LA ELECTRICIDAD
Historia de la electricidad
La historia de la electricidad como rama de la física comenzó con observaciones aisladas y simples especulaciones o intuiciones médicas, como el uso de peces eléctricos en enfermedades como la gota y el dolor de cabeza, u objetos arqueológicos de interpretación discutible, como la batería de Bagdad. Tales de Mileto fue el primero en observar los fenómenos eléctricos cuando, al frotar una barra de ámbar con un paño, notó que la barra podía atraer objetos livianos.
Mientras la electricidad era todavía considerada poco más que un espectáculo de salón, las primeras aproximaciones científicas al fenómeno fueron hechas en los siglos XVII y XVIII por investigadores sistemáticos como Gilbert, von Guericke, Henry Cavendish, Du Fay, van Musschenbroek y Watson. Estas observaciones empiezan a dar sus frutos con Galvani, Volta, Coulomb y Franklin, y, ya a comienzos del siglo XIX, con Ampère, Faraday y Ohm. No obstante, el desarrollo de una teoría que unificara la electricidad con el magnetismo como dos manifestaciones de un mismo fenómeno no se alcanzó hasta la formulación de las ecuaciones de Maxwell en 1865.
Los desarrollos tecnológicos que produjeron la primera revolución industrial no hicieron uso de la electricidad. Su primera aplicación práctica generalizada fue el telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833), que revolucionó las telecomunicacione. La generación masiva de electricidad comenzó cuando, a fines del siglo XIX, se extendió la iluminación eléctrica de las calles y las casas. La creciente sucesión de aplicaciones que esta forma de la energía produjo hizo de la electricidad una de las principales fuerzas motrices de la segunda revolución industrial. Fue éste el momento de grandes inventores como Gramme, Westinghouse, von Siemens y Alexander Graham Bell. Entre ellos destacaron Nikola Tesla y Thomas Alva Edison, cuya revolucionaria manera de entender la relación entre investigación y mercado capitalista convirtió la innovación tecnológica en una actividad industrial.
Conceptos
Carga eléctrica
Interacciones
entre cargas de igual y distinta naturaleza.
La carga en un electroscopio
causa que las láminas se repelan entre sí.
La carga eléctrica es una propiedad de la materia
que produce una fuerza cuando tiene cerca otra materia cargada eléctricamente.
La carga se origina en el átomo, el cual tiene portadores muy comunes que son
el electrón y el protón. Es una cantidad conservadora, es decir, la carga neta
de un sistema aislado se mantendrá constante, a menos que una carga externa se
desplace a ese sistema.
En el sistema, la carga puede transferirse entre los cuerpos por contacto
directo, o al pasar por un material conductor, como un cable. El término electricidad
estática hace referencia a la presencia de carga en un cuerpo, por lo general
causado por que dos materiales distintos se frotan entre sí, transfiriéndose
carga uno al otro.
La presencia de carga da lugar a la fuerza
electromagnética: una carga ejerce una fuerza sobre las otras, un efecto que
era conocido en la antigüedad, pero no comprendido. Una bola liviana,
suspendida de un hilo, podía cargarse al contacto con una barra de vidrio
cargada previamente por fricción con un tejido. Se encontró que si una bola
similar se cargaba con la misma barra de vidrio, se repelían entre sí. Este
fenómeno fue investigado a finales del siglo XVIII por Charles-Augustin de
Coulomb, que dedujo que la carga se manifiesta de dos formas opuestas. Este
descubrimiento trajo el conocido axioma "objetos
con la misma polaridad se repelen y con diferente polaridad se atraen".
La fuerza actúa en las partículas cargadas entre
sí, y además la carga tiene una tendencia a extenderse sobre una superficie
conductora. La magnitud de la fuerza electromagnética, ya sea atractiva o
repulsiva, se expresa por la ley de Coulomb, que relaciona la fuerza con el
producto de las cargas y tiene una relación inversa al cuadrado de la distancia
entre ellas. La fuerza electromagnética es muy fuerte, la segunda después de la
interacción nuclear fuerte
,con la diferencia que esa fuerza opera sobre todas las distancias. En comparación con la débil fuerza
gravitacional, la fuerza electromagnética que aleja a dos electrones es 10
veces más grande que la atracción gravitatoria que los une.
Las cargas de los electrones y de los protones
tienen signos contrarios, además una carga puede ser expresada como positiva o
negativa. Por convención, la carga que tiene electrones se asume negativa y la
de los protones positiva, una costumbre que empezó con el trabajo de Benjamín
Franklin.
La cantidad de carga está dada por el símbolo Q y se expresa en Culombios. Los electrones tienen la misma carga de
aproximadamente -1.6022×10-19 culombios. El protón tiene una carga
que es igual y opuesta +1.6022×10-19 coulombios. La carga no sólo
está presente en la materia, sino también por la antimateria, cada antipartícula
tiene una carga igual y opuesta a su correspondiente partícula.
La carga puede medirse de diferentes maneras, un
instrumento muy antiguo es el electroscopio, que aunque todavía se usa para
demostraciones en los salones de clase, ha sido superado por el electrómetro
electrónico.
Corriente eléctrica
Un arco
eléctrico provee una demostración energética de la corriente eléctrica
Se conoce como corriente eléctrica al movimiento de
cargas eléctricas. La corriente puede estar producida por cualquier partícula
cargada eléctricamente en movimiento; lo más frecuente es que sean electrones,
pero cualquier otra carga en movimiento produce una corriente. La intensidad de
una corriente eléctrica se mide en amperios, cuyo símbolo es A.
Históricamente, la corriente eléctrica se definió
como un flujo de cargas positivas y se fijó como sentido convencional de
circulación de la corriente el flujo de cargas desde el polo positivo al negativo.
Más adelante se observó, que en los metales los portadores de carga son
electrones, con carga negativa, y que se desplazan en sentido contrario al
convencional. Lo cierto es que, dependiendo de las condiciones, una corriente
eléctrica puede consistir de un flujo de partículas cargadas en una dirección,
o incluso en ambas direcciones al mismo tiempo. La convención positivo-negativo
es ampliamente usada para simplificar esta situación.
El proceso por el cual la corriente eléctrica
circula por un material se llama conducción eléctrica, y su naturaleza varía
dependiendo de las partículas cargadas y el material por el cual están
circulando. Son ejemplos de corrientes eléctricas la conducción metálica, donde
los electrones recorren un conductor eléctrico, como el metal, y la electrólisis,
donde los iones (átomos cargados) fluyen a través de líquidos. Mientras que las
partículas pueden moverse muy despacio, algunas veces con una velocidad media
de deriva de sólo fracciones de milímetro por segundo, el campo eléctrico que
las controla se propaga cerca a la velocidad de la luz, permitiendo que las
señales eléctricas se transmitan rápidamente por los cables.
La corriente produce muchos efectos visibles, que
han hecho que se reconozca su presencia a lo largo de la historia. En 1800, Nicholson y Carlisle descubrieron que el
agua podía descomponerse por la corriente de una pila voltaica en un proceso que
se conoce como electrólisis; trabajo que posteriormente fue ampliado por Michael
Faraday en 1833. La corriente a través de una resistencia eléctrica produce un
aumento de la temperatura, un efecto que James Prescott Joule estudió
matemáticamente en 1840 (ver efecto Joule).
Campo eléctrico
Líneas de campo
saliendo de una carga positiva hacia un conductor plano.
El concepto de campo eléctrico fue introducido por Michael
Faraday. Un campo eléctrico se crea por un cuerpo cargado en el espacio que lo
rodea, y produce una fuerza que ejerce sobre otras cargas que están ubicadas en
el campo. Un campo eléctrico actúa entre dos cargas de modo muy parecido al campo
gravitacional que actúa sobre dos masas, y como tal, se extiende hasta el
infinito y su valor es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Sin embargo, hay una diferencia importante: así
como la gravedad siempre actúa como atracción, que el campo eléctrico puede
producir atracción o repulsión. Si un cuerpo grande como un planeta no tiene
carga neta, el campo eléctrico a una distancia determinada es cero. Por ello la
gravedad es la fuerza dominante en el universo, a pesar de ser mucho más débil.
Un campo eléctrico varía en el espacio, y su fuerza
en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que se
necesita para que una carga esté inmóvil en ese punto. La carga de prueba debe
de ser insignificante para evitar que su propio campo afecte el campo principal
y también debe ser estacionaria para evitar el efecto de los campos magnéticos.
Como el campo eléctrico se define en términos de fuerza, y una fuerza es un
vector, entonces el campo eléctrico también es un vector, con magnitud y
dirección. Específicamente, es un campo vectorial.
Potencial eléctrico
Un par de pilas
AA. El signo + indica la polaridad de la diferencia de potencial entre las
terminales de la batería.
El concepto de potencial eléctrico tiene mucha
relación con el campo eléctrico. Una caga pequeña ubicada en un campo eléctrico
experimenta una fuerza, y para haber llevado esa carga a ese punto en contra de
la fuerza se necesito trabajo. El potencial eléctrico en cualquier punto se
define como la energía requerida para mover una carga de prueba ubicada en el
infinito a ese punto. Por lo general se mide en voltios, donde un voltio es el
potencia en el que un julio (unidad) de trabajo debe gastarse para traer una
carga de un culombio del infinito. Esta definición formal de potencial tiene una
aplicación práctica, aunque un concepto más útil es el de diferencia de
potencial, y es la energía requerida para mover una carga entre dos puntos
específicos. El campo eléctrico tiene la propiedad especial de ser conservativo,
es decir que no importa la trayectoria realizada por la carga de prueba; todas
las trayectorias de dos puntos específicos consumen la misma energía, y además
con un único valor de diferencia de potencial. El voltio está tan identificado
como la unidad de elección de medida y descripción de la diferencia de
potencial que el término voltaje se usa frecuentemente en la vida diaria.
Electromagnetismo
Fluido ferroso
que se agrupa cerca de los polos de un imán o magneto.
El motor
eléctrico aprovecha un efecto importante del electromagnetismo: una corriente a
través de un campo magnético experimenta una fuerza en el mismo ángulo del
campo y la corriente.
Se denomina electromagnetismo a la teoría
física que unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría,
cuyos fundamentos son obra de Faraday, pero fueron formulados por primera vez
de modo completo por Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones
diferenciales vectoriales, conocidas como ecuaciones de Maxwell, que relacionan
el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales: densidad
de carga eléctrica, corriente eléctrica, desplazamiento eléctrico y corriente de
desplazamiento.
A principios del siglo XIX Ørsted encontró evidencia empírica de que
los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. A partir de esa
base Maxwell unificó en 1861 los trabajos de físicos
como Ampère, Sturgeon, Henry, Ohm
y Faraday, en un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno
solo, el fenómeno electromagnético.
Se trata de una teoría de campos; las explicaciones
y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales y son
dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo
describe los fenómenos físicos macroscópicos en los que intervienen cargas
eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y
magnéticos y sus efectos sobre la materia. Para la descripción de fenómenos a
nivel molecular, atómico o corpuscular, es necesario emplear las expresiones
clásicas de la energía electromagnética conjuntamente con las de la mecánica
cuántica.
Las ecuaciones de Maxwell describen los campos
eléctricos y magnéticos como manifestaciones de un solo campo electromagnético.
Además, explican la naturaleza ondulatoria de la luz como parte de una onda
electromagnética. Al contar con una teoría unificada consistente que
describiera estos dos fenómenos antes separados, se pudieron realizar varios
experimentos novedosos e inventos muy útiles, como el generador de corriente
alterna inventado por Tesla. El éxito predictivo de la teoría de Maxwell y la
búsqueda de una interpretación coherente con el experimento de Michelson y
Morley llevó a Einstein a formular la teoría de la relatividad, que se apoyaba
en algunos resultados previos de Lorentz y Poincaré.
Esta unificación es fundamental para describir las
relaciones que existen entre los campos eléctricos variables que se utilizan en
la vida diaria —como la corriente alterna utilizada en las redes eléctricas
domésticas— y los campos magnéticos que inducen. Entre otras aplicaciones
técnicas, se utiliza para el cálculo de antenas de telecomunicaciones y de
circuitos eléctricos o electrónicos en los que hay campos eléctricos y
magnéticos variables que se generan mutuamente.
Circuitos
Un circuito
eléctrico básico. La fuente de tensión V en la izquierda provee una corriente I
al circuito, entregándole energía eléctrica al resistor R. Del resistor, la
corriente regresa a la fuente, completando el circuito.
Circuito eléctrico y Análisis
de circuitos.
Un circuito eléctrico es una interconexión de
componentes eléctricos tales que la carga eléctrica fluye en un camino cerrado,
por lo general para ejecutar alguna tarea útil.
Los componentes en un circuito eléctrico pueden ser
muy variados, puede tener elementos como resistores, capacitores, interruptores,
transformadores y electrónicos. Los circuitos electrónicos contienen componentes
activos, normalmente semiconductores, exhibiendo un comportamiento no lineal,
necesitando análisis complejos. Los componentes eléctricos más simples son los pasivos
y lineales.
El comportamiento de los circuitos eléctricos que
contienen solamente resistencias y fuentes electromotrices de corriente
continua está gobernado por las Leyes de Kirchoff. Para estudiarlo, el circuito
se descompone en mallas eléctricas, estableciendo un sistema de ecuaciones
lineales cuya resolución brinda los valores de los voltajes y corrientes que
circulan entre sus diferentes partes.
La resolución de circuitos de corriente alterna
requiere la ampliación del concepto de resistencia eléctrica, ahora ampliado
por el de impedancia para incluir los comportamientos de bobinas y condensadores.
La resolución de estos circuitos puede hacerse con generalizaciones de las
leyes de Kirchoff, pero requiere usualmente métodos matemáticos avanzados, como
el de Transformada de Laplace, para describir los comportamientos transitorios
y estacionarios de los mismos.
Propiedades eléctricas de los
materiales
Configuración
electrónica del átomo de cobre. Sus propiedades conductoras se deben a la
facilidad de circulación que tiene su electrón más exterior (4s).
Origen microscópico
La posibilidad de generar corrientes eléctricas en
los materiales depende de la estructura e interacción de los átomos que los
componen. Los átomos están constituidos por partículas cargadas positivamente
(los protones), negativamente (los electrones) y neutras (los neutrones). La
conducción eléctrica de los materiales sólidos, cuando existe, se debe a los
electrones de la órbita exterior, ya que tanto los electrones interiores como
los protones de los núcleos atómicos no pueden desplazarse con facilidad. Los
materiales conductores por excelencia son metales, como el cobre, que usualmente
tienen un único electrón en la última capa electrónica. Estos electrones pueden
pasar con facilidad a átomos contiguos, constituyendo los electrones libres
responsables del flujo de corriente eléctrica. En otros materiales sólidos los
electrones se liberan con dificultad constituyendo semiconductores, cuando la
liberación puede ser producida por excitación térmica, o aisladores, cuando no
se logra esta liberación.
Los mecanismos microscópicos de conducción
eléctrica son diferentes en los materiales superconductores y en los líquidos.
En los primeros, a muy bajas temperaturas y como consecuencia de fenómenos
cuánticos, los electrones no interaccionan con los átomos desplazándose con
total libertad (resistividad nula). En los segundos, como en los electrólitos
de las baterías eléctricas, la conducción de corriente es producida por el
desplazamiento de átomos o moléculas completas ionizadas de modo positivo o
negativo. Los materiales superconductores se usan en imanes superconductores
para la generación de elevadísimos campos magnéticos.
En todos los materiales sometidos a campos
eléctricos se modifican, en mayor o menor grado, las distribuciones espaciales
relativas de las cargas negativas (electrones) y positivas (núcleos atómicos).
Este fenómeno se denomina polarización eléctrica y es más notorio en los
aisladores eléctricos debido a la ausencia de apantallamiento del campo
eléctrico aplicado por los electrones libres.
Conductividad y resistividad
Conductor eléctrico
de cobre.
La conductividad eléctrica es la propiedad de los
materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden moverse cuando
un material es sometido a un campo eléctrico. La resistividad es una magnitud
inversa a la conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los
electrones en sus desplazamientos, dando 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 de los
semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.
Los materiales se clasifican según su conductividad
eléctrica o resistividad en conductores, dieléctricos, semiconductores y superconductores.
-
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 menos
denso, 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.
-
Dieléctricos. Son los materiales que no conducen la electricidad, por
lo que pueden ser utilizados como aislantes. Algunos ejemplos de este tipo
de materiales son vidrio, cerámica, plásticos, goma, mica, cera, papel, madera
seca, porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita.
Aunque no existen materiales absolutamente aislantes o conductores, sino
mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos
(forrando con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del
usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse
accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una descarga)
y para confeccionar aisladores (elementos utilizados en las redes de
distribución eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que
haya contacto eléctrico). Algunos materiales, como el aire o el agua, son
aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por
ejemplo, es aislante a temperatura ambiente pero, bajo condiciones de
frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse
en conductor.
La conductividad se designa por la letra griega
sigma minúscula (
) y se mide en siemens
por metro, mientras que la resistividad se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohms por metro (Ω•m, a
veces también en Ω•mm²/m).
Producción y usos de la
electricidad
Generación y transmisión
La energía
eólica está tomando importancia en muchos países.
Hasta la invención de la pila voltaica en el siglo
XVIII (Volta, 1800) no se tenía una fuente viable de electricidad. La pila
voltaica y su descendiente moderna, la batería eléctrica, almacenaba energía
químicamente y la entregaba según la demanda en forma de energía eléctrica. La
batería es una fuente común muy versátil que se usa para muchas aplicaciones,
pero su almacenamiento de energía es limitado, y una vez descargado debe ser
reemplazada o descargada. Para una demanda eléctrica mucho más grande la
energía debe ser generada y transmitida continuamente sobre líneas de
transmisión conductivas.
Por lo general, la energía eléctrica se genera
mediante generadores electromecánicos movidos por el vapor producido por
combustibles fósiles, o por el calor generado por reacciones nucleares, o de
otras fuentes como la energía cinética extraída del viento o el agua. La
moderna turbina de vapor inventada por Charles Algernon Parsons en 1884 genera
cerca del 80% de la energía eléctrica en el mundo usando una gran variedad de
fuentes de calentamiento. Este generador no tiene ningún parecido al generador
de disco homopolar de Faraday, aunque ambos funcionan bajo el mismo principio electromagnético,
que dice que al cambiar el campo magnético a un conductor produce una
diferencia de potencial en sus terminales. La invención a finales del siglo XIX
del transformador implicó transmitir la energía eléctrica de una forma más
eficiente. La transmisión eléctrica eficiente hizo posible generar electricidad
en plantas generadoras, para entonces ser trasportada a largas distancias,
donde fuera necesaria.
Debido a que la energía eléctrica no puede ser
almacenada fácilmente para atender la demanda a una escala nacional, la mayoría
de las veces se produce la misma cantidad que la que se demanda. Esto requiere
de una bolsa eléctrica que hace predicciones de la demanda eléctrica, y
mantiene una coordinación constante con las plantas generadoras. Una cierta
cantidad de generación debe mantenerse en reserva para soportar cualquier
anomalía en la red.
La demanda de la electricidad crece con una gran
rapidez si una nación se moderniza y su economía se desarrolla. Estados Unidos
tuvo un aumento del 12% anual de la demanda en las tres primeras décadas del
siglo XX, una tasa de crecimiento que es similar a las economías emergentes
como India o China. Históricamente, la tasa de crecimiento de la demanda
eléctrica ha superado a otras formas de energía.
Las preocupaciones medioambientales con la
generación de energía eléctrica han hecho que la producción se dirija a las energías
renovables, en particular la energía eólica e hidráulica. Mientras el debate
continúe sobre el impacto medioambiental de diferentes tipos de producción
eléctrica, su forma final será relativamente limpia.
Aplicaciones de la electricidad
La electricidad tiene un sinfín de aplicaciones
tanto para uso doméstico, industrial, medicinal y en el transporte. Solo para
citar se puede mencionar a la electrónica, Generador eléctrico, Motor eléctrico,
Transformador, Maquinas frigoríficas, aire acondicionado, electroimanes, Telecomunicaciones,
Electroquímica, electrovalvulas, Iluminación y alumbrado, Producción
de calor, Electrodomésticos, Robótica, Señales luminosas. También se aplica la
inducción electromagnética para la construcción de motores movidos por energía
eléctrica, que permiten el funcionamiento de innumerables dispositivos.
Electricidad en la naturaleza
Mundo inorgánico
Descargas eléctricas atmosféricas
El fenómeno eléctrico más común del mundo
inorgánico son las descargas eléctricas atmosféricas denominadas rayos y relámpagos.
Debido al rozamiento de las partículas de agua o hielo con el aire, se produce
la creciente separación de cargas eléctricas positivas y negativas en las
nubes, separación que genera campos eléctricos. Cuando el campo eléctrico
resultante excede el de ruptura dieléctrica del medio, se produce una descarga
entre dos partes de una nube, entre dos nubes diferentes o entre la parte
inferior de una nube y tierra. Esta descarga ioniza el aire por calentamiento y
excita transiciones electrónicas moleculares. La brusca dilatación del aire
genera el trueno, mientras que el decaimiento de los electrones a sus niveles
de equilibrio genera radiación electromagnética, luz.
Son de origen similar las centellas y el fuego de
San Telmo. Este último es común en los barcos durante las tormentas y es
similar al efecto corona que se produce en algunos cables de alta tensión.
El daño que producen los rayos a las personas y sus
instalaciones puede prevenirse derivando la descarga a tierra, de modo inocuo,
mediante pararrayos.
Campo magnético terrestre
Aurora boreal.
Aunque no se puede verificar experimentalmente, la
existencia del campo magnético terrestre se debe casi seguramente a la
circulación de cargas en el núcleo externo líquido de la Tierra. La hipótesis
de su origen en materiales con magnetización permanente, como el hierro, parece
desmentida por la constatación de las inversiones periódicas de su sentido en
el transcurso de las eras geológicas, donde el polo norte magnético es
remplazado por el sur y viceversa. Medido en tiempos humanos, sin embargo, los
polos magnéticos son estables, lo que permite su uso, mediante el antiguo
invento chino de la brújula, para la orientación en el mar y en la tierra.
El campo magnético terrestre desvía las partículas
cargadas provenientes del Sol (viento solar). Cuando esas partículas chocan con
los átomos y moléculas de oxígeno y nitrógeno de la magnetosfera, se produce un
efecto fotoeléctrico mediante el cual parte de la energía de la colisión excita
los átomos a niveles de energía tales que cuando dejan de estar excitados
devuelven esa energía en forma de luz visible. Este fenómeno puede observarse a
simple vista en las cercanías de de los polos, en las auroras polares.
Mundo orgánico
El bioelectromagnetismo (a veces denominado
parcialmente como bioelectricidad o biomagnetismo) es el fenómeno biológico
presente en todos los seres vivos, incluidas todas las plantas y los animales,
consistente en la producción de campos electromagnéticos (se manifiesten como
eléctricos o magnéticos) producidos por la materia viva (células, tejidos u organismos).
Los ejemplos de este fenómeno incluyen el potencial eléctrico de las membranas
celulares y las corrientes eléctricas que fluyen en nervios y músculos como consecuencia
de su potencial de acción. No debe confundirse con la bioelectromagnética, que
se ocupa de los efectos de una fuente externa de electromagnetismo sobre los
organismos vivos.
Impulso nervioso
Grabado antiguo
mostrando la excitación del nervio crural de una rana mediante una máquina
electrostática.
El fenómeno de excitación de los músculos de las
patas de una rana, descubierto por Galvani,
puso en evidencia la importancia de los fenómenos eléctricos en los organismos
vivientes. Aunque inicialmente se pensó que se trataba de una clase especial de
electricidad, se verificó gradualmente que estaban en juego las cargas
eléctricas usuales de la física. En los organismos con sistema nervioso las neuronas
son los canales por los que se trasmiten a los músculos las señales que mandan
su contracción y relajación. Las neuronas también transmiten al cerebro las señales
de los órganos internos, de la piel y de los transductores que son los órganos
de los sentidos, señales como dolor, calor, textura, presión, imágenes,
sonidos, olores y sabores. Los mecanismos de propagación de las señales por las
neuronas, sin embargo, son muy diferentes del de conducción de electrones en
los cables eléctricos. Consisten en la modificación de la concentración de iones
de sodio y de potasio
a ambos lados de una membrana celular. Se generan así diferencias de potencial,
variables a lo largo del interior de la neurona, que varían en el tiempo
propagándose de un extremo al otro de la misma con altas velocidades.
Los pequeños
hoyos en la cabeza de este lucio contiene neuromastos del sistema de la línea
lateral.
El pez torpedo
es uno de los "fuertemente eléctricos".
Véase también: Galvanismo.
Uso biológico
Muchos peces y unos pocos mamíferos tienen la
capacidad de detectar la variación de los campos eléctricos en los que están
inmersos, entre los que se cuentan los teleostei,
las rayas y los ornitorrincos.
Esta detección es hecha por neuronas especializadas llamadas neuromastos, que en los gimnótidos están ubicadas en la línea
lateral del pez.
La localización por medios eléctricos (electrorrecepción) puede ser pasiva o activa.
En la localización pasiva el animal sólo detecta la variación de los campos
eléctricos circundantes, pero no los genera. Los "peces poco
eléctricos" son capaces de generar campos eléctricos débiles gracias a
órganos y circuitos especiales de neuronas, cuya única función es detectar
variaciones del entorno y comunicarse con otros miembros de su especie. Los
voltajes generados son inferiores a 1 V y las características de los sistemas
de detección y control varían grandemente de especie a especie.
Algunos peces, como las anguilas y las rayas
eléctricas son capaces de producir grandes descargas eléctricas con fines
defensivos u ofensivos, son los llamados peces eléctricos. Estos peces, también
llamados "peces fuertemente eléctricos", pueden generar voltajes de
hasta 2.000 V y corrientes superiores a 1 A. Entre los peces eléctricos se
cuentan los Apteronotidae, Gymnotidae,
Electrophoridae, Hypopomidae,
Rhamphichthyidae,
Sternopygidae,
Gymnarchidae,
Mormyridae
y Malapteruridae.
