ENERGÍAS | EJERCICIOS

cARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN DE LA ENERGÍA

1. Responde brevemente las siguientes preguntas:

¿Qué indica la ley de conservación de la energía?

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¿En qué tipo de energía se transforma la energía del Sol mediante el uso de paneles solares?

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¿Cuáles son las principales características de la energía?

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¿Cuáles son los tipos de cambios físicos?

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2. Completa las siguientes oraciones:

La energía puede manifestarse de distintas maneras: en forma de _______________, de calor, de _______________ y de radiación, entre otras.
Entre los distintos tipos de energía química que existen encontramos la _________________, la electrólisis y la energía _________________.
La energía mecánica es la suma de distintas formas de energía: la energía _________________, la potencial y la ___________________.
La energía ______________ es aquella que utilizamos cuando encendemos la luz, _________________ la comida con el microondas, o cargamos el teléfono celular.
La energía ____________ es la que producen las ondas, como las electromagnéticas, las de rayos X, los rayos solares, los rayos ultravioletas (UV), las ondas de radio, de luz infrarroja o luz visible.

El calor y la temperatura

1. Establece las diferencias entre calor y temperatura.

Calor	Temperatura

2. Indica si las siguientes oraciones son verdaderas (V) o falsas (F). Justifica las falsas.

La escala en grados Celsius fue creada por el físico Gabriel Daniel Fahrenheit en el año 1724. ( )

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La escala en grados Celsius también tomó el nombre de “centígrados” debido a que está dividida en 100 partes iguales al tomar como referencia los puntos de fusión y ebullición del agua. ( )

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La ley de equilibrio térmico también se conoce como ley de equilibrio quinto. ( )

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El calor se puede transferir de un líquido a un sólido. ( )

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Electricidad: atracción y repulsión eléctrica

1. Observa la siguiente imagen e investiga la relación que existe entre el vuelo de las aves y el campo magnético de la Tierra.

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2. Relaciona los siguientes términos con la definición que corresponda. Une con flechas.

Rayo	Transforma los distintos tipos de energía en energía eléctrica y la distribuye a nuestras casas.
Central eléctrica	Emisión de luz que es producida a causa de una gran descarga eléctrica.
Trueno	Gran descarga de electricidad.
Relámpago	Sonido que se produce debido a la expansión abrupta de los gases que componen la atmósfera.

3. Identifica en las siguientes imágenes cuáles materiales son conductores y cuáles son aislantes de la electricidad.

	Agua: ________________________
	Plástico: __________________________
	Metal: _________________________
	Madera: _________________________

circuitos

1. Define brevemente los siguientes conceptos:

Circuito eléctrico

______________________________________________________________________________________________________

Electrón

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Fusible

______________________________________________________________________________________________________

Corriente continua

______________________________________________________________________________________________________

Corriente alterna

______________________________________________________________________________________________________

2. Identifica en la siguiente imagen los componentes básicos de un circuito eléctrico.

imanes

1. Marca con una cruz (X) la respuesta correcta.

El funcionamiento de los imanes se debe a su atracción o…

adhesión.
repulsión.
difusión.

Los responsables de las propiedades de los imanes son el movimiento de los electrones y…

el campo magnético.
la fotosíntesis.
el calor.

¿Cómo se llama el fenómeno físico producido por algunos materiales en los que son ejercidas fuerzas de atracción y de repulsión entre sus electrones?

Magnetismo
Filtración
Oxidación

2. A continuación se presentan algunas de las características y propiedades del magnetismo. Escribe el nombre que corresponde a cada una.

______________________________: regiones que presentan los imanes en sus dos extermos y son los sitios en los cuales se ejercen las fuerzas de atracción y repulsión.

______________________________: línea en la que se encuentran unidos los polos magnéticos.

______________________________: región que divide a las dos zonas polarizadas.

______________________________: región en la cual el imán ejerce sus efectos.

______________________________: líneas que se utilizan para representar el campo magnético.

imán terrestre

1. Describe las condiciones que deben darse para que pueda generarse un campo magnético.

2. Observa la siguiente imagen y responde:

¿Cómo se llama este instrumento?

______________________________________________________________________________________________________

¿Cuál es su función?

______________________________________________________________________________________________________

¿Cuáles son los tipos que existen?

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magnetismo y electricidad

1. Completa la siguiente tabla con las diferencias y las semejanzas entre magnetismo y electricidad.

Diferencias	Semejanzas

2. Realiza un listado de 10 ejemplos de electroimanes en la vida cotidiana.

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______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________

ondas: luz y sonido

1. Las definiciones que se presentan a continuación corresponden a términos relacionados con las partes de una onda. Escribe el nombre de cada una.

______________________: distancia que hay entre dos puntos iguales en ondas distintas.

______________________: número de vibraciones en un segundo.

______________________: tiempo que dura una vibración completa.

______________________: altura máxima que alcanza una vibración o cresta.

______________________: distancia que recorre una onda en un tiempo determinado.

2. Escribe algunos ejemplos de objetos luminosos y objetos iluminados.

Objetos luminosos

Objetos iluminados

3. ¿En qué se diferencian las ondas de luz de las ondas sonoras? Realiza un resumen.

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luz: reflexión y refracción

1. Realiza un esquema que explique la forma en que se propaga la luz.

2. Realiza un cuadro comparativo entre refracción y reflexión de la luz.

Reflexión	Refracción

3. Describe brevemente la relación entre la luz y el color.

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¿por qué se producen los arcoíris?

1. Observa la siguiente imagen y explica brevemente cómo ocurre ese fenómeno natural.

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2. Menciona los tipos de arcoíris que existen, escoge 2 de ellos y descríbelos.

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______________________________
______________________________
______________________________

Arcoíris _______________________

______________________________________________________________________________________________________

Arcoíris _______________________

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¿por qué no se propaga el sonido en el vacío?

1. Indica a qué cualidad del sonido corresponden las siguientes definiciones.

Cualidad	Definición
	Cualidad que determina qué tan agudo o grave será el sonido.
	Cualidad que permite caracterizar al sonido y de esta forma diferenciarlo de otros. Está relacionada con los armónicos y con la intensidad.
	Cualidad que permite identificar la cantidad de energía que contiene el sonido. Está relacionada con la amplitud de la onda.
	Cualidad caracterizada por el tiempo que dura el sonido, es decir, el tiempo de vibración.

2. Mediante un mapa mental explica la forma como se propaga el sonido.

¿qué es el eco?

1. Describe la relación que existe entre esta imagen y el efecto Doppler.

2. Realiza un resumen sobre cómo surge el eco y sus usos.

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Fuentes de energía

El ser humano aprovecha la energía disponible en la naturaleza en su búsqueda de mejoramiento de la calidad de vida. Las fuentes de energía son aquellos recursos naturales o cuerpos que almacenan energía que puede ser utilizada.

La energía eléctrica puede generarse de diversas fuentes.

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FUENTES RENOVABLES

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Estas fuentes de energía son las más abundantes en la naturaleza. Se consideran inagotables, ya que después de ser usadas pueden regenerarse de forma natural o artificial a una velocidad superior al que se consumen.

Las energías renovables son menos contaminantes que las energías no renovables.

Algunas ventajas de las fuentes de energía renovable son las siguientes:

No afectan de gravedad al medio ambiente.
Disminuyen la dependencia de los recursos fósiles.
Promueven el desarrollo industrial y económico donde se instalan.
Son inagotables, por ende, pueden aplicarse en una amplia gama de escenarios.

También presentan desventajas como:

La elección de este tipo de energía representa una inversión significativa, lo que hace parecer que no es rentable.
Varios tipos de energía renovable tienen una naturaleza difusa.
Se necesita esperar para que haya cantidad suficiente de energía para poder almacenarla.
Muchas veces debe disponerse de un gran equipo o sistema para que la energía de utilice.

Energía renovable en Latinoamérica

Debido a la gran variedad de ecosistemas en Latinoamérica, los países de esta región se beneficiarían en gran medida de la energía renovable. Por orden de importancia y beneficios de estos recursos se encuentran los siguientes países: Brasil, Colombia, Argentina, Chile y Uruguay.

¿Cuáles son las fuentes de energía renovable?

Ciertas fuentes de energía renovable también son conocidas como energías alternativas, ya que se usan poco pero adquieren más importancia con el paso del tiempo.

Energía hidráulica

Es producida por el aprovechamiento de la energía cinética y potencial gravitatoria de los saltos de agua natural, en otras palabras, se obtiene mediante el movimiento del agua. Por esta razón, las centrales hidroeléctricas se construyen cerca de caídas de agua, donde el movimiento hidráulico mueve unas turbinas que se encargan de transformar esa energía en energía eléctrica que luego llega a los hogares a través de una red eléctrica de distribución.

¿Qué es una represa hidroeléctrica?

Es un sistema diseñado y construido para producir energía eléctrica mediante el aprovechamiento del caudal de los cursos de agua.

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Energía solar

Llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética proveniente del Sol. Una de las formas de aprovechamiento es mediante el uso de paneles solares. Es una energía gratuita, inagotable, limpia y no contaminante.

El Sol es una fuente ilimitada de energía. Si se almacenara toda la energía que emite durante algunas horas, se podrían abastecer las necesidades humanas del planeta por un año.

¿Sabías qué?

La energía solar se renueva rápidamente porque el Sol emite de manera continua radiación.

Energía eólica

Es la que se aprovecha por el movimiento del aire. Como fuente de energía es segura, inagotable y no contamina.

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Para poder utilizar esta fuente de energía a gran escala se requieren gigantescas turbinas eólicas, también llamadas aerogeneradores, que al moverse producen electricidad. El único inconveniente es que los vientos en general no son constantes, por lo que la energía eléctrica producida debe ser almacenada en baterías.

¿Cómo se aprovechan las energías renovables?

La energía del viento se aprovecha a través de grandes turbinas, la energía del Sol por medio de paneles solares y la energía del agua mediante centrales hidroeléctricas.

Energía mareomotriz

Se la obtiene a partir del movimiento del agua que es generado por las mareas. Durante el día, las aguas suben (marea alta o pleamar) y bajan (marea baja o bajamar) secuencialmente; cuando la Luna está sobre la playa, las aguas suben, luego de seis horas bajan.

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La marea es el movimiento constante y alterno de ascenso y descenso de las aguas marinas que se produce por las acciones atractivas del Sol y la Luna.

Durante el fenómeno de la pleamar, las aguas ganan energía gravitatoria. Al bajar, esa energía gravitatoria se transforma en energía cinética: las aguas se aceleran en su caída. Para obtener esta energía se dispone de centrales mareomotrices. Dichas centrales atrapan el agua del mar en enormes piletas que se cierran por medio de compuertas. Cuando la marea comienza a bajar, las compuertas se abren y el agua guardada empieza a caer hacia al mar por medio de unos conductos.

¿Qué son los diques móviles?

Es una respuesta a fenómenos naturales donde las altas mareas pueden atentar contra el bienestar de un área geográfica determinada y a su comunidad. Ingeniados por los Países Bajos después del desastre natural de 1953 e inaugurados en 1997, son sinónimo de resguardo y eficiencia tecnológica en el resto del mundo.

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Energía de la biomasa

La biomasa es la materia orgánica que se origina en un proceso biológico, como por ejemplo la madera, los cultivos o los residuos animales. Puede utilizarse directa o indirectamente como fuente de energía y permite aprovechar los residuos.

Como combustible, produce una contaminación parecida a la de los combustibles fósiles. La gran ventaja sobre éstos es que el CO₂ que se produce en la combustión ha sido retirado previamente de la atmósfera por las plantas con las que se ha fabricado el combustible y no se altera la concentración media de este gas.

Energía geotérmica

Es el aprovechamiento del calor proveniente del interior de la Tierra, el cual se transmite a los cuerpos por conducción y convección. Esta energía es capaz de ofrecer más energía que el petróleo, el carbón y el uranio. Puede ser aprovechada gracias a la intervención de turbinas que absorben el vapor (energía calórica) generado por las altas temperaturas, para luego ser transformado en energía eléctrica.

¿Sabías qué?

Italia y Chile son algunos de los países que aprovechan la energía calórica que proviene del interior de la Tierra por medio de centrales que generan vapor para luego producir electricidad.

Datos de interés sobre fuentes de energía renovable
Tipo de energía	Fuente	Mayor productor	Aplicación
Hidráulica	Agua	Estados Unidos	Producir energía eléctrica.
Solar	Sol	China	Producir energía eléctrica.
Eólica	Viento	China	Producir energía eléctrica.
Mareomotriz	Agua	Japón	Producir energía eléctrica.
Biomasa	Plantas y animales	Inglaterra	Producir energía eléctrica y biocombustibles.
Geotérmica	Calor del interior de la Tierra	Estados Unidos	Industrial y en aguas termales.

FUENTES NO RENOVABLES

¿Qué es el desarrollo sustentable?

Es un proceso integral que conjuga a la sociedad, la economía y al planeta Tierra con su naturaleza. Se trata de un modo de ver y de hacer que desterró la antigua idea de “progreso”, relacionada a la explotación desmedida de los recursos.

Estas fuentes de energía son las más usadas en la actualidad a pesar de encontrarse en cantidades limitadas en la naturaleza. Se agotan al ser usadas, por lo tanto no se regeneran a corto plazo y requieren miles o millones de años para volver a formarse.

Dato de interés

Según estudios recientes, aproximadamente el 85 % de toda la energía que se consume a nivel mundial surge de la quema de combustibles fósiles.

Algunas ventajas de las fuentes de energía no renovable son las siguientes:

Estas fuentes de energía son más económicas que las energías renovables, razón por la que son más usadas en los países en vías de desarrollo.
Al ser fuentes que el ser humano ha conocido desde hace mucho tiempo, existe la infraestructura y la tecnología necesaria para aprovecharlas y transformarlas.
El recurso no renovable más usado es probablemente el petróleo, del cual se produce una gran cantidad de combustibles y derivados como solventes y parafinas.

También presenta desventajas como:

No son abundantes en la Tierra, por lo que en algún momento se gastarán las reservas que existen.
Al quemar combustibles fósiles se producen enormes cantidades de contaminantes que potencian el calentamiento global.
Los combustibles fósiles pueden ocasionar grandes accidentes si no se tratan con cuidado.

Protocolo de Kioto

Es un acuerdo internacional firmado en firmado en Japón, en la ciudad de Kioto. Entró en vigor en febrero de 2005 y comprometió a los países industrializados a estabilizar las emisiones de gases de efecto invernadero entre el período 2008 y 2012. El segundo periodo de vigencia del Protocolo se extiende desde el 1 de enero de 2013 hasta el 31 de diciembre de 2020.

¿Cuáles son las fuentes de energía no renovable?

Las fuentes de energía no renovable también son conocidas como energías convencionales, ya que son las más usadas en la actualidad.

Combustibles fósiles

Las fuentes de energía fósil son aquellos recursos que provienen de la transformación de materia que alguna vez tuvo vida, es decir, que se originaron por la acumulación de restos vivientes hace millones de años. Entre ellas podemos encontrar el carbón, el petróleo y el gas. El carbón fue el primer combustible fósil en ser comercializado, le siguió el petróleo y por último el gas natural. En la actualidad coexisten para satisfacer las necesidades energéticas.

¿Sabías qué?

El combustible fósil se quema para así obtener energía térmica o energía cinética. También puede emplearse para obtener electricidad en centrales termoeléctricas.

El carbón

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Es un combustible sólido de origen vegetal. Se originó hace más de 300 millones de años cuando el planeta estaba cubierto por una densa vegetación que, al morir, quedó sumergida bajo el agua y empezó a descomponerse anaeróbicamente (sin presencia de oxígeno), lo que produjo que la materia orgánica ganara carbono hasta convertirse en un mineral sólido de color negro.

El petróleo

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Es un compuesto líquido negruzco complejo formado por una mezcla de hidrocarburos de gran viscosidad, perecidos al aceite. Se originó hace millones de años por la fosilización de zooplancton, algas y organismos marinos.

El petróleo tiene una apariencia negra y viscosa.

Utilizar este compuesto como fuente de energía tiene varios inconvenientes:

No es soluble en agua y es difícil de limpiar.
Los derrames afectan los ecosistemas.
La combustión de los derivados produce productos residuales.
Es una de las principales causas de la excesiva emisión de dióxido de carbono a la atmósfera, lo cual genera calentamiento global.

Este combustible es muy utilizado debido a que con una pequeña porción del material se producen grandes cantidades de energía, y sus costos de extracción y utilización son baratos en comparación con otras fuentes. Es decir, se prioriza el beneficio económico por sobre el cuidado del planeta.

¿Qué es el fracking?

La explotación indiscriminada de los recursos fósiles es una práctica común que ha disminuido las reservas a nivel mundial de manera notable. El fracking se ha presentado como una técnica de extracción en yacimientos no convencionales, y el daño para el hombre y el planeta es objeto de debate.

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Es una mezcla de gases ligeros que se obtiene de los yacimientos de petróleo o de depósitos de carbón. Si la energía se obtiene de los procesos de descomposición de restos orgánicos se denomina biogás.

Una de las ventajas de la utilización de esta fuente de energía es que el gas natural produce mucho menos dióxido de carbono que otros combustibles. Sin embargo, la forma de extraer, transportar y almacenar este combustible implica grandes cuidados, ya que es una sustancia muy inflamable.

Energía nuclear

Es aquella energía que se libera durante las reacciones nucleares y se obtiene mediante un proceso físico-químico. Dentro de los núcleos atómicos, las fuerzas entre los protones y neutrones del núcleo atómico son muy intensas, por lo que los procesos de transformación nuclear generan gran cantidad de energía.

RECURSOS PARA DOCENTES

Artículo destacado “Energía eólica”

Recurso que describe las características de la energía eólica como fuente de energía renovable.

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Video “Los movimientos de la Tierra: Rotación y traslación. Estaciones del año, las mareas”

Este video le permitirá comprender los fenómenos relacionados con la posición del planeta Tierra, entre ellos, las mareas.

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Video “¿Cuál es el desierto más árido del planeta? ¿Qué es la energía renovable?

Recurso audiovisual que explica datos de interés sobre las energías renovables.

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CAPÍTULO 4 / TEMA 1

¿Qué es la energía?

Todos los objetos a nuestro alrededor tienen la capacidad de producir cambios. Por ello, convivimos con movimientos y transformaciones constantes, algunos más perceptibles que otros, pero que tienen su origen en un único concepto: la energía.

ENERGÍA: CAPACIDAD DE PRODUCIR TRABAJO

Ley de conservación de la energía

La energía no puede ser creada ni destruida, sino que puede ser transformada, por lo que la cantidad total de energía es siempre la misma. Por ejemplo, la energía lumínica del Sol se transforma en energía eléctrica mediante el uso de paneles solares.

La energía es la capacidad de un sistema físico para hacer el trabajo o mover algo contra una fuerza, como la gravedad. Si bien no se tiene una definición concreta de energía, los físicos han logrado determinar una ley universal: si la energía de un cuerpo aumenta en determinada cantidad, la de otro disminuye de manera proporcional.

La energía que la humanidad necesita en un año es irradiada por el Sol en 15 minutos.

¿Sabías qué?

El término “energía” proviene del griego enérgeia, que significa “actividad”. Pero esta idea no debe confundirse: no es necesario un movimiento abrupto para reconocer la presencia de energía ya que, en realidad, se encuentra en todos lados aunque no sea posible observarla.

TIPOS DE ENERGÍA

La energía es la capacidad de realizar cambios en los sistemas y los cuerpos. Hay diferentes tipos de energía en el universo y en muchas formas.

Energía primaria

La producción de energía primaria se relaciona con las formas de energía disponibles en la naturaleza antes de ser transformadas, como el petróleo, el gas natural, los combustibles sólidos, los combustibles renovables y la electricidad primaria.

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Energía mecánica

Es la energía almacenada en objetos y es la suma de otras dos fuentes de energía: cinética y potencial. Por ejemplo, justo en el punto más elevado de una montaña rusa, toda la energía del vagón es energía potencial y al comenzar a descender la energía potencial se transforma en energía cinética.

¿Qué es la energía hidráulica?

Es la energía producida por el aprovechamiento de la energía cinética y potencial gravitatoria de los saltos de agua natural. Se aplica en la generación de energía eléctrica para ciudades, pueblos e industrias.

Energía potencial

Es cualquier forma de energía que tiene un potencial almacenado que puede ser usado en el futuro, y que solamente se manifiesta al convertirse en energía cinética. Por ejemplo, si una pelota se levanta, adquiere energía potencial de la gravedad que se vuelve aparente al caer.

Tipos de energía potencial

Energía potencial elástica

Resulta de estirar y comprimir objetos elásticos, como las ligas.

Energía potencial gravitacional

Resulta del almacenamiento de energía por la fuerza de gravedad, como un fruto que cuelga de un árbol.

Energía potencial química

Resulta de la transformación de energía química a través de una reacción química, como el cambio de energía eléctrica a química en una pila.

Energía cinética

Significa “movimiento”. Cuanto más rápido se mueve un objeto, mayor es su energía cinética. La energía de los ríos y la del viento son formas de energía cinética. Ésta se puede convertir en energía mecánica mediante molinos de agua, molinos de viento o bombas conectadas a turbinas o a electricidad.

Ventajas de la energía cinética

– No genera residuos tóxicos.

– Los parques generadores de energía cinética pueden construirse en terrenos no aptos para otras actividades.

– Los parques generadores son de rápida instalación.

Energía térmica

Todos los materiales están compuestos por moléculas en constante movimiento. La energía térmica es producto del movimiento de esas moléculas, es decir, la energía cinética que poseen. Cuanto más se muevan y choquen entre sí, mayor será el calor que generen y, por lo tanto, aumentará su temperatura y su energía térmica.

¿El calor es igual a la temperatura?

No. El calor es una forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o distintas partes de un cuerpo, las cuales presentan distintas temperaturas. Por su parte, la temperatura es una magnitud que da cuenta de nociones como frío, caliente o tibio. La misma se mide a través de un termómetro.

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Energía química

Es aquella que es liberada durante las reacciones químicas. Podemos encontrar este tipo de energía siempre en la materia, pero sólo se manifiesta cuando ocurre un cambio en ella. Algunos ejemplos de energía química son la combustión y la energía nuclear.

Energía eléctrica

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Es la energía transferida de un sistema a otro mediante el uso de electricidad, que es el movimiento de partículas cargadas. En otras palabras, este tipo de energía es causada por el movimiento de los electrones a través de materiales conductores de la electricidad.

Puede generarse a partir de otras energías y a su vez puede ser transformada y producir varios efectos: luminosos, térmicos y magnéticos.

La mantarraya puede generar corrientes eléctricas de hasta 200 voltios.

¿Qué es una represa hidroeléctrica?

Es un sistema diseñado y construido para producir energía eléctrica mediante el aprovechamiento del caudal de los cursos de agua.

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Energía radiante

Es energía transportada por la radiación. Tanto la luz visible como la radiación infrarroja son formas de energía radiante, ambas son emitidas por el Sol.

La energía de los rayos solares puede recuperarse y convertirse en electricidad o calor.

La energía radiante está en constante movimiento y a velocidades altísimas, lo que forma ondas que poseen distintas longitudes y frecuencias. La mayoría de estas ondas pueden propagarse por el vacío, por eso los rayos del Sol o las ondas de los satélites pueden alcanzar la superficie de la Tierra.

¿Sabías qué?

La energía radiante es aplicada en radiografías, medicina nuclear, radios y algunos aparatos electrónicos.

Energía nuclear

Es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Se puede obtener a través de reacciones de fisión y fusión de un núcleo atómico. Dentro de los núcleos atómicos, las fuerzas entre los protones y neutrones del núcleo atómico son muy intensas, por lo que los procesos de transformación nuclear generan gran cantidad de energía.

Las reacciones en el núcleo pueden ser de fusión o de fisión.

¿Sabías qué?

En estrellas como el Sol, la energía atómica se libera cuando los núcleos se combinan en un proceso conocido como fusión.

¿Qué es un reactor nuclear?

Es una instalación física donde se produce, mantiene y controla una reacción nuclear en cadena. Se puede utilizar para la obtención de energía, para la producción de materiales fisionables como el plutonio, como armamento nuclear, o para la propulsión de buques o de satélites artificiales.

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Energía magnética

Es la capacidad de atraer o repeler que poseen algunos materiales sobre otros y que originan campos magnéticos permanentes que producen energía magnética. Existen diversos materiales con propiedades magnéticas, entre ellos podemos encontrar el níquel, el cobalto, el hierro y sus aleaciones. Sin embargo, la presencia de campos magnéticos influye, en mayor o menor medida, en todos los materiales.

UNIDADES DE MEDIDA DE ENERGÍA

Una de las propiedades de la energía es que puede ser medida. Para ello, según el Sistema Internacional, la unidad más utilizada es el “Joule” o “Julio”, y es simbolizada con la letra jota mayúscula (J). Esta unidad es nombrada así en honor al físico James Prescott Joule, quien fue uno de los científicos más importantes de su época. Estudió, entre otras cosas, el magnetismo y su relación con el trabajo mecánico, lo que lo condujo a la teoría de la energía. El Joule equivale a:

Donde

N = Newton

m = metros

kg = kilogramos

s = segundos

Otras equivalencias

Nombre	Equivalencia en julios
Caloría (cal)	4,1855
Kilovatio hora (kWh)	3.600.000
Electronvoltio (eV)	1,6023 x 10-¹⁹
British Thermal Unit (BTU)	1.005,05585
Ergio (erg)	1 x10^-7

Energía en los alimentos

Cada célula de nuestro cuerpo requiere energía para funcionar adecuadamente. Ésta es proporcionada por las calorías y por ello resulta importante conocer la cantidad que aportan los nutrientes que ingerimos y así evitar consecuencias negativas para nuestro organismo.

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RECURSOS PARA DOCENTES

Video “Intercambio de calor”

Recurso audiovisual que le permitirá profundizar sobre el proceso de transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo a otro.

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Aplicaciones del magnetismo: la brújula, el campo electromagnético

Este video describe a detalle el funcionamiento magnético de una brújula.

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CAPÍTULO 4 / TEMA 3

Formas de energía

La energía es la capacidad que posee un cuerpo de realizar distintos tipos de trabajo, como el movimiento, el calor o la luz. Esta energía puede manifestarse de muchas maneras, ya sea transferida o transformada de un tipo a otro.

ENERGÍA MECÁNICA

Es la energía almacenada y relacionada con la posición y el movimiento de los cuerpos. Asimismo, es producto de la suma de otras dos formar de energía: la cinética y la potencial.

¿Sabías qué?

En física, el trabajo es un principio de la mecánica que comprende una fuerza y un desplazamiento; el trabajo (W) lo usamos para describir cuantitativamente lo que se obtiene cuando una fuerza hace mover a un cuerpo a lo largo de una distancia.

Energía potencial

Es cualquier forma de energía con un potencial almacenado que puede ser usado en el futuro y que solamente se manifiesta al convertirse en energía cinética.

La energía potencial se puede presentar como:

Energía potencial gravitatoria

Es la que poseen los cuerpos debido a la fuerza de gravedad que ejerce la Tierra.

Energía potencial elástica

Es la energía acumulada en un cuerpo elástico, es decir, aquellos que tienen la capacidad de deformarse y luego recuperar su forma original.

Energía potencial química

Es aquella que se transforma en energía cinética a partir de un proceso de combustión interna.

Energía cinética

Significa “movimiento”, cuanto más rápido se mueve un objeto, mayor es su energía cinética. Ésta se puede convertir en energía mecánica mediante molinos de agua, molinos de viento o bombas conectadas a turbinas o a electricidad.

El valor de esta forma de energía depende de la masa (m) y de la velocidad (v) del cuerpo.

Cuando se lanza una pelota, gana energía cinética progresivamente.

Justo en el punto más elevado de la montaña rusa, toda la energía del vagón sería energía potencial, y al comenzar a descender, la energía potencial se transforma en energía cinética.

ENERGÍA QUÍMICA

La energía química es aquella que posee la materia debido a su estructura interna, este tipo de energía se puede aprovechar de las reacciones químicas, ya que se origina en las uniones entre átomos y moléculas. Esta energía puede ser liberada o absorbida durante la reacción, por lo tanto también puede liberar o absorber calor.

Las reacciones químicas pueden ser:

Exotérmicas si liberan calor

Endotérmicas si absorben calor

Respiración de los seres vivos.

Combustión de compuestos orgánicos.

Fotosíntesis.

Descomposición de proteínas.

¿Qué es la biomasa?

Es material orgánico que proviene de plantas y animales, y es una fuente de energía renovable. Cuando se quema el material se libera calor que puede ser aprovechado, es decir, se transforma la energía química contenida en energía térmica.

La combustión es una de las reacciones más comunes. En estas reacciones el oxígeno del aire reacciona con un combustible y libera energía en forma de calor. Esta transformación se puede representar de la siguiente forma:

Donde:

Pc = poder calorífico de un cuerpo al arder, es decir, la energía que puede obtenerse de un kilogramo de combustible.

m = masa del cuerpo que se quema (en kg).

V = volumen del cuerpo que se quema (en m³).

ENERGÍA TÉRMICA

La energía térmica es la manifestación de la energía en forma de calor, por lo tanto es una energía en “paso o de tránsito”, que se transfiere de un cuerpo a otro. Se debe al movimiento de las partículas que forman la materia. Cuando ese movimiento se acelera, aumenta la temperatura y por consiguiente hay más energía térmica.

Así, cuando un cuerpo esté a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. De este modo, el calor no es más que una forma de denominar a los aumentos y pérdidas de energía térmica.

El calor puede transferirse de distintas formas:

Conducción

Es la transferencia de energía térmica que se produce a través de un medio material sin que se manifieste transporte de materia.

Convección

Es la transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida, como aire o agua. En esta forma de propagación sí hay transporte de materia.

Radiación

Es la transmisión del calor por ondas electromagnéticas, a diferencia de la conducción y convección, no necesita de un medio material para propagarse.

Se debe saber que a causa del intercambio de calor, un cuerpo puede variar su temperatura o cambiar su estado (por ejemplo, de líquido a sólido). Si se quiere calcular la cantidad de energía intercambiada es posible utilizar la siguiente ecuación:

Donde:

Q = cantidad de energía en forma de calor intercambiada entre los sistemas.

m = masa del sistema.

c = propiedad que depende del material que constituye el cuerpo y se denomina calor específico.

ΔT = variación de temperatura.

ENERGÍA RADIANTE

Este tipo de energía es producida por las ondas electromagnéticas, como las ondas de radio. Se caracteriza principalmente por la capacidad que tiene de propagarse en todas las direcciones en el vacío sin soporte material.

La energía radiante está en constante movimiento y a velocidades altísimas, lo que forma ondas que poseen distintas longitudes y frecuencias. La mayoría de estas ondas puede propagarse por el vacío, por eso, los rayos del Sol o las ondas de los satélites pueden llegar hasta la superficie de la Tierra.

Ejemplos de energía radiante

Rayos X.

Rayos infrarrojos.

Rayos ultravioletas.

¿Qué son las ondas electromagnéticas?

Son aquellas que se pueden propagar en el vacío sin necesidad de un medio material. La luz, los rayos x, los rayos láser y otros, son ejemplos de ondas electromagnéticas.

ENERGÍA ELÉCTRICA

Este tipo de energía es causada por el movimiento de las cargas eléctricas o de los electrones que poseen los materiales conductores. Puede generarse a partir de otras energías y, a su vez, puede ser transformada y producir varios efectos: luminosos, térmicos y magnéticos.

Un relámpago es la emisión de luz seguida de la descarga eléctrica del rayo.

La energía eléctrica es aquella que se usa al encender la luz, calentar la comida con el horno de microondas o cargar el teléfono celular. Una forma de obtener energía eléctrica a partir del Sol es mediante la utilización de paneles solares.

La energía eléctrica puede representarse de la siguiente manera:

$Ee = Pt = VIt = I^{2}Rt$

Donde:

P = potencia expresada en vatio (W).

t = tiempo en segundos.

V = voltaje en voltios (V).

R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω).

I = intensidad d corriente en amperios (A).

¿Qué es la electricidad?

El término “electricidad” deriva del griego electron, que significa “ámbar”, y con este nombre se denominan todos los fenómenos físicos relacionados con la atracción de cargas negativas o positivas, y resultantes de la presencia y flujo de una corriente eléctrica.

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ENERGÍA MAGNÉTICA

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Es la capacidad de atraer o repeler que poseen algunos materiales sobre otros y que originan campos magnéticos permanentes que producen energía magnética. Existen diversos materiales con propiedades magnéticas, entre ellos se encuentran el níquel, el cobalto, el hierro y sus aleaciones. Sin embargo, la presencia de campos magnéticos influye, en mayor o menor medida, en todos los materiales.

¿Sabías qué?

En año 1819, el danés Hans Christian Orested fue el primero en relacionar los imanes con las corrientes eléctricas para definir lo que hoy se conoce como electromagnetismo.

Teorías del magnetismo

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Para poder comprender el fenómeno del magnetismo se han desarrollado distintas teorías.

Teoría de Weber

Un imán puede dividirse indefinidamente y aun así conservar sus propiedades magnéticas. Los materiales están compuestos de pequeñas moléculas imantadas.

Teoría de Ewing

Los materiales están compuestos por grupos de átomos con momentos magnéticos diferentes que son capaces de reordenarse cuando se les aproxima un material imantado y volverse magnéticos.

Teoría de Ampere

Cuando las corrientes elementales de un material ferromagnético son ordenadas, éste adquiere propiedades magnéticas.

¿Qué es un campo magnético?

Es la región en la cual el imán ejerce sus efectos. Esta zona muchas veces no puede ser observada a simple vista. Para representar el campo magnético se utilizan líneas denominadas líneas de fuerza.

Las brújulas y los imanes representan los ejemplos más comunes de magnetismo.

ENERGÍA NUCLEAR

Es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Se puede obtener a través de reacciones de fisión y fusión de un núcleo atómico. Dentro de los núcleos atómicos, las fuerzas entre los protones y neutrones son muy intensas, por lo que los procesos de transformación nuclear generan gran cantidad de energía.

Tipos reacciones nucleares

Reacción de fusión

Es un proceso en el que dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. En el proceso se desprende gran cantidad de energía.

Reacción de fisión

Es un proceso en el que un núcleo de gran tamaño se divide en núcleos más pequeños mientras libera neutrones y gran cantidad de energía.

En estas reacciones nucleares la energía se expresa en relación a la masa:

Donde:

E = energía, se mide en julios (J).

m = masa que desaparece (en kg).

c = velocidad de la luz (3 x 10⁸ m/s).

Bomba atómica

La bomba atómica adquiere su nombre debido a su funcionamiento, ya que no depende de la combustión de algún material o de la reacción de algunos materiales o elementos químicos, sino que se basan en reacciones nucleares.

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RECURSOS PARA DOCENTES

Video “energía de un oscilador mecánico”

Recurso audiovisual que le permitirá resolver problemas sobre energía de un oscilador mecánico.

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Video “Física nuclear: desintegración radiactiva”

Este video explica en detalle en qué consiste el proceso de desintegración de núcleos radiactivos.

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Video “Energía y las reacciones químicas”

Este recurso describe cómo se manifiesta la energía en las reacciones químicas.

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Corriente continua y corriente alterna

La corriente eléctrica es el desplazamiento ordenado de cargas eléctricas a través de un conductor. Según el sentido, ésta puede ser continua o alterna. Ambas son muy usadas e indispensables para el funcionamiento de artefactos electrónicos y del alumbrado público.

	Corriente continua	Corriente alterna
Abreviación	DC (direct current).	AC (alternating current).
Dirección del flujo de electrones	Una sola dirección constante en el tiempo.	Varía, cambia continuamente y no es constante en el tiempo.
Voltaje	Constante.	Cambios periódicos.
Polaridad	Tiene polaridad (positivo o negativo).	No tiene polaridad.
Frecuencia	Siempre será igual a 0.	Cerca de 50 a 60 Hz.
Fuente	Baterías, electroquímicos y celdas fotovoltaicas.	Alternadores.
Pérdida	La transmisión de DC genera pérdidas mayores a la de AC. Para largas distancias habrá pérdida de corriente.	La pérdida en la transmisión de AC es menor que la de DC. Este tipo de corriente es apta para recorrer largas distancias.
Ventajas	Puede almacenarse en baterías. Puede reducirse su voltaje a niveles muy bajos para ser usado en dispositivos electrónicos.	Fácil transformación. Facilidad de transporte a larga distancia. Fácil y económico manejo cambio en los niveles de voltaje.
Aplicación	En los dispositivos electrónicos y digitales.	En los alumbrados públicos y viviendas.
Conversión	De DC a AC se usan rectificadores y diodos semiconductores.	De AC a DC se usan diodos, capacitores y reguladores.
Forma representativa

Energía eólica, nuclear y solar

Las energías renovables se obtienen de fuentes naturales que virtualmente no deberían agotarse, como la radiación solar y el viento; mientras que las energías no renovables se obtienen de fuentes naturales en cantidades limitadas, como los combustibles fósiles. Tres tipos de energía se comparan a continuación.

	Energía eólica	Energía nuclear	Energía solar
Obtención	Se obtiene gracias a la capacidad de los aerogeneradores de transformar la energía cinética del viento en electricidad.	Se obtiene a través de reacciones de fisión y fusión de un núcleo atómico. Es la energía que contiene el núcleo de un átomo.	Se obtiene de la radiación electromagnética proveniente del Sol. Se aprovecha por los paneles solares.
Tipo	Renovable.	No renovable.	Renovable.
Fuente	El viento.	El átomo.	El Sol.
Mayor productor (2019)	China.	Estados Unidos.	China.
Ventajas	Fuente de energía limpia con bajo impacto ambiental. Fuente válida de energía renovable. Los costos y el mantenimiento de turbinas eólicas son bajos.	Las centrales nucleares emiten sólo agua caliente. Con la energía nuclear muchos países pueden alcanzar la independencia energética. Puede mantenerse la producción por muchos años.	El Sol ofrece una fuente ilimitada de energía. Es un recurso limpio que no causa graves daños en el medio ambiente. Puede proporcionar electricidad a comunidades aisladas.
Desventajas	Afecta a la avifauna local. Debido a las condiciones climáticas, el viento no está garantizado. La construcción de una planta eólica modifica el paisaje.	Las partículas sobrantes de la separación de los átomos pueden causar daños biológicos. Pueden producir accidentes graves. Las plantas nucleares son más grandes y complejas que otras plantas de energía.	Varía de acuerdo a las estaciones. Se necesita una gran inversión inicial. Sus costos asociados son más altos comparados con otras tecnologías.
Aplicaciones	Principalmente para producir energía eléctrica.	Principalmente para producir energía eléctrica.	Principalmente para producir energía eléctrica, también para cocinar y como sistema de calefacción.
Ejemplos	Aerogeneradores, molinos de viento, molinos de bombeo y veleros. Molino de viento en Güeldres, Países Bajos	Centrales nucleares, colisionador de hadrones, pila atómica y automóviles nucleares. Central nuclear de Tihange, Bélgica.	Proyecto solar, energía solar térmica, energía fotovoltaica e invernaderos. Plantas de energía solar en Texas, Estados Unidos

La electricidad

El término “electricidad” deriva del griego electrón, que significa “ámbar”, y con este nombre se ha designado a todos los fenómenos físicos relacionados con la atracción de cargas negativas o positivas y resultantes de la presencia de una corriente eléctrica. Esto se debe a que Tales de Mileto, antiguo científico y pensador griego, comprobó que si se frotaba una varilla de ámbar con lana o piel, ésta atraía objetos ligeros que volaban y se adherían a él. Ahora bien, para explicar adecuadamente la mayoría de los fenómenos asociados, debemos incluir lo que se entiende como “magnetismo”. De esta manera, podremos entender el significado de los campos magnéticos, el origen de los rayos que tanto destacan en las tormentas y toda una amplia gama de aplicaciones industriales que conocemos en la actualidad.

La electricidad o energía eléctrica se produce porque la materia que nos rodea está formada por átomos que constan, a su vez, de protones, neutrones y electrones. Los protones y electrones tienen, entonces, una propiedad que se conoce con el nombre de carga eléctrica; ésta puede ser de dos tipos:

• Los protones tienen carga eléctrica positiva.
• Los electrones tienen carga eléctrica negativa.

Normalmente, los átomos de los cuerpos tienen tantos protones como electrones, por lo que tendrán tantas cargas eléctricas positivas como negativas. Ahora bien, estas cargas se contrarrestan unas a otras para que el objeto resulte neutro. No obstante, los átomos pueden ganar o perder electrones y convertirse en iones. De esta forma, los cuerpos neutros pueden adquirir una carga eléctrica.

• Cuando los átomos ganan electrones, el cuerpo adquiere carga eléctrica negativa.
• Cuando los átomos pierden electrones, el cuerpo adquiere carga eléctrica positiva.

Un cuerpo electrizado está cargado positiva o negativamente porque ha perdido o ganado electrones. Por consiguiente, la carga eléctrica es una magnitud física, medible y cuantificable.

La electricidad se puede trasmitir de un punto a otro, conduciéndola a través de distintos objetos o materiales. En otras palabras, las cargas eléctricas pueden desplazarse de un cuerpo a otro dando lugar a lo que se denomina “corriente eléctrica”, que consiste en el desplazamiento ordenado de electrones. Para que se produzca una corriente eléctrica se necesitan:

• Electrones que puedan moverse; por ejemplo, los iones, tanto positivos como negativos, originan corrientes eléctricas.
• Sustancias conductoras por donde puedan desplazarse las cargas móviles, sean sólidas, líquidas o gaseosas.
• Finalmente, generadores y/o dispositivos que, manteniendo el desequilibrio de cargas y aportando la energía necesaria, consiguen el movimiento de dichas cargas. Son generadores las máquinas que existen en las centrales eléctricas, los dínamos que dan luz a una bicicleta o las pilas que permiten el funcionamiento de una linterna.

Si falta alguno de estos elementos, la corriente eléctrica no podrá mantenerse en un circuito. Así, cuando una pila se agota, ya no es capaz de transportar electrones desde sus bornes –éstos son las partes metálicas de una máquina o dispositivo eléctrico donde se produce la conexión con el circuito eléctrico exterior al mismo–; la corriente se interrumpe en el circuito.

En los materiales llamados conductores existen partículas con carga eléctrica negativa que pueden desplazarse. Así pues, los metales son buenos conductores de corriente eléctrica porque disponen de electrones que pueden moverse con libertad a lo largo del metal. Los mejores conductores son la plata, el cobre, el oro, el aluminio, el hierro y el plomo. En otros materiales, llamados aislantes, las cargas no pueden moverse con libertad, por lo que no se produce una corriente eléctrica. La madera, la goma, el plástico y el vidrio son buenos aislantes porque en ellos no hay electrones que tengan libertad para moverse a lo largo del material.

LA ELECTRICIDAD EN EL HOGAR

El uso de la electricidad en la vida moderna es imprescindible. Difícilmente una sociedad puede concebirse sin el uso de la electricidad. De este modo, y a través de la tecnología, la industria eléctrica ha puesto a disposición de las personas el uso de artefactos eléctricos que facilitan las labores del hogar, haciendo la vida más placentera.

Las máquinas o artefactos eléctricos que nos proporcionan comodidad en el hogar, ahorro de tiempo y disminución en la cantidad de quehaceres, se denominan electrodomésticos. Entre los más utilizados pueden citarse la cocina eléctrica, el refrigerador, la tostadora, el microondas, la licuadora y el lavarropas. Existe también otro tipo de artefactos que nos proporcionan entretenimiento y diversión, y que son también herramientas de trabajo y fuentes de información: el televisor, el equipo de sonido, los videojuegos, las computadoras, etc.

LA ELECTRICIDAD EN LA INDUSTRIA

Con todo, la necesidad de aumentar la producción de bienes a un mínimo costo obligó a reemplazar la mano de obra por maquinarias eficientes. Esto pudo llevarse a cabo en forma masiva a raíz del desarrollo de los motores eléctricos. Por ejemplo, en una empresa de bebidas gaseosas podemos observar como las correas transportadoras llevan las botellas a las máquinas tapadoras para ser llenadas y luego son transportadas para ser empacadas; estas máquinas necesitan energía eléctrica para su operación.

LA ELECTRICIDAD EN LA COMUNIDAD

Por otra parte, la electricidad en la comunidad se manifiesta a través del alumbrado público en plazas, parques, autopistas, túneles y carreteras, con el fin de proporcionar seguridad y visibilidad a los peatones y mejor desenvolvimiento del tráfico automotor en horas nocturnas; los semáforos en la vía pública permiten regular y controlar el flujo de vehículos. También en los medios de comunicación apreciamos la importancia de la electricidad, ya que el funcionamiento de la radio, televisión, cine, la emisión de la prensa, entre otros, depende en gran parte de este tipo de energía.

Por lo demás, desde que la electricidad fue descubierta, siempre estuvo al servicio de la medicina a través de los distintos instrumentos y máquinas usadas en esta área (equipos para radiaciones de cobalto, equipos de rayos X, equipos para tomografías, equipos para electrocardiogramas), y ha contribuido a numerosos avances en la ciencia e investigación.

Además, diversas herramientas y maquinarias que funcionan con electricidad son empleadas en nuestra comunidad para reparar o acondicionar nuestras urbanizaciones.

FUENTES DE ENERGÍA EN LA NATURALEZA

En la naturaleza encontramos la electricidad atmosférica, que se manifiesta a través del rayo. Este fenómeno natural contiene gran carga eléctrica y al acercarse a la tierra se transforma en energía calórica y luminosa. Ya conocemos que las nubes están formadas por un número inmenso de pequeñas gotas de agua, que forman grandes masas suspendidas en el aire. El roce de una nube con otra, o con los picos de las grandes montañas, puede hacer que éstas adquieran una carga eléctrica extraordinaria.

La nube cargada de electricidad puede ejercer sobre otras nubes, o sobre las porciones más elevadas del suelo, fenómenos de influencia, haciendo que la atracción entre cargas opuestas produzca una descarga violenta. De este modo se produce el rayo, con la consiguiente manifestación de luminosidad, que es el relámpago, y el ruido producido por la rotura de las capas de aire, que constituye el trueno.

En la naturaleza existen diversas fuentes de energía y, para convertirlas en electricidad, es necesario crear el sistema apropiado para cada fuente. Estas fuentes de energía son de dos tipos: No Renovables, como el petróleo, el gas, el carbón, el uranio, y el plutonio, y Renovables, como el agua, la luz solar, el calor y viento, etc.

A modo de conclusión, podemos decir que, a pesar de no contar aún con la tecnología suficiente para aprovechar todo el caudal energético de la electricidad, vamos camino a ello.