Aplicaciones comunes de la electricidad

Se puede considerar que el estudio de la electricidad, al menos como observación reflexiva, comenzó en la antigua Grecia con Tales de Mileto cuando éste descubrió el efecto de frotar un trozo de ámbar (en griego, elektron). Desde entonces y hasta la fecha se han producido infinidad de descubrimientos e inventos que han permitido el aprovechamiento de la energía eléctrica como una de las fuentes energéticas más comunes. La facilidad para conducir esta energía, trasladarla entre puntos muy distantes y transformarla desde y hacia otras formas de energía ha favorecido enormemente su estudio y ha permitido obtener la ingente cantidad de aplicaciones que actualmente existen.

El aprovechamiento de la energía eléctrica comenzó en aplicaciones dirigidas a la transmisión y comunicación a distancia, aunque inmediatamente se usó en sistemas de iluminación o incluso en aplicaciones terapéuticas. Actualmente se ha extendido prácticamente a todos los sectores con alguna excepción, como son los automóviles, donde no termina de resultar competitiva frente a otras fuentes de energía.

En el campo de la medicina, en 1769 Edward Bancroft demostró que la electricidad que genera un pez eléctrico no es de naturaleza mecánica. Este acontecimiento puede considerarse como un hito que abrió el camino hacia su aprovechamiento como método terapéutico. Quince años más tarde, George Adams publicó un trabajo titulado «Ensayo sobre electricidad: La teoría y la práctica de esta ciencia útil y el modo de aplicarla a los propósitos médicos». Poco después, Luigi Galvani estudió los efectos de la electricidad en los nervios y músculos de los animales.

No obstante, las investigaciones probablemente más llamativas se centraron en los intentos experimentales de resucitar a los muertos con descargas eléctricas. Tales experiencias sirvieron de inspiración literaria a Mary Shelley como autora de la novela Frankenstein o el moderno Prometeo, publicada en 1818 y en la que la electricidad tiene un papel relevante como inspiradora de vida. En la actualidad, las aplicaciones en este campo tienen una alta importancia en numerosos dominios: aparatos de radioterapia, cardiología, diálisis, ventiladores pulmonares, medicina nuclear, instrumental de laboratorio para diagnóstico, analizadores, congeladores, y un largo etc.

Iluminación

El uso de la electricidad en aplicaciones de iluminación o asociadas a la radiación lumínica pasó por múltiples etapas. En 1709, Francis Hauksebee descubrió la luz de neón cuando observó experimentalmente que, al colocar una pequeña cantidad de mercurio en el cristal de un generador al vacío y producir una carga, si se situaba la mano sobre el cristal la urna del generador se iluminaba. Sin embargo, el acontecimiento capital en esta investigación se produjo en 1879 cuando el prolífico inventor estadounidense Thomas Alva Edison patentó la primera bombilla incandescente, inspirándose en trabajos previos de Joseph Wilson Swan.

El gran inventor estadounidense Thomas Alva Edison, a quien se debe el diseño de la bombilla incandescente.

En la actualidad, el mercado proporciona tres tipos de bombillas, todas ellas nacidas conceptualmente de la idea de Swan y Edison. Las tradicionales son las incandescentes, cuyo funcionamiento se basa en la incandescencia de un filamento de tungsteno cuando se hace circular corriente a su través. Tienen una duración aproximada de mil horas y pierden luminosidad con el tiempo por la degradación del filamento, que termina por romperse. El coste unitario es reducido, aunque si se analiza la relación precio-duración son las más caras.

En segundo lugar figuran las denominadas bombillas halógenas, cuyo principio de funcionamiento es similar a las incandescentes aunque emiten luz más blanca y brillante con menor consumo. Además, su duración es mayor y no se ennegrecen por la evaporación del tungsteno del filamento. Existen modelos susceptibles de conexión directa a la red eléctrica y otros que necesitan un transformador que acondicione la tensión de trabajo.

Finalmente, destacan las bombillas de bajo consumo, que tienen en su interior vapor de mercurio a baja presión. Una descarga produce luz ultravioleta que se convierte en luz visible al entrar en contacto con el polvo fluorescente. Su principal ventaja es su capacidad para transformar la energía en luz sin apenas emitir calor, aunque no presentan un buen rendimiento en condiciones de baja temperatura ambiente. Como principal inconveniente, consumen más energía que las anteriores en el instante del encendido.

La bombilla común consigue la iluminación por la incandescencia de un filamento de tungsteno u otro material a través del cual se hace circular la corriente.

La misma tecnología de las bombillas de bajo consumo se incorpora en los tubos fluorescentes. Estos dispositivos tienen en su interior un gas noble, como el argón o el neón, mezclado con partículas de mercurio (vapor de mercurio). Esta mezcla es responsable de la emisión de la radiación ultravioleta que, al entrar en contacto con la sustancia fluorescente que recubre el interior del tubo, provoca la conversión en luz visible. Las lámparas fluorescentes más habituales tienen forma de tubo lineal, aunque también se encuentran tipos en U y redondos.

Otras modalidades de elementos de iluminación: lámparas halógenas, bombillas de bajo consumo y tubos fluorescentes.

Otras modalidades de elementos de iluminación: lámparas halógenas, bombillas de bajo consumo y tubos fluorescentes.

Otras modalidades de elementos de iluminación: lámparas halógenas, bombillas de bajo consumo y tubos fluorescentes.

Electrodomésticos

Un electrodoméstico es todo dispositivo que funciona con energía eléctrica y está diseñado para resolver o ayudar a realizar las tareas del hogar. El sector comercial suele dividir habitualmente estos aparatos en dos grandes grupos o gamas: blanca y marrón. Los primeros están ligados a las actividades domésticas comunes, mientras que los segundos se dirigen a satisfacer las demandas de ocio.

Tabla 1. Clasificación de los electrodomésticos.

También es posible distinguir, en el proceso de clasificación, entre grandes electrodomésticos, pequeños electrodomésticos, equipos de computación y telecomunicaciones, equipos electrónicos de consumo, herramientas eléctricas y electrónicas, instrumentos de mando y control y juguetes. La tabla 1 ofrece una extensa relación de ejemplos de cada una de estas clases.

Pequeños electrodomésticos

La mayor parte de los pequeños electrodomésticos tienen como elemento principal un motor universal diseñado para trabajar con una tensión de 110 V en América y de 220 V en Europa. No obstante, algunos fabricantes producen unidades portátiles de algunos de estos ingenios que funcionan con alimentación procedente de acumuladores o baterías recargables. Junto con el interruptor principal que gobierna el funcionamiento global del equipo suelen aparecer algunos elementos de control adicional como pueden ser sistemas de regulación, termostatos, potenciómetros, pulsadores, etc., diseñados para configurar, seleccionar y regular el modo de funcionamiento.

Las averías eléctricas más comunes que se dan en este tipo de aparatos dependen de múltiples factores. Las principales se deben a roturas de los cables de alimentación que eliminan la continuidad, conexiones deficientes en ciertos contactos sometidos a desgaste por el uso continuado, interruptores o elementos de gobierno defectuosos, motores con bobinados quemados (generalmente en el inducido) o escobillas gastadas.

Cafetera eléctrica. Fundamentalmente, una cafetera eléctrica está formada por un cable de alimentación anclado a la estructura mediante sistemas de protección ante la tracción, cuyo objeto es evitar daños en los conductores internos cuando se tira directamente del cable. El conductor de fase se conecta a un interruptor que gobierna el encendido y apagado global del sistema. Si dicho interruptor incluye un piloto luminoso también recibe el conductor neutro.

La fase procedente del interruptor está unida a un termostato bimetálico que desconecta el sistema de forma automática cuando la temperatura supera cierto valor establecido por el diseñador cuyo margen es suficiente para evitar sobrecalentamientos que puedan dañar los circuitos o incluso provocar incendios. A continuación, el terminal de fase procedente de este bimetal se conecta a la resistencia cuyo terminal opuesto está conectado a masa.

La resistencia tiene como misión calentar un circuito denominado serpentín en cuyo interior hay agua procedente del depósito por efecto de la gravedad. El agua alcanza el punto de ebullición y se dirige hacia el filtro, ascendiendo por la presión y haciendo que lo haga también el café alojado en un recipiente, a su vez sobre una placa que tiene contacto con la resistencia. Por esta configuración, este invento no sólo produce el café, sino que lo mantiene caliente.

Cafetera eléctrica. Sus elementos clave son el termostato que impide que la temperatura ascienda por encima de unos límites de seguridad, una resistencia y un circuito denominado serpentín.

Planchas. Los electrodomésticos conocidos como planchas son especialmente sencillos, ya que en general disponen de un sistema basado en resistencias que calientan la superficie de planchado junto con un termostato bimetálico que se regula mediante un sistema selector. Este sistema se encarga de ajustar en muelle que gobierna el bimetal.

Así, el sistema se conecta y desconecta por efecto de la temperatura sobre el bimetal, lo que permite obtener una temperatura constante. La plancha dispone de un testigo luminoso en paralelo que se enciende cuando el bimetal está conectado, señalando que la plancha aumenta de temperatura; el apagado del testigo se produce cuando el bimetal se desconecta por haberse alcanzado la temperatura de referencia. El usuario suele escuchar un leve chasquido emitido por las placas metálicas del bimetal al moverse. Los sistemas de vapor y agua son mecánicos.

Plancha eléctrica, un electrodoméstico sencillo basado en el juego de un termostato y un sistema de resistencias.

Otros pequeños electrodomésticos. A título de ejemplo se ofrecerá a continuación una breve descripción de tres pequeños electrodomésticos comunes: la máquina de afeitar, la aspiradora y el taladro y otras herramientas afines. Las máquinas de afeitar disponen de un interruptor y un motor cuyo giro mueve las cuchillas. Habitualmente, el motor cuenta con un estator abierto con dos bobinados y un rotor oscilante. Dichos bobinados pueden situarse en serie o en paralelo, con un simple conmutador que permite su uso a 220 y a 110 voltios.

Las aspiradoras, por su parte, tienen como componente principal un motor universal que mueve a alta velocidad una rueda de palas anclada a su eje. El giro de estas palas provoca la aparición de una corriente de aire que capta las partículas procedentes del tubo de aspiración y las dirige a una bolsa contenedora.

El resto del aire filtrado por la aspiradora se expulsa por la parte trasera. Por ello, cuando los filtros dejan de ejercer su función, el electrodoméstico recoge por un lado y expulsa por el contrario. Para evitar este problema se han diseñado ingenios similares cuyo filtro es un depósito de agua que reduce al mínimo la emisión de partículas al exterior. Otras aspiradoras más evolucionadas usan vapor de agua como sistema limpiador.

La aspiradora eléctrica tiene como principal elemento un motor universal que mueve una rueda de palas a alta velocidad.

El taladro eléctrico y, en general, las herramientas semejantes, están formados por un motor universal dotado de un conmutador que permite modificar el sentido de giro invirtiendo las polaridades de alimentación. El control de velocidad suele hacerse con un triac que controla una fase. El resto de los mecanismos son el sistema de transmisión, los cojinetes, el mecanismo de percusión y un ventilador. Las averías más típicas de estos dispositivos se producen por el desgaste de las escobillas, circunstancia que es fácil de detectar al observar cierto chisporroteo.

Grandes electrodomésticos

Los llamados grandes electrodomésticos constituyen el grupo más relevante de equipamiento eléctrico de un hogar, ya que representan probablemente los dispositivos considerados hoy en día como imprescindibles en una casa. Aunque a grandes rasgos no han evolucionado en lo fundamental, los fabricantes han ido implementando numerosas mejoras tecnológicas para adaptarse a los nuevos tiempos.

En la actualidad, estos electrodomésticos incorporan sistemas basados en microcontroladores que sustituyen a los viejos programadores y disponen de capacidades domóticas. Algunos pueden controlarse incluso por Internet o mediante telefonía móvil y en su interior hacen uso de complejos algoritmos de control basados en lógica difusa. Pantallas de cristal líquido (lcd) y sensores avanzados completan equipos dispuestos a facilitar cada día más las tareas domésticas.

Lavavajillas. En un lavavajillas o lavaplatos, el agua de la toma exterior se recibe a través de una electroválvula y es bombeada hacia los brazos de aspersión dotados de múltiples boquillas, algunas de las cuales están diseñadas para provocar el giro. El movimiento del agua en el interior se realiza a través de un motor de bombeo en un proceso circular.

El detergente se aloja en un compartimento cuya apertura se activa automáticamente por el programa de lavado. El abrillantador y la sal se introducen en compartimentos de diseño especiales que aseguran el abastecimiento adecuado. La sal reduce la dureza del agua evitando la acumulación de cal en la resistencia responsable de calentar el agua del lavado.

El mando de control de los lavavajillas tradicionales está formado por complejos grupos de conmutación. Cada parte del lavado está temporizada y gobernada por las señales procedentes de los sensores de temperatura y nivel de agua. El programador se mueve por efecto de motor síncrono. Cuando es necesario sustituir el agua del lavado, así como al finalizar éste y al principio para eliminar restos de agua que pudiesen existir, se activa una bomba de extracción que dirige el agua hacia el desagüe.

Los lavavajillas modernos han sustituido los programadores por sistemas digitales basados en microcontroladores. Éstos, junto con algunos sensores que detectan el volumen de vajilla, aseguran un lavado adaptado a las condiciones y simplifican el control de los diferentes dispositivos.

Lavadoras. Las lavadoras actuales han evolucionado notablemente y disponen de numerosas funciones que ajustan los parámetros de cada lavado. En general, se pueden dividir en dos grupos dependiendo del sistema de gobierno o control.

Por un lado, las lavadoras automáticas disponen de un programador similar al de un lavavajillas que, junto con selectores de temperatura y botones de configuración (carga media, revoluciones, sin prelavado, etc.), establecen el ciclo de lavado. Por otro, las más avanzadas incorporan microcontroladores que dirigen todo el proceso y se comunican con el usuario a través de pantallas de cristal líquido y pulsadores. Los microcontroladores obtienen a través de sensores las características de cada lavado y ajustan todos los parámetros para asegurar un lavado eficaz y un ahorro energético muy importante.

Las lavadoras modernas pueden incorporar sensores para controlar todo el proceso de lavado.

El ciclo de lavado comienza con la activación de una electroválvula que permite el paso del agua procedente del sistema de alimentación. El agua atraviesa el recipiente que contiene el detergente y pasa al tambor, donde se calienta si procede. El giro del tambor es responsabilidad de un motor de alta velocidad regulado según la fase de lavado.

Cuando es necesario sustituir el agua se activa una bomba de evacuación que la dirige hacia el desagüe. Esta bomba se combina con el giro rápido correspondiente al centrifugado para vaciar completamente el tambor y obtener la ropa lo más seca posible. El centrifugado provoca movimientos bruscos en el tambor, por lo que éste se encuentra anclado a través de muelles y sistemas de suspensión.

Frigoríficos. El principio de funcionamiento de un frigorífico se debe a un circuito cerrado por el que circula un gas refrigerante que se somete a cambios de presión y volumen. Hasta fechas recientes se usaban para este cometido sustancias clorofluorocarbonadas (cfc), que han sido sustituidas por gases hidrofluorocarbonados (hfc) después de detectarse que las primeras son responsables del adelgazamiento de la capa de ozono de la estratosfera (fenómeno conocido vulgarmente como «agujero de ozono»).

El circuito dispone de un compresor accionado por un motor eléctrico que convierte el gas en líquido, aumentando su temperatura. Asciende por un serpentín condensador que se encuentra en el exterior del frigorífico, por lo que irradia el calor acumulado. A continuación pasa por un tubo capilar en el que aumenta su presión y se introduce de nuevo en el interior del frigorífico donde la presión es más baja; en consecuencia, se expande a la vez que se transforma en gas y se enfría. El circuito absorbe el calor del interior del frigorífico y lo retorna al compresor, reanudando el ciclo.

Los dispositivos más modernos incluyen sistemas de descongelación automática, y los sistemas combi, o duales, incluyen dos sistemas independientes que permite establecer dos zonas aisladas, una para el frigorífico y otro para el congelador. La puerta activa y desactiva un interruptor que acciona un sistema de iluminación interior.

Modelo clásico de frigorífico de un solo cuerpo. Los frigoríficos disponen de sistema que permite introducir un gas en forma líquida y a alta presión en su interior, provocando su nueva transformación al estado gaseoso y el consecuente enfriamiento.

El agua que se genera en el interior fruto de la condensación se dirige a un recipiente situado en el exterior y se evapora por efecto de la temperatura del motor. Es muy importante no manipular el circuito del refrigerante, por que el gas, muy contaminante, se escaparía con mucha facilidad. Los aparatos de aire acondicionado tienen un funcionamiento muy parecido y pueden trabajar de forma inversa, convirtiéndose entonces en bombas de calor.

Calentadores de agua o termos. Estos sencillos dispositivos disponen de un depósito de agua con una resistencia calefactora, un interruptor de activación y otro de protección, un termostato regulable, válvulas de seguridad y testigos luminosos. El funcionamiento es simple, ya que reciben por una toma el agua fría procedente de la instalación de abastecimiento y la calientan por medio de la resistencia calefactora para dirigirla finalmente hacia el circuito de agua caliente.

El termostato regula la temperatura según la selección establecida por el usuario. Para evitar problemas con la presión existen válvulas de protección que se activan si el agua eleva en exceso su temperatura, para evitar los riesgos derivados de un fallo en el sistema de regulación térmica.

Placas de cocina y hornos. Las cocinas eléctricas y las vitrocerámicas, aunque estructuralmente distintas, tienen un funcionamiento muy parecido ya que disponen de resistencias calefactoras controladas por interruptores (reguladores manuales) e incorporan sistemas de protección y termostatos. La diferencia fundamental entre ambas reside en que las primeras funcionan por el principio de conducción del calor, mientras que las segundas lo hacen por radiación.

Las placas de cocina vitrocerámicas funcionan de forma parecida a las cocinas eléctricas convencionales pero en vez de emplear la conducción del calor, utilizan un sistema de radiación.

En los hornos hay resistencias responsables de proporcionar la temperatura deseada en el interior. Algunos modelos incluyen ventiladores para mejorar y aumentar las corrientes de convección y distribuir el calor de forma homogénea. Los sistemas de gratinado cuentan con resistencias situadas en la parte superior. Es común la existencia de un motor que permita el giro de los accesorios.

El microondas, por su parte, está formado por un magnetrón responsable de generar las microondas, un transformador de alta tensión, un temporizador y un motor. Los sistemas con gratinador incorporan una resistencia en la parte superior. Según ciertos estudios, el horno microondas es un dispositivo potencialmente peligroso porque irradia ondas cuya exposición puede dañar los tejidos internos del ser humano. Su manipulación debe reservarse exclusivamente a personal especializado y es conveniente evitar acercarse al aparato cuando está en funcionamiento. Una buena forma de comprobar el grado de aislamiento de un microondas es introducir en su interior un teléfono móvil y comprobar que pierde totalmente la cobertura.