Electricidad

Según la convención moderna, la carga que portan los electrones se define como negativa, y la de los protones como positiva. ^{[ 33 ]} Antes de que se descubrieran estas partículas, Benjamin Franklin había definido una carga positiva como la carga que adquiere una varilla de vidrio al frotarla con un paño de seda. ^{[ 34 ]} Un protón, por definición, lleva una carga de exactamente1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  culombios . Este valor también se define como la carga elemental . Ningún objeto puede tener una carga menor que la carga elemental, y cualquier cantidad de carga que un objeto pueda tener es un múltiplo de la carga elemental. Un electrón tiene una carga negativa igual, es decir,−1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  culombios . La carga no solo la posee la materia , sino también la antimateria , pues cada antipartícula tiene una carga igual y opuesta a la de su partícula correspondiente. ^{[ 35 ]}

La presencia de carga da lugar a una fuerza electrostática: las cargas ejercen una fuerza entre sí, un efecto conocido, aunque no comprendido, en la antigüedad. ^{[ 25 ] : 457} Una bola ligera suspendida por un hilo fino puede cargarse al tocarla con una varilla de vidrio que, a su vez, ha sido cargada frotándola con un paño. Si una bola similar se carga con la misma varilla de vidrio, se observa que repele a la primera: la carga actúa como una fuerza que separa las dos bolas. Dos bolas cargadas con una varilla de ámbar frotada también se repelen entre sí. Sin embargo, si una bola se carga con la varilla de vidrio y la otra con una varilla de ámbar, se observa que las dos bolas se atraen. Estos fenómenos fueron investigados a finales del siglo XVIII por Charles-Augustin de Coulomb , quien dedujo que la carga se manifiesta en dos formas opuestas. Este descubrimiento condujo al conocido axioma: los objetos con carga igual se repelen y los objetos con carga opuesta se atraen . ^{[ 25 ]}

La fuerza actúa sobre las partículas cargadas mismas, por lo que la carga tiende a distribuirse de la manera más uniforme posible sobre una superficie conductora. La magnitud de la fuerza electromagnética, ya sea atractiva o repulsiva, viene dada por la ley de Coulomb , que relaciona la fuerza con el producto de las cargas y tiene una relación inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. ^{[ 36 ] [ 37 ] : 35} La fuerza electromagnética es muy fuerte, solo superada en fuerza por la interacción fuerte , ^{[ 38 ]} pero a diferencia de esa fuerza, opera a todas las distancias. ^{[ 39 ]} En comparación con la fuerza gravitatoria , mucho más débil , la fuerza electromagnética que separa a dos electrones es 10 ⁴² veces mayor que la atracción gravitatoria que los atrae. ^{[ 40 ]}

La carga se origina a partir de ciertos tipos de partículas subatómicas , cuyos portadores más conocidos son el electrón y el protón . La carga eléctrica da lugar a la fuerza electromagnética e interactúa con ella , una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. El experimento ha demostrado que la carga es una magnitud conservada , es decir, la carga neta dentro de un sistema eléctricamente aislado siempre permanecerá constante independientemente de cualquier cambio que tenga lugar dentro de ese sistema. ^{[ 41 ]} Dentro del sistema, la carga puede transferirse entre cuerpos, ya sea por contacto directo o al pasar a través de un material conductor, como un cable. ^{[ 37 ] : 2–5} El término informal electricidad estática se refiere a la presencia neta (o "desequilibrio") de carga en un cuerpo, generalmente causada cuando se frotan materiales diferentes entre sí, transfiriendo carga de uno a otro.

La carga se puede medir mediante diversos métodos; un instrumento antiguo fue el electroscopio de láminas de oro , que, aunque todavía se utiliza para demostraciones en el aula, ha sido reemplazado por el electrómetro electrónico . ^{[ 37 ] : 2–5}

El movimiento de carga eléctrica se conoce como corriente eléctrica , cuya intensidad se suele medir en amperios . La corriente puede estar compuesta por cualquier partícula cargada en movimiento; lo más común son los electrones, pero cualquier carga en movimiento constituye una corriente. La corriente eléctrica puede fluir a través de algunos materiales, como los conductores eléctricos , pero no a través de un aislante eléctrico . ^{[ 42 ]}

Por convención histórica, una corriente positiva se define como aquella que tiene la misma dirección de flujo que cualquier carga positiva que contenga, o que fluye desde la parte más positiva de un circuito hacia la más negativa. La corriente definida de esta manera se denomina corriente convencional . El movimiento de electrones con carga negativa alrededor de un circuito eléctrico , una de las formas más conocidas de corriente, se considera positivo en la dirección opuesta a la de los electrones. ^{[ 43 ]} Sin embargo, según las condiciones, una corriente eléctrica puede consistir en un flujo de partículas cargadas en cualquier dirección o incluso en ambas a la vez. La convención de positivo a negativo se utiliza ampliamente para simplificar esta situación.

El proceso por el cual la corriente eléctrica pasa a través de un material se denomina conducción eléctrica , y su naturaleza varía según las partículas cargadas y el material por el que se desplazan. Ejemplos de corrientes eléctricas incluyen la conducción metálica, donde los electrones fluyen a través de un conductor como un metal, y la electrólisis , donde los iones ( átomos cargados ) fluyen a través de líquidos o plasmas como las chispas eléctricas. Si bien las partículas mismas pueden moverse con bastante lentitud, a veces con una velocidad de deriva promedio de solo fracciones de milímetro por segundo, ^{[ 37 ] : 17} el campo eléctrico que las impulsa se propaga a una velocidad cercana a la de la luz , lo que permite que las señales eléctricas pasen rápidamente a lo largo de los cables. ^{[ 44 ]}

La corriente provoca varios efectos observables, que históricamente fueron los medios para reconocer su presencia. Que el agua podía descomponerse por la corriente de una pila voltaica fue descubierto por Nicholson y Carlisle en 1800, un proceso ahora conocido como electrólisis . Su trabajo fue ampliado enormemente por Michael Faraday en 1833. La corriente a través de una resistencia provoca calentamiento localizado, un efecto que James Prescott Joule estudió matemáticamente en 1840. ^{[ 37 ] : 23–24} Uno de los descubrimientos más importantes relacionados con la corriente fue hecho accidentalmente por Hans Christian Ørsted en 1820, cuando, mientras preparaba una conferencia, presenció cómo la corriente en un cable perturbaba la aguja de una brújula magnética. ^{[ 23 ] : 370 [ a ]} ​​Había descubierto el electromagnetismo , una interacción fundamental entre la electricidad y el magnetismo. El nivel de emisiones electromagnéticas generadas por el arco eléctrico es lo suficientemente alto como para producir interferencia electromagnética , que puede ser perjudicial para el funcionamiento de los equipos adyacentes. ^{[ 45 ]}

En ingeniería o aplicaciones domésticas, la corriente se suele describir como corriente continua (CC) o corriente alterna (CA). Estos términos se refieren a cómo varía la corriente en el tiempo. La corriente continua, como la producida por ejemplo por una batería y requerida por la mayoría de los dispositivos electrónicos , es un flujo unidireccional desde la parte positiva de un circuito hacia la negativa. ^{[ 46 ] : 11} Si, como suele ser habitual, este flujo es transportado por electrones, estos viajarán en la dirección opuesta. La corriente alterna es cualquier corriente que invierte su dirección repetidamente; casi siempre toma la forma de una onda sinusoidal . ^{[ 46 ] : 206–07} La corriente alterna, por lo tanto, pulsa de un lado a otro dentro de un conductor sin que la carga se mueva ninguna distancia neta en el tiempo. El valor promedio en el tiempo de una corriente alterna es cero, pero entrega energía primero en una dirección y luego en la inversa. La corriente alterna se ve afectada por propiedades eléctricas que no se observan bajo corriente continua en estado estacionario , como la inductancia y la capacitancia . ^{[ 46 ] : 223–25} Sin embargo, estas propiedades pueden volverse importantes cuando los circuitos están sujetos a transitorios , como cuando se energizan por primera vez.

El concepto de campo eléctrico fue introducido por Michael Faraday . Un cuerpo cargado crea un campo eléctrico en el espacio que lo rodea, y este campo ejerce una fuerza sobre cualquier otra carga situada dentro del campo. El campo eléctrico actúa entre dos cargas de forma similar a como actúa el campo gravitatorio entre dos masas , y, al igual que este, se extiende hacia el infinito y muestra una relación inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. ^{[ 39 ]} Sin embargo, existe una diferencia importante. La gravedad siempre actúa atrayendo, uniendo dos masas, mientras que el campo eléctrico puede resultar en atracción o repulsión. Dado que los cuerpos grandes, como los planetas, generalmente no tienen carga neta, el campo eléctrico a distancia suele ser cero. Por lo tanto, la gravedad es la fuerza dominante a distancia en el universo, a pesar de ser mucho más débil. ^{[ 40 ]}

Un campo eléctrico generalmente varía en el espacio, ^{[ b ]} y su intensidad en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que sentiría una carga estacionaria y despreciable si se colocara en ese punto. ^{[ 25 ] : 469–70} La carga conceptual, denominada « carga de prueba », debe ser infinitesimalmente pequeña para evitar que su propio campo eléctrico perturbe 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 la fuerza es un vector , que tiene magnitud y dirección , se deduce que un campo eléctrico es un campo vectorial . ^{[ 25 ] : 469–70}

El estudio de los campos eléctricos creados por cargas estacionarias se denomina electrostática . El campo puede visualizarse mediante un conjunto de líneas imaginarias cuya dirección en cualquier punto coincide con la del campo. Este concepto fue introducido por Faraday, ^{[ 47 ]} cuyo término « líneas de fuerza » todavía se utiliza ocasionalmente. Las líneas de campo son las trayectorias que una carga positiva puntual tendería a seguir al ser forzada a moverse dentro del campo; sin embargo, son un concepto imaginario sin existencia física, y el campo impregna todo el espacio intermedio entre las líneas. ^{[ 47 ]} Las líneas de campo que emanan de cargas estacionarias poseen varias propiedades clave: primero, se originan en cargas positivas y terminan en cargas negativas; segundo, deben entrar en cualquier buen conductor en ángulo recto; y tercero, nunca pueden cruzarse ni cerrarse sobre sí mismas. ^{[ 25 ] : 479}

Un cuerpo conductor hueco lleva toda su carga en su superficie exterior. Por lo tanto, el campo es cero en todos los puntos dentro del cuerpo. ^{[ 37 ] : 88} Este es el principio de funcionamiento de la jaula de Faraday , una carcasa metálica conductora que aísla su interior de los efectos eléctricos externos.

Los principios de la electrostática son importantes al diseñar equipos de alta tensión . Existe un límite finito para la intensidad del campo eléctrico que puede soportar cualquier medio. Más allá de este límite, se produce una ruptura dieléctrica y un arco eléctrico provoca una descarga disruptiva entre las partes cargadas. El aire, por ejemplo, tiende a generar arcos eléctricos a través de pequeños espacios con intensidades de campo eléctrico superiores a 30  kV por centímetro. En espacios mayores, su rigidez dieléctrica es menor, quizás de 1  kV por centímetro. ^{[ 48 ] : 2} El fenómeno natural más visible de esto es el rayo , causado cuando la carga se separa en las nubes por columnas de aire ascendentes, elevando el campo eléctrico en el aire a un nivel superior al que puede soportar. El voltaje de una gran nube de rayos puede alcanzar los 100  MV y tener energías de descarga de hasta 250  kWh. ^{[ 48 ] : 201–02}

La intensidad del campo se ve muy afectada por los objetos conductores cercanos, y es particularmente intensa cuando se ve obligada a rodear objetos puntiagudos. Este principio se aprovecha en el pararrayos , cuya punta afilada favorece que el rayo se genere allí, en lugar de en el edificio que protege. ^{[ 49 ] : 155}

El concepto de potencial eléctrico está estrechamente vinculado al de campo eléctrico. Una pequeña carga colocada dentro de un campo eléctrico experimenta una fuerza, y para llevar esa carga a ese punto en contra de esa fuerza se requiere trabajo . El potencial eléctrico en cualquier punto se define como la energía necesaria para llevar lentamente una carga de prueba unitaria desde una distancia infinita hasta ese punto. Generalmente se mide en voltios , y un voltio es el potencial por el cual se debe gastar un julio de trabajo para traer una carga de un culombio desde el infinito. ^{[ 25 ] : 494–98} Esta definición de potencial, aunque formal, tiene poca aplicación práctica, y un concepto más útil es el de diferencia de potencial eléctrico , que es la energía necesaria para mover una carga unitaria entre dos puntos específicos. El campo eléctrico es conservativo , lo que significa que la trayectoria seguida por la carga de prueba es irrelevante: todas las trayectorias entre dos puntos específicos gastan la misma energía, y por lo tanto se puede establecer un valor único para la diferencia de potencial. ^{[ 25 ] : 494–98} El voltio está tan fuertemente identificado como la unidad de elección para la medición y descripción de la diferencia de potencial eléctrico que el término voltaje se usa cada vez más en la vida cotidiana.

Para fines prácticos, resulta útil definir un punto de referencia común al que se puedan expresar y comparar potenciales. Si bien este podría ser el infinito, una referencia mucho más útil es la propia Tierra , que se supone que tiene el mismo potencial en todas partes. Este punto de referencia se denomina naturalmente Tierra o suelo. Se supone que la Tierra es una fuente infinita de cantidades iguales de carga positiva y negativa y, por lo tanto, está eléctricamente descargada e incargable. ^{[ 50 ]}

El potencial eléctrico es una magnitud escalar . Es decir, solo tiene magnitud y no dirección. Puede considerarse análogo a la altura : así como un objeto liberado caerá a través de una diferencia de alturas causada por un campo gravitatorio, una carga «caerá» a través del voltaje causado por un campo eléctrico. ^{[ 51 ]} Como los mapas de relieve muestran curvas de nivel que marcan puntos de igual altura, se puede trazar un conjunto de líneas que marquen puntos de igual potencial (conocidas como equipotenciales ) alrededor de un objeto cargado electrostáticamente. Las equipotenciales cruzan todas las líneas de fuerza en ángulo recto. También deben ser paralelas a la superficie de un conductor , ya que de lo contrario habría una fuerza a lo largo de la superficie del conductor que movería los portadores de carga para igualar el potencial a través de la superficie.

El campo eléctrico se definió formalmente como la fuerza ejercida por unidad de carga, pero el concepto de potencial permite una definición más útil y equivalente: el campo eléctrico es el gradiente local del potencial eléctrico. Generalmente expresado en voltios  por  metro, la dirección vectorial del campo es la línea de mayor pendiente del potencial, y donde las equipotenciales se encuentran más próximas entre sí. ^{[ 37 ] : 60}

El descubrimiento de Ørsted en 1821 de que existía un campo magnético alrededor de un cable que transportaba corriente eléctrica indicaba que había una relación directa entre electricidad y magnetismo. Además, la interacción parecía diferente de las fuerzas gravitatorias y electrostáticas, las dos fuerzas de la naturaleza conocidas entonces. La fuerza sobre la aguja de la brújula no la dirigía hacia el cable conductor ni la alejaba de él, sino que actuaba perpendicularmente. ^{[ 23 ] : 370} Ørsted dijo que "el conflicto eléctrico actúa de manera rotatoria". La fuerza también dependía de la dirección de la corriente, pues si el flujo se invertía, la fuerza también lo hacía. ^{[ 52 ]}

Ørsted no comprendió del todo su descubrimiento, pero observó que el efecto era recíproco: una corriente ejerce una fuerza sobre un imán, y un campo magnético ejerce una fuerza sobre una corriente. Ampère investigó este fenómeno con mayor profundidad y descubrió que dos conductores paralelos por los que circulaba corriente ejercían una fuerza entre sí: dos conductores que circulan en la misma dirección se atraen, mientras que los que circulan en direcciones opuestas se repelen. ^{[ 53 ]} Esta interacción está mediada por el campo magnético que produce cada corriente y constituye la base de la definición internacional del amperio . ^{[ 53 ]}

Esta relación entre campos magnéticos y corrientes es de suma importancia, ya que condujo a la invención del motor eléctrico por Michael Faraday en 1821. El motor homopolar de Faraday consistía en un imán permanente sumergido en mercurio . Se hacía circular una corriente a través de un cable suspendido de un pivote sobre el imán y sumergido en el mercurio. El imán ejercía una fuerza tangencial sobre el cable, haciéndolo girar alrededor del imán mientras se mantuviera la corriente. ^{[ 54 ]}

Los experimentos realizados por Faraday en 1831 revelaron que un cable que se mueve perpendicularmente a un campo magnético desarrolla una diferencia de potencial entre sus extremos. Un análisis posterior de este proceso, conocido como inducción electromagnética , le permitió enunciar el principio, ahora conocido como la ley de inducción de Faraday , según el cual la diferencia de potencial inducida en un circuito cerrado es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético a través del circuito. La explotación de este descubrimiento le permitió inventar el primer generador eléctrico en 1831, en el que convirtió la energía mecánica de un disco de cobre giratorio en energía eléctrica. ^{[ 54 ]} El disco de Faraday era ineficiente e inútil como generador práctico, pero demostró la posibilidad de generar energía eléctrica mediante el magnetismo, una posibilidad que sería retomada por quienes continuaron su trabajo. ^{[ 55 ]}

Un circuito eléctrico es una interconexión de componentes eléctricos de tal manera que la carga eléctrica fluye a lo largo de un camino cerrado (un circuito), generalmente para realizar alguna tarea útil. ^{[ 56 ]}

Los componentes de un circuito eléctrico pueden adoptar diversas formas, incluyendo elementos como resistencias , condensadores , interruptores , transformadores y componentes electrónicos . Los circuitos electrónicos contienen componentes activos , generalmente semiconductores , y suelen presentar un comportamiento no lineal , lo que requiere un análisis complejo. Los componentes eléctricos más simples son los denominados pasivos y lineales : si bien pueden almacenar energía temporalmente, no contienen fuentes de energía y presentan respuestas lineales a los estímulos. ^{[ 57 ] : 15–16}

La resistencia es quizás el elemento pasivo más simple de un circuito: como su nombre indica, se opone al paso de la corriente, disipando su energía en forma de calor. La resistencia es consecuencia del movimiento de carga a través de un conductor: en los metales, por ejemplo, la resistencia se debe principalmente a las colisiones entre electrones e iones. La ley de Ohm es una ley fundamental de la teoría de circuitos , que establece que la corriente que atraviesa una resistencia es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre sus extremos. La resistencia de la mayoría de los materiales es relativamente constante en un rango de temperaturas y corrientes; los materiales que se encuentran en estas condiciones se conocen como "óhmicos". El ohmio , la unidad de resistencia, recibió su nombre en honor a Georg Ohm y se simboliza con la letra griega Ω. 1  Ω es la resistencia que produce una diferencia de potencial de un voltio en respuesta a una corriente de un amperio. ^{[ 57 ] : 30–35}

El condensador es una evolución de la botella de Leyden y es un dispositivo que puede almacenar carga y, por lo tanto, energía eléctrica en el campo resultante. Consta de dos placas conductoras separadas por una fina capa dieléctrica aislante ; en la práctica, se enrollan láminas metálicas delgadas, lo que aumenta la superficie por unidad de volumen y, por consiguiente, la capacitancia . La unidad de capacitancia es el faradio , llamado así en honor a Michael Faraday , y representado por el símbolo F : un faradio es la capacitancia que desarrolla una diferencia de potencial de un voltio cuando almacena una carga de un culombio. Un condensador conectado a una fuente de voltaje inicialmente genera una corriente a medida que acumula carga; sin embargo, esta corriente disminuye con el tiempo a medida que el condensador se llena, hasta llegar a cero. Por lo tanto, un condensador no permite una corriente constante , sino que la bloquea. ^{[ 57 ] : 216–20}

El inductor es un conductor, generalmente una bobina de alambre, que almacena energía en un campo magnético en respuesta a la corriente que lo atraviesa. Cuando la corriente cambia, el campo magnético también lo hace, induciendo una tensión entre los extremos del conductor. La tensión inducida es proporcional a la tasa de cambio de la corriente con respecto al tiempo. La constante de proporcionalidad se denomina inductancia . La unidad de inductancia es el henrio , llamado así en honor a Joseph Henry , contemporáneo de Faraday. Un henrio es la inductancia que induce una diferencia de potencial de un voltio si la corriente que lo atraviesa cambia a una tasa de un amperio por segundo. El comportamiento del inductor es, en algunos aspectos, inverso al del condensador: permite el paso de una corriente constante, pero se opone a una que cambia rápidamente. ^{[ 57 ] : 226–29}

La potencia eléctrica es la velocidad a la que se transfiere la energía eléctrica a través de un circuito eléctrico . La unidad de potencia del SI es el vatio , un julio por segundo .

La potencia eléctrica, al igual que la potencia mecánica , es la tasa de realización de trabajo , medida en vatios y representada por la letra P. El término vataje se utiliza coloquialmente para referirse a la "potencia eléctrica en vatios". La potencia eléctrica en vatios producida por una corriente eléctrica I que consiste en una carga de Q culombios cada t segundos que pasa a través de una diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ) de V es

${\displaystyle P={\text{trabajo realizado por unidad de tiempo}}={\frac {QV}{t}}=IV\,}$

dónde

Q es la carga eléctrica en culombios.

t es el tiempo en segundos

I es la corriente eléctrica en amperios.

V es el potencial eléctrico o voltaje en voltios.

La industria eléctrica generalmente suministra energía eléctrica a empresas y hogares . La electricidad se suele vender por kilovatio-hora (3,6 MJ), que es el producto de la potencia en kilovatios multiplicada por el tiempo de funcionamiento en horas. Las compañías eléctricas miden la potencia mediante contadores , que registran el consumo eléctrico suministrado a cada cliente. A diferencia de los combustibles fósiles , la electricidad es una forma de energía de baja entropía y puede convertirse en movimiento u otras formas de energía con alta eficiencia. ^{[ 58 ]}

La electrónica se ocupa de los circuitos eléctricos que involucran componentes eléctricos activos como tubos de vacío , transistores , diodos , sensores y circuitos integrados , y tecnologías de interconexión pasivas asociadas. ^{[ 59 ] : 1–5, 71} El comportamiento no lineal de los componentes activos y su capacidad para controlar los flujos de electrones hacen posible la conmutación digital, ^{[ 59 ] : 75} y la electrónica se utiliza ampliamente en el procesamiento de información , telecomunicaciones y procesamiento de señales . Las tecnologías de interconexión como las placas de circuitos , la tecnología de empaquetado electrónico y otras formas variadas de infraestructura de comunicación completan la funcionalidad del circuito y transforman los componentes mixtos en un sistema de trabajo regular . ^{[ 59 ]}

Actualmente, la mayoría de los dispositivos electrónicos utilizan componentes semiconductores para el control de electrones. Los principios fundamentales que explican el funcionamiento de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido ^{[ 60 ]} , mientras que el diseño y la construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forman parte de la ingeniería electrónica ^{[ 61 ]} .

Los dispositivos electrónicos utilizan el transistor , quizás uno de los inventos más importantes del siglo XX, ^{[ 62 ]} y un componente fundamental de todos los circuitos modernos. Un circuito integrado moderno puede contener miles de millones de transistores miniaturizados en una región de tan solo unos centímetros cuadrados. ^{[ 63 ]}

El trabajo de Faraday y Ampère demostró que un campo magnético variable en el tiempo creaba un campo eléctrico, y un campo eléctrico variable en el tiempo creaba un campo magnético. Por lo tanto, cuando cualquiera de los dos campos cambia en el tiempo, siempre se induce un campo del otro. ^{[ 25 ] : 696–700} Estas variaciones son una onda electromagnética . Las ondas electromagnéticas fueron analizadas teóricamente por James Clerk Maxwell en 1864. Maxwell desarrolló un conjunto de ecuaciones que podían describir inequívocamente la interrelación entre el campo eléctrico, el campo magnético, la carga eléctrica y la corriente eléctrica. Además, pudo demostrar que en el vacío dicha onda viajaría a la velocidad de la luz , y por lo tanto la luz misma era una forma de radiación electromagnética. Las ecuaciones de Maxwell , que unifican la luz, los campos y la carga, son uno de los grandes hitos de la física teórica. ^{[ 25 ] : 696–700}

El trabajo de muchos investigadores permitió el uso de la electrónica para convertir señales en corrientes oscilantes de alta frecuencia y, mediante conductores con la forma adecuada, la electricidad permite la transmisión y recepción de estas señales a través de ondas de radio a distancias muy largas. ^{[ 64 ]}

En el siglo VI a. C., el filósofo griego Tales de Mileto experimentó con varillas de ámbar: estos fueron los primeros estudios sobre la producción de electricidad. Si bien este método, ahora conocido como efecto triboeléctrico , puede levantar objetos ligeros y generar chispas, es extremadamente ineficiente. ^{[ 65 ]} No fue hasta la invención de la pila voltaica en el siglo XVIII que se dispuso de una fuente viable de electricidad. La pila voltaica, y su descendiente moderna, la batería eléctrica , almacenan energía químicamente y la ponen a disposición bajo demanda en forma de electricidad. ^{[ 65 ]}

La energía eléctrica se genera generalmente mediante generadores electromecánicos . Estos pueden ser impulsados ​​por vapor producido por la combustión de combustibles fósiles o el calor liberado por reacciones nucleares, pero también, de forma más directa, por la energía cinética del viento o del agua en movimiento. La turbina de vapor inventada por Sir Charles Parsons en 1884 todavía se utiliza para convertir la energía térmica del vapor en un movimiento rotatorio que puede ser utilizado por generadores electromecánicos. Dichos generadores no guardan semejanza con el generador de disco homopolar de Faraday de 1831, pero aún se basan en su principio electromagnético de que un conductor que enlaza un campo magnético variable induce una diferencia de potencial entre sus extremos. ^{[ 66 ]} La electricidad generada por paneles solares se basa en un mecanismo diferente: la radiación solar se convierte directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico . ^{[ 67 ]}

La demanda de electricidad crece con gran rapidez a medida que una nación se moderniza y su economía se desarrolla. ^{[ 68 ]} Estados Unidos mostró un aumento del 12 % en la demanda durante cada año de las primeras tres décadas del siglo XX, ^{[ 69 ]} una tasa de crecimiento que ahora experimentan economías emergentes como las de India o China. ^{[ 70 ] [ 71 ]}

Las preocupaciones ambientales relacionadas con la generación de electricidad , en particular la contribución de la quema de combustibles fósiles al cambio climático , han llevado a un mayor enfoque en la generación a partir de fuentes renovables . En el sector eléctrico, la energía eólica y solar se han vuelto rentables, acelerando una transición energética que abandona los combustibles fósiles. ^{[ 72 ]}

La invención del transformador a finales del siglo XIX permitió transmitir energía eléctrica de forma más eficiente a mayor voltaje pero menor corriente. La transmisión eléctrica eficiente significó, a su vez, que la electricidad pudiera generarse en centrales eléctricas centralizadas , donde se beneficiaba de las economías de escala , y luego distribuirse a distancias relativamente largas hasta donde se necesitaba. ^{[ 73 ] [ 74 ]}

Normalmente, la demanda de electricidad debe coincidir con la oferta, ya que el almacenamiento de electricidad es difícil. ^{[ 73 ]} Siempre debe mantenerse una cierta cantidad de generación en reserva para amortiguar la red eléctrica contra las inevitables perturbaciones y pérdidas. ^{[ 75 ]} Con los crecientes niveles de energía renovable variable (energía eólica y solar) en la red, se ha vuelto más difícil equilibrar la oferta y la demanda. El almacenamiento juega un papel cada vez más importante para cerrar esa brecha. Hay cuatro tipos de tecnologías de almacenamiento de energía, cada una en diferentes estados de madurez tecnológica : baterías (almacenamiento electroquímico), almacenamiento químico como el hidrógeno , térmico o mecánico (como la energía hidroeléctrica de bombeo ). ^{[ 76 ]}

La electricidad es una forma muy conveniente de transferir energía y se ha adaptado a una enorme y creciente cantidad de usos. ^{[ 77 ]} La invención de una bombilla incandescente práctica en la década de 1870 hizo que la iluminación se convirtiera en una de las primeras aplicaciones públicas de la energía eléctrica. Aunque la electrificación trajo consigo sus propios peligros, reemplazar las llamas abiertas del alumbrado de gas redujo considerablemente los riesgos de incendio en hogares y fábricas. ^{[ 78 ]} Se establecieron servicios públicos en muchas ciudades dirigidos al floreciente mercado de la iluminación eléctrica. A finales del siglo XX y en la época moderna, la tendencia ha comenzado a fluir hacia la desregulación en el sector de la energía eléctrica. ^{[ 79 ]}

El efecto de calentamiento Joule resistivo empleado en las bombillas incandescentes también se utiliza de forma más directa en la calefacción eléctrica . Si bien esto es versátil y controlable, puede considerarse un desperdicio, ya que la mayor parte de la generación de electricidad ya ha requerido la producción de calor en una central eléctrica. ^{[ 80 ]} Varios países, como Dinamarca, han promulgado leyes que restringen o prohíben el uso de calefacción eléctrica resistiva en edificios nuevos. ^{[ 81 ]} Sin embargo, la electricidad sigue siendo una fuente de energía muy práctica para la calefacción y la refrigeración , ^{[ 82 ]} y el aire acondicionado / las bombas de calor representan un sector creciente para la demanda de electricidad para calefacción y refrigeración, cuyos efectos las compañías eléctricas están cada vez más obligadas a gestionar. ^{[ 83 ] [ 84 ]} Se espera que la electrificación desempeñe un papel importante en la descarbonización de sectores que dependen de la quema directa de combustibles fósiles, como el transporte (utilizando vehículos eléctricos ) y la calefacción (utilizando bombas de calor ). ^{[ 85 ] [ 86 ]}

Los efectos del electromagnetismo se emplean de forma más visible en el motor eléctrico , que proporciona un medio de propulsión limpio y eficiente. Un motor estacionario, como un cabrestante , se alimenta fácilmente, pero un motor que se mueve con su aplicación, como un vehículo eléctrico , está obligado a transportar una fuente de energía, como una batería, o a captar corriente de un contacto deslizante, como un pantógrafo . Los vehículos eléctricos se utilizan en el transporte público, como autobuses y trenes eléctricos, ^{[ 87 ]} y automóviles eléctricos . ^{[ 88 ]}

La electricidad se utiliza en las telecomunicaciones y en los telégrafos eléctricos . Con la construcción de los sistemas telegráficos transcontinentales y transatlánticos en la década de 1860, la electricidad hizo posible la comunicación en cuestión de minutos en todo el mundo.

Un voltaje aplicado al cuerpo humano provoca una corriente eléctrica a través de los tejidos, y aunque la relación no es lineal, cuanto mayor es el voltaje, mayor es la corriente. ^{[ 89 ]} El umbral de percepción varía con la frecuencia de la fuente de alimentación y con la trayectoria de la corriente, pero es de aproximadamente 0,1  mA a 1  mA para la electricidad de frecuencia de red, aunque una corriente tan baja como un microamperio puede detectarse como un efecto de electrovibración en ciertas condiciones. ^{[ 90 ]} Si la corriente es suficientemente alta, provocará contracción muscular, fibrilación cardíaca y quemaduras en los tejidos . ^{[ 89 ]} La falta de cualquier signo visible de que un conductor esté electrificado hace que la electricidad sea particularmente peligrosa. El dolor causado por una descarga eléctrica puede ser intenso, lo que lleva a que la electricidad se emplee a veces como método de tortura . ^{[ 91 ]} La muerte causada por una descarga eléctrica —electrocución— todavía se utiliza para la ejecución judicial en algunos estados de EE. UU., aunque su uso se había vuelto muy raro a finales del siglo XX. ^{[ 92 ]}

La electricidad no es un invento humano y puede observarse en diversas formas en la naturaleza, especialmente en los rayos . Muchas interacciones familiares a nivel macroscópico, como el tacto , la fricción o los enlaces químicos , se deben a interacciones entre campos eléctricos a escala atómica. El campo magnético terrestre se debe a la dinamo natural de corrientes circulantes en el núcleo del planeta. ^{[ 93 ]} Ciertos cristales, como el cuarzo o incluso el azúcar , generan una diferencia de potencial entre sus caras al presionarlos. ^{[ 94 ]} Este fenómeno se conoce como piezoelectricidad , del griego piezein (πιέζειν), que significa presionar, y fue descubierto en 1880 por Pierre y Jacques Curie . El efecto es recíproco: cuando un material piezoeléctrico se somete a un campo eléctrico, cambia ligeramente de tamaño. ^{[ 94 ]}

Algunos organismos, como los tiburones , son capaces de detectar y responder a cambios en campos eléctricos, una capacidad conocida como electrorrecepción , ^{[ 95 ]} mientras que otros, denominados electrogénicos , son capaces de generar voltajes por sí mismos para servir como arma depredadora o defensiva; estos son peces eléctricos de diferentes órdenes. ^{[ 3 ]} El orden Gymnotiformes , cuyo ejemplo más conocido es la anguila eléctrica , detecta o aturde a sus presas mediante altos voltajes generados por células musculares modificadas llamadas electrocitos . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Todos los animales transmiten información a lo largo de sus membranas celulares con pulsos de voltaje llamados potenciales de acción , cuyas funciones incluyen la comunicación del sistema nervioso entre neuronas y músculos . ^{[ 96 ]} Una descarga eléctrica estimula este sistema y provoca la contracción de los músculos. ^{[ 97 ]} Los potenciales de acción también son responsables de coordinar actividades en ciertas plantas. ^{[ 96 ]}