CUESTIONARIO

MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO

Escribe 4 de las aplicaciones más importantes del magnetismo.

Explica en qué consiste un dominio magnético.

En cuanto a la composición interna de un material ferromagnético, explica la diferencia entre un material magnetizado y uno desmagnetizado.

Explica cuándo un imán tiene un campo magnético débil.

Explica las 2 formas en que se puede magnetizar un material ferromagnético.

Explica la diferencia entre un imán permanente y un imán temporal.

Explica las 3 formas en que se le puede quitar el magnetismo a un imán.

Explica en qué consisten los polos de un imán.

Cuáles son los materiales de que están hechos los imanes temporales y los imanes permanentes.

Cuál es la forma más segura para eliminar el magnetismo de cualquier pieza imantada.

Explica cuál es la trayectoria que siguen las líneas de fuerza magnéticas de un imán.

Explica la forma en que se puede proteger a ciertos aparatos u objetos del efecto de las líneas magnéticas.

Escribe 5 propiedades de las líneas de fuerza magnética de un imán.

Explica en qué consiste un electroimán o solenoide.

Escribe los 5 factores que determinan la magnitud del campo magnético de un electroimán.

Explica en qué consiste la regla de la mano izquierda aplicada a un electroimán.

Explica qué le sucede a un conductor cuando se mueve dentro de un campo magnético.

Explica la forma en que un generador produce un voltaje.

Escribe los 4 factores que determinan el valor del voltaje que genera un alternador.

MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO

MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO

El magnetismo forma parte importante en la generación de la energía eléctrica, en la producción de trabajo mecánico mediante la acción de los motores eléctricos, para elevar o reducir el voltaje cuando se transporta energía eléctrica de un lugar a otro por medio de los transformadores eléctricos, en la operación de la mayor parte de los instrumentos de medición y en muchas aplicaciones comerciales e industriales.

Teoría electrónica del magnetismo

Debido a que el electrón tiene una carga negativa y se encuentra en movimiento dentro del átomo, esto hace que produzca un campo magnético en círculos concéntricos alrededor del electrón; por lo tanto, los electrones tienen tanto propiedades eléctricas como magnéticas, de ahí que los átomos y moléculas se consideren como pequeños imanes.
En los materiales ferromagnéticos existen regiones llamadas dominios magnéticos. Un dominio está formado por un conjunto de átomos cuyas fuerzas magnéticas están todas en la misma dirección, todas son negativas o positivas. Estos dominios (regiones) se comportan como pequeños imanes en forma de barra.

Materiales magnéticos

Los materiales ferromagnéticos en circunstancias normales, sus dominios magnéticos están dispersos y orientados al azar (en diferentes direcciones), de manera que los campos magnéticos de los dominios se anulan mutuamente, considerándose entonces que el material está desmagnetizado.
Si todos los dominios estuvieran dispuestos de manera tal que apuntaran en la misma dirección, los campos de fuerza magnética se sumarían. El metal entonces se consideraría magnetizado. Si absolutamente todos los dominios estuvieran alineados, se produciría un campo magnético intenso. Pero si sólo algunos dominios estuvieran alineados, se produciría un campo magnético débil. Así pues, un material ferromagnético puede ser imantado cuando sus dominios magnéticos son obligados a alinearse en un determinado sentido, mediante la aplicación de una fuerza magnética. Esto se puede hacer de dos maneras:
1) Por frotamiento magnético. Cuando se frota con un imán una pieza de hierro desimantada, las líneas magnéticas del imán hacen que los dominios magnéticos de la pieza se alinien de modo que sus líneas magnéticas coincidan con las del imán.
2) Por medio de una corriente eléctrica. Cuando se coloca un trozo de hierro desmagnetizado dentro de una bobina por la que se hace pasar una corriente directa, ya sea de una batería o un generador de c.d., la corriente eléctrica produce un campo magnético que magnetiza al hierro.

Imanes temporales y permanentes

Un imán temporal es aquel material ferromagnético que presenta todas las propiedades de un imán, únicamente mientras está presente la fuerza de magnetización y cuando se retira o cesa la acción de magnetización, el material vuelve a su estado original perdiendo sus propiedades magnéticas. Los materiales más comunes son el hierro dulce y acero suave. La forma de uso es como electroimán.
Un imán permanente es aquel material ferromagnético que retiene sus propiedades magnéticas, por muchos años, después de haber sido magnetizado. Los materiales más usados son aceros templados, aleaciones de níquel y hierro.
Para desmagnetizar un imán los dominios o moléculas deben quedar en desorden de manera que sus campos magnéticos se anulen; esto se logra de varias maneras:
a) Al golpear fuertemente al imán la fuerza de la sacudida o vibración hará que los dominios magnéticos queden orientados en diferentes direcciones.
b) Al calentar al imán hasta un valor moderadamente alto, la energía calorífica hace que se rompan violentamente las alienaciones de los dominios de extremo a extremo del material.
c) Una forma segura de reducir o eliminar el magnetismo de cualquier pieza imantada, es mediante un campo magnético alterno, al colocar el imán dentro de un solenoide alimentado con corriente alterna, los dominios magnéticos pierden su orden al tratar de seguir las variaciones del campo magnético alterno.

Campo magnético y líneas de fuerza magnéticas

Campo magnético es la región o espacio exterior del imán hasta donde llega un efecto apreciable de la acción de las líneas de fuerza magnética.
El campo magnético de un imán está formado por líneas de fuerza magnéticas o líneas de flujo magnético que se extienden en el espacio partiendo del polo norte del imán y dirigiéndose al polo sur, para continuar dentro del imán del polo sur al polo norte. Los polos del imán son los puntos de donde las líneas de fuerza están más concentradas, es decir la fuerza magnética es mayor. Estos puntos están localizados en los extremos del imán.
Algunas propiedades magnéticas más importantes de las líneas de fuerza, son las siguientes:
1. Polos distintos se atraen, polos iguales se repelen uno al otro.
2. Las líneas de fuerza magnéticas forman siempre trayectorias cerradas.
3. Las líneas de fuerza magnéticas no se cruzan entre sí.
4. Pueden pasar a través de todos los materiales, madera, vidrio, plástico, etc.
5. Se comportan como hilos de goma, es decir son elásticas.
6. Cuanto más cerca estén las líneas magnéticas y sea mayor el número de ellas, más intenso será el campo magnético.
7. Las líneas magnéticas tienden a seguir la trayectoria por donde encuentran menos oposición, esto es a través de los materiales ferromagnéticos, aún cuando su trayectoria resulta más larga. Debido a ésta característica, los materiales ferromagnéticos, son útiles como blindaje para proteger ciertos aparatos u objetos del efecto de líneas magnéticas, encerrándolos en dichos materiales para desviar la trayectoria de las líneas magnéticas.



Campo magnético creado por una bobina

El electromagnetismo estudia la relación que existe entre la electricidad y el magnetismo.
Siempre que circule una corriente eléctrica por un conductor, se producirá un campo magnético alrededor del mismo. Las líneas de fuerza magnéticas se cierran sobre sí mismas, formando círculos magnéticos alrededor del conductor y por ello se llaman círculos de fuerza magnética. Estos círculos tienen sus centros en el eje del conductor y sus planos son perpendiculares al mismo.
Un conductor eléctrico arrollado con varias espiras o vueltas forma una bobina. Un solenoide o electroimán es una bobina de muchas vueltas, en las que al hacer circular una corriente directa a través de ellas, se produce un campo magnético mayor que el que rodea a un conductor.
La magnitud del campo magnético de un electroimán o solenoide, depende de los siguientes factores:
a) Del número de espiras. A mayor número de espiras será mayor el campo magnético, ya que se suman los campos magnéticos de cada espira, debido a que las líneas de flujo tienen la misma dirección.
b) De la separación de las espiras. Si la bobina se comprime ligeramente, los campos magnéticos se juntarán aún más para formar un solo flujo magnético, si se colocan separadas, las líneas de flujo de cada espira no se pueden juntar unas a otras.
c) Del tipo de núcleo. Si en lugar del aire, se coloca un núcleo de hierro dulce, se hace más intenso el campo magnético. Esto se debe a que el hierro proporciona una trayectoria más fácil a las líneas de fuerza magnéticas y éstas líneas magnéticas orientan a los dominios magnéticos propios del hierro, creando así líneas de flujo en el núcleo, mismas que se suman a las líneas de flujo de la bobina.
d) Del área o sección transversal. Si el núcleo del solenoide tiene una sección transversal grande, creará más líneas de flujo que las que crea un núcleo de área reducida.
e) De la cantidad de corriente. La forma más fácil de incrementar el campo magnético del electroimán, es mediante el aumento de corriente, ya que esto hace que se incremente el magnetismo en el conductor, y por lo tanto en cada espira y en el electroimán.

Las líneas de flujo de un electroimán o solenoide actúan de la misma forma que un imán de barra, salen del polo norte y dan la vuelta para entrar al polo sur. Para determinar la polaridad de un solenoide se usa la regla de la mano izquierda, la cual consiste en lo siguiente: los dedos de la mano izquierda se cierran sobre las espiras del solenoide apuntando en la dirección que circula la corriente, y el dedo pulgar señalará hacia el polo norte.



GENERADOR ELÉCTRICO

Siempre que un conductor se mueva dentro de un campo magnético, las líneas de fuerza magnética actúan sobre los átomos del conductor, provocando que liberen electrones de sus órbitas externas, dando lugar a un flujo de corriente, desarrollándose o induciéndose al mismo tiempo un voltaje en las terminales del conductor. También, si en lugar de que el conductor se mueva dentro de un campo magnético, lo que se mueve es el campo a lo largo del conductor, se induce un voltaje.
Cuando el movimiento del conductor es paralelo a las líneas de fuerza magnéticas no hay voltaje inducido ya que no se “cortan” las líneas. En cambio, cuando el conductor se mueve en un plano perpendicular a las líneas magnéticas, y pasa por el centro de un polo magnético, el voltaje tendrá su valor máximo. Para que exista un voltaje inducido, debe haber un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético, es decir, las líneas de fuerza magnéticas deben ser “cortadas” por el conductor.
Un generador es toda máquina que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. En toda central eléctrica, en el generador o alternador es donde se produce la energía eléctrica, obteniéndose un voltaje aproximado de 10,000 volts en las terminales de dicho generador, con una cierta capacidad para entregar corriente a un circuito (pudiendo ser valores superiores a 1,000 amperes).
Un generador produce energía eléctrica al aplicarle una fuerza mecánica que haga girar a un grupo de bobinas dentro de un campo magnético estacionario, o por la rotación de los polos magnéticos de un electroimán para que las líneas magnéticas atraviesen o corten a las espiras de las bobinas de inducido que están fijas en la parte interior de la cubierta del generador, generando así un voltaje en las terminales de las bobinas. Lo que se requiere es que haya un movimiento relativo entre el campo magnético y las bobinas de inducido. Los 3 elementos básicos de todo generador, son: una fuerza mecánica, un grupo de bobinas y un campo magnético.
El valor del voltaje que genera un alternador, depende de los siguientes 4 factores:
1) De la intensidad del campo magnético. Cuanto más intenso sea el campo magnético, será mayor el número de líneas de flujo que se cortan.
2) Del número de espiras de la bobina. Al tener un número alto de espiras en cada bobina, el voltaje total inducido es igual a la suma de cada uno de los voltajes inducidos en cada espira.
3) De la velocidad de giro de la bobina o de los polos magnéticos. A mayor velocidad se cortará un mayor número de espiras en un tiempo determinado.
4) De la posición que tenga la bobina con respecto a las líneas del campo magnético. A medida que gire la bobina, cambia su posición con respecto a la dirección de las líneas magnéticas, produciendo un voltaje con valores diferentes en cada instante, y al pasar frente a polos distintos ocasiona que la corriente que se produce cambie de dirección, o sea, el voltaje inducido cambia de polaridad, generándose así, un voltaje alterno.

VOLTAJE, CORRIENTE Y RESISTENCIA

RESISTENCIA ELÉCTRICA

Al aplicarle un mismo voltaje a conductores idénticos pero de diferente material, se observará que en unos fluirá una menor cantidad de electrones libres que en otros, esto es debido a que tienen mayor grado de dificultad para circular; por lo tanto, a esta oposición que ofrece un conductor al paso de los electrones se le llama resistencia eléctrica. Dicha oposición se debe al choque de los electrones con los átomos en su recorrido por el conductor, ya que en cada choque los átomos ejercen una fuerza de atracción sobre los electrones, impidiendo su libre movimiento. Su unidad de medida es el Ohms; para resistencias altas se utilizan el kilo-ohms (k ) y el mega-ohms (M ); para valores pequeños se utiliza el miliohms.



RELACIÓN ENTRE VOLTAJE, CORRIENTE Y RESISTENCIA

En un circuito al aplicarle un voltaje alto, éste tiende a mover una gran cantidad de electrones por los conductores, ya que es mucha la fuerza eléctrica que los empujará a circular; en cambio si el voltaje es pequeño, tenderá a provocar una corriente de electrones muy baja. Pero si se aplica el voltaje a un material aislante, posiblemente no hará mover a los electrones, ya que los átomos de estos materiales ejercen una fuerza de atracción muy fuerte que no los dejan circular. Por tal motivo, la corriente que puede circular por un circuito o conductor, dependerá del voltaje aplicado y del valor de la resistencia eléctrica.
En un circuito al aumentar el voltaje también aumentará la corriente eléctrica, manteniendo fijo el valor de la resistencia, si aumenta el doble también aumentará al doble la corriente eléctrica, es decir, la corriente varía en proporción directa al voltaje.
En cambio, si se mantiene fijo el voltaje y se aumenta la resistencia del circuito, la corriente disminuye, ya que existe una mayor oposición a que fluyan los electrones, por el contrario, si disminuye la resistencia aumentará la corriente; por que la corriente varía en proporción inversa al valor de la resistencia. Esto es lo que establece la ley de Ohm, la corriente varía en proporción directa al voltaje, e inversamente al valor de la resistencia. E=IR o I=E/R

FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR

Todo material conductor de la corriente eléctrica tiene un cierto valor de resistencia, independientemente si fluye o no una corriente eléctrica por él. Un conductor eléctrico se identifica por un número que representa el calibre y por el tipo de aislante que lo protege. A medida que el número del calibre es mayor, el diámetro del mismo será menor, y viceversa. Ejemplo: un calibre 14 tiene menor diámetro que un conductor calibre 8.
Son cuatro factores principales los que determinan la resistencia de un conductor: longitud, área de la sección transversal, temperatura y, el tipo de material del conductor.
Longitud. Un electrón libre al desplazarse a través de un determinado tramo de conductor, tendrá cierta oposición, la cual será la misma en otro tramo igual al anterior, pero si la longitud del conductor aumenta al doble, la oposición de este conductor será el doble de la del primer tramo. Esto es debido a que el electrón tendrá más choques con los átomos en su recorrido mayor dentro del conductor. Al aumentar la longitud aumentará la resistencia del conductor; es decir, la resistencia es directamente proporcional a la longitud del conductor.
Área de la sección transversal de un conductor es el espacio por donde se distribuyen los electrones al circular. A mayor área, se tendrá mayor espacio para que fluyan los electrones, por lo que serán menores los choques que se origen con los átomos de cobre que en uno de menor área; por lo tanto, a mayor área será menor la resistencia del conductor. Si el área de un conductor aumenta el doble, disminuye a la mitad la resistencia; y a la inversa, al disminuir el área a la mitad, aumenta al doble la resistencia del conductor. Cuando dos magnitudes varían en sentido opuesto una respecto a la otra, se dice que varían inversamente. En base a esto, se dice que la resistencia de un conductor es inversamente proporcional al área de su sección transversal.
La temperatura es otro factor que influye en el valor de la resistencia de un conductor. A mayor temperatura será mayor la resistencia, debido a que las moléculas de cobre tienden a agitarse, dilatándose, reduciendo el espacio de circulación de los electrones, dando lugar a un mayor choque de electrones con los átomos y a una mayor fricción entre los mismos electrones al circular.
Tipo de material del conductor. Existen materiales cuyos átomos ejercen una mayor fuerza de atracción que otros sobre los electrones en movimiento, lo que determina si son buenos o malos conductores.
Cuanto menor es la resistencia de un material, mejor conductor es. La resistividad de un material “ρ” (Roo) indica la resistencia al flujo de la corriente eléctrica por unidad de longitud, su unidad de medida es ( m).

CORRIENTE DIRECTA Y CORRIENTE ALTERNA

La fuente de voltaje puede ser de corriente directa (c.d.) o de corriente alterna (c.a).
Cuando se conecta una fuente de corriente directa a un circuito, la corriente que circula tiene siempre una misma dirección o sentido, debido a que la polaridad en las terminales de la fuente no cambia, pudiendo tener un mismo valor, o un valor pulsante pero con la misma dirección.
La fuente de corriente directa más común, es la batería o acumulador del automóvil, y los generadores de corriente directa.
En todo circuito de corriente directa debe considerarse la polaridad al momento de conectar cierta carga, o algún instrumento de medición; en cambio, en los circuitos de corriente alterna, es indiferente la polaridad, pudiendo conectarse en cualesquiera de los conductores.
Los circuitos de corriente alterna son los de mayor utilización, tanto en la industria, en el comercio, y en instalaciones de tipo residencial.
La corriente alterna está cambiando en cada instante de valor, y cada cierto tiempo cambia de dirección, o sea, cuando la corriente pasa por su valor de cero amperes. Tiende a aumentar de valor en un sentido hasta un valor máximo, después, desciende conservando la misma dirección hasta un valor de cero amperes, y en ese momento es cuando cambia de dirección aumentando nuevamente de valor hasta un máximo negativo, y disminuir a cero, formando así un ciclo, y volver a cambiar de polaridad o dirección, y así sucesivamente. La corriente alterna está cambiando de dirección a una frecuencia de 60 ciclos por segundo, es decir se forman 60 ciclos en un segundo.
La fuente de corriente alterna que utilizan los consumidores, es el transformador de potencia, el cual recibe la energía mediante líneas de distribución y de transmisión desde las centrales eléctricas, pasando por diferentes subestaciones



EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

Cuando circula corriente eléctrica por un conductor, se producen tres efectos importantes: un calentamiento, un campo magnético alrededor del conductor y una caída o pérdida de voltaje.
1. Efecto calorífico y caída de voltaje. Al circular una corriente eléctrica por un conductor, siempre se produce calor debido a la fricción entre los electrones libres en movimiento y los átomos que obstruyen el flujo de los electrones. El calentamiento dependerá de qué tanto la corriente rebase la capacidad del conductor; si la corriente es muy pequeña con respecto a la capacidad del conductor, el calentamiento será muy pequeño, que tal vez no se pueda percibir; pero si la corriente sobrepasa por mucho la capacidad del conductor, entonces se sobrecalentará dañando al aislante y al conductor mismo, en este caso se dice que el conductor está sobrecargado.
El sobrecalentamiento del conductor hace que aumente su resistencia eléctrica; lo que a su vez, este aumento de resistencia provoca una mayor caída o pérdida de voltaje en el conductor que alimenta al circuito; esta pérdida de voltaje alta trae como consecuencia que los aparatos o equipos conectados al circuito no funcionen correctamente, o simplemente no funcionen, ya que el voltaje de la fuente de alimentación no queda aplicado íntegramente al equipo, debido a que el conductor se comporta como una carga más. Para reducir estas pérdidas de voltaje altas ocasionadas por una sobrecorriente, se debe seleccionar el calibre del conductor adecuado a la corriente que habrá de conducir. Un conductor sujeto a una sobrecorriente prolongada, también puede producir daños al aislante, lo que dará lugar a cortos circuitos en la instalación.
Cada calibre de conductor y de acuerdo al tipo de aislante, tiene especificado por el fabricante su capacidad de corriente que puede conducir sin que sufra daños. Esto es importante considerarse al momento de alimentar una determinada carga. Para colocar el calibre del conductor apropiado, debe determinarse previamente la cantidad de corriente del circuito; además de esto, debe de considerarse la longitud del conductor, ya que a mayor longitud será mayor su resistencia, ocasionando pérdidas de voltaje considerables en los conductores. Una manera de disminuir estas pérdidas es colocando un conductor de calibre mayor para que se reduzca su resistencia y por lo tanto las pérdidas de voltaje; también debe tomarse en cuenta las condiciones ambientales del lugar para determinar el tipo de aislante que debe de poseer el conductor.
Al pasar la corriente eléctrica sobre ciertos materiales o elementos calefactores, el calor que en ellos se produce es utilizado en muchos aparatos eléctricos como: tostadores, planchas, calentadores, parrillas, focos, etc., los cuales usan generalmente el micrómel que es un mal conductor que está sostenido por piezas aislantes, este elemento alcanza una temperatura muy alta cuando circula corriente por él. Al interrumpirse la corriente en cualesquier punto del elemento calefactor (al romperse), deja de producir calor. Muchos malos conductores como el tungsteno, cuando conducen la corriente, se calientan al rojo vivo y hasta al rojo blanco, y debido a esta temperatura de incandescencia, emiten luz además de calor, este es el principio de funcionamiento de una lámpara incandescente o foco. Estos aparatos representan cargas puramente resistivas, ya que no usan motores o bobinas para su funcionamiento.
2. Efecto magnético. Siempre que circule una corriente eléctrica, se producirá además de un calentamiento, un campo magnético alrededor del conductor. Este campo magnético tiene las siguientes características: 1) Las líneas de fuerza magnéticas se cierran sobre sí mismas, formando círculos de fuerza concéntricos, es decir, tienen sus centros en el eje del conductor y sus planos son perpendiculares al mismo, 2) La intensidad del campo magnético depende de la cantidad de corriente que pasa por el conductor. Los círculos de fuerza magnética son más densos cerca del alambre, y están más separados uno del otro a medida que aumenta la distancia al centro del conductor, debilitándose el campo magnético hasta que desaparece. Si la corriente aumenta, los círculos de fuerza tienden a expandirse, o sea, aumentan de tamaño, si la corriente disminuye, estos círculos se contraen reduciendo también su tamaño 3) La dirección del campo magnético depende de la dirección de la corriente. Si la corriente es directa, los círculos de fuerza magnética permanecen estáticos en una misma dirección. 4) Al circular una corriente alterna a través de un conductor, los círculos de fuerza magnética variarán de la misma forma en que varía la corriente, es decir, estarán cambiando de valor y de dirección alrededor del conductor, expandiéndose y contrayéndose en una misma dirección hasta llegar a cero, para después, volver a expandirse y contraerse pero en sentido contrario.

FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD

FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD


MATERIA, MOLÉCULA Y ATOMO

Materia es cualquiera de las sustancias que nos rodean, y que tienen volumen, peso, y muchas otras características. Puede encontrarse en forma de un sólido, un líquido o de un gas. Los alimentos, la madera, los metales, la ropa, nuestro propio cuerpo, el aire que nos rodea, el agua, la gasolina, son ejemplos de materias de distintas formas, y todas ellas están constituidas por pequeñas partículas llamadas moléculas.
La molécula es la partícula más pequeña a la que puede dividirse cualquiera de las muchas formas de la materia, conservando siempre sus características originales. Las moléculas, a su vez, están formadas por partículas todavía más pequeñas, llamadas átomos. Por ejemplo, si se tomara un gramo de sal de mesa y se le dividiera sucesivamente en dos, hasta obtener el trocito más pequeño posible, seguiría siendo sal, y el trocito sería una molécula de sal. Si nuevamente se lograra dividirlo en dos, la molécula de sal se descompondría en sus átomos de sodio y cloro.


EL ÁTOMO

El átomo está compuesto de 3 partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones. Los protones y neutrones se encuentran en el centro o núcleo del átomo y los electrones giran alrededor del núcleo.
Los protones son partículas con carga eléctrica positiva, lo que determina que el núcleo de cualquier átomo sea positivo, ya que los neutrones son partículas neutras, es decir sin carga.
El protón es muy pequeño, mide la tercera parte del diámetro de un electrón, pero es casi 1,840 veces más pesado que el electrón. Es muy difícil separar un protón del núcleo de un átomo.
El electrón es una partícula con carga eléctrica negativa, y se encuentra girando en órbitas alrededor del núcleo del átomo. Un electrón es 3 veces mayor que un protón, pero es más liviano, lo que facilita mover a los electrones de la órbita exterior de un átomo. A los electrones que se encuentran en la última capa u órbita exterior, también se les llama electrones de valencia.
Los electrones cuanto más alejados estén del núcleo tendrán mayor energía, por lo que los electrones que se encuentran en las órbitas exteriores poseen más energía que los electrones que están en órbitas más cercanas al núcleo, y por lo tanto, al aplicarle suficiente energía a un electrón de valencia, éste podrá salir del átomo.
El átomo en su estado normal es neutro debido a que contiene el mismo número de electrones y protones, es decir, tiene igual carga positiva y negativa.
Un átomo al perder un electrón quedará con carga positiva, debido a que tendrá más protones que electrones; y a la inversa, el átomo al recibir un electrón quedará con carga negativa, ya que dejan de ser iguales las cantidades de electrones y protones que posee el átomo. Los átomos cargados reciben el nombre de iones.



LEY DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS

Al interior de un átomo existen fuerzas de atracción y repulsión debido a la carga negativa de los electrones y a la carga positiva de los protones. Alrededor de cada carga positiva o negativa existen líneas de fuerza electrostáticas invisibles que se propagan en todas direcciones, y el espacio que ocupan estas líneas de fuerza se le llama campo eléctrico, de ahí que alrededor de un electrón existe un campo eléctrico, por lo que si a un electrón en movimiento se acerca a otro electrón, este último será rechazado sin que ambos se pongan en contacto, debido a la interacción de sus campos eléctricos.
De igual modo, si un electrón se acerca a una carga positiva, los dos campos se estiran y se atraen entre sí aunque exista cierta distancia entre ellos.
La ley de las cargas eléctricas dice que las partículas que tienen cargas del mismo signo se repelen y las cargas de diferentes signos se atraen.


MATERIALES CONDUCTORES, Y AISLANTES.

Los electrones giran a gran velocidad alrededor del núcleo, produciéndose una fuerza centrífuga que tiende a sacar al electrón de su órbita; pero por otra parte existe una fuerza de atracción que ejerce la carga positiva del núcleo que impide que se escape el electrón. Sin embargo, los electrones de las órbitas externas del átomo son atraídos hacia el núcleo con menor fuerza que los electrones que se encuentran en órbitas cercanas al núcleo. Por tal motivo, en los materiales conductores de corriente eléctrica los electrones externos pueden ser expulsados de su órbita con facilidad. En cambio, en los aislantes como el plástico, el vidrio, la mica, existe una fuerza de atracción muy fuerte entre el núcleo y los electrones de valencia, de manera que estos electrones no abandonan a sus átomos a menos que se les aplique una fuerza eléctrica muy elevada.
El que exista una fuerza menor de atracción del núcleo hacia los electrones de valencia y porque estos electrones tienen más energía que el resto de los electrones del átomo, es lo que facilita el desprendimiento de electrones en los materiales conductores y por lo tanto, a sus electrones de valencia también se les llama electrones libres.
La capa exterior o de valencia de un átomo no tendría más de 8 electrones. Desde el punto de vista electrónico los materiales que tienen átomos con menos de 4 electrones en su capa de valencia se les llama conductores, los que tienen más de cuatro electrones de valencia se les llama aislantes, y a los que tienen solamente 4 electrones de valencia se les llama semiconductores.
Al aplicarle energía a un átomo, la energía de la capa exterior se distribuye entre los electrones de valencia; por lo tanto, mientras más electrones de valencia haya menor será la energía que tendrá cada electrón. Los materiales que tienen átomos con un electrón de valencia son los mejores conductores, como la plata, el cobre y el oro. El aluminio y el fierro se consideran buenos conductores de la corriente eléctrica.
También se puede definir a un material conductor, como aquel que aporta y permite el movimiento de un gran número de electrones libres. Por ejemplo, el alambre de cobre es un buen conductor debido a que tienen muchos electrones libres. La plata es ligeramente mejor conductor que el cobre ya que a igual volumen de cobre, la plata tiene aproximadamente un 5% más de electrones libres.
Los materiales aislantes tienen un número muy reducido de electrones libres. Un aislador perfecto no tendría electrones libres.


ELECTRONES LIBRES EN UN CONDUCTOR

En un conductor de cobre cada uno de los átomos tiene un electrón de valencia sujeto muy débilmente que apenas se mantiene en su órbita. Además, los átomos están tan próximos uno del otro, de tal forma que las órbitas exteriores se sobreponen de manera que los electrones pasan fácilmente de un átomo a otro, por lo que continuamente están cambiando de órbita exterior siguiendo cualesquier trayectoria. Al mismo tiempo en que su electrón entra a la órbita de un átomo, éste recibe energía del electrón lo que origina que se desprenda otro electrón y pase a la órbita de un átomo entrelazado, y así sucesivamente, de manera que todo átomo siempre tiene un electrón aunque no el mismo, y cada electrón siempre estará en un átomo.



ELECTRICIDAD ESTÁTICA

Cuando en un trozo de material eléctricamente neutro muchos de sus átomos pierden o ganan electrones, el material quedará cargado. Si los átomos del objeto pierden electrones, entonces tendrá más protones que electrones y quedará con carga positiva, o sea, con un potencial positivo. Si este objeto cargado en forma positiva se pusiera en contacto con otro objeto con carga negativa, o sea con exceso de electrones, circularán los electrones hacia el objeto con carga positiva durante un breve tiempo hasta que los objetos tienen la misma carga.
El físico francés, Charles Coulomb en 1785, pudo medir la carga eléctrica de un objeto, estableciendo como unidad de medida el coulomb. En su descubrimiento estableció que un objeto tendrá una carga eléctrica de un coulomb cuando posea 6.28x1018 electrones en exceso.
Cuando dos objetos con cargas diferentes se colocan a cierta distancia, se produce una fuerza eléctrica entre ellas, pero los electrones no pueden moverse por no estar en contacto.
La electricidad estática estudia el comportamiento y los efectos de los cuerpos cargados, en donde los electrones están en reposo o sin movimiento. Si las cargas de los objetos son muy altas, y la distancia entre ellas es pequeña, los electrones podrán saltar a través del aire de un objeto a otro produciéndose un arco eléctrico o chispa, algo similar a lo que ocurre con la descarga atmosférica o rayo. Mientras más electrones en exceso tenga un objeto cargado, mayor será su carga negativa; y mientras más electrones le falten, mayor será su carga positiva.



ELECTRICIDAD DINÁMICA

Por lo general una carga eléctrica estática no puede desempeñar una función útil. Si se quiere usar energía eléctrica para hacer funcionar a un aparato, es necesario que los electrones se pongan en movimiento, es decir, producir una corriente eléctrica, a esto se le llama electricidad dinámica. Los electrones tienen cierta energía que al moverse producen determinados efectos.
De esta manera, para que exista un movimiento continuo de electrones, son necesarias dos condiciones: a) que exista una fuente de voltaje que permanentemente esté aportando electrones por una terminal (negativa) y por la otra creando átomos con deficiencia de electrones (positiva), b) que un conductor forme una trayectoria cerrada entre las terminales de la fuente.
Para que una fuente de voltaje aporte permanentemente electrones, es necesario que se produzca una fuerza generadora que libere electrones de sus átomos y los haga circular en una dirección. Esta fuerza generadora se puede lograr por medio del magnetismo, al mover un conductor de tal manera que atraviese las líneas magnéticas de un imán, o viceversa, al mover un imán para que las líneas magnéticas atraviesen a un conductor (generador de energía eléctrica). Otras formas para producir la fuera generadora es por medio de la reacción química (pila o batería); por calentamiento al aplicarle calor a la unión de dos metales conductores de diferente material (termopar), por la luz solar o artificial.
Cualquiera que sea la fuerza generadora hace que se liberen electrones en un extremo de la fuente, en donde los átomos quedan cargados positivamente, formando así la terminal positiva, mientras que los electrones liberados son forzados a moverse hacia el otro extremo, quedando acumulados formando la terminal negativa.
La fuerza generadora evita que los electrones libres acumulados en la terminal negativa vuelvan a la terminal positiva.
Ahora bien al momento de conectar un conductor entre las terminales de la fuente, la terminal con potencial negativo repele a los electrones del conductor de los átomos mas cercanos a la terminal y al mismo tiempo la terminal opuesta con potencial positivo atrae del conductor a los electrones de los átomos cercanos a dicha terminal; este movimiento de electrones ocurre casi instantáneamente en todo el conductor en donde un electrón avanza de una átomo a otro hacia la terminal positiva, el electrón al entrar a la orbita de un átomo le transmite su energía lo que provoca que al instante salga un electrón de este átomo y así sucesivamente. Además, muchos electrones libres de la terminal negativa son atraídos hacia e circuito por la intensa fuerza de atracción de la terminal positiva.
Cada átomo cargado positivamente en la terminal positiva, al atraer a un electrón del conductor intenta mantener ese electrón para satisfacer su necesidad de permanecer neutro, pero la fuerza generadora actúa quitándole de nuevo el electrón y trasladándolo hasta la terminal negativa, para mantener un suministro permanente de electrones.
Por cada electrón que entre a la fuente de voltaje habrá otro electrón que la fuente suministrara al conductor por la terminal negativa; manteniéndose de esta manera un flujo permanente de electrones a través del circuito.
La corriente eléctrica es el movimiento de electrones a través de un conductor, debido a que al aplicarle una diferencia de potencial, casi al instante se mueven los electrones de todo el conductor, por lo que la velocidad de la corriente eléctrica es igual a la velocidad de la luz, o sea 300,000 Km. por segundo.
Ahora bien, el electrón al moverse dentro del conductor lo hará a cierta velocidad, pudiendo ser de algunos centímetros por segundos, dependiendo del tipo de material del conductor y del valor de la diferencia de potencial o voltaje aplicado.
La unidad de medida de la corriente es el Amper, y para los valores más pequeños se utiliza el miliamper (milésima de Amper) y el microamper (millonésima parte de un Amper).
Se tiene una corriente de un Amper cuando en un punto de un conductor pasa un coulomb en un segundo.
Al moverse los electrones por un conductor, también lo hará el campo eléctrico que rodea a cada electrón, y de esta manera se establece que un campo eléctrico en movimiento produce un campo magnético alrededor del conductor.

DIFERENCIA DE POTENCIAL

En los objetos cargados eléctricamente existen fuerzas de atracción o repulsión debido a las líneas de fuerzas electrostáticas que forman el campo eléctrico a su alrededor.
El valor de la fuerza de atracción o repulsión depende de los siguientes dos factores: 1) la cantidad de carga que tiene cada objeto, y 2) la distancia entre los objetos. A mayores cargas en los objetos, será mayor la fuerza electrostática, y cuanto más cerca estén entre si los objetos cargados, mayor será la fuerza electrostática.
Se dice que un objeto con carga negativa tiene un potencial negativo y el que tiene carga positiva tiene un potencial positivo. Sin embargo, esto es relativo ya que se pueden tener dos objetos con carga negativa, con uno más negativamente cargado que el otro. El que tiene menos carga negativa puede considerar que tiene un potencial positivo con respecto al otro que tiene mas carga negativa.
Dos objetos con cargas distintas forman una diferencia de potencial entre ellos, y es lo que produce que los electrones se muevan de un objeto a otro, al momento de unirlos con un conductor. Un átomo y un objeto cargados eléctricamente tienden a recuperar rápidamente su estado normal, es decir, a estar neutros, para ello buscan permanentemente como recuperar el electrón o electrones perdidos o a expulsar a los electrones que tienen en exceso.
Así pues, la diferencia de potencial o voltaje se define como la fuerza eléctrica que existe entre dos puntos con diferente potencial, la que forza a los electrones a circular a través de un conductor.
A la diferencia de potencial también se le conoce como voltaje, fuerza electromotriz, tensión y presión eléctrica; y su unidad de medida es el Volt. Para voltajes pequeños se usa el milivolt, y para cantidades grandes se usa el kilovolt, que equivale a 1,000 Volts.



RESISTENCIA ELÉCTRICA

Al aplicarle un mismo voltaje a conductores idénticos pero de diferente material, se observará que en unos fluirá una menor cantidad de electrones libres que en otros, esto es debido a que tienen mayor grado de dificultad para circular; por lo tanto, a esta oposición que ofrece un conductor al paso de los electrones se le llama resistencia eléctrica.