

electromagnética

Se entiende como energía electromagnética, a la resultante entre la interacción entre un campo magnético y un campo eléctrico. Por lo tanto, toda representación de esta clase de energía, es un subproducto de la actividad eléctrica a distintos niveles, dado que toda corriente eléctrica genera un campo eléctrico y a su vez, los campos magnéticos son el resultado de materiales eléctricamente cargados.

Energía electroquímica

electroquimica

 

A nivel atómico, las reacciones químicas son llevadas a cabo por las distintas características entre las partículas y su entorno. Una de las propiedades básicas determinantes en estos procesos químicos es el estado eléctrico, que establece la interacción o repulsión entre distintas sustancias, dependiendo de la carga que posean, o en su defecto, de la cantidad de electrones.

Otros tipos

Hay otros fenómenos en los cuales la energía eléctrica se puede manifestar, siempre estará presente donde haya carga eléctrica, durante procesos metabólicos, interacción entre átomos, erupciones solares, son acontecimientos donde se libera energía de este tipo frecuentemente.

Usos

Tanto las corrientes como las cargas eléctricas se encuentran presenten en todos los aparatos eléctricos.

bus eléctrico

  1. En el transporte y la comunicación de toda clase, se utilizan dispositivos eléctricos que provocan la ignición del mecanismo en los vehículos, e incluso en la actualidad, existen vehículos que funcionan únicamente con electricidad. Igualmente, con los dispositivos de comunicación remota, todos utilizan señales generadas por electricidad.
  2. En cada uno de los distintos electrodomésticos que se utilizan diariamente, utilizan un mecanismo que requiere de la energía eléctrica. Todos ellos transforman la energía eléctrica en otras clases de energía útil para el uso cotidiano.
  3. En los procedimientos químicos llevados a cabo en laboratorios y en múltiples empresas, se utiliza la electricidad mediante un proceso llamado electrólisis, el cual permite separar compuestos, catalizar reacciones y facilitar la creación de polímeros que, de otra forma, sería imposible de llevar a cabo.
  4. En procedimientos médicos, se implementa la corriente eléctrica en desfibriladores para procedimientos de resucitación, tratamientos con electroshock. Del mismo modo, se utilizan las señales eléctricas emitidas por músculos y nervios, para estudiar la incidencia de enfermedades, lesiones y el rendimiento de atletas.
  5. En sistemas de seguridad actual, se utilizan cercas con corriente eléctrica para incrementar la seguridad en recintos públicos y privados, al igual que existen en muchos comercios lámparas atrapamoscas, las cuales eliminan todo insecto que se adquiera a ellas mediante descargas eléctricas.

Ventajas y desventajas

Este tipo de energía tiene numerosas ventajas y desventajas que deben considerarse.

Ventajas

  • La energía eléctrica puede transportarse a través de largas distancias, con las estructuras necesarias, puede trasladarse desde el sitio de generación hasta el punto de destino y uso final.
  • Gracias a diversos inventos de la humanidad y recursos aportados por la naturaleza, se trata de una fuente prácticamente inagotable de energía.
  • Se trata de un tipo de energía no contaminante, dado que se trata de una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.
  • Tiene un sinfín de utilidades en la civilización actual, la cual permiten una considerable mejor calidad de vida de la que se poseía siglos atrás.

Desventajas

  • Aunque se trate de una fuente bastante conocida de energía, cierto es que se necesita una determinada cantidad de dispositivos, materiales y una fuente alterna de energía para producirla y poder aprovecharla.
  • La energía eléctrica en sí no provoca emisiones nocivas o agentes contaminantes, pero las instalaciones y los combustibles utilizados sí lo hacen.
  • Si no se maneja o trata adecuadamente, corrientes eléctricas pueden ser perjudiciales y hasta letales para los seres vivos que se expongan a ella.
  • Para su transporte y almacenamiento, se necesita de una gran cantidad de materiales conductores y de químicos, cuestión que a grandes magnitudes, representa una inversión significativa para las partes involucradas.

Fórmula matemática

Para calcular la energía eléctrica se utilizan un conjunto de ecuaciones que permiten determinar el comportamiento de las cargas, pero para estudiar específicamente la corriente eléctrica, se puede emplear la ley de Ohm:

\[\]I= \frac{V}{R}/latex]

En esta ecuación

  • I= Intensidad de la corriente eléctrica.
  • V= Tensión establecida por la fuente de energía.
  • R= Resistencia de los cuerpos.

Energía Potencial

La energía potencial, se comprende como la capacidad que tiene un cuerpo dentro de un sistema de realizar un trabajo, gracias a su configuración o ubicación dentro del mismo. Este tipo de energía, está directamente relacionado con muchas otras, ya que puede manifestarse debido a la influencia de campos gravitatorios, eléctricos y magnéticos en objetos que contenidos en su área de influencia.

Luego de décadas de estudio, la energía potencial pasó de considerarse un subproducto de la energía cinética y gravitatoria, a calar en teorías y campos más complejos como lo son la física cuántica. Esta clase de energía hace referencia a cada uno de los objetos que son afectados por campos de fuerzas.

La energía potencial está contenida en cada uno de los cuerpos capaces de cambiar su posición y configuración. Tiene la particularidad de poder definirse por el tipo de interacción que se realice con el cuerpo en cuestión, como la incidencia de la gravedad, la naturaleza de un material elástico que acumula energía cinética o por la influencia de la energía estática y eléctrica.

Ejemplos

La energía potencial tiene la capacidad de demostrarse por diversos mecanismos, por ello es importante mencionar varios de los posibles ejemplos de energía potencial.

Relojería

Reloj

Los mecanismos internos de muchos relojes en la actualidad, aún se basan en modelos análogos, es decir, funcionan con resortes y péndulos que a su vez acumulan la energía cinética y permiten el normal funcionamiento de todo el minucioso interior de estos complejos objetos. A su vez, los relojes actuales, guardan la energía potencial eléctrica que los hace funcionar en baterías.

Montañas rusas

Montaña rusa
Al igual que muchas otras atracciones que funcionan a altas velocidades, las montañas rusas no necesitan generar todo el trabajo que les hacen adquirir tales velocidades a los carretes, utilizan buena parte de la energía potencial que reciben cuando se elevan a grandes alturas y se desplazan por pendientes pronunciadas, lo que les hace movilizarse velozmente.

Sistemas de amortiguación


En sistemas de transporte terrestre, se suelen diseñar elementos que amortigüen movimientos bruscos para los pasajeros. Estos elementos de amortiguación están compuestos de distintas piezas, entre ellas pueden componerse resortes, los cuales absorben y expulsan toda la energía cinética atrapada durante estos impactos de fuerza.

Baterías eléctricas

Pilas

Todas las baterías eléctricas contienen una determinada carga eléctrica, que se encuentra acumulada e inactiva, hasta el momento en el que se le introduzca en un circuito eléctrico, donde pueda liberarse la energía potencial eléctrica que ella contenga. Que a su vez ha sido el producto de la energía química, que es donde se basa el principio de estos elementos eléctricos.

Bandas elásticas

Sea para organizar billetes, para utilizarlas en ropa masculina y femenina, las bandas elásticas así como muchos compuestos elásticos, conservan la energía que las hace deformarse o estirarse, para luego recuperar su configuración original liberando la energía contenida.

Cómo se produce

La energía potencial se produce como el resultado de la acción directa de una fuerza sobre un objeto sin perjudicarla al instante, dado que se ha de necesitar un cambio en el sistema donde se desenvuelve el objeto, sea de posición o de estado, para que la fuerza influyente pueda manifestarse.

Tipos

La energía potencial puede demostrarse gracias a otras formas de energía bien conocidas. Tales como lo son:

Energía potencial gravitatoria


La energía potencial gravitatoria es una manifestación común de la energía potencial. Esta clase de energía se define por la masa que poseen dos cuerpos y por la distancia existente entre ellos, aunque desde nuestra perspectiva, pueda parecer mucho más evidente por ejemplo, la influencia gravitatoria de los planetas y cuerpos celestes que de cuerpos más pequeños en el espacio.

Energía potencial elástica


Se entiende como energía potencial elástica a la capacidad que tienen determinados materiales de poder recuperar su estado o forma inicial, cuando estos han sido sometidos a distintas fuerzas capaces de deformarlos, doblarlos o estirarlos.

 

Energía potencial electrostática


Similar a la energía potencial gravitatoria, esta clase de energía radica igualmente en la distancia habida entre dos cuerpos cualquiera y en el signo de la carga que posean, pudiendo repelerse al tratarse de dos cuerpos de carga similar o atraerse en el caso de que las cargas tuviesen signos distintos.

 

Energía potencial química


Se trata de la propiedad que contiene cada molécula o compuesto de generar y transformar energía mediante distintos procesos químicos; esto debido al rompimiento y formación de enlaces químicos y a la interacción entre los distintos compuestos, lo que hace posible procesos como la combustión, la metabolización de los alimentos, la fermentación, etc.

Usos

La energía potencial, en sus múltiples formas y mecanismos de funcionamiento, tiene cuantiosos usos y beneficios en la vida moderna, de tal manera que de este tipo de energía pueden encontrarse varios ejemplos claros.

En los portaaviones, para que los aviones despeguen y aterricen se utilizan «Bandas elásticas» de alta resistencia.
  1. En la ingeniería militar, se ha utilizado la energía potencial elástica en una gran cantidad de armas a lo largo de la historia, desde catapultas para tensar las sogas y la madera, ballestas, hondas y demás, hasta el mecanismo interno de las actuales armas de fuego, que utilizan resortes para reacomodar el gatillo a su posición original.
  2. En el funcionamiento de imanes y cuerpos ferromagnéticos, emplean la energía potencial electrostática contenida en ellos, que puede generar repulsión o atracción dependiendo del signo de la carga que contengan.
  3. El proceso químico que genera la ignición de los combustibles se lleva a cabo gracias a la energía potencial química que se libera al romper los enlaces de los compuestos orgánicos, lo que provoca la liberación de energía térmica necesaria para que los motores funcionen.
  4. La energía potencial nuclear utiliza la energía contenida en los átomos, al desestabilizar el núcleo de ciertos isótopos mediante la implementación de neutrones, es posible provocar una reacción en cadena que a su vez puede ser aprovechada en plantas nucleares.
  5. Los transbordadores espaciales la utilizaban en su momento y también se aprovecha la energía potencial gravitatoria para el retorno a la superficie de las cápsulas espaciales que se encuentran orbitando el planeta.

Ventajas y desventajas

Tipos de energía como la potencial representa muchas ventajas y desventajas que se deben conocer.

Ventajas

  • En la mayoría de los casos, la energía potencial permite aprovechar la energía contenida en los sistemas sin necesidad de generar mayores desperdicios o contaminantes.
  • Se trata de una fuente inagotable de energía, ya que como la gravedad y las propiedades electrostáticas de los cuerpos, son características propias de ellos, pueden seguirse aprovechando en el tiempo.
  • Tiene múltiples usos en la vida cotidiana del hombre y siempre ha estado presente durante el desarrollo de la tecnología.
  • Gracias a la energía potencial se pueden aprovechar las propiedades químicas de los alimentos y materiales para procesarlos e incluso conservarlos sin necesidad de utilizar energía eléctrica.

Desventajas

  • Para aprovechar la energía potencial en cualquiera de sus formas, debe implementarse tecnología, materiales especiales o bien hacer una inversión de energía para aprovechar luego la energía potencial.
  • De todas las clases de energía potencial, la energía química es de las únicas que conlleva una liberación de desperdicios y agentes contaminantes.
  • En el caso de la energía potencial aprovechada mediante procesos químicos, esta puede demorar cierto tiempo en manifestarse como ocurre con la fermentación, o puede generar grandes cantidades de desperdicios como es el ejemplo de los combustibles fósiles.
  • La energía potencial elástica es una de las más aprovechadas de todas las formas de esta energía, pero también es una de las que más rápido se deteriora, ya que al liberar y absorber energía, los materiales elásticos tienden a desgastarse y perder dicha propiedad.

Fórmula matemática

A continuación se presenta la ecuación empleada para calcular la energía potencial:

\[ Ep= m * g * h\]

En esta ecuación

  • Ep= Energía potencial.
  • h= Altura del cuerpo con respecto al nivel del mar.
  • m= Masa del cuerpo elevado.

Energía de la Biomasa

La bioenergía o energía de la biomasa, es el nombre utilizado para los tipos de energías derivados de la transformación de las biomasas mediante un grupo diversos de procesos. Estos procesos consisten en el aprovechamiento de la energía potencial que posee cada tipo de biomasa en energía útil para la sociedad. Para lograrlo debe primero sintetizarse las biomasas en sustratos que sean aprovechables según la forma en la que el organismo desee utilizarla.

En este sentido, la biomasa sea de origen animal (heces de ganado, desechos alimenticios, etc.) o vegetal (siembras bioenergéticas, desechos de la industria maderera y del papel), son refinados en productos de fácil carburación, los cuales pueden ser fácilmente utilizados en plantas de energía termoeléctrica.

Otros procesos de transformación de biomasa a bioenergía incluyen la degradación bacteriológica. Esta se lleva a cabo en los vertederos para obtener otros tipos de biocombustibles como el metanol. También, mediante refinaciones más complejas de la biomasa se puede obtener biohidrogeno y carburantes biológicos avanzados, todos estos ampliamente utilizados en la industria del transporte.

De esta manera, se puede resumir la transformación de la bioenergía en tres grandes grupos: energía eléctrica, energía calorífica y productos de carburación. Todos estos permiten mantener la calidad de vida de la sociedad moderna por medio de recursos ecológicamente sustentables.

Ejemplos de bioenergía

Ya se han mencionado anteriormente formas en las que se aprovechan las biomasas para obtener bioenergía, a continuación mostramos algunos ejemplos de energía de la biomasa de manera más detallada:

Biocombustibles orgánicos


En los vertederos se acumulan una innumerable cantidad de biomasa (tanto de origen vegetal como animal) fácilmente degradable por diversas bacterias. Estos microorganismos digieren la biomasa para obtener energía, un proceso que deriva en la producción de gases como el metano. En la producción de biocombustibles, estos gases son almacenados y refinados para obtener metanol y otros derivados combustibles que funcionan como una alternativa ecológica a la gasolina.

Siembras bioenergéticas


Actualmente en muchos países del mundo se llevan a cabo siembras de plantas comestibles de bajo coste, como por ejemplo, la caña de azúcar. Este de siembras no van orientadas a la industria alimentaria, sino que se aprovecha para obtener residuos carburantes o para ser quemadas directamente como combustibles en centrales termoeléctricas.

Células de combustible

También conocidas como pila de combustible o full cell en inglés, son un tipo de baterías cuya función no es la de almacenar energía eléctrica, sino más bien, transformar mediante procesos electroquímicos la biomasas en bioenergía. Esto se logra añadiendo sustratos fácilmente oxidables a un ánodo y otros reducibles a un cátodo. Mediante este proceso químico se obtiene como resultado energía eléctrica, calor y sustratos mayormente inocuos como el agua.

¿Qué puede usarse como biomasa?

En esencia, todos los productos biológicos son una biomasa con diferentes tipos de potenciales de aprovechamiento para ser transformados en bioenergía. No obstante, para lograrlo se necesita una correcta combinación de la biomasa con el equipo de refinación adecuado para ese tipo específico de biomasa.

¿Qué se requiere para producir biomasa y bioenergía?

Los Biodigestores son un ejemplo de transformación de residuos orgánicos en Gas.

Para poder obtener suficiente energía para encender un foco, mantener aviones en el aire o calientes los hogares de millones de personas en invierno, es necesario un estructurado proceso con el cual se produzca/recolecte la biomasa, se transporte, refine y luego se transforme en bioenergía. Se puede describir todo esto a continuación:

  • Producción/Recolección: La biomasa puede ser producida mediante la siembra agrícola de diversos productos, sean alimenticios o madereros, los cuales luego de su zafra pueden transportarse directamente para su carburación o bien a su refinación. Por otra parte, otras importantes fuentes de biomasa provienen de la recolección de material orgánico de la basura de nuestras ciudades, campos e industrias.
  • Transporte: Uno de las ventajas de la bioenergía frente a los combustibles fósiles es el rápido aprovechamiento de la biomasa, esto se debe a lo sencillo que resulta el transporte desde el campo o vertedero, hasta los centros en donde se vayan a procesar las biomasas. En cambio, los productos fósiles como el petróleo, deben ser explorados, explotados y transportados desde sitios que la mayoría de las veces se encuentran distantes de las refinerías.
  • Refinación: A excepción de los productos agrícolas y de desecho que sean usados directamente como combustibles en la generación termoeléctrica, la mayor parte de las biomasas deben ser primero refinadas en sustratos aprovechables. Para ello se requiere hacer pasar la materia prima por los distintos procesos de transformación. Así, por ejemplo, los desechos de la industria de la madera deberás primero refinarse en palets antes de ser usados como combustibles para termoeléctricas o de calefacción.
  • Transformación: Este es el proceso final en donde el sustrato de la biomasa es aprovechado como energía, pudiendo presentarse en forma de energía eléctrica o directamente en forma de calefacción.

Usos

Como se mencionó al principio, la utilización de la bioenergía puede simplificarse en tres grandes vertientes; la energía eléctrica, carburantes o energía para el transporte y la calefacción. Explicamos con más detalle:

El Biodiesel – producto elaborado con Maíz
  1. Mediante transformaciones termoeléctricas se puede obtener energía eléctrica de distintas biomasas. Esta se puede distribuir fácilmente mediante las redes de electrificación que suministran energía eléctrica a todos nuestros hogares.
  2. Al sintetizar biocombustibles y biocarburantes avanzados podemos hacer funcionar los motores de combustión interna de los automóviles, barcos o aviones.
  3. Otro uso importante de la energía de la biomasa es la generación eléctrica mediante pilas de energía, estas pueden alimentar automóviles eléctricos sin generar contaminación agregada.
  4. Al añadir leña a una fogata o chimenea, estamos haciendo uno de los usos más sencillos de la biomasa, se trata de la combustión de la materia orgánica para obtener energía calórica.

Ventajas y desventajas

Como cualquier tipo de energía utilizada por el ser humano, la energía de la biomasa también presenta ventajas y desventajas que deben examinarse:

Ventajas

  • Posee un costo relativamente bajo en la producción bioenergía y su transformación en energía eléctrica, biocombustibles o calor.
  • Existen abundantes fuentes de biomasa, ya que puede recolectarse de la basura, los desechos de materia orgánica o como derivado de la siembra en los campos.
  • La biomasa es un material biosustentable que no tiende a generar residuos contaminantes durante su transformación en otros tipos de energías.

Desventajas

  • La industria de la generación de bioenergías es producción/dependiente, por lo cual la cantidad de energía transformada será codependiente de la cantidad de biomasa producida.
  • La mayoría de las bioenergías de bajo costes siguen siendo contaminantes. Con esto nos referimos a la quema de sustratos carburantes en la industria termoeléctrica, la cual sigue generando gases de efecto invernadero.
  • Los distintos tipos de bioenergías de baja o nula contaminación dependen de la disposición de alta tecnología y la utilización de los sustratos de biomasas correctos.

Energía Térmica

La energía térmica es una energía que se manifiesta gracias a la excitación cinética de las partículas que conforman los materiales. La energía térmica puede transmitirse mediante la liberación de calor, trabajo o reacciones químicas que alteren el estado originario de una sustancia. Se produce naturalmente a través de distintos fenómenos fácilmente apreciables, por lo que desde milenos, la humanidad le ha intentado sacar el máximo provecho.

Desde que el hombre ha logrado utilizar el fuego para sus propios fines y mantener su temperatura corporal construyendo chozas y ropajes, se ha esmerado en comprender el concepto de la energía térmica, que se puede entender como: Es el estado energético en el cual los átomos de un cuerpo se encuentran en constante agitación y movimiento caótico, este estado puede ser transmitido entre distintos materiales y transformado en otras formas de energía.

La energía térmica puede transmitirse entre toda clase de cuerpos en contacto. Tal como ocurre con la energía cinética, debe traspasarse de partícula en partícula para movilizarse. De la misma forma, se puede provocar incrementos importantes de temperatura mediante radiación y propagación de ondas. La velocidad a la que esta clase de energía puede trasladarse dependerá de las características del material y de la distancia existente entre los cuerpos.

Ejemplos

La energía térmica, al ser una característica ineludible en todos los materiales, puede demostrarse su actividad muchas maneras, por lo que no será difícil encontrar ejemplos de energía térmica.

Calor corporal


Un factor esencial para la supervivencia de casi todas las especies vivientes, es su capacidad para resistir temperaturas externas y mantener su propio calor corporal. Más allá de la sensación reconfortante que otorga una temperatura media, es necesaria para que los organismos vivos puedan metabolizarse correctamente, mantener en buen estado sus tejidos, membranas y órganos vitales para su supervivencia.

Actividad volcánica

Además de las elevadas presiones que puedan dominar en el interior del planeta, existen temperaturas descomunales capaces de fundir toda clase materiales habidos en la litósfera. La enorme cantidad de energía térmica permite el movimiento de placas tectónicas, al convertir en estado líquido las rocas, permite la superposición y desplazamiento gradual de las mismas, a su vez que mantienen activo el campo magnético de la Tierra por su rotación constante.

Luz solar


El ejemplo más eminente y significativo del que se puede tomar registro, es la presencia del sol. A través de la radiación emitida en su superficie, calienta planetas, satélites y demás cuerpos celestes. Es el factor más determinante del clima terrestre, la incidencia de los rayos del sol define las temporadas de lluvia y sequía, estaciones, costumbres de seres vivientes y el comportamiento de las mareas.

El fuego


Desde que la humanidad aprendió a dominarlo, el fuego ha sido la principal fuente del hombre cuando hay ausencia de luz solar. Incluso hoy en día, se puede decir con certeza que miles de personas alrededor del mundo utilizan en fuego para obtener calor. Y en su forma más elemental, el fuego se trata del resultado de una reacción química, de la ignición de un combustible en presencia de oxígeno, que da como resultado la liberación de calor y luz visible.

Cómo se produce

La energía térmica proviene de la excitación cinética de los átomos, que a su vez, pueden obtener este estado gracias a la intervención de otros tipos de energía; como la energía eléctrica, electromagnética y la resultante de diversos procesos químicos exotérmicos. También se tiene conocimiento de que la energía cinética, mediante la fricción, es capaz de generar importantes cantidades de calor.

Cómo funciona

La energía térmica tiene la capacidad de transmitirse a través de tres mecanismos bien definidos y estudiados por la ciencia. Por esto, actualmente se pueden diferenciar claramente los mecanismos por los que ésta se transfiere:

El calor de las brasas se siente sin estar en contacto con ellas, transferencia por Radiación.
  • Transferenia por radiación: Esta clase de transferencia no amerita que los cuerpos se encuentren en contacto directo para transmitirse la energía térmica, es posible gracias a que la energía se adquiere y emite mediante ondas electromagnéticas.
  • Transferencia por conducción: Al contrario de como ocurre con la transferencia por radiación, esta transferencia se refiere a la transmisión de calor de un cuerpo a otro mediante contacto directo.
  • Transferencia por convección: Similar a la transferencia por conducción, ésta se lleva a cabo entre las partículas existentes en un mismo fluido, sea un líquido o un gas, donde las porciones dentro de la solución van equilibrando su temperatura a medida que el calor se transmite entre las partes.

Tipos

La energía térmica es el producto directo de varias formas de energía bien conocidas, entre las que pueden mencionarse se tienen las siguientes:

Energía radiante


La energía radiante es la resultante de la acción de ondas electromagnéticas, contienen una energía tal que tienen la capacidad de incrementar la temperatura del cuerpo donde inciden o del medio por el que viajan.

Energía química


En gran cantidad de procesos químicos, la rotura de enlaces en los compuestos o la formación de los mismos, pueden generar energía térmica. De igual manera, en laboratorios y procedimientos industriales se debe llevar el control de la temperatura, dado que puede afectar la composición y estado de los materiales.

Energía cinética


Es en esencia la naturaleza de la energía térmica, el movimiento de las partículas. A mayor escala, la energía cinética, mediante la fricción de los materiales, transforma parte de la energía en calor, como puede apreciarse en los frenos de los vehículos al detenerse.

Usos

La energía térmica está contenida de una forma u otra en cada cuerpo del universo, así como está presente en cada proceso doméstico e industrial, los ejemplos no son difíciles de cuantificar.

Hornos de Olería, producción de ladrillos.
  1. Para calentar los alimentos se emplean cocinas, hornos y un sinfín de elementos para preparar diferentes tipos de comidas y bebidas, se obtiene mediante la energía eléctrica o el suministro de gas inflamable.
  2. Para calentar construcciones y edificios se utilizan sistemas de calefacción que regulan la temperatura de los ambientes internos, calentando directamente el aire, superficies y el agua potable.
  3. En la producción de energía generalmente se aprovecha indirectamente la energía nuclear y la solar, mediante el calentamiento y evaporación de grandes volúmenes de agua, las cuales provocan a su vez el funcionamiento de turbinas generadoras de energía.
  4. En procesos industriales para fabricar y procesar la materia prima, normalmente se requiere energía térmica, se trate del sector de la tecnología, construcción, medicina o cualquier otra actividad comercial que necesite un riguroso procesado de materiales.

Ventajas y desventajas

Esta clase de energía puede conllevar tanto ventajas como desventajas que deben considerarse por igual.

Ventajas

  • La energía térmica tiene diversos usos en la industria, lo que permite transformar la materia prima en productos más manejables para la producción de bienes.
  • En el ámbito doméstico puede aprovecharse fácilmente en cada aspecto cotidiano, como la cocina o calefacción, dado que no requiere de mucha experiencia ni conocimiento profesional para su uso.
  • Es abundante en la naturaleza, se consigue fácilmente a través de la radiación solar y quema de combustibles.
  • Permite aprovechar otras clases de energía, como ocurre con la nuclear y la solar.

Desventajas

  • Al aprovechar la energía térmica mediante la quema de combustibles fósiles, se generan agentes contaminantes al ambiente.
  • Es difícil de controlar a grandes escalas, cuando se calienta un cuerpo a elevadas temperaturas, usualmente debe transcurrir un largo período de tiempo hasta que se estabilice la temperatura o se vuelva manejable el material.
  • Para mantener una temperatura alta en un espacio o de un material con respecto a su entorno, se deben utilizar grandes cantidades de otras clases de energía, sea en forma de combustibles, energía eléctrica o energía radiante.

Fórmula matemática

Para calcular la energía térmica, se puede utilizar la siguiente ecuación, la cual determina la cantidad de energía contenida en un sistema controlado, también conocido como calor específico:

\[c= m/C\]

En esta ecuación

  • c= Calor específico
  • m= Masa de la sustancia.
  • C= Capacidad calorífica.

Energía Reticular

La energía reticular, o también llamada energía de red, es aquel tipo de energía que es liberado cuando se altera la estructura iónica de un compuesto, esto es, cuando se separa un mol del compuesto iónico en iones gaseosos, o cuando los iones gaseosos se unen para formar un compuesto. De esta forma, la energía reticular es una medida de la estabilidad de un compuesto iónico particular.

En química física, la energía reticular es considerada como exotérmica y similar a la entalpía (energía termodinámica de las reacciones químicas), en el sentido que ambas son representadas como tasas de unidades de energía por mol de sustancia. Sin embargo, a la energía reticular le corresponde el signo opuesto al de la entalpía, debido a la unión de iones gaseosos separados en el vacío forman una retícula iónica.

Fisión nuclear

El estudio de la energía reticular inició durante las investigaciones de la estructura molecular de sales y minerales, compuestos como la sal común y la blenda. Posterior el estudio esta energía se extendió, y ahora abarca a metales, azucares, diamante, entre otros.

La medición de la energía reticular se realiza de manera indirecta mediante el uso de modelos iónicos, los cuales se construyen mediante las ecuaciones de la electrostática, siguiendo la ley de Coulomb. No obstante, también es posible estimar la energía reticular por medio de principios termodinámicos; en especial por la primera ley de la termodinámica, en los ciclos de Born-Haber.

Cómo se produce

La energía reticular se produce debido a alteraciones en estructuras iónicas, pudiendo ser una liberación o acumulación de energía termodinámica. Este tipo de energía puede ser producido por la separación de una cantidad dada de sustancia de un compuesto iónico, la cual está compuesta por iones en estado gaseoso. Asimismo, cuando iones gaseosos específicos reaccionan para formar un compuesto, se origina una acumulación de energía reticular.

Compuesto iónico

Por lo tanto, en un nivel fundamental el origen de la energía reticular se debe a los enlaces iónicos entre corpúsculos cargados, representándose como una liberación o acumulación de energética, según se formen o se rompan los enlaces entre los iones. Por ejemplo, en la reacción que da lugar a la producción de la sal común, la energía reticular es liberada cuando reaccionan el catión gaseoso de sodio y el anión gaseoso de cloro, para formar cloruro de sodio (sal común).

 

Cómo funciona

El funcionamiento de la energía reticular es entendido por medio de modelos iónicos, en los cuales los cationes (ion positivo) y aniones (ion negativo) interaccionan y forman una red electrostática; solo en caso que el compuesto sea sólido. Aunque, también es posible vislumbrar el mecanismo de la energía reticular mediante experimentos termodinámicos de tipo cíclico.

Enlace covalente
  • Enlace iónico: es aquel que resulta de la atracción electromagnética entre iones de carga opuesta, es decir, entre un catión y anión. En este enlace uno de los átomos cargados recibe el electrón del otro. La atracción electromagnética entre cationes y aniones posibilita la formación de compuestos, sin necesidad de que los átomos cargados se fusionen. Este tipo de enlace depende de la electronegatividad de ambos iones.
  • Ley de Coulomb: es la base de los modelos iónicos, ya que permite conocer la fuerza electrostática con la cual se atraerán los cationes y aniones de una red, obedeciendo el principio de conservación de energía. Pero, lo más importante es que esta ley establece que la fuerza electrostática entre iones es directamente proporcional a su carga, e inversamente proporcional a la distancia que los separa.
  • Ley de Hess: es un caso especial de la primera ley de la termodinámica, empleada para comprender los flujos de calor durante reacciones químicas. Esta ley enuncia que cuando los reactivos reaccionan para producir compuestos el calor, generado o absorbido, es independiente de la cantidad de etapas que le tome a la reacción para finalizar. Esto suele interpretarse como que en las reacciones químicas los flujos de energía termodinámica son aditivos.
  • Ciclos de Born-Haber: estos ciclos surgen de la aplicación de la Ley de Hess, y permiten evaluar experimentalmente la energía reticular, analizando el ciclo termodinámico que se produce cuando la energía es directamente almacenada en la estructura de un compuesto iónico, producida por reactivos particulares, o cuando la energía es transferida indirectamente durante la formación del compuesto iónico.

    Ley de Coulomb

Fórmula matemática

La fórmula matemática de la energía reticular está dada por la electrostática del modelo iónico. Este modelo iónico generalmente es descrito por la ecuación de Born-Landé, que deriva la energía reticular del potencial eléctrico de la red iónica y de una energía potencial repulsiva.

\[U_{0}=-\frac{N_{A}*M*z^{+}*z^{-}*q^{2}}{4*\pi*\epsilon_{0}*r_{0}}*\frac{n-1}{n}\]

Dónde:

  • U0: energía reticular.
  • NA: constante de Avogadro (6,02×1023mol-1)
  • M: constante de Madelung
  • z+: carga del catión.
  • z: carga del anión.
  • q: carga fundamental del electrón.
  • ε0: constante dieléctrica del vacío (8,85×10-12 C2*N-1*m-2).
  • r0: distancia entre los iones.
  • n: exponentes de Born.

Energía Potencial Gravitacional

La energía potencial gravitacional, directamente dependiente de la fuerza gravitatoria, es una especie de energía provocada por la influencia de los campos gravitatorios. Esta clase de energía puede manifestarse gracias que dos cuerpos con masa se aproximen de una manera tal, que cada uno pueda incidir en el estado del otro cuerpo.

Tanto en la física como en la astrofísica se han hecho estudios exhaustivos desde los tiempos de Newton, acerca de esta energía potencial, y gracias a ello puede definirse claramente como: La energía resultante de que dos cuerpos con masa definida estén a una determinada distancia del otro, logrando atraer o desviar un cuerpo mediante la acción de la gravedad producida por los cuerpos.

La energía potencial gravitacional se despliega a través del espacio mediante un campo gravitacional. Estos campos son producidos debido a la existencia de cierta cantidad de masa en un punto, cuando mayor sea la masa, mayor será la intensidad de su influencia y mayor será el alcance de la misma. De igual forma, todos los cuerpos que tengan masa, serán afectados por estos campos gravitatorios.

Ejemplos

La energía potencial gravitacional puede apreciarse a simple vista de muchas maneras, por lo que se pueden destacar algunos de los claros ejemplos de energía potencial gravitacional.

Estrellas fugaces


Este fenómeno tan atractivo visualmente desde la superficie terrestre, ocurre tanto por la acción de la fricción de los cuerpos provenientes del espacio contra la atmósfera, como por la energía potencial gravitacional que contenían, lo que hace que aquellos meteoritos y demás objetos que están en la zona de influencia gravitatoria de la Tierra sean atraídos por ella por su gran masa.

Satélites en órbita


Por satélites pueden entenderse como todos aquellos cuerpos que orbitan a otro en el espacio y los acompañan durante su traslación. Este es un claro ejemplo natural de esta clase de energía potencial. A pesar de que los objetos se observarse estáticos en una órbita constante, estos movimientos son el equilibrio entre la energía potencial gravitacional y la energía cinética que los mantiene alejados de la superficie, lo que hace que los satélites estén siempre en “caída libre”.

Gimnasia


Tal vez no se calcule al igual que la energía potencial de los satélites, pero de igual forma, los gimnastas deben manejar con habilidad su energía cinética y su energía potencial gravitacional. En especial por los movimientos rápidos y las grandes alturas que alcanzan estos deportistas, la energía acumulada en su totalidad puede provocar graves lesiones en los miembros y articulaciones si la persona no es capaz de soportarla.

Montañas con material suelto


Se puede apreciar en los derrumbes de laderas, avalanchas de nieve y desprendimientos de rocas, que todos los cuerpos y grandes masas de tierra contenidos a una gran altura, acumulan una tremenda energía potencial gravitacional, llegando a arrasar con poblados y hectáreas de vegetación.

Deportes de nieve

Es difícil enumerar un deporte donde no se tome en cuenta este tipo de energía. Incluso en las disciplinas deportivas de invierno, se deja ver un notable aprovechamiento de la energía potencial gravitacional, como ocurre en el snowboarding, tubing, esquí y muchas otras actividades de la nieve, ya que constan en dejarse llevar por la gravedad a través de superficies lizas o de fácil deslizamiento.

Cómo se origina

La energía potencial gravitacional se origina debido a la influencia y fuerza ejercida por un campo gravitatorio sobre un cuerpo con masa, lo que hace que el cuerpo sea capaz de movilizarse si su configuración en el sistema se lo permite. Esta clase de energía, se encuentra en aquellos cuerpos que tienen la capacidad futura de dejarse influenciar por esta fuerza gravitatoria y que de alguna forma pueden incluso aprovecharse para beneficio del humano.

Campo gravitacional terrestre

Cómo funciona

La energía potencial gravitatoria se puede comprender y simplificar en unos cuántos factores, que son los más importantes en esta clase de energía. Llegando a entender estos conceptos simples, se puede tener una noción suficiente de cómo funciona esta energía:

  • Campo gravitacional: Es aquel que define el área de acción e influencia de un cuerpo con masa en el espacio. Se entiende como un sector, donde se deforma la curvatura espacio temporal y tiende a redirigir los demás cuerpos hacia el cuerpo celeste.
  • Aceleración: Una de las características de los cuerpos con masa dentro de los campos gravitacionales, es que una vez dentro de ellos, comienzan a acelerar en dirección de encuentro mutuo.
  • Masa: Colocada en el epicentro del campo gravitacional, determina la intensidad del mismo, al igual que se puede estimar la cantidad de energía que será liberada una vez que el cuerpo cambie de configuración.
  • Altura o distancia: Determinarán la cantidad de energía potencial a ser liberada, a mayor distancia del centro donde se contiene la masa, mayor será la energía a aprovechar en el sistema. Por lo que también será mayor la aceleración que adquiera desde que fue afectado por el campo hasta liberarse completamente su energía.

Tipos

La energía potencial gravitacional puede manifestarse mediante otras clases de energía. De entre las cuales se pueden mencionar:

Energía cinética


La energía cinética en muchos casos cotidianos es el producto de la energía potencial gravitacional. Cuando se trata de sistemas de fuerzas, al existir la energía potencial gravitatoria, usualmente se estabiliza con la energía cinética, incluso en su forma de cálculo más simple, ambas energías se estiman de forma similar.

Energía mecánica


La energía mecánica es el producto final de las fuerzas cinéticas y potenciales existentes es un sistema, por lo que incluye en consideración, a la energía potencial gravitatoria. Muchos sistemas y configuraciones mecánicas, toman en cuenta para su funcionamiento a la acción potencial de la gravedad.

Radiación hidráulica


El aprovechamiento de la energía hidráulica ocurre gracias a la acción del movimiento del agua que pasa a través de una turbina que genera una corriente eléctrica. Funcionamiento que solo puede llevarse a cabo, por el movimiento de las grandes masas de agua, que a su vez, son desplazadas por la acción de la gravedad, muchas veces desde grandes alturas hasta puntos más bajos donde se aprovecha la energía acumulada del trayecto.

Usos

La energía potencial gravitacional está latente incluso cuando las personas están de pie, simplemente por tener una altura y una masa definidas, se tiene una energía potencial gravitatoria, que puede tener diversos usos y finalidades.

Grúas en un puerto de carga.
  1. Para generar mayores velocidades en las atracciones turísticas y parques temáticos, estas estructuras y mecanismos están específicamente diseñados para soportar y aprovechar la energía potencial gravitatoria inerte en casa uno de los elementos, creando así una mejor experiencia para los usuarios.
  2. Los ascensores necesitan subir y bajar a la suficiente velocidad como para ser una opción indiscutible ante el uso de las escaleras, así que se utilizan juegos de contrapesos, los cuales se liberan y generan la suficiente energía potencial y cinética como para elevar o descender grandes cargas con seguridad y rapidez.
  3. Los sistemas de montacargas pesadas utilizan sistemas similares al de los ascensores, como lo son las grúas, emplean pesas en el extremo opuesto al de agarre, para poder estabilizarse mediante la gravedad ante el movimiento de objetos, contenedores, cargas y demás elementos que tengan un peso considerable.
  4. En el ámbito de la relojería clásica, se puede apreciar la conservación de la energía potencial gravitatoria en el movimiento constante de los péndulos, que aprovechan la energía cinética y la energía potencial por igual, para optimizar el funcionamiento de estos mecanismos.

Ventajas y desventajas

Esta clase de energía tiene aspectos positivos y negativos a tomar en cuenta si se desea comprender en su totalidad.

Ventajas

  • En esencia, es un tipo de energía que no genera ninguna clase de desperdicios o contaminantes.
  • Ya que es una propiedad intrínseca que adquieren los cuerpos con masa en la naturaleza, su intensidad solo depende de la altura y de la masa que contengan.
  • Puede obtenerse de cualquier objeto que esté a determinada altura.
  • Su implementación en la ingeniería ha facilitado la capacidad para levantar cuerpos pesados a grandes alturas.
  • Dado que se consideran pocos factores en su comportamiento, una vez conocidos todos los datos, es relativamente sencillo hacer los cálculos de esta energía y predecirla.

Desventajas

  • Si bien puede aprovecharse solo con tener objetos elevados, muchas veces se necesitan utilizar otras clases de energía para levantar los cuerpos, lo que no siempre resulta rentable.
  • Al tener que trabajarse a grandes altitudes y con grandes masas, la energía potencial gravitacional puede convertirse también en un riesgo potencial para todo aquel que se encuentre en alturas menores.
  • Al depender directamente de la gravedad, se trata de una energía en potencia sumamente compleja de controlar cuando intervienen grandes velocidades o numerosos factores externos que la manipulen.
  • La capacidad de aprovechar esta energía está limitada a la altura o distancia a la que se encuentren los objetos dentro del sistema.

Fórmula matemática

Para calcular la energía potencial gravitacional estudiada y descrita por Newton, se implementa una ecuación que garantiza calcular la energía en potencia de un cuerpo en la superficie terrestre:

En esta ecuación

  • = Energía potencial gravitatoria.
  • h= Altura del cuerpo con respecto al nivel del mar.
  • m= Masa del cuerpo elevado.

Energía Oscura

La energía oscura es un tipo de energía exótica que está inherentemente ligado al espacio, que solo es capaz de interactuar mediante la gravedad. Su principal efecto es la aceleración de la expansión del universo, por lo que ejerce una fuerza gravitacional repulsiva que separa las galaxias, a pesar de su atracción gravitacional.

Galaxia en espiral, resultado de una colisión de galaxias

La energía oscura es uno de los grandes misterios de la física moderna, puesto que todavía no existe suficiente evidencia observacional y experimental que apoye la teoría de alguno de los tanto modelos propuestos. Sin embargo, la corriente ortodoxa de la física, en el modelo cosmológico estándar, establece que la energía oscura es descrita por la constante cosmológica de Einstein, la cual es una densidad energética propia del universo, una propiedad del espacio vacío.

El hecho de que la energía oscura se mantenga misteriosa es sorprendente, ya que este tipo de energía aporta aproximadamente el 68,3% de la masa del universo, según las estimaciones efectuadas bajo el modelo estándar de la cosmología, sin embargo ésta resulta ser muy poco densa, del orden de los 10-29gr/cm3. Es probable que se necesite una nueva física, que transcienda las limitaciones de los modelos aceptados y que comprenda una teoría de gravedad cuántica.

Cómo se produce

Bing Bang, teoría del origen del universo.

Según el modelo estándar de cosmología (Lambda-CMB), la energía oscura es producida por el propio universo, como un costo por tener espacio. Este costo técnicamente es conocido como constante cosmológica, y es un elemento clave en la ecuación de la relatividad general para describir la evolución del universo.

La constante cosmológica es una especie de energía de vacío, incorporada a cualquier volumen de espacio. Por ello, la constante cosmológica, como energía oscura, es capaz de mantener constante su densidad energética a pesar que el volumen del espacio se incremente. Esta propiedad de la energía oscura le otorga la capacidad de ejercer una presión negativa, que repele en lugar de atraer partículas masivas.

La energía oscura ha estado presente desde el mismo inicio del universo, pero actualmente se ha vuelto intensa gracias a la constancia de su densidad, mientras que la densidad de la materia (corriente y oscura) ha ido decreciendo con la expansión del universo, que empezó a acelerarse hace aproximadamente 600 millones de años.

Cómo funciona

Para entender cómo funciona la energía oscura bajo las matemáticas del modelo cosmológico estándar conviene tratar 3 características, o fundamentos, de la física incompleta de la energía oscura, que hasta ahora han sido verificados por observaciones y/o aceptados por la comunidad científica.

Materia oscura, simulación.
  • Presión negativa: a diferencia de un líquido normal que, almacenado en un contenedor, empuja (presión positiva) a las paredes internas, la energía oscura ejerce una presión opuesta, que dado el caso, jalaría las paredes internas de cualquier contenedor en el que fuera depositada. En la teoría de la relatividad general, la presión negativa de la energía oscura provoca una repulsión gravitacional, observada como la expansión cósmica.
  • Densidad constante: al ser descrita como constante cosmológica, la energía oscura tiene la capacidad para mantener su densidad energética constante, mientras el espacio se expande; una cualidad que la materia no posee. Esto se debe a efectos termodinámicos, que a su vez, le proporcionan la interacción gravitacional repulsiva anteriormente descrita.
  • Fluctuaciones cuánticas del vacío: así como la energía oscura está asociada a la constante cosmológica, también lo está con la energía del vacío. En mecánica cuántica el vacío no es del todo vacío, ya que en él interactúan un sinfín de campos cuánticos, los cuales oscilan, variando su energía en función del tiempo. La interacción de todos los campos cuánticos es el motor que enciende la energía oscura.

Cuáles son las evidencias de la existencia de energía oscura

La existencia de energía oscura es uno de los asuntos que al que los físicos le han dedicado bastante tiempo de investigación, por lo que ha quedado saldado, pero por medio de observaciones indirectas:

Expansión del Universo, representación gráfica.
  1. La medición de distancias cósmicas y sus relaciones de corrimiento al rojo, que sugieren que el universo se expande aceleradamente.
  2. Observaciones cosmológicas, sustentadas por el fondo cósmico de microondas, indican que el universo es plano. Por ello, se requiere un nuevo tipo de entidad física, diferente a la materia ordinaria y a la materia oscura, para explicar este hecho.
  3. Medidas de los patrones de onda a gran escala de la densidad de masa del universo.

Fórmula matemática

Es importante aclarar que por ahora no existe una fórmula matemática precisa para describir la naturaleza de la energía. Sin embargo, el modelo cosmológico estándar emplea la ecuación de campo de Einstein para describir la evolución dinámica de un universo en expansión acelerada.

\[R_{\mu\nu}-\frac{1}{2}*R*g_{\mu\nu}+\Lambda* g_{\mu\nu}=\frac{8*\pi*G}{c^{4}}*T_{\mu\nu} \]

Dónde:

  • Rμν: Tensor de Ricci.
  • gμν: Tensor métrico.
  • Λ: Constante cosmológica.
  • R: Escalar de Ricci.
  • Tμν: Tensor energía-impulso.
  • G: Constante de gravitación universal (6,67×10-11m3*kg-1*s-2).
  • c: Velocidad de la luz (3×105km/s).

 

 

Energía Hidroeléctrica

La energía hidroeléctrica es un tipo de energía que resulta de la síntesis entre la energía hidráulica y la energía eléctrica, aprovechada por el ser humano para producir electricidad mediante infraestructuras hidráulicas y dispositivos electromecánicos, constituyendo lo que se conoce como complejo hidroeléctrico.

Desde el punto de vista de la física, la energía hidroeléctrica implica una doble conversión energética. En primer lugar, la energía del movimiento del agua se transforma en energía hidráulica, gracias a diferencias de altura en el terreno y el flujo del líquido. Luego, la energía hidráulica es convertida en energía eléctrica por medio de dispositivos electromecánicos (turbinas y generadores), los cuales siguen los principios electromagnéticos de Faraday.

Generalmente, para obtener energía hidroeléctrica se construyen grandes complejos hidroeléctricos, los cuales están compuestos por una presa, un embalse y una central eléctrica. La primera central hidroeléctrica del mundo fue construida en los Estados Unidos en el año 1879.

La energía hidroeléctrica, también conocida como hidroelectricidad, es la energía renovable más utilizada en el mundo, ya que 150 países se dedican a su producción. Por ello, no sorprende que la energía hidroeléctrica represente cerca del 17% de la electricidad consumida en el planeta. Siendo China el líder mundial en la producción de hidroelectricidad, debido a la magnitud constructiva de la presa de las 3 Gargantas y la presa Xiluodu.

Ejemplos

A pesar de lo que se pudiera pensar, la energía hidroeléctrica puede ser ejemplificada de varias maneras, que ilustran los diferentes estados de movimiento del agua en la naturaleza. Los ejemplos más representativos son los siguientes:

Centrales hidroeléctricas


Son instalaciones que constituyen los grandes complejos hidroeléctricos, que se encargan de transformar la energía hidráulica, obtenida del potencial gravitacional del agua del embalse, en energía mecánica a través de turbinas. En la siguiente etapa, un generador se ocupa de convertir la energía mecánica de la turbina en energía eléctrica, gracias a que cuenta con unos electroimanes que inducen corriente de alta tensión en cables conductores.

Estaciones hidroeléctricas


A diferencia de las centrales hidroeléctricas, las estaciones hidroeléctricas obtienen la energía hidráulica de la energía cinética de los ríos, o de cualquier flujo constante que provenga de una fuente (artificial o natural) que se encuentre aguas arriba. Por sus características, estas estaciones son incapaces de generar una reserva de agua, obligando al uso inmediato de la hidroelectricidad producida, haciendo posible desperdiciar energía hidroeléctrica.

Central eléctrica de mareas


Esta es una instalación que hace uso de la energía hidráulica es del tipo mareomotriz, es decir, aquella que proviene de la dinámica predecible de las mareas; a medida que aumenta y disminuye el nivel del mar. La energía de las mareas es básicamente energía cinética, que genera una serie de fenómenos en las profundidades marinas, como las ruedas de agua. Además, en condiciones ideales es posible construir reservorios que permitan atender periodos de alta demanda eléctrica.

Cómo se produce

Saltos del Guairá – Paraguay, hoy desaparecido por su potencial hidráulico, alimenta una de las Hidroléctricas más grandes del mundo, ITAIPU.

Como bien se ha mencionado en un principio, la energía hidroeléctrica se produce, principalmente, debido a una doble sucesión de transformaciones físicas. Esta sucesión de transformaciones es provocada por el ser humano, y generalmente es ilustrada en el funcionamiento de un complejo hidroeléctrico.

Al estar compuesto el complejo hidroeléctrico por una presa y un embalse, la primera sucesión transformadora conlleva el pasar de energía potencial a energía hidráulica. El embalse contiene agua con gran potencial gravitacional, debido a la altura del volumen almacenado. Por el empuje gravitacional el agua entra en movimiento y es extraída por unos ductos incorporados en la presa, los cuales la llevaran hasta las turbinas.

Al entrar en contacto con las turbinas, el agua en movimiento hace que giren, provocando que la energía hidráulica se convierta en energía mecánica, una transformación secundaria. Debido a que las turbinas hidráulicas se encuentran conectadas a unos generadores, el giro de los rotores es convertido en energía eléctrica por medio de electroimanes, que inducen una corriente por la influencia de un campo magnético en movimiento.

Por último, la corriente alterna producida por los generadores es conducida hasta unos transformadores, los cuales incrementan el voltaje del flujo eléctrico original para que este pueda recorrer grandes distancias hasta su destino final.

Cómo funciona la energía hidroeléctrica

Para comprender el funcionamiento de la energía hidroeléctrica es necesario conocer 3 principios físicos de la naturaleza, los cuales están presentes en el proceso de producción descrito anteriormente.

Turbina hidroeléctrica.
  • Conservación de la energía: la energía potencial y cinética de un sistema (cerrado) están estrechamente ligadas, en el sentido de que la suma de estas 2 energías debe mantenerse constante. Por ello, si debido a un cambio particular un tipo de energía disminuye, la otra debe aumentar. Esto sucede en los embalses hidroeléctricos, que por la diferencia de altura el agua adquiere energía potencial, que es convertida en energía cinética cuando los ductos de la presa son abiertos.
  • Ley de Faraday-Lenz: esta ley fundamental del electromagnetismo establece que un campo magnético en movimiento debe inducir una corriente en un material conductor, como el cobre. Por tanto, esta ley es el causante de la conversión de la energía mecánica de la turbina en electricidad, puesto que la turbina hace girar al electroimán del generador, induciendo una corriente alterna en una bobina.
  • Conductividad eléctrica: en contraste con las demás, este es una propiedad de los materiales, referida a la permisibilidad atómica para posibilitar el flujo de electrones. Sin esta propiedad no sería posible el transporte de la energía hidroeléctrica desde la central hasta las ciudades, incluso, ni siquiera sería posible la generación de energía eléctrica por la Ley de Faraday.

Usos

Por ser la energía renovable de mayor producción mundial, la energía hidroeléctrica es empleada en diferentes actividades como fuente de electricidad alternativa. Sin embargo, de todas las aplicaciones que recibe actualmente la hidroelectricidad, los usos más significativos son:

Línea de transmisión eléctrica.
  1. Generación rentable de electricidad la cual es capaz de satisfacer la demanda fluctuante de las poblaciones de una determinada región.
  2. Producción de electricidad para atender las necesidades del sector industrial, especialmente a las industrias encargadas de la electrolisis del aluminio.
  3. Almacenamiento de grandes volúmenes de agua para satisfacer las necesidades de la agricultura y acuicultura. Además, el entorno silvestre de los embalses es valioso para ambientar las instalaciones de deportes acuáticos.

Ventajas y desventajas

El hecho de que la energía hidroeléctrica sea renovable no implica que esta sea 100% beneficiosa, ya que existen detalles perjudiciales detrás de producción de hidroelectricidad. Sin más que agregar, estas son las ventajas y desventajas de la energía hidroeléctrica:

Ventajas

  • En primera instancia, gracias a que la energía hidroeléctrica es renovable es posible reducir las emisiones de gases de invernadero, como el dióxido de carbono, ya que las represas hidroeléctricas no queman combustible.
  • Los complejos hidroeléctricos son beneficiosos económicamente, debido a que permiten almacenar agua a bajo costo, usada para producir electricidad de alto valor. Además, las centrales hidroeléctricas tienen una considerable vida útil, pudiendo seguir en funcionamiento después de 50 a 100 años y pueden ser automatizadas, reduciendo el costo en personal.
  • La energía hidroeléctrica se adapta a los cambios en la demanda, disminuyendo o aumentando la producción de hidroelectricidad por medio del control del caudal de los ductos de la presa.
  • Los complejos hidroeléctricos no solamente son construidos para satisfacer la necesidad energética de poblaciones, también es utilizada para abastecer de electricidad a industrias, como la del aluminio. Incluso, el embalse puede servir para agricultura, acuicultura y para deportes acuáticos.

Desventajas

  • La construcción de complejos hidroeléctricos trae consigo ciertos perjuicios al ecosistema, ya que el establecimiento del embalse puede provocar el hundimiento de valles boscosos, pantanos, pastizales, etc. Además, el complejo altera considerablemente el flujo de ríos, ya que el agua proveniente de la turbina desgasta el lecho de ríos y las orillas.
  • El agua del embalse hidroeléctrico está sometida a la tasa de evaporación más alta entre todas las tecnologías de producción energética.
  • Los embalses hidroeléctricos pueden estimular la producción natural de metano, un gas de invernadero, ya que los organismos vegetales en constante interacción con el agua se descomponen anaeróbicamente, produciendo metano.
  • Las represas hidroeléctricas están sujetas al riesgo de sufrir roturas por defectos constructivos, por mantenimientos inadecuados, fenómenos naturales, etc., generando una liberación repentina de toneladas de agua, lo que trae consigo inundaciones y catástrofes en las poblaciones aledañas.

Fórmula matemática

En el campo de la ingeniería, la formulación matemática de la energía hidroeléctrica está dada por una simple ecuación que indica, de forma aproximada, cómo varía la potencia eléctrica del complejo, según la diferencia de altura y el caudal del flujo.

\[ P=\rho*h*r*g*k \]

Dónde:

  • P: potencia hidroeléctrica en vatios.
  • \[/rho \]: densidad del agua, cuyo valor aproximado es de 1000kg/m3.
  • h: altura del desnivel en metros.
  • r: caudal del agua en m3/seg.
  • g: aceleración gravitacional, aproximadamente igual a 9,81 m/s2.
  • k: coeficiente de eficiencia de la turbina, que varía entre 0 y 1.

Energía Fotovoltaica

La energía fotovoltaica es un tipo de energía renovable que se obtiene de la conversión directa de energía solar en energía eléctrica. Para lograr esta conversión se emplean células fotovoltaicas, las cuales están compuestas por materiales semiconductores o por finas capas de metales sublimados inversamente.

Desde una perspectiva científica, el principal motor de la energía fotovoltaica es el efecto fotoeléctrico, un fenómeno cuántico en donde las partículas de la luz (fotones) al interactuar con un material liberan electrones de los átomos. Fundamentalmente por ello, es posible generar electricidad a través de la radiación electromagnética del sol.

Así pues, el uso actual de la energía fotovoltaica se centra en la producción de electricidad limpia, la cual es empleada a gran escala para energizar viviendas, vehículos, dispositivos autónomos, entre otros. De esta forma, la energía fotovoltaica se ha convertido en el tercer tipo de energía renovable más utilizada a nivel global, después de la energía hidroeléctrica y eólica; llegando a producir hasta 500 GW.

A pesar de todo el avance logrado con la tecnología de la energía solar fotovoltaica, esta energía renovable tiene limitaciones considerables al depender directamente de la radiación solar, la cual varía en función de varios factores. No obstante, se están realizados múltiples esfuerzos para hacerla asequible a la mayoría de la población y para mejorar la eficiencia de los paneles solares, así como de las plantas solares fotovoltaicas.

Ejemplos

En el mundo moderno están empezando a abundar los ejemplos de energía fotovoltaica, ya que cada vez más aumenta la importancia de la independencia de los combustibles fósiles, la reducción de gases de efecto invernadero y la sostenibilidad de la energía ecológica. Por tanto, algunos de los ejemplos más llamativos son:

Planta solar fotovoltaica


Una planta solar fotovoltaica es la principal instalación utilizada para producir electricidad limpia por medio del sol. Esta instalación está compuesta por paneles solares, los cuales están constituidos por múltiples células fotovoltaicas; y por inversores, que son dispositivos que convierten la corriente continua, generada por las células, en corriente alterna. A las plantas fotovoltaicas se le suele añadir componentes secundarios para incrementar la eficiencia de la producción, algunos de ellos son los seguidores solares y aparatos de concentración solar.

Satélites artificiales y sondas espaciales


En el espacio interestelar del sistema solar, una de las mejores fuentes de energía es aquella que proviene del primario, es decir, el sol. Principalmente por esta razón, las sondas espaciales y los satélites son equipados con módulos fotovoltaicos, obteniendo energía eléctrica para transmitir mensajes y operar según las indicaciones del equipo técnico. Posteriormente, la tecnología de los módulos y paneles solares se extendió, usándose en estaciones espaciales, telescopios orbitales y vehículos de exploración extraterrestre.

Automóviles eléctricos


Un tipo de automóvil eléctrico es aquel que hace uso de la energía fotovoltaica para activar su sistema electrónico, por medio de paneles solares, los cuales son colocados como recubrimiento de las superficies exteriores. El diseño de estos automóviles difiere de lo convencional, ya que son construidos tomando en cuenta la aerodinámica y el área de los paneles solares, para así aumentar la eficiencia en el transporte y la comodidad del conductor.

Calculadoras solares


Existen calculadoras que además de consumir la energía electroquímica de baterías, cuentan con células fotovoltaicas que sirven como suministro energético de reserva, por lo que pueden seguir funcionando a pesar de que se haya agotado la energía de las baterías, siempre y cuando reciban la suficiente radiación solar.

Cómo se produce

La energía solar fotovoltaica es producida por las células fotovoltaicas, que constituyen los paneles solares de las plantas fotovoltaicas de producción eléctrica. Las células fotovoltaicas son fabricadas con materiales semiconductores impuros, los cuales al interactuar con la radiación electromagnética del sol liberan electrones, ya que los fotones del sol energizan a los electrones de los átomos del material, haciendo que dejen un hueco.

Los electrones liberados del semiconductor, luego de cierto tiempo, serán atraídos por los huecos de otro material semiconductor impuro, de la misma naturaleza que el original de donde partieron. Así la energía cinética, que ganaron gracias a la interacción electromagnética con los fotones solares, se disipa en forma de calor siguiendo los principios de la termodinámica.

Este proceso de liberación y captura de electrones se realiza millones de veces, ya que el objetivo es lograr una corriente eléctrica, produciendo una diferencia de potencial de manera semejante a una pila.

El silicio es el material semiconductor más usado en las células fotovoltaicas, el cual es dopado para producir una unión PN, que es una celda compuesta por una capa con exceso de carga negativa y por otra con déficit de carga negativa, es decir, un exceso de carga positiva (huecos). De esta manera, la interacción electromagnética entre la radiación solar y el silicio dopado provoca un campo eléctrico, que posibilita la corriente eléctrica entre las capas.

Cómo funciona

La energía fotovoltaica funciona según las reglas del electromagnetismo clásico y de la mecánica cuántica, respetando las leyes de la termodinámica, especialmente la ley de conservación de la energía. Pero, en un nivel esencial, la energía fotovoltaica se debe a:

Efecto fotoeléctrico.
  • Efecto fotoeléctrico: explicado teóricamente por Einstein, es un fenómeno cuántico que consiste en la emisión de electrones de los átomos de un material debido a la incidencia de fotones. Esto sucede porque los fotones transfieren su energía fundamental a los electrones de un átomo, y si esta es lo suficientemente intensa, el electrón podrá liberarse del nivel energético en el cual se encuentre.
  • Semiconductividad: es una propiedad de los materiales, que les permite comportarse como un conductor o como un aislante, según sea los factores que intervengan, ya sea un campo eléctrico, magnético, la presión, la radiación electromagnética o la temperatura ambiental. Esta propiedad es importante para la energía fotovoltaica porque posibilita el dopaje de materiales, alterando la carga eléctrica neta mediante la incorporación de impurezas.
  • Unión PN: es una celda de silicio impuro compuesta por una capa del tipo n, es decir, con exceso de carga negativa; y por una capa del tipo p, con déficit de carga negativa. La capa n está formada por silicio con trazas de otros átomos de mayor valencia, los cuales contribuyen a la acumulación de electrones. En contraste, la capa p está conformada por silicio y fracciones de átomos de menos valencia, que propician la generación de huecos
  • Flujo eléctrico unidireccional: cuando los fotones inciden sobre la capa n de la célula fotovoltaica, excitan a los electrones libres, los cuales son atraídos por los huecos de la capa p, recombinándose con ellos. Debido a este desplazamiento de electrones libres, se produce una polarización de las capas, quedando la capa n con carga positiva y la capa p con carga negativa, provocando la formación de un campo eléctrico que va de n a p. Así, la corriente eléctrica se da unidireccionalmente de la capa p a la n.

Usos de la energía fotovoltaica

Como bien se sabe, la energía fotovoltaica es usada para generar electricidad por medio de plantas fotovoltaicas y así alimentar diversidad de instalaciones, sistemas electrónicos o dispositivos. Pero, en los últimos años la energía fotovoltaica ha trascendido pasando a ser parte importante de la sociedad moderna, por usos como los siguientes:

Uso doméstico de paneles fotovoltáicos.
  1. Edificación de residencias autónomas y establecimiento de sistemas electrónicos independientes de la red de distribución eléctrica.
  2. Fuente de energía para sistemas de bombeo que puedan formar parte de complejos de riego, de agua potable en áreas rurales, para actividades ganaderas o en instalaciones de desalinización de agua.
  3. Alimentación energética de las centrales telefónicas, antenas de radio y televisión, estaciones repetidoras de microondas, entre otras instalaciones importantes para las telecomunicaciones. La energía fotovoltaica también es utilizada como fuente alternativa de energía en casos de emergencia.
  4. Fabricación de señalizaciones, lámparas, postes de iluminación urbana y rural, capaces de producir y almacenar energía fotovoltaica durante las horas diurnas.
  5. Construcción de sondas, satélites, telescopios, vehículos y estaciones espaciales capaces de operar y funcionar en las condiciones del vacío del espacio exterior.
  6. Creación de sistemas híbridos de energía fotovoltaica y diésel, con la capacidad para producir mayor energía eléctrica que la generada por los medios ecológicos convencionales.
  7. Además de servir para fabricar automóviles amigables con el ambiente, la energía fotovoltaica está siendo utilizada para producir barcos y aviones autosostenibles y autónomos.

Ventajas y desventajas de la energía fotovoltaica

La tecnología utilizada para producir energía fotovoltaica tiene, como la de otros tipos de energía renovable, tanto pros como contras, puesto que todavía está en proceso de perfeccionamiento. Sin embargo, este tipo de energía presenta una serie de limitaciones inherentes, siendo insalvables por cualquier medio, por lo que se necesitan nuevas estrategias técnicas para mejorar la eficiencia de la generación de energía fotovoltaica.

Ventajas

  • La energía solar, fuente de la energía fotovoltaica, es prácticamente inagotable desde una perspectiva humana. Por ello, durante miles de generaciones supondrá una fuente permanente de electricidad.
  • Las plantas fotovoltaicas y demás instalaciones fotovoltaicas no producen agentes de contaminación ambiental, evitando la generación de gases de efecto invernadero.
  • Según se desarrollan nuevas tecnologías para la eficiencia fotovoltaica, se da una reducción de los costos, volviendo más asequibles a los paneles solares.
  • Permite la generación de electricidad en lugares aislados de la red eléctrica de distribución.
  • Las instalaciones fotovoltaicas pueden adaptarse a múltiples formas y tamaños de las viviendas, edificios, sistemas, complejos, etc.

Desventajas

  • La producción de la energía fotovoltaica depende de la radiación solar, la cual varía según la orientación de los paneles solares, la ubicación en el planeta, la hora del día, la época del año, las condiciones atmosféricas, suciedad en los paneles, entre otras.
  • Cualquier instalación alimentada por energía fotovoltaica necesita contar con una fuente de energía adicional, ya que su capacidad de producción eléctrica es insuficiente para atender las necesidades cotidianas por períodos largos.
  • La fabricación de paneles solares produce residuos tóxicos.
  • La instalación de plantas fotovoltaicas en desiertos, los cuales son los lugares preferidos para el aprovechamiento de energía solar, puede provocar alteraciones en el ecosistema.

 

Energía Estática

La energía estática es un tipo de energía potencial que surge de la interacción electromagnética entre partículas cargadas, las cuales ocupan posiciones particulares y generan campos de fuerza constantes que definen la clase de interacción, bien sea de atracción o de repulsión. Las partículas cargadas forman un sistema, en el cual se mantienen en equilibrio electrostático a medida que transcurre el tiempo.

En la naturaleza, la energía estática es visible durante las tormentas eléctricas.

Técnicamente, la energía estática es conocida como energía potencial electrostática, ya que intervienen las fuerzas conservativas de Coulomb, que son similares a las fuerzas gravitacionales, por salvo por el hecho de que pueden ser tanto atractivas como repulsivas. No obstante, por ser semejantes a las fuerzas de Newton, la intensidad de las fuerzas de Coulomb disminuyen si la distancia entre las partículas cargadas aumenta.

Las principales bondades de la energía estática son la generación y la acumulación de electricidad, las cuales son aprovechadas y explotadas en los condensadores de los circuitos de computadoras, smartphones, tablets, etc. Asimismo, la energía estática es muy usada en los centros de investigación para producir colisiones en los aceleradores de partículas.

Ejemplos

La energía estática está presente en muchas facetas de la vida cotidiana, ya que además de proporcionar la electricidad para nuestros dispositivos modernos, esta puede ser encontrada en la naturaleza. Así pues, algunos de los ejemplos de energía estática más llamativos son estos:

Electricidad estática

Bobina de Tesla.

La electricidad estática es un fenómeno que se debe a la acumulación excesiva de carga eléctrica (positiva o negativa) en un material (conductor o aislante). Luego, se origina una descarga electrostática debido a que al material cargado se le acerca un conductor o un material con la polaridad opuesta. En la naturaleza, las descargas electrostáticas se manifiestan como rayos. Pero, en la electrónica este fenómeno es considerado perjudicial para los dispositivos.

Generador de Van de Graaff


El generador de Van de Graaff es un generador electrostático que produce altas diferencias de potencial, siendo usado acelerar partículas cargadas, haciéndolas colisionar contra objetivos fijos. Este generador está compuesto por un cilindro hueco de material aislante y una esfera metálica hueca. El cilindro contiene un sistema de poleas, un par de electrodos y peines, y un generador de alta tensión conectado a tierra. El objetivo es cargar positivamente la esfera, para producir descargas electroestáticas.

Condensadores


Los condensadores son componentes de los circuitos electrónicos, cuyo papel se centra en el almacenamiento de energía estática. Para lograr el almacenamiento cuenta con un par de placas conductoras, que están separadas por un aislante, y una vez estén conectadas a la fuente de alimentación estarán cargadas, pero con polaridad diferente.

Cómo se produce la energía estática

Como se mencionó al inicio del post, la energía estática se produce por la interacción electromagnética entre partículas cargadas, al momento de desplazar una respecto a otra, las cuales constituyen un sistema en el que ocupan posiciones fijas.

Bio-generador, utiliza biomasa para producir energía electrostática.

La interacción electromagnética se manifiesta clásicamente como una fuerza, llamada fuerza de Coulomb, la cual es muy parecida a las fuerzas gravitacionales, porque está sujeta a la ley de la inversa del cuadrado de la distancia. Además, gracias a que la fuerza de Coulomb obedece también el principio de conservación de energía, es posible almacenar la energía estática del sistema.

A su vez, la interacción electromagnética entre partículas cargadas se transmite mediante líneas de fuerza, que conforman un campo eléctrico y definen el signo de la fuerza. Por ello, la energía estática puede ser positiva o negativa.

Cómo funciona

Para comprende cómo funciona la energía estática es necesario tocar los siguientes aspectos de la física, que establece el mecanismo detrás de este tipo de energía:

En 1cm de distancia una chispa eléctrica puede alcanzar los 1000 voltios.
  • Ley de Coulomb: establece que la fuerza electrostática, atractiva o repulsiva, es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas.
  • Campo eléctrico: toda partícula cargada generada un campo eléctrico, que puede ser positivo o negativo, siendo éste un conjunto de líneas o curvas que determinan las cualidades de la interacción electromagnética.
  • Ley de Gauss: es un teorema que determina el sentido y la intensidad de un flujo eléctrico dado por el campo eléctrico de una partícula cargada.

Usos

La energía estática tiene múltiples usos gracias a que permite obtener electricidad, la cual es dirigida a diferentes objetivos. De todos los usos de la energía estática destacamos los siguientes:

Acelerador de partículas
  1. Almacenamiento de energía en los circuitos electrónicos mediante condensadores.
  2. Generación de electricidad estática para la impresión xerográfica de imágenes.
  3. Creación de elevados potenciales eléctricos para colisionar partículas en aceleradores.

Fórmula matemática

La fórmula matemática de la energía estática está definida por la clásica ecuación del trabajo:

\[ E=\frac {k*Q*q}{r}\]

Siendo:

\[ k=\frac{1}{4*\pi*\epsilon_{0}}\]

Dónde:

  • E: energía potencial electrostática.
  • Q: carga fija.
  • q: carga móvil.
  • r: distancia entre las partículas cargadas.
  • k: constante electroestática de Coulomb.
  • \[\epsilon_{0}\]: constante dieléctrica del vacío (8,85 x10-12 C2*N-1*m-2).