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U n i o n n e u t r o

+4

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U n i o n p o s i ti v o

+4 -

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U n i o n n e g a ti v o

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1

2

Cargas atómicasNormalmente, un átomo contiene el mismo número de electrones y protones, de manera que las cargas iguales y opuestas, es decir las negativas y las positivas, se equilibran entre si y hacen que el átomo sea eléctricamente neutro. Ahora bien, según ya se explico, lo que le da al átomo de un elemento las características, es el numero de protones que tiene el núcleo; pero el numero de protones puede variar.

Si un átomo contiene menos electrones que protones, tendrá una carga positiva. Si tiene más electrones que protones tendrá una carga negativa. Los átomos reciben el nombre de iones.

Después de frotar una varilla de vidrio con seda, ambos materiales se cargan con electricidad.

El número de cargas positivas es igual al número de cargas positivas

(A)

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Materiales eléctricamente cargados.

Cuando en un trozo de materia eléctricamente neutro muchos átomos pierden o ganan electrones, el material queda cargado. Hay muchas maneras de producir estos cambios en los átomos, según se explicara más adelante. El método que descubrieron los antiguos griegos fue el la fricción. Por ejemplo, si se frota una varilla de vidrio con un trozo de seda, la varilla de vidrio le donara algunos electrones a la seda. La varilla de vidrio se cargara positivamente y la seda quedara cargada negativamente.

CUERDA

Varilla de cobre que ha adquirido una carga negativa por contacto.

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Carga por contacto.Se puede cargar negativamente una varilla de caucho frotándola con la pie. Mediante esta varilla de caucho cargada, ahora se puede cargar otros materiales, por ejemplo cobre, con solo tocarlos. Este método recibe el nombre de carga por contacto, y basa en el hecho de la carga negativa tiende a repeler electrones de la superficie de la varilla.

Los electrones en la superficie de la varilla de caucho pasaran a la superficie de la varilla de cobre suspendida para darle una carga negativa. Si en lugar de una varilla de caucho negativa se usa una varilla de vidrio positiva, los electrones de la superficie de la varilla de cobre al ser atraídos le darán una carga positiva.

Neutralización de una carga.

Después de frotar el vidrio con la seda, ambos se cargan con la electricidad. Pero si la varilla de vidrio y la seda se juntan nuevamente entonces por la atracción de los iones

Los electrones se adhieren a la superficie de la varilla

Los electrones se adhieren a la superficie de la varilla

C)

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positivos en la varilla los electrones salen de la seda, hasta que ambos materiales queden de nuevo eléctricamente neutros.

Carga por inducción.

Debido a que los electrones y los protones tienen fuerzas de atracción y repulsión, un objeto se puede cargar si que se toque el cuerpo cargado, por ejemplo, si la varilla de caucho cargada negativamente se acerca a una pieza de aluminio, la fuerza negativa de la varilla de caucho repelerá a los electrones de la varilla del aluminio hacia el otro extremo. Un extremo de la varilla será entonces negativo y el otro positivo. Cuando se aleja la varilla de caucho, los electrones de la varilla de aluminio se redistribuirán para neutralizar la carga de la varilla. Si se desea que el aluminio siga cargado, hay que acercar

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nuevamente la varilla de caucho y luego tocar con el dedo el extremo negativo.

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Neutralización de una carga.

Después de frotar el vidrio con la seda, ambos se cargan con la electricidad. Pero si la varilla de vidrio y la seda se juntan nuevamente entonces por la atracción de los iones positivos en la varilla los electrones salen de la seda, hasta que ambos materiales queden de nuevo eléctricamente neutros.

Los cuerpos cargados también pueden conectarse con un alambre para descargarlos. Pero, si las cargas en ambos materiales son suficientemente grandes, pueden descargarse a través de un arco, como sucede en el caso del rayo.

Hule

(A)

Hule

Hule

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Atracción y repulsión

Suponga que se tiene dos varillas: una de

vidrio que está cargada positivamente, después de

frotarla con seda, y una varilla de caucho que se froto con la piel para darle carga negativa. A

continuación, se experimenta con el vidrio, caucho, seda y piel, pero sin que se toque, y se observara que:

Cargas similares se repelen.

Cargas diferentes se atraen.

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Campos electroestáticos.

Las fuerzas de atracción y repulsión entre los cuerpos cargados se deben a las líneas de fuerza electroestática que existen alrededor de los mismos.

En un objeto cargado negativamente, las líneas de fuerza de los electrones que hay en exceso, se suman para producir un campo electroestático, en el cual consta de líneas de fuerza que llegan al objeto desde todas direcciones.

En un objeto cargado positivamente faltan electrones y esto ocasiona que las líneas que las líneas de fuerza de los protones

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Capa exterior de valencia.

Según se advierte en la tabla de la página 1-25, la tercera capa puede contener hasta 18 electrones, pero apenas llega a tener 8 electrones de cuando se inicia la cuarta capa. Esto también ocurre en la cuarta capa, pues apenas tiene 8 electrones, cuando ya se inicia la quinta capa, a pesar de que la cuarta puede contener hasta 32 electrones. Esto indica que existe otra regla. La capa exterior de de un átomo no tendera más de 8 electrones. La capa exterior de un átomo recibe el nombre de capa de valencia y sus electrones reciben el nombre de electrones de valencia. El número de electrones en la capa de valencia de un átomo es importante en la electricidad, como se verá más tarde.

Energía de un electrón.

Aunque todo electrón tiene la misma carga negativa, no todos los electrones tiene el mismo nivel de energía. Los electrones cuya órbita esta próxima al núcleo contiene menos energía que los que se encuentra en orbitas externas. Cuanto más lejanas estén las orbitas electrónica del núcleo, mayor será su energía.

Si se añade suficiente energía a un electrón, saldrá fuera de su órbita, hacia la órbita de orden inmediato superior. Y, si se aplica suficiente energía a un electrón de valencia, el electrón se desligara de su átomo, ya que no existe una órbita inmediata superior.

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Cuando se produce la electricidad.

La electricidad se produce cuando los electrones se liberan de sus átomos. Puesto que los electrones de valencia son los más alejados de la fuerza atractiva del núcleo y además tienen el nivel más alto, son los que pueden liberarse más fácilmente. Cuando se aplica suficiente fuerza o energía a un átomo, los electrones de valencia se liberan. Sin embargo, la energía suministrada a una capa de valencia distribuye entre los electrones en dicha capa. Por lo tanto, para determinada cantidad de energía mientras más electrones haya, menor será la energía que tendrá cada electrón.

Conductores.

La capa de valencia puede contener hasta 8 electrones y cualquier energía que se aplique a uno de ellos se reparte entre todos los electrones de valencia. Por lo tanto, los átomos que tienen menos electrones de valencia, les dejara liberarse más fácilmente. Los materiales cuyos electrones se liberan fácilmente se llaman conductores. Los átomos de los conductores tienen solo 1 o 2 electrones de valencia. Los que tienen 1 electrón de valencia, son los mejores conductores eléctricos.

Si se examina la tabla de los elementos, puede determinarse los buenos conductores. Todos tienes un electrón en su capa exterior. L mayor parte de los metales son buenos conductores. Los más conocidos son: cobre (núm.29), plata (núm. 47) y oro (núm. 79).

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Aislante.

Los aisladores son los materiales que no dejan que sus electrones se liberen fácilmente. Los átomos de los aisladores tienen capas de valencia que están llenas con 8 electrones o bien llenas a más de la mitad. Cualquier energía que se aplique uno de estos átomos se distribuirá entre un número de electrones relativamente grande. Además, estos átomos de se resisten a desprenderse de sus electrones debido a un fenómeno que se conoce como estabilidad química.

Un átomo es completamente estable cuando su capa exterior está completamente saturada o cuando tiene ocho electrones de valencia. Un átomo estable resiste cualquier tipo de actividad. En efecto, nos se combinara con ningún otro átomo para formar compuestos. Existen seis elementos naturalmente estables: helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón. A estos se le conocen como gases inertes.

Todos lo átomos que tienen menos de 8 electrones de valencia tienden a alcanzar el estado estable. Los que están llenos a menos de la mitad (los conductores), tienden a liberar los electrones para vaciar la capa inestable. Pero los que están llenos a más de la mitad (los aisladores) tienden a recoger electrones para llenar la capa de valencia. A si pues, no solamente es difícil liberar a sus electrones, si no que los átomos de los aisladores también se apondrán a la producción de electricidad debido a su tendencia a atrapar a cualesquiera electrones que puedan ser liberados. Los átomos. Los átomos con siete electrones de valencia, son los que tratan más activamente de llenar la capa de valencia y construyen excelentes aisladores eléctricos.

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Compuestos como aislantes

La tendencia de los átomos al volverse estables es un factor fundamental para determinar cómo se combinan los átomos de los elementos para formar moléculas de un compuesto. Los átomos tienden a combinarse de manera que las moléculas contengan 8 electrones de valencia.

Debido a la tendencia hacia la estabilidad que tiene los átomos, cuando se combinan, la mayor parte de los compuestos, por ejemplo, el vidrio, madera, cucho, plástico, mica, etc., constituyen buenos aislantes. Sin embargo, cabe notar que no existe tal cosa como un aislador perfecto. Simplemente es muy difícil liberar electrones de tales materiales.

Semiconductores.

Puesto que los conductores tienen sus capas de valencia llenas a menos de la mitad y los aisladores tienen las suyas llenas a más de la mitad, las substancias que tienen átomos con cuatro de electrones de valencias reciben el nombre de semiconductores.

Estos conducen mejor que los aisladores, pero no tan bien como los conductores. Algunos ejemplos son: el germanio, el silicio y el selenio.

Por otra parte, muchos compuestos que tienden a ser estables, generalmente contienen impurezas que facilitan la conducción eléctrica.

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Comparación de los conductores.

Algunos materiales son los mejores conductores que otros. Por ejemplo, aun cuando los átomos de cobre, plata y oro tienen, cada uno, un solo electrón de valencia que puede liberarse fácilmente, la plata es el mejor conductor. Le sigue el cobre y luego el oro. Esto se debe al hecho de que una cantidad dada de material la plata tiene mas atamos que los demás metales y por consiguiente, se dispone de un mayor número de electrones libres.

Comparación de los conductores, aisladores y semiconductores.

Los conductores son materiales que tienen electrones cuya liberación es fácil. La mayor partes de los metales son buenos conductores eléctricos, generalmente se describen como materiales con muchos electrones “libres”.

Los aisladores más usados son el vidrio, hule, plástico, madera, cerámica y madera.

Como se produce la electricidad

Hasta ahora, solo se ha tratado en forma general de la idea de aplicar una fuerza o energía a los electrones para desalojarlos de sus orbitas; pero todavía no se ha dicho nada acerca de cómo lograrlo. Se puede hacer esto de diversas maneras, que suelen agruparse en seis grandes categorías.

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*FRICCION

*REACCIONES QUIMICAS

*CALOR

*PRESION

*LUZ

*MEGNETISMO.

Electricidad producida por fricción

Este es el método descubierto por los griegos. Una carga eléctrica se produce cuando se frotan uno contra otros dos pedazos de ciertos materiales; por ejemplo, seda y una varilla de vidrio, o cuando se peina el cabello. ¿Alguna vez ha camino el lector sobre una y experimentado una descarga eléctrica al tocar una perilla metálica? Las suelas de los zapatos se cargan al frotarlos sobre la alfombra y esta se transfiere a la persona que, luego, se descarga en la perilla. Estas descargas reciben el nombre de electricidad estática, lo cual se produce cuando un material transfiere sus electrones a otro.

Esto es algo que aun no se entiende perfectamente. Pero una teoría dice que la superficie de una materia existen muchos átomos que no pueden combinarse con otros de la misma forma en que lo hacen, cuando esta dentro de la materia; por lo tanto, los átomos superficiales contiene algunos átomos algunos electrones libre, esta es la razón por la cual los aisladores, por ejemplo vidrio y caucho, pueden producir cargas de electricidad estática.

Electricidad producida por reacciones químicas

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Las substancias químicas pueden combinarse con ciertos metales para iniciar una actividad química en la cual habrá transferencia de electrones, produciéndose cargas eléctricas. Esta es la forma en que funciona una batería ordinaria. El proceso se basa en el principio de la electroquímica.

Electricidad producida por presión

Cuando se aplica presión a algunos materiales, la fuerza de la presión pasa a través del material a sus átomos, desalojando los electrones de sus orbitas y empujándolos en la misma dirección que tiene la fuerza. Estos huyen a un lado de la materia y se acumulan en el lado puesto. Así pues se originan cargas positivas y negativas en los lados opuestos. Cuando cesa la presión, los electrones regresan a sus orbitas. Los materiales se cortan en determinadas formas para facilitar el control de las superficies que habrá de cargase; algunos materiales reaccionaran a una presión de flexión en tanto que a los otros responderán a una reacción de torsión.

Piezoelectricidad es el nombre que se da a las cargas eléctricas producidas por el efecto de la electricidad.

Electricidad producida por calor

Debido a que algunos materiales liberan fácilmente sus electrones y otros materiales los aceptan, puede hacer transferencia de electrones, cuando se ponen en contacto dos metales distintos, por ejemplo: Con metales particularmente activos, la energía calorífica del ambiente a temperatura normales suficiente para que estos metales liberen electrones. Por ejemplo, el cobre y el cinc se comportan de esta manera. Los electrones saldrán de los

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átomos de cobre pasaran a los átomo de cinc. Así pues el átomo de cinc adquiere un exceso de electrones, por lo que se carga negativamente. El cobre, después de perder electrones, tiene una carga positiva. Sin embargo, las cargas originales a la temperatura ambiente son pequeñas, debido a que no hay suficiente energía calorífica para liberar más de unos cuantos electrones. Pero, si se aplica calor a la unión de los dos metales para suministrar más energía, se liberaran más electrones. Este método es llamado termoelectricidad.

Electricidad producida por luz (fotoelectricidad)

La luz en sí misma es una forma de energía y muchos científicos las consideran formada de pequeños “paquetes” de energía llamados fotones. Cuando los fotones de un rayo luminoso inciden sobre un material, liberan su energía. En algunos materiales, la energía procedente de los fotones puede ocasionar la liberación de algunos electrones de los átomos.

Electricidad producida por magnetismo

Todos conocen a los imanes, los han manejado alguna otra vez. Por lo tanto, podrán a ver observado que, en algunos casos, los imanes se atraen y en otros casos se repelen. L razón es que los imanes tienen campos de fuerza que actúan uno sobre otro recíprocamente.

La fuerza de un campo magnético también se puede usar para desplazar electrones. Este fenómeno recibe el nombre de magnetoelectricidad; a base de un generador produce electricidad.

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¿Qué es la corriente eléctrica?

Es el material presentado hasta ahora, se explico lo que es la electricidad y como se producen las cargas eléctricas. En particular, se estudiaron relativos a la electricidad estática, es decir, a la carga eléctrica en reposo. Pero, por lo general, una carga eléctrica estática no puede desempeñar una función útil. Si se quiere usar energía eléctrica para realizar algún trabajo, es preciso que la electricidad se “ponga en marcha”. Esto sucede cuando se tiene una corriente eléctrica. La corriente se produce, cuando en un conductor hay muchos electrones libres que se mueven en la misma dirección.

Electrones libres

Para comprender como pueden los electrones producir corriente eléctrica, será útil ilustrar la forma en que los átomos de un buen conductor, por ejemplo el cobre, están unidos en un trozo de metal en estado sólido. Todos los materiales deben tener sus átomos (o moléculas) unidas en alguna forma, pues de lo contrario se desintegrarían. Existen diferentes tipos y formas de uniones; por eso, unos elementos son gases, algunos son líquidos y otros son sólidos. Además, existen varias formas en que los átomos de los sólidos están unidos, y por esta razón algunos metales son suaves y otros duros. El tipo de unión que nos interesa para el estudio de la electricidad básica es la unión metálica.

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Movimiento de los electrones

Para producir una corriente eléctrica, los electrones libres en el conductor de cobre deben moverse en la misma dirección, y no al azar. Esto se puede hacer aplicando cargas eléctricas en cada extremo del alambre de cobre; una carga negativa en un extremo y una carga positiva en el otro.

Puesto que los electrones son negativos, la carga negativa los repele y los atraen a la positiva. Debido a ello, no pueden pasar a aquellas orbitas que los haría moverse contra las cargas eléctricas. En cambio, se desplazan de orbita en órbita hacia la carga positiva, haciendo que se produzca una corriente eléctrica en esta dirección.

Flujo de corriente

Aunque a veces es más fácil considerar que los electrones que se mueven libremente construyen la corriente eléctrica, es importante considerar que esto no es exacto. El movimiento del electrón libre produce la corriente. Esto se entiende mejor, si se compara la velocidad del electrón con la de la corriente. La velocidad del electrón puede variar, según el material del conductor y el número de cargas eléctricas usadas. Pero la velocidad de la corriente siempre será la misma.

El electrón libre que se mueve al azar, lo hace con rapidez relativa debido a que está únicamente bajo la influencia de las fuerzas atómicas orbitales, su velocidad puede ser de unos cuantos kilómetros por segundo.

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El impulso de corriente

La corriente eléctrica, en realidad es el impulso de energía eléctrica que trasmite un electrón a otro, al cambiar de orbita. Cuando se aplica energía a un electrón y este se desprende de su órbita, al salir de ella, tiene que toparse con alguna orbita de otro átomo, ya que todas las orbitas exteriores se superponen y obstruyen el paso libre del electrón. Cuando el electrón liberado entra a la nueva orbita, su carga negativa reacciona con la carga negativa del electrón que se encontraba en la órbita antes de él. El primer electrón repele al otro, expulsándolo de la órbita y, a la vez, transmitiéndole su energía. El segundo electrón, al encontrarse en la órbita del siguiente, repite lo que hizo el primero. Este proceso continua en todo el alambre. El impulso de energía, transferido de un electrón al siguiente, construye la corriente eléctrica.

Velocidad de la corriente eléctrica

Puesto que los átomos están muy próximos uno de otros y las orbitas se superponen, el electrón liberado no tiene que ir muy lejos para encontrar una órbita muy lejos para encontrar una órbita nueva. El momento en el que entra a la nueva orbita, transfiere su energía al siguiente electrón, liberándolo. La acción es casi instantánea. Lo mismo ocurre con todos los electrones en movimiento, de manera que aunque cada electrón se mueve con relativa lentitud, el impulso de la energía eléctrica se transfiere a través de líneas de atamos a una velocidad muy grande: 300,000 kilómetros por segundo. Se considera que los electrones libres son portadores de corriente.

El circuito completo (cerrado)

Si se aplicara una carga negativa en un extremo del alambre, esta carga repelerá a los electrones libres del otro extremo