BLOQUE 4. Energía

1. Entrando en tema

En este bloque introduciremos una aproximación a los conceptos de energía y trabajo. Estos términos que son tan simples, se encuentran inmersos en nuestra vida diaria y los usamos con variados significados. En el contexto de la física, trabajo y energía están íntimamente relacionados y permiten interpretar fenómenos de nuestro entorno.

La energía ¿cómo se relaciona con el "trabajo"?

En Física, hablar de trabajo implica hablar de todas aquellas acciones en las que hay una transformación de energía.

La energía existe en varias formas: energía mecánica, química, térmica, eléctrica y nuclear entre otras. Constantemente ocurren transformaciones entre las distintas formas de energía. Por ejemplo, la energía eléctrica se puede transformar en energía térmica en un horno eléctrico. En un auto, la energía química almacenada en la nafta se transforma en energía mecánica. Realizar un trabajo implica un cambio o una transferencia de energía. 

Entonces, ¿por qué levantar una valija implica trabajo?,  ¿de qué manera y de qué factores depende ese trabajo? 

Comencemos viendo qué significa trabajo mecánico, cómo lo podemos calcular y cuál es su relación con la potencia.

2. El Trabajo ¿mecánico?

Ir a la oficina, limpiar, construir una pared, son acciones que generalmente asociamos con la realización de un esfuerzo. En cambio, andar en bicicleta o patear una pelota, actividades placenteras,  no las asociamos a esta palabra. Pero en el contexto de la Física todas estas acciones implican realizar un trabajo.

En Física, la palabra "trabajo" tiene un significado particular y distinto al que le damos normalmente. Acabamos de plantear su relación con la energía, de la que hablaremos más adelante en este bloque.

Pero podemos mencionar que, como existen diferentes tipos de energía, hay distintos tipos de trabajos.

Y vamos a ver primero ¿qué es el trabajo mecánico?

El "trabajo mecánico" es el asociado al movimiento.

Se puede decir que ocurre trabajo mecánico cuando una fuerza aplicada sobre un objeto lo desplaza. 

Veamos esto con un ejemplo concreto: 

Un empleado de supermercado debe colocar cajas en una estantería. Toma una caja y la coloca en un estante que se encuentra a 0,5 m del suelo (situación A), luego toma 1 caja y la coloca en un estante a 1 metro de altura (situación B). A continuación realiza el mismo procedimiento, pero colocando dos cajas en cada estante, es decir, en uno que se encuentra a 0,5 m del suelo y en otro se encuentra a 1 m de altura respecto del suelo (situaciones C y D).

En pocas palabras, el empleado del supermercado debe desplazar las cajas una determinada distancia (desde el suelo hasta el estante). Para desplazar las cajas a los estantes finales, el empleado del supermercado debe levantarlas, debe hacer fuerza, que en este caso es igual al peso de la caja. ¡Aplicar una fuerza que desplace un cuerpo es hacer trabajo!

Sabemos que se requerirá mayor esfuerzo cuanto más peso se quiere levantar o más alto esté el estante.

Y ¿cómo sabemos cuánto mayor será ese esfuerzo?

Para hablar de  trabajo mecánico, la fuerza aplicada debe tener la misma dirección que el movimiento del objeto. Entonces, el trabajo mecánico (simbolizado por la letra W, por la palabra en inglés work, que significa trabajo) depende de la intensidad de la fuerza realizada para producir el movimiento (simbolizada por la letra F) y de cuánto se ha movido el cuerpo (simbolizado por la letra d, longitud del desplazamiento).

Matemáticamente lo expresamos así:  W= F. d

La unidad con la que se expresa el trabajo son los Joules que se simbolizan con la letra J.

Ahora sigamos con nuestro ejemplo del supermercado y veamos cuál es el trabajo mecánico en cada una de las 4 situaciones. Hagan click acá para ver cómo lo calculamos.

2.1. Potencia

Veamos ahora el concepto de potencia. Respecto de lo analizado con el trabajo, el concepto de potencia incorpora al tiempo como variable de análisis.

¿Importa la duración del período de tiempo durante el cual se realiza un trabajo dado?

Para desarrollar esta pregunta, tomemos el ejemplo de dos ascensores de un edificio:

Ambos ascensores son idénticos, están vacíos y se están moviendo entre los mismos pisos. Si los dos recorren la misma distancia, pero uno de ellos lo hace en la mitad de tiempo que el otro, ¿será igual el trabajo realizado por ellos?

El motor de cada ascensor realiza trabajo para elevar el dispositivo. La fuerza aplicada por el motor está destinada a contrarrestar el peso y se ejerce en su misma dirección a lo largo del movimiento. Si la fuerza aplicada durante el viaje y la distancia recorrida son las mismas para ambos ascensores, según lo que sabemos (W = F.d), ambos ascensores realizan el mismo trabajo. ¡Pero uno lo realiza a la mitad del tiempo! Entonces, decimos que el ascensor que realiza el trabajo en menor tiempo tiene mayor potencia. 

La potencia se puede definir como la relación entre el trabajo realizado y el tiempo que tomó realizarlo.

De esta manera, la potencia será mayor si el trabajo se realiza más rápido. La potencia se calcula de la siguiente manera:

Potencia = trabajo/intervalo de tiempo

Como el trabajo se mide en Joules y el intervalo de tiempo en segundos, el valor de la potencia se expresa en Watts (W).

3. Energía

Los deportistas poseen energía para ponerse en movimiento. Un auto sin combustible no arranca. Sin electricidad no tenemos luz y mucha tecnología se vuelve inútil. Para hervir agua necesitamos la energía de la llama. Muchos dispositivos utilizan pilas que tienen almacenada la energía necesaria para su funcionamiento.

Pero sin el aporte de energía, todo esto no sería posible.

La energía es la que posibilita la realización de un cambio.

En estas situaciones hablamos de energía asociada al movimiento, al calor, a la electricidad, a las propiedades químicas de ciertas sustancias. Existen, entonces, distintos tipos de energía.

Pero ¿de dónde viene la energía necesaria para realizar los cambios que mencionamos?

¡Un concepto fundamental!!!! No lo olviden:

Por lo que la energía necesaria para un cambio siempre viene de alguna forma de energía existente.

Entonces, los distintos tipos de energía, además, pueden transformarse entre sí. 

Retomemos la relación entre energía y trabajo.

Ya vimos que para realizar trabajo mecánico, precisamos la aplicación de una fuerza sobre un objeto, generando un desplazamiento.

Sin embargo, existen muchos tipos de trabajo que no son mecánicos. Para producir un cambio o efecto en un sistema se necesita el aporte de energía. Y como ya mencionamos que existen diferentes tipos de energía, los distintos tipos de trabajos dependerán de cuál es la energía involucrada. De esta manera, podemos ampliar nuestra definición de trabajo para incluir a todas las demás formas de trabajo que no son mecánicos.

Podemos decir que el trabajo es el proceso por el cual una transferencia de energía realizada a un sistema provoca un cambio en él.

Veamos un ejemplo: al calentar agua para hervirla, se le transfiere energía en forma de calor y el agua, en consecuencia, cambia su temperatura de 20°C, por ejemplo, hasta 100°C cuando empieza a hervir. Para llevar al agua de 20°C a 100°C se realiza un trabajo sobre ella y para hacerlo es necesaria una transferencia de energía. Además, cuando el agua hierve, pasa del estado líquido al estado gaseoso, es decir, cambia. Para que este cambio se produzca, hay que entregarle energía. Este proceso también es un trabajo.

En este otro proceso de transferencia la energía puede cambiar de forma. Cuando una pila alimenta el motor de un juguete para hacerlo mover o prender una luz, el trabajo está acompañado de una transformación energética. En este caso, de energía química a energía mecánica o lumínica, respectivamente.

3.1. Energía cinética y trabajo

Hasta aquí mencionamos muchas situaciones donde aparece la energía asociada al movimiento, como atletas corriendo o autos desplazándose.

 El movimiento en sí representa una forma de energía y se la conoce como energía cinética.

Ya explicamos que cuando se ejerce una fuerza sobre un cuerpo que provoca un desplazamiento del mismo, se está realizando un trabajo. Este trabajo indica que se ha transferido al cuerpo una cierta cantidad de energía, lo que provoca que el cuerpo se mueva y adquiera cierta velocidad. 

 Pensemos en un juego de bowling: 

¿Alcanzarán la misma velocidad dos bolas de diferente tamaño y masa, lanzadas del mismo modo (es decir, aplicando la misma fuerza a lo largo de una misma distancia)? Intuitivamente podríamos decir que la más liviana logrará mayor velocidad. Si sobre ambas aplicamos la misma fuerza, estamos realizando el mismo trabajo y por lo tanto tendrán la misma energía cinética. 

Bien, la energía cinética (Ec) se puede describir mediante la siguiente ecuación: 

Ec = 1/2 . m . v²

donde m es la masa del cuerpo y v la velocidad que este alcanza.

Así vemos que, para una misma energía cinética, a menor masa mayor velocidad.

El movimiento es una forma de energía porque puede realizarse un trabajo a partir de él. En nuestro ejemplo la energía cinética de la bola lanzada se transfiere a los bolos cuando los impacta, lo que provoca que estos caigan.

Esta es una forma de poner en evidencia la energía que lleva un cuerpo por estar en movimiento: cuando éste impacta contra algo, por ejemplo, contra un muro. En el impacto, el cuerpo transferirá su energía cinética al muro, y realizará un trabajo sobre él que puede ser capaz de hacerlo vibrar, producir grietas o directamente demolerlo. El impacto será mayor cuanto más energía cinética tenga el cuerpo. ¿Recuerdan la caída del coyote por el precipicio en el video del BLOQUE 3?

Para dos cuerpos de igual masa, tener más velocidad significa tener más energía cinética, es decir, un cuerpo que se mueve más rápido posee más energía cinética. Comparando dos bolas de igual tamaño y masa, tendrá  mayor energía cinética aquella que logre mayor velocidad.

3.2. Energía potencial y trabajo

Veamos el concepto de energía potencial.

Si un sistema acumula energía de alguna forma, va a poder realizar un trabajo eventualmente, cuando utilice esta energía.  A esta energía que se ha acumulado o almacenado en el sistema la llamamos energía potencial. Hay distintas formas de acumular energía en un sistema.

Algunos ejemplos de energía acumulada:

• una pila (que acumula energía química, es decir, un tipo de energía que se transforma en energía eléctrica para generar una corriente eléctrica en un circuito),
• un resorte (que al comprimirlo o estirarlo acumula energía potencial elástica),
• un par de imanes (que colocados frente a frente los dos polos que se repelen acumulan energía potencial magnética), y finalmente, lo que más nos interesa en este momento:
• un objeto elevado, que al ser elevado en contra de la gravedad acumula energía potencial gravitatoria.

En todos los casos, esa energía se puede liberar y utilizarse para realizar un trabajo. Si soltamos el resorte, la energía potencial elástica acumulada se transforma en movimiento del resorte. Si soltamos los imanes, la energía potencial magnética acumulada en la repulsión entre los polos se libera separando a los imanes (o dando vuelta uno para que interactúen por los polos que se atraen). Si soltamos el objeto elevado, la energía potencial gravitatoria acumulada por estar elevado se libera y el objeto comienza a desplazarse hacia abajo, es decir, cae.

Como por acción de una fuerza (el peso) el cuerpo se desplaza (hacia abajo) estamos frente a un trabajo mecánico.  Y entonces decimos que el objeto, al caer, tiene energía cinética. ¿De dónde vino esta energía? Pues de haber elevado el objeto a una cierta altura. El trabajo para llevarlo a ese punto  implicó una transferencia de energía que se acumuló como energía potencial gravitatoria.

Conociendo ahora el concepto de energía potencial gravitatoria podemos completar el análisis: la energía potencial gravitatoria, que estaba acumulada en el cuerpo por estar elevado, es la energía que utiliza el cuerpo cuando cae y que lo hace mover (es decir, le hace ganar al cuerpo energía cinética). Es la “energía” que se utiliza para realizar el trabajo mecánico de la caída provocando el movimiento del cuerpo.

¿De qué depende la cantidad de energía potencial que acumula un cuerpo por estar elevado?

Depende de 3 variables: de la masa del cuerpo, de la altura a la que está elevado y la gravedad (que dependerá del planeta en el que se encuentra el cuerpo). Si llevamos dos cuerpos de distinta masa hasta la misma altura, el cuerpo de mayor masa acumulará más energía potencial gravitatoria, solamente por su mayor masa. De la misma manera, un cuerpo acumulará más energía potencial gravitatoria mientras más alto sea elevado.

¿Cómo calculamos la energía potencial gravitatoria?

La expresión matemática de la energía potencial gravitatoria (Ep):

Ep = m . g . h

Donde m es la masa, g es la constante de gravedad y h es la altura entre el punto que nos interesa analizar y una altura de referencia (por ejemplo, el suelo).

¿Se acuerdan del ejemplo de las cajas del supermercado?

Para ver el cálculo en nuestro ejemplo hagan click acá.

3.3. Energía mecánica

Hasta el momento hemos caracterizado los elementos esenciales de lo que llamaremos energía mecánica, que son: la energía cinética y la energía potencial. La energía mecánica (Em) de un sistema determinado es el conjunto de energía asociada a su posición relativa (energía potencial) y/o a su movimiento (energía cinética). Pudiendo expresarse como:
                                                  Em = Ec + Ep

Ahora, que definimos de qué depende la Energía Mecánica, pensemos en la siguiente pregunta:

¿Existe la conservación de la energía en los sistemas que estudiamos? 

¿Qué significa que la energía se conserve? Bueno, significa que la energía inicial del sistema, es la misma que la energía final. Desde ya, adelanto que esto no ocurre en la mayoría de los sistemas. En general, la energía NO se conserva. 

Vamos el siguiente ejemplo: 
Pensemos en el carro de una montaña rusa que ha quedado detenido en la punta más alta del circuito.

En este ejemplo, un carrito va transformando alternativamente su energía potencial gravitatoria en energía cinética (en los descensos) y la energía cinética en energía potencial gravitatoria (en los ascensos). Fíjense que es posible utilizar la energía potencial gravitatoria acumulada en este sistema para que ocurra un trabajo mecánico y que el carrito se mueva por el tramo descendente de la montaña rusa (de A a B) mientras va ganando energía cinética. Por otro lado, también es posible aprovechar la energía cinética que transporta el carrito para realizar con este “envión” un trabajo mecánico, hacerlo subir por el tramo ascendente (de B a C) y hacerlo ganar energía potencial gravitatoria.

Las energías potencial gravitatoria y cinética se pueden transformar una en otra. El proceso en el cual ocurre esta transformación es un trabajo mecánico. Ambas formas de energía están incluidas en el concepto de energía mecánica, que justamente es la suma de las energías potencial gravitatoria y cinética.

Si se trata de un sistema ideal, no se pierde energía mecánica, de manera que aunque ocurran estas transformaciones el total de energía se mantiene constante. Los sistemas ideales son eso, ideales, es decir, teóricos, que sirven para estudiar distintos fenómenos, pero representan situaciones reales.

En los sistemas reales esto no se cumple porque existe el rozamiento. Cuando un cuerpo se mueve, roza con distintas superficies y con el aire, y el trabajo que  realizan las fuerzas de rozamiento, cuyo sentido es en contra del movimiento, hace que la energía mecánica del cuerpo disminuya.  Esa energía se transfiere al ambiente en forma de calor. De esta manera, cuando el carrito recorre el primer tramo descendente de la montaña rusa (de A a B) una parte de su energía potencial gravitatoria se transforma en energía cinética y la otra parte se pierde debido al trabajo realizado por el rozamiento (W_roz). Por este trabajo del rozamiento, parte de la energía mecánica del sistema se pierde como calor. Cuando el carrito recorre el tramo ascendente de la montaña rusa (de B a C) una parte de la energía cinética se transforma en energía potencial gravitatoria y la otra parte se pierde también en el trabajo por el rozamiento.

Se dice que las fuerzas de rozamiento son no conservativas, ya que en un sistema real, la energía invertida en vencer la acción de las fuerzas de rozamiento representa la diferencia entre  la energía mecánica inicial y la energía mecánica final. 

4. Calor y temperatura

Anteriormente definimos el trabajo como la cantidad de energía que se transfiere de una forma a otra.

En el ejemplo que analizamos previamente, donde estudiábamos el desplazamiento de un carrito de una montaña rusa, podíamos ver que en las situaciones reales, existen fuerzas de rozamiento que se denominan "no conservativas" que promueven la transformación de la energía tanto potencial como cinética en otro tipo de energía (recordemos que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma). Pero ¿en qué tipo de energía? 
Si analizamos nuevamente nuestro ejemplo teniendo presente esta definición, ¿dónde está la energía que se invirtió en el trabajo para vencer las fuerzas de rozamiento? La respuesta es simple, se transfirió y trasformó en calor, calentándose así las vías y ruedas del carro. Durante la fricción, esta energía trasformada en calor y transferida al medio no puede ser recuperada por el sistema. Es una forma de energía que no puede ser utilizada para realizar trabajo.

¿A qué llamamos calor? Y ¿qué es la temperatura?

Según los científicos contemporáneos, todos los cuerpos existentes están formados por partículas muy pequeñas que interactúan entre sí. Debido a esto presentan lo que se conoce como Energía Interna.

La temperatura es una medida de esta energía interna del cuerpo y denominamos calor a la transferencia de energía que se produce entre cuerpos que se encuentran a diferente temperatura.

Cuando dos cuerpos están en contacto se produce una transferencia desde el cuerpo con mayor energía hacia el de menor energía, hasta que se alcanza el equilibrio térmico, es decir hasta que los cuerpos presenten la misma temperatura.

Analicemos el siguiente texto (y si quieren pueden hacer la prueba, es muy simple):

“El sentido del tacto nos permite distinguir, sin duda alguna
entre un cuerpo caliente y uno frío. Pero esto constituye un
criterio puramente cualitativo, y a veces hasta ambiguo e
insuficiente, para una descripción cuantitativa. Esto se prueba por
una experiencia bien conocida: busquemos tres recipientes que
contengan agua caliente, tibia y fría respectivamente. Si se
introduce una mano en el primer recipiente y la otra en el tercero,
se recibirán dos impresiones de frío y calor correspondientes. Si
se retiran de dichos recipientes y se introducen inmediatamente
en el agua tibia, se obtendrán dos sensaciones contradictorias,
una de cada mano.” 

Este ejemplo muestra cómo al introducir las manos en el mismo recipiente, la percepción de frío y cálido no es la misma. Por eso la percepción no es suficiente para evaluar esta cualidad del sistema. Utilizando un termómetro para medir la temperatura de este recipiente podríamos asignarle un valor numérico e independizarnos de la percepción entre lo cálido y lo frío. Existen varias unidades en las que podemos expresar la temperatura. Dentro de las más usadas se encuentran el grado Celsius (ºC), el grado Fahrenheit (ºF) y el Kelvin (K). El sistema Celsius es el utilizado en nuestro país. En este sistema se usa como referencia el punto de fusión del agua para definir el cero de la escala, y el punto de ebullición para los 100 grados, siempre trabajando a presión normal (1 atm). El rango entre estos dos puntos es dividido en 100 partes iguales, por ello también los grados Celsius reciben el nombre de grados centígrados. La escala Fahrenheit se usa mayormente en Estados Unidos, y para los mismos puntos de referencia corresponden 32ºF y 212ºF respectivamente. 

En la última escala, denominada escala absoluta, o escala Kelvin, el cero corresponde a -273,15 ºC y la extensión de un Kelvin es igual a la de un grado Celsius. En esta escala, la temperatura de fusión del agua es 273,15 K y la de ebullición es 313,15 K.

5. Electricidad

De aquí en adelante nos ocuparemos de conceptos que resultarán muy familiares (no todos) y cotidianos, pero vistos desde una óptica distinta. Vamos a estudiar fenómenos que ocurren todo el tiempo entre nosotros pero que no podemos ver directamente, sino que podemos observar o sentir sus consecuencias o manifestaciones. Los fenómenos eléctricos, encuentran su explicación cuando nos adentramos en el mundo de los átomos y sus subpartículas... Los/as invitamos a descubrirlo.

El electromagnetismo es una rama de la Física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, sus fundamentos fueron dados a conocer por primera vez por Michael Faraday y formulados por primera vez de forma completa por James Clerk Maxwell.

La electricidad, en particular, es un fenómeno que nos acompaña una buena parte de nuestras vidas, la iluminación, la sobrecarga de las nubes de tormenta, los crujidos de una chispa estática que se libera al desplazar una silla sobre una alfombra. También está presente en la biología: el movimiento de iones a través de una membrana; en la fisiología: la transmisión de las señales nerviosas; en la tecnología diagnóstica médica: las señales de un electrocardiograma.

Aquí nos interesará (en principio) entender la base de los fenómenos eléctricos. Para ello tenemos que recurrir a los conceptos relacionados a la Física de partículas.

¿Qué son las cargas eléctricas?

La carga eléctrica es una propiedad de la materia. De la misma forma que dos cuerpos por el hecho de tener masa se atraen entre sí (fenómeno de gravedad según Newton), los cuerpos con carga eléctrica también interactúan entre sí. Existen dos tipos de cargas eléctricas: las positivas y las negativas. Las cargas de igual signo se repelen, mientras que las de distinto signo se atraen.

Ya sabrán que la materia está compuesta por moléculas y estas por átomos y estos, a su vez, por partículas más pequeñas, protones, neutrones y electrones. Las asociaciones entre estas partículas confieren las propiedades que apreciamos de la materia y además poseen otras propiedades que sólo se evidencian en el mundo microscópico cuando se las estudia por separado.

Los protones tienen carga positiva, los electrones carga negativa y los neutrones no tienen carga. Los últimos al no tener carga eléctrica, no interactúan en un fenómeno eléctrico. 

Los átomos pueden estar compuestos por un balance de cargas negativas y positivas o puede ocurrir que tengan un exceso o defecto de electrones. En este caso la carga positiva de los protones no va a estar completamente balanceada. Cuando en un mismo cuerpo hay la misma cantidad e cargas positivas y negativas, se compensan y el resultado es que el cuerpo se comporta como si fuera eléctricamente neutro (a pesar de estar formado por partículas cargadas). En esta situación, la carga neta, es decir la diferencia entra la cantidad de cargas positivas y negativas, es cero. En el caso que un cuerpo tenga un exceso de cargas positivas su carga neta tendrá un valor positivo; mientras que si el exceso es de cargas negativas, la carga neta será un valor negativo.

Cuando un cuerpo tiene carga eléctrica, afecta todo el espacio alrededor suyo y se establece un campo eléctrico, una especie de zona de influencia. Cualquier cuerpo cargado que se halle en este campo eléctrico recibirá una fuerza eléctrica de atracción o repulsión, según cuál sea su carga. 

Un objeto puede cargarse cuando se le aporta carga, modificando su carga neta, o puede polarizarse sin modificar su carga neta. Se llama polarización de la carga a la redistribución de las cargas por acción de un campo magnético, en objetos eléctricamente neutros (con carga neta cero), de manera tal que se forman dipolos (dos polos en el objeto: uno positivo y el otro negativo). Por ejemplo, cuando acercamos un globo, previamente frotado contra un paño (adquirió carga estática), a trocitos de papel, veremos que este atraerá a los papeles que se pegarán al globo. Esto sucedería en nuestro ejemplo con las cargas en los trocitos de papel:

¿Se mueven las cargas eléctricas? Sí. 

Las cargas eléctricas se mueven por acción del campo eléctrico. A este movimiento de cargas en un cierto medio lo llamamos corriente eléctrica.

Sin embargo, la facilidad con que los distintos materiales permiten su paso, depende de de las características o propiedades del mismo. Se llaman conductores los materiales que dejan pasar fácilmente a la corriente eléctrica y a los que no lo permiten se los denomina aislantes. El papel o la madera, por ejemplo, son aislantes. Al contrario, el cable de cobre es un muy buen conductor.

Según las características del medio, las partículas encargadas de mover las cargas serán distintas. Por ejemplo, en un cable de cobre son los electrones los encargados de llevar la carga de un lado a otro, mientras que en el agua salada son los iones los responsables. No todas las partículas transportadoras de carga son iguales, por lo que no se moverán del mismo modo.

Y como en este bloque venimos hablando de ENERGÍA, digamos que:

Energía eléctrica es un tipo de energía que se manifiesta como una corriente eléctrica y se debe al movimiento de cargas a través de un conductor. 

A continuación, en 5.1 y 5.2 podrán profundizar sobre este concepto. Además, si tienen interés en 5.1.Circuitos eléctricos y 5.2.Potencia y consumo, los invitamos a avanzar con la lectura. De lo contrario, pueden continuar con 6.Otras formas de energía y sus transformaciones. 

5.1. Circuitos eléctricos

Cuando hablamos de circuitos eléctricos, tenemos que decir que las cargas eléctricas están en movimiento y que esta corriente eléctrica está al servicio de hacer funcionar distintos aparatos como lámparas, heladeras, computadoras, etc.

Llamamos circuito eléctrico al dispositivo en el que dos zonas de distinto potencial se hallan conectadas a través de componentes que permiten el movimiento de cargas eléctricas.

¿Qué componentes tiene un circuito eléctrico?

1. En el caso de los circuitos eléctricos, el movimiento de las cargas es alimentado por una diferencia de energía potencial eléctrica (también conocida como tensión o voltaje y se simboliza como ), que funciona como fuente de energía eléctrica. La unidad de potencial eléctrico es muy conocida: se llama Volt y se simboliza con la letra V.

De la misma manera que en un sistema mecánico una diferencia de altura representa una diferencia de energía potencial gravitatoria que puede utilizarse para producir movimiento, un componente fundamental de un circuito eléctrico es un sistema que aporte una diferencia de potencial eléctrico para suministrar la energía suficiente para hacer que las cargas eléctricas circulen. Este elemento se conoce como fuente de fuerza electromotriz o FEM. Ejemplos de FEMs son las pilas y las baterías. También lo son los transformadores o la corriente de línea.

En esta imagen, vemos el fenómeno escondido dentro de una PILA, movimiento de cargas negativas hacia el polo positivo de la misma. 

2. Los conductores generalmente son cables de cobre que oponen una muy baja resistencia al paso de la corriente y es por eso que se usan para transportarla.

La magnitud física que indica qué tan grande es el flujo de cargas que circula por un circuito es la intensidad de corriente eléctrica (se representa con una i mayúscula: I). Una definición de la intensidad de corriente eléctrica sería “la cantidad de cargas que atraviesan una sección del conductor en la unidad de tiempo”. En otras palabras, la intensidad de corriente eléctrica se refiere a cuántas cargas circulan por una parte del circuito en un determinado tiempo. También es conocida como amperaje, ya que su unidad correspondiente es el Ampère, que se simboliza con la letra A.

3. La última parte del circuito que nos queda por analizar es justamente qué conectamos a esa FEM y a través de lo cual circula esta intensidad de corriente eléctrica. Los distintos aparatos (o partes de los aparatos) conectados a un circuito producen una distinta “dificultad” a la circulación de la corriente eléctrica. A esta propiedad se la conoce como resistencia (R). Como en un circuito puede haber más de una resistencia conectada y nos interesará conocer el efecto conjunto de todas esas resistencias, utilizaremos el concepto de resistencia total o equivalente, que es similar al concepto de fuerza neta o resultante. La resistencia equivalente expresa la consecuencia en un circuito de todo un conjunto de resistencias. Se define como la resistencia única que colocada en el circuito podría reemplazar a todas las resistencias sin que cambie la intensidad de corriente total que produce la FEM.

En esta imagen, E representa a la FEM, I es la intensidad de corriente que circula y R es la resistencia. Todo está conectado por unas líneas que representan los conductores (¿cables?) por donde circula la carga y cierra el circuito.

¿Cómo se relacionan estos componentes?

La relación entre los elementos del circuito (diferencia de potencial eléctrico, resistencia equivalente e intensidad de corriente eléctrica) se conoce como la ley de Ohm. Un concepto fundamental sobre los circuitos eléctricos es que la relación entre la FEM, que aporta la diferencia de potencial eléctrico utilizado para mover las cargas, y el conjunto de las resistencias conectadas al circuito, representadas por la resistencia equivalente, determina la intensidad de corriente eléctrica que circula por el circuito. La ley de Ohm se expresa matemáticamente como está indicado acá:

Según la ley de Ohm, para un sistema de resistencias dado, mientras más grande sea la diferencia de potencial eléctrico aportado, mayor será la intensidad de corriente eléctrica total. De la misma manera, mientras más grande sea la resistencia equivalente del circuito (que representa la dificultad a la circulación de la corriente que opone el conjunto de aparatos conectados), menor será la intensidad de la corriente. En resumen, la intensidad de corriente eléctrica total de un circuito (I) es directamente proporcional a la diferencia de potencial eléctrico (V) e inversamente proporcional a la resistencia equivalente (R).

¿Cómo pueden estar conectadas las resistencias en un circuito?

Existen dos maneras en que las resistencias pueden estar conectadas: la conexión en serie y la conexión en paralelo.

En la conexión en serie las resistencias se conectan secuencialmente. 

En la conexión en paralelo los extremos de las resistencias están conectados a un mismo punto. 

¿En qué se diferencian estos dos tipos de conexiones? Hagan click acá.

5.2. Potencia y consumo

Y, por último, hablemos de la potencia.

Este concepto no es del todo nuevo ya que cuando hablamos de trabajo en este bloque, también vimos el concepto de potencia. Esta vez lo aplicaremos a la energía eléctrica.

ATENCIÓN: no debemos confundir potencia con potencial eléctrico.

Veamos el ejemplo del ascensor (podés encontrarlo en la Sección 2.1 Potencia ). Habíamos dicho que  la potencia (como aparece en el ejemplo del ascensor) sería, en términos coloquiales, qué tan rápido se realiza un trabajo (o dicho más académicamente: la relación entre un trabajo realizado y el tiempo que toma hacerlo). Consideremos al trabajo como transferencia de energía, según vimos en la Sección 3.Energía.

Viéndolo de ese modo, la potencia se puede definir como la relación entre la energía consumida y el tiempo durante el cual se consumió dicha energía. 

¿Cómo se usa este concepto en electricidad?

Cuando decimos que una lamparita es de 75 Watt (75 W), estamos hablando de la energía eléctrica que consume una lamparita por segundo cuando la conectamos a la red eléctrica argentina. Decir 75 W significa que esa lamparita consume 75 Joules (unidad de trabajo) de energía eléctrica cada segundo que está encendida.

En un circuito eléctrico, nos interesa la potencia porque nos habla del consumo de energía eléctrica.

La potencia (P) en un circuito eléctrico se puede calcular multiplicando la diferencia de potencial eléctrico y la intensidad de corriente eléctrica. La expresión usada para el cálculo de la potencia (P) es:

P = i . V

Para una corriente de 1 A y un voltaje de 220 V sería:

P = 1 A . 220 V = 220 W

Presten atención a las unidades, la intensidad de corriente se expresa en Ampere, el voltaje en Volts y la potencia en Watts.

¿Cuánto consumimos?
Veamos ahora cómo impacta el consumo de energía en nuestra vida cotidiana. Como la diferencia de potencial eléctrico aportada por la red eléctrica doméstica es fija (220 Volts), la energía que consume una casa depende solamente de la cantidad de aparatos que tiene en funcionamiento.

En esta área de la Física, surgió una nueva forma de medir la energía eléctrica consumida que se utiliza con más frecuencia que el Joule, se trata del kilowatthora. El kilowatthora (kWh) es una unidad que surge de multiplicar la potencia de un artefacto consumidor de energía eléctrica por el tiempo expresado en horas que este artefacto está en funcionamiento. Es una unidad de energía.

Un ejemplo práctico

Calculemos el consumo de una computadora que se encuentra encendida 6 horas por día durante 60 días (un bimestre) y que se sabe que en 1 hora consume 0,3 kWh (su potencia es de 0,3 kW).

Entonces, si son 6 horas las que se encuentra encendida, consumirá 6 veces 0,3 kWh, es decir, 1,8 kWh. Esto es lo que consumirá cada día, pero necesitamos saber cuánto consumirá en 60 días.

Si en 1 día una computadora consume 1,8 kWh, en 60 días consumirá 60 veces 1,8 kWh, es decir, 108 kWh.

Acá tienen un enlace a un simulador de consumo de la empresa Edenor, donde podemos calcular un consumo promedio mensual o bimestral en nuestros hogares, según el uso y características de los artefactos eléctricos. Acá el enlace. 

6. Otras formas de energía y sus transformaciones

Si bien este bloque se denomina Energía, en líneas generales, estuvimos trabajando con algunos tipos particulares de energías (mayormente la cinética, la potencial gravitatoria, la térmica y la eléctrica).

Retomemos algunas ideas:

Energía cinética: es la que está asociada al movimiento y es directamente proporcional a la masa y al cuadrado de la velocidad del cuerpo.

Energía potencial gravitatoria: es la energía acumulada por un cuerpo debido a la altura a la que se encuentra elevado.

Energía térmica: está asociada a la Energía Interna del cuerpo y se manifiesta en forma de calor.

Energía eléctrica: es un tipo de energía que se manifiesta como una corriente eléctrica y se debe al movimiento de cargas a través de un conductor. Se puede generar de diferentes formas, la más común es acumulando agua y luego dejándola correr. Esto ocurre en las centrales hidroeléctricas. Es una de las formas de energía más utilizadas debido principalmente a la facilidad con la que se genera y transporta. En nuestro país el aporte más importante de este tipo de energía es el que proviene de la central hidroeléctrica de Yacyretá, que se encuentra en la provincia de Corrientes. Aquí se aprovecha el continuo fluir de grandes masas de agua (energía cinética), para impulsar los generadores eléctricos. En segundo lugar se encuentra la Central termoeléctrica Costanera, ubicada en la Ciudad de Buenos Aires. Las centrales termoeléctricas utilizan el calor de la combustión del gas y del fuel oil (energía térmica) y la transforman en electricidad.

Y acá podrán explorar algunos otros tipos de Energías que nos rodean:

Energía química: se llama así a la energía almacenada en los enlaces químicos que unen los átomos que forman a las moléculas. Esta energía se libera al romper dichas uniones, por ello es la principal forma de energía que obtenemos al degradar los alimentos.

Energía nuclear por fisión: Es la energía almacenada en el núcleo atómico. Esta energía puede liberarse cuando se producen alteraciones en esos núcleos durante las llamadas reacciones nucleares. En los reactores nucleares la energía nuclear liberada produce energía térmica, la cual se transforma a su vez en energía mecánica a través de las turbinas de vapor. Esta energía puede ser utilizada para la generación de energía eléctrica en centrales nucleares. Argentina cuenta con dos centrales nucleares Atucha I y Embalse; y una en construcción, Atucha II. 

¿Conocen otros tipos de energía? Si les interesa pueden investigar qué son y cómo y para qué se usan.

Como ya mencionamos: ¡Un concepto fundamental!!!! No lo olviden:

Por lo que la energía necesaria para un cambio siempre viene de alguna forma de energía existente.

Entonces, los distintos tipos de energía, además, pueden transformarse entre sí. 

¿Qué aplicaciones se desarrollaron a partir de los conocimientos ganados por la Física ¨moderna¨? 

Entre las teorías físicas que revolucionaron al mundo, aquí solo mencionamos los alcances físicos de la física. Pero, ¿qué ocurrió cuando se comprendió en profundidad qué era la energía y cómo podía ser transformada? ¿Qué impacto económico provocó? ¿Cómo se transformó el mundo cuando se dominó la electricidad? ¿Todos los avances condujeron al progreso y bienestar de la humanidad? Los investigadores son seres humanos y los resultados de la ciencia, para bien o para mal, repercuten en la vida de todos, ya sea en forma de grandes avances biomédicos como en grandes retrocesos por el desarrollo de armas que llevan a la destrucción. La ciencia no es neutral. Y es importante comprender la base de las discusiones que se plantean para tener participación en las decisiones colectivas como ciudadanos.

El área biomédica es una de las que más se ha nutrido de la física en los últimos tiempos. Tanto las técnicas y los equipos de diagnóstico (electrocardiogramas, electroencefalogramas, tomografías computadas) como muchos tratamientos de enfermedades (la medicina nuclear, los radiofármacos y la radioterapia) tienen detrás mucha física.

La radiactividad es un proceso natural que ocurre cuando un átomo emite radiación. Esta radiación puede ser de diferentes tipos y al elemento que la emite se lo llama radiactivo. La radiación que emiten los elementos radiactivos suele ser una emisión de partículas y dependiendo de qué partícula se emita serán las características de dicha radiación. Ahora bien, te preguntarás por qué algunos elementos emiten partículas, pues bien, sus núcleos son inestables. Que sean inestables significa que tienen un exceso de energía, y es por ello que se deshacen de éste alcanzando un estado más estable.

La pérdida de energía por radiación se puede producir de diferentes formas: emitiendo rayos X, emitiendo rayos gamma o incluso emitiendo partículas tan grandes que el átomo que se desintegra se transforma en otro átomo más liviano. Por ejemplo, cuando se desintegran las formas inestables del uranio, éste ¡se puede convertir en plomo! ¿Pero qué pasa con esa radiación que es de alguna manera energía liberada?... reacciona con lo que encuentre a su paso. Esto ocurre en la naturaleza, pero además el hombre ha aprovechado la energía que liberan estos átomos inestables. A esa energía se la conoce como energía nuclear.

¿Conocían algunas aplicaciones de la Energía Nuclear? 

En nuestro país, la Energía Nuclear forma parte del plan energético nacional y una parte de la matríz energética viene de la producción que generan las centrales nucleares. Aquí les presentamos un video donde pueden ver algunas de las actividades que desarrolla la CNEA (Comisión Nacional de Energía Nuclear), click acá para conocer más sobre este organismo).

7. Para saber más ...

- En este video  realizado por el Canal Encuentro podemos ver distintos procesos de transformación energética utilizados para aprovechar al máximo los recursos que nos brinda la naturaleza: acá les dejo el enlace al video.

Sinopsis del video: Enrique y Mariana Moravia, una pareja de científicos, nos llevan a diferentes plantas generadoras de energía de la Argentina para explicarnos cómo se genera, transporta y distribuye este recurso en nuestro país. Un recorrido por los procesos que involucran la energía eléctrica y el gas, desde su generación hasta su uso en el hogar.

- En el blog científico que se llama "Cuaderno de cultura científica" pueden leer un lindo artículo que se llama "Así funcionan las baterías de Litio" y nos cuenta cuál es el fundamento del funcionamiento de estas y otras baterías en general.. Fue escrito por la química y divulgadora científica Déborah García Bello.  "Cuaderno de cultura científica" es un blog colaborativo escrito por profesionales con la finalidad de promover la cultura científica en todas las áreas.

Acá el enlace.

- Este es un video interesante que nos da un ejemplo de cómo avanza la ciencia, en este caso la Física. ¿Cómo llegamos a la Física moderna desde la Física clásica? El título: "Viajar a una estrella lejana y regresar a tiempo para cenar", por Miguel Alcubierre.

Un físico de la Universidad Nacional de México, revisa el concepto fundamental de movimiento y comenta la teoría de la relatividad general, en donde Albert Einstein resignifica los principios generales de la gravedad que fueran propuestos por Isaac Newton. Para verlo hagan click acá.

8. ¿Practicamos?

- Bajo el título 2.El Trabajo ¿mecánico?, para practicar, les propusimos resolver el siguiente ejercicio: para acceder, hagan click acá.  Si todavía no lo hicieron pueden resolverlo ahora. Y aquí les ofrecemos las respuestas para que puedan autoevaluarse. 

- Les presentamos ahora un simulador computacional para poder ensayar las transformaciones energéticas. Utilizándolo podrán ver como varían la Energía cinética, potencial gravitatoria y térmica durante el desplazamiento de un patinador. Primero, hagan click en ¨friction¨, para experimentar el simulador con rozamiento. El simulador está en inglés, pero los términos que van a ver escritos son bastante similares al español, por ejemplo, ´kinetic´ significa ´cinética´. Si ponen en movimiento al patinador, hasta una determinada altura y luego lo sueltan, ¿qué energía empieza a aumentar? ¿Cuál comienza a disminuir? Para poder ver las barras de energía, recuerden activar (con un click) los casilleros donde dice ¨pie chart" (gráfico de torta) y ¨bar graph¨(gráfico de barra). 

Antes de probarlo ustedes, si quieren, pueden ver primero el siguiente video explicativo: Energía cinética y potencial

La página del simulador pueden verla aquí abajo: 

9. Autoevaluación

Aquí dejamos el cuestionario de autoevaluación para que puedas ver cuánto aprendiste.

10. Unos minutos y ya te vas