Durante 1831 y 1832, Michael Faraday descubrió que un conductor mecánico moviéndose en un campo magnético generaba una diferencia de potencial. Aprovechando esto, construyó el primer generador electromagnético, el disco de Faraday, un generador homopolar, empleando un disco de cobre que giraba entre los extremos de un imán con forma de herradura, generándose una pequeña corriente continua. También fue muy utilizado como generador de energía eléctrica en bicicletas para alimentar bombillas de poca intensidad.
La dinamo fue el primer generador eléctrico apto para uso industrial, pues fue el primero basado en los principios de Faraday. Fue construido en 1832 por el fabricante francés de herramientas Hippolyte Pixii. Empleaba un imán permanente que giraba por medio de una manivela. Este imán estaba colocado de forma que sus polos norte y sur pasaban al girar junto a un núcleo de hierro con un cable eléctrico enrollado (como un núcleo y una bobina). Pixii descubrió que el imán giratorio producía un pulso de corriente en el cable cada vez que uno de los polos pasaba junto a la bobina; cada polo inducía una corriente en sentido contrario, esto es, una corriente alterna. Añadiendo al esquema un conmutador eléctrico situado en el mismo eje de giro del imán, Pixii convirtió la corriente alterna en corriente continua.
Desde que Nikola Tesla descubrió la corriente alterna y la forma de producirla en los alternadores, se ha llevado a cabo una inmensa actividad tecnológica para llevar la energía eléctrica a todos los lugares habitados del mundo, por lo que, junto a la construcción de grandes y variadas centrales eléctricas, se han construido sofisticadas redes de transporte y sistemas de distribución. Sin embargo, el aprovechamiento ha sido y sigue siendo muy desigual en todo el planeta. Así, los países industrializados o del Primer mundo son grandes consumidores de energía eléctrica, mientras que los países del llamado Tercer mundo apenas disfrutan de sus ventajas.
Dependiendo de la fuente primaria de energía utilizada, las centrales generadoras se clasifican en termoeléctricas (de carbón, petróleo, gas, nucleares y solares termoeléctricas), hidroeléctricas (aprovechando las corrientes de los ríos o del mar: mareomotrices), eólicas y solares fotovoltaicas. La mayor parte de la energía eléctrica generada a nivel mundial proviene de los dos primeros tipos de centrales reseñados. Todas estas centrales, excepto las fotovoltaicas, tienen en común el elemento generador, constituido por un alternador, movido mediante una turbina que será distinta dependiendo del tipo de energía primaria utilizada.
Por otro lado, un 64% de los directivos de las principales empresas eléctricas consideran que en el horizonte de 2018 existirán tecnologías limpias, WN, asequibles y renovables de generación local, lo que obligará a las grandes corporaciones del sector a un cambio de mentalidad.
Estructura de la materia
La masa y las cargas de las tres partículas fundamentales se muestran en la siguiente tabla.
Partícula | Masa (uma) | Carga (Escala Relativa) |
Electrón (e-) | 0.00054858 | 1- |
Protón (p+) | 1.0073 | 1+ |
Neutrón (nº) | 1.0087 | Ninguna |
Quarks Quarks
Los quarks son partículas de spin 1/2, lo que implica que son fermiones. Transportan una carga eléctrica de −1/3|3 e (quarks tipo “abajo”) o +2/3 e (quarks tipo “arriba”). Por comparación, un electrón tiene una carga de -1 e. También transportan carga de color, que es el equivalente de la carga eléctrica para la interacción fuerte. Los quarks también sufren decaimiento radiactivo, lo que significa que están sujetas a la interacción débil. Los quarks son partículas masivas, y por lo tanto también están sujetos a la gravedad.
Materia bariónica Barión
Los bariones son fermiones de interacción fuerte, y así están sujetos a la estadística de Fermi-Dirac. Entre los bariones están los protones y los neutrones, que se producen en el núcleo atómico, pero existen también otros muchos bariones inestables. El término barión se utiliza generalmente para referirse a triquarks (partículas compuestas de tres quarks). Se conocen bariones "exóticos" formados por cuatro quarks y un antiquark denominados pentaquarks, pero su existencia no es generalmente aceptada.
La materia bariónica es la parte del universo que está hecha de bariones (incluidos todos los átomos). Esta parte del universo no incluye la energía oscura, la materia oscura, los agujeros negros o las diversas formas de materia degenerada, como las estrellas enanas blancas y estrellas de neutrones. La radiación de microondas observada por el Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), sugiere que sólo un 4,6% de la parte del universo dentro de la gama de los mejores telescopios (es decir, la materia que puede ser visible porque la luz puede llegar a nosotros de ella), está hecho de materia bariónica. Alrededor de un 23% es materia oscura, y alrededor de un 72% es energía oscura
Materia degenerada
En física, “materia degenerada” se refiere al estado fundamental de un gas de fermiones a una temperatura próxima al cero absoluto. 68 El principio de exclusión de Pauli, exige que sólo dos fermiones puedan ocupar un estado cuántico, uno con spín arriba y otro con spín abajo. Por lo tanto, a temperatura cero, los fermiones llenan los niveles suficientes para dar cabida a todos los fermiones disponibles, y para el caso de muchos fermiones la máxima energía cinética, llamada Energía de Fermi, y la presión del gas se hacen muy grandes y dependen del número de fermiones en lugar del valor de la temperatura, a diferencia de los estados normales de la materia.Materia extraña
La “materia extraña” es una forma particular de materia de quarks, generalmente considerado como un "líquido" de quarks quark arriba, quark abajo y quark extraño. Esto debe compararse con la materia nuclear, que es un líquido de neutrones y protones (que sí están compuestos de quarks arriba y abajo), y con la materia no extraña de quarks, que es un líquido de quarks que contiene solo los quarks arriba y abajo. A una densidad suficientemente alta, la materia extraña se espera que sea superconductor de color. Se ha sugerido que la materia extraña se ha sugerido se produce en el núcleo de las estrellas de neutrones, o, más especulativamente, en forma de gotas aisladas, que pueden variar en tamaño desde femtometros (Strangelets) a kilómetros (estrellas de quarks).Leptones
Los leptones son partículas de spin-{{1 / 2}}, lo que significa que son fermiones. Transportan una carga eléctrica de −1 e (leptones como los electrones) o 0 e (neutrinos). A diferencia de los quarks, los leptones no transportan carga de color, lo que significa que no experimentan la interacción fuerte. Los leptones también sufren la desintegración radiactivo, por lo que están sujetos a la interacción débil. Los leptones son partículas masivas, por lo que están sujetas a la gravedad.Materia oscura
En astronomía y cosmología, la materia oscura es materia de composición desconocida que no emite o refleja bastante radiación electromagnética como para ser observada directamente, pero cuya presencia se infiere de sus efectos gravitacionales sobre la materia visible 84 85 Evidencias observacionales del universo próximo y de la teoría del big bang requieren que esta materia tenga energía y masa, pero no estar formada por los correspondientes fermiones elementales (como la anterior) o por bosones gauge. El punto de vista más aceptado es que la mayor parte de la materia oscura es de naturaleza no bariónica. 84 En consecuencia, está compuesta de partículas que nunca han sido observadas en el laboratorio. No obstante, hay partículas supersimétricas 86 que no son partículas del modelo estándar, pero que se formaron a muy altas energías en las primeras etapas del universo y aún se mantienen flotandoMateria exótica
La materia exótica es un concepto hipotético de la física de partículas. Cubre cualquier material que viole una o más de las condiciones clásicas o que no estén hechos de partículas bariónicas conocidas. Estos materiales podrían tener cualidades tales como la de tener masa negativa o la de ser repelido en vez de atraído por la gravedadMolécula
De manera menos general y precisa, se ha definido molécula como la parte más pequeña de una sustancia que conserva sus propiedades químicas, y a partir de la cual se puede reconstituir la sustancia sin reacciones químicas. De acuerdo con esta definición, que resulta razonablemente útil para aquellas sustancias puras constituidas por moléculas, podrían existir las "moléculas monoatómicas" de gases nobles, mientras que las redes cristalinas, sales, metales y la mayoría de vidrios quedarían en una situación confusa
Las moléculas lábiles pueden perder su consistencia en tiempos relativamente cortos, pero si el tiempo de vida medio es del orden de unas pocas vibraciones moleculares, estamos ante un estado de transición que no se puede considerar molécula. Actualmente, es posible el uso de láser pulsado para el estudio de la química de estos sistemas.
Las entidades que comparten la definición de las moléculas pero tienen carga eléctrica se denominan iones poliatómicos, iones moleculares o moléculas ion. Las sales compuestas por iones poliatómicos se clasifican habitualmente dentro de los materiales de base molecular o materiales moleculares.
Molécula de dinitrógeno, el gas que es el componente mayoritario del aire
Molécula de fullereno, tercera forma estable del carbono tras el diamante y el grafito
Molécula de agua, "disolvente universal", de importancia fundamental en innumerables procesos bioquímicos e industriales
Representación poliédrica del anión de Keggin, un polianión molecular
Macromoléculas o polímeros, constituidas por la repetición de una unidad comparativamente simple -o un conjunto limitado de dichas unidades- y que alcanzan pesos moleculares relativamente altos.
Representación de un fragmento de ADN, un polímero de importancia fundamental en la genética
Primera generación de un dendrímero, un tipo especial de polímero que crece de forma fractal
MODELO ATOMICO DE THOMSON
Representación poliédrica del anión de Keggin, un polianión molecular
Macromoléculas o polímeros, constituidas por la repetición de una unidad comparativamente simple -o un conjunto limitado de dichas unidades- y que alcanzan pesos moleculares relativamente altos.
Representación de un fragmento de ADN, un polímero de importancia fundamental en la genética
Enlace peptídico que une los péptidos para formar proteínas
Representación de un fragmento lineal de polietileno, el plástico más usado
Representación de un fragmento lineal de polietileno, el plástico más usado
Primera generación de un dendrímero, un tipo especial de polímero que crece de forma fractal
Átomo
Densidad de probabilidad de ubicación de un electrón para los primeros niveles de energía.
Modelo atómico de Bohr
átomo (del latín atomum, y éste del griego ἄτομον, sin partes; también, se deriva de "a" (no) y "tomo" (divisible); no divisible)1 es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos.El núcleo representa el 99.9% de la masa del átomo, y está compuesto de bariones llamados protones y neutrones, rodeados por una nube de electrones, que -en un átomo neutro- igualan el número de protones.
El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo, su existencia no quedó demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.2 3
Electrón
El electrón (del griego ἤλεκτρον, ámbar), comúnmente representado por el símbolo: e−, es una partícula subatómica de tipo fermiónico. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones, formando orbitales atómicos dispuestos en sucesivas capas.
Los electrones tienen una masa de 9,11×10-31 kilogramos, unas 1800 veces menor que la de los neutrones y protones. Siendo tan livianos, apenas contribuyen a la masa total de las sustancias. Su movimiento genera la corriente eléctrica, aunque dependiendo del tipo de estructura molecular en la que se encuentren, necesitarán más o menos energía para desplazarse. Estas partículas desempeñan un papel primordial en la química, ya que definen las atracciones entre los átomos (v.g. enlace químico).Desde el punto de vista físico, el electrón tiene una carga eléctrica de igual magnitud, pero de polaridad contraria a la del protón. Dicha cantidad, cuyo valor es de 1,602×10-19 coulombios, es llamada carga elemental o fundamental, y es considera a veces un cuanto de carga eléctrica, asignándosele un valor unitario. Por razones históricas y ventajas en ecuaciones matemáticas, se considera a la carga del protón como positiva, mientras que a la del electrón como negativa. Por esto se dice que los protones y electrones tienen cargas de +1 y -1 respectivamente, aunque esta elección de signo es totalmente arbitraria.
Protón
el protón (del griego πρῶτον, prōton ['primero']) es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva 1 (1.6 × 10-19 C), igual en valor absoluto y de signo contrario a la del electrón, y una masa 1.836 veces superior a la de un electrón. Experimentalmente, se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse en otras partículas.
El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos. En un átomo, el número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y qué elemento químico es. El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (también el átomo estable más simple posible) está formado por un único protón. Al tener igual carga, los protones se repelen entre sí. Sin embargo, pueden estar agrupados por la acción de la fuerza nuclear fuerte, que a ciertas distancias es superior a la repulsión de la fuerza electromagnética. No obstante, cuando el átomo es grande (como los átomos de Uranio), la repulsión electromagnética puede desintegrarlo progresivamente.CONDUCTOR
Conductores eléctricos. Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como son el grafito, las soluciones salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el metal más empleado es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión. Para aplicaciones especiales se utiliza como conductor el oro.18
Aislamiento eléctrico
El aislamiento eléctrico se produce cuando se cubre un elemento de una instalación eléctrica con un material que no es conductor de la electricidad, es decir, un material que resiste el paso de la corriente a través del elemento que recubre y lo mantiene en su trayectoria a lo largo del conductor. Dicho material se denomina aislante eléctrico.
Semiconductor
Un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.
| Elemento | Grupos | Electrones en la última capa |
|---|---|---|
| Cd | 12 | 2 e- |
| Al, Ga, B, In | 13 | 3 e- |
| Si, C, Ge | 14 | 4 e- |
| P, As, Sb | 15 | 5 e- |
| Se, Te, (S) | 16 | 6 e- |
Conductividad
La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo o medio para conducir la corriente eléctrica, es decir, para permitir el paso a través de las partículas cargadas, bien sean los electrones, los transportadores de carga en conductores metálicos o semimetálicos, o iones, los que transportan la carga en disoluciones de electrolitros.
La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto
, y su unidad es el S/m (siemens por metro) o Ω-1·m-1. Usualmente la magnitud de la conductividad (σ) es la proporcionalidad entre el campo eléctrico 
y la densidad de corriente de conducción 
:No confundir con la conductancia (G), que es la facilidad de un objeto o circuito para conducir corriente eléctrica entre dos puntos. Se define como la inversa de la resistencia:
.Resistividad
La resistividad es la resistencia eléctrica específica de un material. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohmios por metro (Ω•m).1
Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor.
Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.
| Material | Resistividad (en 20 °C-25 °C) (Ω·m) |
|---|---|
| Plata2 | 1,55 x 10-8 |
| Cobre3 | 1,71 x 10-8 |
| Oro4 | 2,22 x 10-8 |
| Aluminio5 | 2,82 x 10-8 |
| Wolframio6 | 5,65 x 10-8 |
| Níquel7 | 6,40 x 10-8 |
| Hierro8 | 9,71 x 10-8 |
| Platino9 | 10,60 x 10-8 |
| Estaño10 | 11,50 x 10-8 |
| Acero inoxidable 30111 | 72,00 x 10-8 |
| Grafito12 | 60,00 x 10-8 |
Ejemplo de conversión de: ( Ω·mm²/m ) a → ( Ω·m ): La resistividad del cobre es 0,017 Ω·mm²/m =1,7x10-2 que al multiplicar por 1x10-6 se obtiene 1,7x10-8Ω·m
La conversión de Ω·mm²/m a Ω·m resulta de multiplicar la unidad inicial por 1x10-6.
Resistencia eléctrica
La resistencia eléctrica de un objeto es una medida de su oposición al paso de corriente.
Descubierta por Georg Ohm en 1827, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual a la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio (Ω). Para su medición en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro. Además, su cantidad recíproca es la conductancia, medida en Siemens.
La resistencia de cualquier objeto depende únicamente de su geometría y de su resistividad, por geometría se entiende a la longitud y el área del objeto mientras que la resistividad es un parámetro que depende del material del objeto y de la temperatura a la cual se encuentra sometido. Esto significa que, dada una temperatura y un material, la resistencia es un valor que se mantendrá constante. Además, de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón entre la caída de tensión y la corriente en dicha resistencia, así:1
Conductancia eléctrica
Se denomina conductancia eléctrica (G) de un conductor, a la inversa de la oposición que dicho conductor presenta al movimiento de los electrones en su cuerpo, es decir que la conductancia es la propiedad inversa de la resistencia eléctrica.
No debe confundirse con conducción, que es el mecanismo mediante el cual la carga fluye, o con la conductividad, que es la conductancia de un material específico.
La unidad de medida de la conductancia en el Sistema internacional de unidades es el siemens.
Este parámetro es especialmente útil a la hora de tener que manejar valores de resistencia muy pequeños, como es el caso de los conductores eléctricos.
Modelo matemático
un modelo matemático es uno de los tipos de modelos científicos que emplea algún tipo de formulismo matemático para expresar relaciones, proposiciones sustantivas de hechos, variables, parámetros, entidades y relaciones entre variables y/o entidades u operaciones, para estudiar comportamientos de sistemas complejos ante situaciones difíciles de observar en la realidad. El término modelización matemática es utilizado también en diseño gráfico cuando se habla de modelos geométricos de los objetos en dos (2D) o tres dimensiones (3D).
El significado de modelo matemático en matemática fundamental, sin embargo es algo diferente. En concreto en matemáticas se trabajan con modelos formales. Un modelo formal para una cierta teoría matemática es un conjunto sobre el que se han definido un conjunto de relaciones unarias, binarias y trinarias, que satisface las proposiciones derivadas del conjunto de axiomas de la teoría. La rama de la matemática que se encarga de estudiar sistemáticamente las propiedades de los modelos es la teoría de modelos.
Sistema Internacional de Unidades
El Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI, del francés: Le Système International d'Unités), también denominado Sistema Internacional de Medidas, es el nombre que recibe el sistema de unidades que se usa en casi todos los países.
Es el heredero del antiguo Sistema Métrico Decimal y es por ello por lo que también se le como «sistema métrico», especialmente en las personas de más edad y en pocas naciones donde aún no se ha implantado para uso cotidiano.
Se instauró en 1960, a partir de la Conferencia General de Pesos y Medidas, durante la cual inicialmente se reconocieron seis unidades físicas básicas. En 1971 se añadió la séptima unidad básica: el mol.
Una de las características trascendentales, que constituye la gran ventaja del Sistema Internacional, es que sus unidades se basan en fenómenos físicos fundamentales. Excepción única es la unidad de la magnitud masa, el kilogramo, definida como «la masa del prototipo internacional del kilogramo», un cilindro de platino e iridio almacenado en una caja fuerte de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.
Las unidades del SI constituyen referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medición, a las cuales están referidas mediante una concatenación interrumpida de calibraciones o comparaciones.
Esto permite lograr equivalencia de las medidas realizadas con instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares distantes y, por ende, asegurar -sin necesidad de duplicación de ensayos y mediciones- el cumplimiento de las características de los productos que son objeto de transacciones en el comercio internacional, su intercambiabilidad.
Entre los años 2006 y 2009 el SI se unificó con la norma ISO 31 para instaurar el Sistema Internacional de Magnitudes (ISO/IEC 80000, con las siglas ISQ).
UNIDADES DIMENSIONALES
| Magnitud física básica | Símbolo dimensional | Unidad básica | Símbolo de la unidad | Observaciones |
|---|---|---|---|---|
| Longitud | L | metro | m | Se define fijando el valor de la velocidad de la luz en el vacío. |
| Tiempo | T | segundo | s | Se define fijando el valor de la frecuencia de la transición hiperfina del átomo de cesio. |
| Masa | M | kilogramo | kg | Es la masa del «cilindro patrón» custodiado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, en Sèvres, Francia. Equivale a la masa que ocupa un litro de agua pura a 14'5 ºC o 286'75 K. |
| Intensidad de corriente eléctrica | I | amperio | A | Se define fijando el valor de constante magnética. |
| Temperatura | Θ | kelvin | K | Se define fijando el valor de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. |
| Cantidad de sustancia | N | mol | mol | Se define fijando el valor de la masa molar del átomo de 12C a 12 gramos/mol. Véase también número de Avogadro. |
| Intensidad luminosa | J | candela | cd | Véanse también conceptos relacionados: lumen, lux e iluminación física. |
Resistividad
| Material | Resistividad (en 20 °C-25 °C) (Ω·m) |
|---|---|
| Plata2 | 1,55 x 10-8 |
| Cobre3 | 1,71 x 10-8 |
| Oro4 | 2,22 x 10-8 |
| Aluminio5 | 2,82 x 10-8 |
| Wolframio6 | 5,65 x 10-8 |
| Níquel7 | 6,40 x 10-8 |
| Hierro8 | 9,71 x 10-8 |
| Platino9 | 10,60 x 10-8 |
| Estaño10 | 11,50 x 10-8 |
| Acero inoxidable 30111 | 72,00 x 10-8 |
| Grafito12 | 60,00 x 10-8 |
Ejemplo de conversión de: ( Ω·mm²/m ) a → ( Ω·m ): La resistividad del cobre es 0,017 Ω·mm²/m =1,7x10-2 que al multiplicar por 1x10-6 se obtiene 1,7x10-8Ω·m
La conversión de Ω·mm²/m a Ω·m resulta de multiplicar la unidad inicial por 1x10-6.
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