Concepte i aplicacions de l’electricitat
Hom considera que els fenòmens elèctrics són deguts a l’existència de les càrregues elèctriques, les partícules constitutives de la matèria. L’explicació dels fenòmens elèctrics d’un cos radica, en definitiva, en l’estat dels seus àtoms. Un àtom és en estat neutre, és a dir, no presenta activitat elèctrica, quan el nombre d’electrons (càrrega negativa) coincideix amb el nombre de protons (càrrega positiva). Experimentalment hom ha comprovat que hi ha dos tipus d’estat elèctric: l’estat positiu, degut a un defecte d’electrons en els àtoms constitutius del cos, i l’estat negatiu, degut a un excés d’electrons. En correspondència amb això les forces elèctriques poden ésser d’atracció i de repulsió; són forces que actuen a distància i que, com les gravitatòries, depenen inversament del quadrat de la distància (llei de Coulomb). Poden ésser molt més potents que les gravitatòries i, a diferència d’aquestes, poden ésser creades o suprimides a voluntat. L’espai que envolta una càrrega elèctrica constitueix un camp de forces, anomenat camp elèctric, que descriu les accions exercides per la càrrega. Els electrons es poden desplaçar lliurement a través d’un cos conductor (per exemple, un fil metàl·lic) i constitueixen, en condicions adequades, un corrent elèctric.
El corrent elèctric dóna lloc a una sèrie d’efectes de gran interès teòric i de gran aplicació tècnica: calorífics (efecte Joule), químics (electròlisi) i magnètics (inducció electromagnètica). Atenent a la forma de propagació, el corrent elèctric pot ésser continu i altern. La conductibilitat elèctrica també és possible, en condicions adequades, en els líquids i en els gasos. L’electricitat pot ésser produïda de molt diverses formes: per fricció entre certs cossos, per compressió de cristalls, generalment de quars (piezoelectricitat), per contacte entre metalls, amb soldadures a distinta temperatura (efecte termoelèctric), per mitjà de certes reaccions químiques (pila) i per inducció electromagnètica (dinamo, alternador), que és el mitjà emprat normalment en la producció industrial. Entre l’electricitat i el magnetisme hi ha una íntima relació recíproca. Un corrent elèctric crea al seu entorn un camp magnètic, i un camp magnètic variable pot engendrar un corrent elèctric (corrent induït).
L’acció conjunta dels camps èlectric i magnètic variables constitueix el camp electromagnètic. L’electricitat es divideix en diverses parts, les més importants de les quals són l'electroestàtica, que estudia el comportament de les càrregues elèctriques en repòs; l'electrocinètica, que estudia el corrent elèctric; l'electrodinàmica, que estudia les accions dinàmiques entre els corrents elèctrics, i l'electromagnetisme, que tracta de les relacions mútues de l’electricitat i el magnetisme i en general del camp electromagnètic.
Els fenòmens d’electrització per fregament, que constitueixen els experiments fonamentals de l’electroestàtica, foren ja coneguts a l’antiguitat clàssica. No obstant aquestes descobertes, el coneixement de les forces elèctriques es mantingué en un nivell purament anecdòtic, sense cap transcendència científica ni tècnica. L’edat mitjana no hi afegí cap resultat important, i no fou fins al Renaixement que foren represes les experiències en aquest camp. El 1600 William Gilbert exposà en forma científica moderna les seves investigacions sobre les forces magnètiques i emprà el mot electricitat per primera vegada. Durant molt de temps el camp de l’experimentació (sovint amb un caràcter de física recreativa) restà reduït a l’electroestàtica, i l’objectiu bàsic fou la recerca de màquines de fregament que permetessin de produir i d’emmagatzemar quantitats més i més considerables d’electricitat. La primera màquina electroestàtica de què hom té notícia fou construïda per Otto von Guericke l’any 1647.
El 1745, a Leiden, on s’havia desenvolupat eficaçment una indústria mecànica de precisió, hom inventà el primer condensador (ampolla de Leiden). Aquest descobriment oferí la possibilitat de disposar de grans quantitats d’electricitat “condensada”, cosa que facilità granment les experiències elèctriques. Els primers intents d’explicar les forces electroestàtiques mitjançant un model teòric suposaven l’existència de dos fluids (en correspondència amb les forces d’atracció i de repulsió). Finalment prevalgué la hipòtesi de Benjamin Franklin, segons la qual hi ha un fluid únic distribuït per totes les substàncies, fluid que, segons que es presenti en proporció major (positiva) o menor (negativa) que la normal, fa que es donin fenòmens elèctrics amb característiques oposades. D’aquí vénen els noms d’electricitat positiva i negativa, els quals foren mantinguts després, fins i tot quan la hipòtesi del fluid únic fou abandonada. Al final del segle XVIII hom inicià l’aplicació de les lleis quantitatives a l’electroestàtica (i al magnetisme).
El 1785 Charles Augustin de Coulomb, mitjançant una balança de torsió, aconseguí d’obtenir la llei que regeix les forces electroestàtiques. Coulomb es dedicà també a l’estudi de la distribució de les càrregues elèctriques en la superfície dels conductors, i comprovà que tendeixen a acumular-se a les puntes, on prenen densitats tan elevades, que aleshores s’escapen del conductor. Un dels descobriments més notables de tot el segle XVIII és la pila o bateria elèctrica, amb la qual cosa s’introduí el concepte dinàmic de corrent continu. El descobriment fou aconseguit per Alessandro Volta l’any 1800, unint dos metalls diferents (elèctrodes) i submergint-los en una solució conductora (electròlit); aleshores es produeix una reacció química entre els elèctrodes i l’electròlit que origina un corrent elèctric continu durant llargs períodes. A més, la pila voltaica donà lloc al naixement d’una altra branca de l’electricitat: l'electroquímica. Al cap de poc hom aconseguí de descompondre l’aigua (electròlisi), i Hum-phry Davy pogué determinar la relació quantitativa entre els seus components. Les investigacions més importants sobre la conducció del corrent elèctric en els metalls foren fetes principalment per Georg Simon Ohm, que considerava la conductibilitat elèctrica d’una forma anàloga a la de la calor. Introduí les magnituds de força electromotriu i de resistència elèctrica, i culminà les seves investigacions l’any 1826 amb la formulació de la llei que porta el seu nom, llei que ha esdevingut d’una gran importància en el càlcul i en la construcció de circuits elèctrics.
En aquests anys el desenvolupament de l’electricitat agafà una nova orientació. Hans Christian Orsted comprovà la desviació d’una agulla magnètica situada prop d’un fil pel qual passa un corrent, i Francesc Aragó i André-Marie Ampère establiren l’equivalència, quant a efectes externs, d’un corrent i un imant, amb el qual fet iniciaven les bases de l’electromagnetisme, que esdevingué una de les parts fonamentals de tota la física. A més, aquests descobriments feren possible de detectar un corrent i de mesurar-ne les característiques mitjançant els seus efectes magnètics (galvanòmetre). La culminació d’aquest procés experimental fou el descobriment, l’any 1831, de la inducció electromagnètica per Michael Faraday. La transcendència d’aquest descobriment fou molt gran: en el pla tècnic permeté de generar energia elèctrica per mitjans nous, i en l’aspecte teòric demostrà l’íntima relació recíproca existent entre l’electricitat i el magnetisme, unificant-los mitjançant la introducció del concepte de camp.
La síntesi teòrica d’aquesta gran labor experimental fou obra de James Clerk Maxwell, el qual, amb les anomenades equacions de Maxwell, resumí l’any 1868 tot el comportament del camp electromagnètic d’una forma definitiva, vàlida encara avui. A més, la teoria de Maxwell preanuncià un fenomen totalment nou: el de la radiació electromagnètica. La velocitat d’aquesta radiació, calculada teòricament per ell, resultà molt pròxima a la de la llum; com que les ones electromagnètiques, talment com la llum, es poden propagar en el buit, Maxwell pogué enunciar que, en termes físics, la llum és una forma de radiació electromagnètica. Al cap d’uns quants anys, Heinrich Rudolph Hertz demostrà experimentalment, emprant aparells elèctrics, la generació i la detecció directa de les ones electromagnètiques predites per Maxwell (ones hertzianes). A la segona meitat del segle XIX hom inicià la investigació de la descàrrega elèctrica en el si de gasos enrarits, amb la qual cosa es començà a desenvolupar una nova ciència: l'electrònica. Això conduí Wilhelm C. Röntgen al descobriment, l’any 1895, dels raigs X, al descobriment de la làmpada ultraviolada per Peter Cooper Hewitt l’any 1900, i finalment al descobriment de la vàlvula termoiònica per John A. Fleming l’any 1904 i, al cap de poc, de l'oscil·lògraf de raigs catòdics i del tub de televisió. Uns altres fenòmens elèctrics descoberts aleshores són els efectes termoelèctric i Peltier, que tracten dels canvis de temperatura en les unions de metalls diferents en un circuit elèctric, i l'efecte fotoelèctric.
L’any 1897 J.J. Thomson identificà els raigs catòdics amb les càrregues elèctriques elementals (electrons). Aquest descobriment posà fi a la vella concepció de l’electricitat com un fluid únic, i hom pogué afirmar que l’electricitat és de natura corpuscular, o sia essencialment discontínua, i que qualsevol càrrega elèctrica és múltiple de la càrrega elèctrica elemental de l’electró.
Principals avenços en electricitat i magnetisme
| 1600 | GIlbert publica els seus estudis sobre imants, magnetisme terrestre i producció d’electricitat per fregament |
| 1731 | Gray estableix la diferència entre cossos conductors d’electricitat i aïllants |
| 1746 | Van Musschenbroek inventa l’ampolla Leiden |
| 1750 | Franklin proposa una teoria per a l’electricitat, de dues formes de càrregues i un sol fluid |
| 1785 | Coulomb descobreix la llei d’interacció de les càrregues elèctriques |
| 1820 | Volta inventa la pila. Nicholson descobreix l’electròlisi de l’aigua |
| 1820 | Örsted estableix que un corrent elèctric produeix un camp magnètic. Aragó estduia els imants de ferro dolç. Biot i Savart donen la llei que quantifica els camps magnètics produïts per un corrent. A`mpère estudia les forces que s’exerceixen entre dos corrents. |
| 1826 | Ohm estableix la llei que relaciona la diferència de potencial, la resistència elèctrica i la intensitat |
| 1831 | Gauss i Weber estudien el magnetisme terrestre. Faraday descobreix la inducció electromagnètica |
| 1834 | Lenz estableix les lleis empíriques d’inducció electromagnètica. Faraday estableix les lleis de l’electròlisi |
| 1835 | Henry i Faraday descobreixen independentment la autoinducció |
| 1838 | Faraday introdueix la noció de capacitat. Demostra que les càrregues elèctriques se situen a la superfície dels conductors |
| 1841 | Gauss mesura quantitats elèctriques i magnètiques en unitats absolutes |
| 1846 | Faraday descobreix el diamagnetisme i l’efecte d’un camp magnètic sobre el pla de polarització de la llum (efecte Faraday) |
| 1865 | Maxwell exposa les lleis fonamentals de l’electrodinàmica |
| 1880 | Pierre Curie descobreix la piezoelectricitat |
| 1888 | Hallwachs descobreix l’efecte fotoelèctric |
| 1897 | F. Braun inventa l’oscil·lògraf catòdic |
| 1900 | Marconi desenvolupa la comunicació per ones radioelèctriques |
| 1924 | Appleton descobreix la ionosfera |
| 1932 | Marconi construeix el primer radar |
La producció d’energia elèctrica
La utilització creixent de l’energia elèctrica en la indústria ha provocat un gran increment de la producció fins al punt de representar actualment més de la novena part de l’energia consumida al món. La producció anual mundial d’electricitat supera els 8,4 bilions de kWh (1983). L’evolució ha estat ràpida i sempre positiva (1,5 bilions de kWh el 1955). La potència instal·lada ha evolucionat paral·lelament de 1.125 milions de kW el 1970 a 29 684 milions el 1982. La potència nuclear és la que s’incrementa més ràpidament: el 1967 superava de poc els 10 milions de kW, poc més de la centèsima part de la global, i el 1983 era de 207 milions i s’apropava a la dècima part. L’electricitat, com l’energia en general, és produïda essencialment a l’hemisferi nord. Així, el 1981, el 34,4% procedí de l’Amèrica del Nord i Central, el 26,6% d’Europa, el 16,15% d’Àsia i el 15,9% de l’URSS, mentre que les tres parts del món australs en produeixen el 7% restant.
Els primers estats productors són els EUA, l’URSS, el Japó, el Canadà i la RF d’Alemanya. En el consum anual per capita es destaquen Noruega (21.125 kWh [1982]), Canadà, Islàndia, Suècia i Luxemburg. Les dues terceres parts llargues de la producció mundial són d’origen tèrmic, la qual cosa s’explica pel fet que, dins un estat determinat, el potencial hidroelèctric pot ésser considerat teòricament rígid, sotmès a condicions no existents a tot arreu; el potencial termoelèctric, en contrast, gaudeix d’una elasticitat molt més àmplia. La instal·lació de centrals tèrmiques comporta, com a avantatges, una velocitat d’execució superior, una inversió inferior per kW de potència instal·lada, més seguretat de servei en condicions hidrològiques desfavorables i un aprofitament més econòmic de certs combustibles (lignit); com a inconvenients cal assenyalar un cost de producció del kWh superior al d’origen hidroelèctric pel cost elevat del combustible i de la mà d’obra, un coeficient d’indisponibilitat més elevat per major freqüència d’avaries a les centrals tèrmiques a igualtat de grups de reserva, i, en darrer terme, el fet que no ofereixen les possibilitats de regatge que hom troba en el cas de les centrals hidroelèctriques.
El cost del kWh produït en centrals nuclears depèn molt de l’estat on és instal·lada la central. Als EUA hom creia que no podia ésser inferior al doble del produït amb combustible fòssil, mentre que a la Gran Bretanya semblava pròxim a poder-hi competir. Sigui com vulgui, les centrals nuclears es beneficien de poder-se instal·lar prop dels centres de consum, puix que el cost del transport del combustible és pràcticament nul en relació amb el seu elevat valor; d’altra banda, els costs han baixat considerablement amb la introducció d’innovacions que fan més ecònomic el procés. La hidroelectricitat depèn bàsicament del cabal dels rius i del pendent del terreny, però de fet els rius més grans (Amazones, Congo, Iang-Tsé), són poc aprofitats hidroelèctricament i, en canvi, ho són molt els petits rius de muntanya, que sovint es glacen a l’hivern. Això explica que a Europa hi hagi el desenvolupament màxim d’aquesta energia elèctrica, amb dos nuclis destacats: el finoescandinau (Noruega, Suècia, Finlàndia) i l’alpí (França, Itàlia, Suïssa, Àustria). Els dos gegants hidroelèctrics, però, aprofiten les serralades de l’Amèrica del Nord (EUA i Canadà). També és notable la participació asiàtica (el Japó, la Xina, l’Índia), la soviètica, i la brasilera, únic cas d’una potència hidroelèctrica sense muntanyes alpines ni geleres boreals.
La termoelectricitat és pròpia dels grans consumidors de combustibles fòssils (carbó, petroli, gas natural), propis o importats. És l’electricitat típica de l’Amèrica del Nord i Central (EUA i Canadà), però també ho és d’Europa (les dues Alemanyes, la Gran Bretanya, Itàlia, Polònia, França), de l’Extrem Orient (el Japó, la Xina), de l’URSS i de Sud-àfrica. L’electricitat termonuclear és recent. El 1960 només la Gran Bretanya (76,2%), els EUA i França l’explotaven comercialment, però, el 1983 ja era de 1.019.000 kWh. L’explotació de l’energia nuclear requereix una tecnologia avançada, unes inversions considerables, una insuficiència de recursos fòssils o hidràulics i una societat disciplinada. Això explica que, ara com ara, sigui gairebé exclusiva de l’hemisferi nord. El primer lloc correspon a Europa, on França, la RF d’Alemanya, la Gran Bretanya, Suècia i Bèlgica obtingueren el 31% de la producció mundial el 1983. L’Amèrica del Nord (EUA, primer lloc mundial amb el 30,8% i el Canadà) supera els grans productors europeus.
El Japó i l’URSS ocupen el tercer i el quart lloc, i sumen un cinquè de la producció. En aquest terreny representa un paper important la Comunitat Econòmica Europea, que el 1983 obtingué el 29,9% de l’electricitat mundial d’origen nuclear, enfront del 16,9% de l’electricitat global (Alemanya, França, la Gran Bretanya, Itàlia, Espanya, etc). Dins la CEE, el 21,3% de l’energia elèctrica és d’origen nuclear, el 12,55% d’origen hidràulic, el 65,95% d’origen tèrmic i només el 0,2% de les energies renovables dites alternatives (geotèrmica, solar, eòlica, etc). Només la geotèrmica ha assolit un mínim desenvolupament comercial (0,116% de la potència instal·lada al món el 1981), i només en països on és constant un vulcanisme latent. La meitat de l’electricitat geotèrmica procedeix de l’Amèrica del Nord i Central (EUA i, en grau menor, Mèxic i El Salvador), i la resta de l’Extrem Orient (les Filipines, el Japó, Nova Zelanda) i d’Europa (Itàlia, Islàndia).
El comerç d’energia elèctrica és interessant però molt circumscrit, car requereix la interconnexió de les xarxes distribuïdores, i això només és factible entre estats veïns o separats per una mar soma que permeti l’estesa de cables submarins damunt la plataforma continental. Aquest comerç representà el 1982 el 2,04% de la producció mundial i es redueix pràcticament a dues àrees: l’Amèrica del Nord, on el Canadà n'adreça als EUA una cinquena part de les exportacions mundials, i Europa-URSS, on l’URSS, Àustria i Noruega n'exporten a Hongria, Itàlia, i Suècia, respectivament. Però a Europa la situació és complexa i té més aviat aspecte d’intercanvi en estacions de l’any i fins en hores diverses entre els estats esmentats i Suïssa, França i Polònia (amb saldo positiu) i la RF d’Alemanya i Txecoslovàquia (amb saldo negatiu). Tot amb tot, sembla que només és rendible l’exportació d’energia hidroelèctrica.
La producció d’energia elèctrica als Països Catalans
Barcelona inicià la indústria elèctrica als Països Catalans i a l’Estats espanyol amb la tèrmica Dalmau i Xifra, el 1875, instal·lada al Paral·lel. El 1903 començà l’aprofitament hidroelèctric de la capçalera del Ter, que continuà, riu avall, fins el 1911, alhora que eren iniciats els del Llobregat i el Besòs. A la mateixa època aparegueren, a la Catalunya septentrional, centrals de capçalera a la Tet i al Tec, de dues companyies regionals. Al País Valencià, la Hidroeléctrica Española, amb capital basc i madrileny, inicià al Xúquer la seva xarxa. Però després d’aquests inicis brillants calgué la intervenció de capitals estrangers a gran escala, canalitzats pel canadenc Pearson, per tal d’electrificar la indústria i generalitzar l’enllumenament públic i domèstic, durant el període 1912-35.
Al Principat (amb la Franja de Ponent i Andorra) hom electrificà la Noguera Pallaresa i inicià el procés a la Garona i a l’Éssera, juntament amb la Valira. El 1912 començà l’agençament hidràulic de les aigües del Carlit vers la Tet i l’Aude. Al País Valencià, foren aprofitats el Millars, el Túria i el Xúquer, mentre les tèrmiques properes als ports (Barcelona, València, Alacant —tancada—, Palma i Maó) començaren a pesar en el conjunt. L’etapa 1935-41 només fou activa a la Catalunya del Nord, on hom completà l’equipament vers el 1939. La Guerra Civil de 1936-39 comportà la destrucció d’instal·lacions hidroelèctriques i el desmantellament de les tèrmiques al Principat i al País Valencià. La producció fou per primera vegada insuficient, i calgué recórrer a les restriccions, generalitzades en 1944-55. El 1948, les grans obres de la Noguera Ribagorçana, d’iniciativa estatal (ENHER), representaren una nova etapa. D’altres companyies industrialitzaren la Garona, la capçalera de la Noguera Pallaresa i part de l’Ebre. El 1962 es féu, però, palesa la insuficiència del potencial hidroelèctric (el 1956 havia calgut establir interconnexions amb França). Mentrestant, al País Valencià hom havia completat l’equipament hidroelèctric iniciat als vessants de la serralada Ibèrica. A les Balears s’estabilitzà la producció a les tèrmiques de Maó, Alcúdia, Palma i Eivissa. Les Balears començaren a trencar la incomunicació mitjançant els nous cables submarins entre Mallorca i Menorca o entre Eivissa i Formentera (illa que conegué l’electricitat a la segona meitat del segle XX gràcies a una petita central tèrmica).
Durant el darrer decenni 1961-70 hom intentà d’introduir l’energia nuclear a la producció elèctrica, però no hi havia cap planta industrial per a la preparació o l’enriquiment del combustible. El 1972 fou inaugurada la central nuclear de Vandellòs I, amb capital del país i d’Electricité de France, i projectada la d’Ascó (només l’Ebre o la mar poden fornir l’aigua necessària per a refrigeració) i una tercera prop de la refineria petroquímica de Tarragona o a ponent del massís del Garraf. El País Valencià havia d’ésser alimentat per una central nuclear de l’alt Tajo. La dècada 1971-82 és marcada per dos períodes contrastats: fins el 1974 una expansió considerable i del 1975 ençà una expansió molt lenta, amb retrocés els dos darrers anys. La ruptura de ritme en 1974-75 fou tan brusca que no s’explica només per la crisi econòmica general, amb l’increment consegüent de preus per al consum. Devien influir-hi, a més, el coronament d’una etapa important en la construcció de centrals hidroelèctriques i la volada que prengué el moviment ecologista a Catalunya, oposat a la construcció de les centrals nuclears projectades a Ascó i a l’Ametlla de Mar, a la tèrmica de Cubelles i a l’extracció d’urani per a alimentar l’equipament nuclear. Durant aquests onze anys la potència instal·lada, que ja s’apropava als 4 milions de kW el 1971, es duplicà, passant a 8,134 milions el 1982.
El potencial hidroelèctric instal·lat, encara majoritari el 1971 (69,2%) ha esdevingut minoritari (36,5%). Més de la meitat d’aquest potencial radica a la Catalunya administrativa, i una meitat més del d’aquesta a la Franja de Ponent (l’Ebre, l’Éssera i el marge dret de la Noguera Ribagorçana) que duplica amb escreix la potència instal·lada al País Valencià. En un altre nivell la Catalunya del Nord i Andorra no han rebut instal·lacions noves, tret de la central heliotèrmica de Targasona, amb una potència estimada en dos milions de kW. En canvi, les centrals tèrmiques (convencionals i nuclears) han incrementat considerablement la potència. La potència instal·lada a la Catalunya administrativa s’ha multiplicat per 3,8 (millora de la xarxa de producció i distribució, noves tèrmiques de Fígols i de Cubelles, nuclears de Vandellòs (I i II) i Ascó (I i II). La del País Valencià disposava de la petita tèrmica de València, que fou clausurada, la gran tèrmica de Castelló de la Plana, i la central nuclear a Cofrents que, amb la nova hidroelèctrica de Millars completà l’eix energètic del Xúquer com a contrapès de la tèrmica castellonenca. A les Balears la potència, exclusivament tèrmica, s’ha multiplicat per 2,7, i han estat tancades les centrals de Maó i de Formentera, abastades ara per cable submarí, ha estat engrandida la d’Eivissa i traslladada la central principal de Palma a Alcúdia. El port d’Alcúdia ha esdevingut, amb l’altra tèrmica existent, el pol energètic balear. La producció global d’energia elèctrica era de 27 992 milions de kWh el 1982 i la hidroelèctrica de 9.267 milions. El 1980 l’electricitat d’origen tèrmic es distribuí en un 58,6% de convencional i un 21,3% de nuclear, ja no gaire inferior al 30,1% de la hidràulica. En el conjunt dels Països Catalans, el consum d’energia elèctrica fou, el 1982, de 2.612 kWh.