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.