Prof. Sebastián de los Angeles

La Electricidad

• La electricidad es un fenómeno muy amplio y abarca la gama de interacciones que se dan entre los átomos y entre las partículas sub-atómicas, en especial los electrones.

Los Electrones • Los electrones son partículas sub-atómicas cargadas

que orbitan el núcleo de los átomos.

• La interacción y el movimiento de los electrones genera la mayor parte de los fenómenos físicos relacionados con la electricidad.

Por otra parte, en el núcleo de los átomos están los protones y los neutrones.

Los neutrones no tienen carga eléctrica, así que son eléctricamente neutros.

Los protones en cambio, tienen la misma carga eléctrica que un electrón pero con

signo opuesto. Por lo general un átomo tiene la misma

cantidad de electrones y protones.

Los Electrones y Los Protones

p+ e-

Entre los dos, los electrones y los protones deciden la carga eléctrica de un material, ya que los dos tienen la misma carga pero

con signo opuesto: los electrones tienen carga negativa y los protones carga positiva

Entre los dos, los electrones y los protones deciden la carga eléctrica de un material, ya que los dos tienen la misma carga

pero con signo opuesto: los electrones tienen carga negativa y los protones carga positiva

Ambos son llamados cargas elementales

Sin embargo los electrones son mucho más pequeños que los protones: un electrón tiene una masa 1836 veces menor que la de un protón.

Es más o menos la diferencia de masa que existe entre una pelota de ping-pong y una bola de boliche

La carga eléctrica de un objeto depende de la cantidad de electrones presente en el mismo. Lo “normal” es que esta cantidad sea igual a la cantidad de protones, por lo que la carga eléctrica del objeto sería neutra.

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...

Pero si tiene menos electrones que protones su carga eléctrica sería positiva. Por otra parte, si pasa al revés, si tiene más electrones que protones su carga eléctrica sería negativa

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Este cambio en la cantidad de cargas elementales puede suceder, por ejemplo, al frotar un objeto con otro, lo cual provoca un desprendimiento de electrones en uno de los objetos.

Esta diferencia de cargas se mantendrá sólo si el objeto permanece aislado, si entra en contacto con otro objeto, las cargas se moverán entre los mismos para re-establecer el equilibrio.

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Esta descarga puede ser gradual, por mero contacto con el aire, o explosiva, como se puede experimentar al sentir los “estallidos” que suceden al sacarse una prenda de lana.

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Si la acumulación de cargas es lo suficientemente grande, puede que no sea necesario que los objetos entren en contacto, y las cargas se precipiten hacia el otro objeto en una descarga que muchas veces es visible.

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Un ejemplo de esto son los rayos que observamos en las tormentas eléctricas.

Un cuerpo con carga eléctrica positiva o negativa provoca un efecto en los cuerpos que lo rodean, en especial si también están cargados.

Ese efecto es lo que llamamos Campo Eléctrico

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+ - -

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Los objetos dentro del campo eléctrico experimentan una fuerza que depende de la cantidad de carga eléctrica y la distancia: • los objetos con carga de signo opuesto se atraen • los objetos con carga de igual signo se repelen

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Ahora bien, el campo eléctrico es un fenómeno propio de cargas estáticas, cargas “quietas”.

Si las cargas están en movimiento, entonces nos encontramos con una gama de fenómenos mucho mas amplia.

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Este movimiento puede ser de dos formas:

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1) Un cambio en la posición del electrón en su trayectoria alrededor del núcleo.

2) Un flujo de electrones a lo largo de un material conductor.

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La primera forma de movimiento es el origen de las diferentes formas de radiación electromagnética: la luz, el calor, las ondas de radio y los rayos ultravioletas son diferentes tipos de radiación electromagnética.

+ +

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En primer lugar el electrón recibe energía extra de una fuente externa, esto provoca que el electrón se mueva más rápidamente y a mayor distancia del núcleo.

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El electrón no permanece en esa posición mucho tiempo, sino que muy pronto vuelve a su posición original y entonces expulsa esa energía extra en forma de radiación electromagnética. La potencia de esa radiación depende de cuán lejos estuvo el electrón de su posición original, cuanto más lejos, mayor potencia.

Algunos fenómenos relacionados con este tipo de movimiento:

La Luz

El Calor

Las Ondas de Radio

ETC…

La segunda forma de movimiento de los electrones es propia de los metales. En esta forma de movimiento, la energía aplicada a los electrones provoca que estos se muevan a lo largo de un material conductor formando un flujo que llamamos Corriente Eléctrica

Imagen obtenida con un microscopio de efecto túnel

que muestra los átomos individuales de una placa de oro.

Los metales tienen la particularidad de estar formados por átomos inmersos en un “mar” de electrones con mucha movilidad. Esa característica es la que hace posible la conductividad eléctrica de los metales, ya que los electrones “saltan” de un átomo a otro con mucha facilidad, por lo que formar la corriente eléctrica requiere muy poca energía.

La corriente eléctrica provoca varios fenómenos muy interesantes para la tecnología:

La Resistencia Eléctrica

El Electromagnetismo

La Inducción Electromagnética

entre otros…

Se debe a que los electrones que viajan impulsados por la corriente eléctrica chocan con otros electrones que no se han “movido” de sus posiciones originales. Esto retrasa el movimiento de la corriente eléctrica.

La Resistencia Eléctrica es una característica de cada material, y es la resistencia que ofrece el material al pasaje de corriente eléctrica por su interior.

Como consecuencia de estos choques, los electrones involucrados sufren una aceleración y la energía extra se desprende principalmente en forma de calor.

Este calor puede llegar a ser tan elevado que el material termina

derritiéndose. Esta propiedad es la que usan los fusibles, ya que es posible calcular con exactitud la cantidad de corriente eléctrica

necesaria para que un cierto trozo de material se derrita.

Aparte de desplazarse, los electrones también giran sobre si mismos, esto provoca que el campo eléctrico que generan alrededor de ellos también gire.

Cuando varios electrones cercanos giran de igual forma, esto provoca que estos campos giratorios se combinen y formen un campo mayor. A grandes rasgos este es el origen del fenómeno del magnetismo.

Por lo tanto, observaremos el mismo fenómeno en un material conductor que este siendo atravesado por una corriente eléctrica: los electrones viajando en su interior están moviéndose de la misma forma, en la misma dirección, combinando sus campos y generando un campo magnético alrededor del conductor. Este fenómeno es el electromagnetismo.

Un material conductor, al ser expuesto a un campo magnético de intensidad variable, experimenta que sus electrones comienzan a moverse, formando una corriente eléctrica. Este fenómeno es llamado Inducción Electromagnética.

No solo los campos magnéticos provocan corrientes eléctricas por inducción. Las ondas de radio y otras formas de radiación electromagnética también son capaces de generar corrientes eléctricas de este tipo. La radio, las células fotoeléctricas, los transformadores y otros dispositivos, basan su funcionamiento en este fenómeno.

Magnitudes de Medida Eléctrica 1. Intensidad

La intensidad mide la cantidad de cargas eléctricas que atraviesan

un material en un tiempo determinado. Se mide en Amperios,

unidad nombrada en honor a André-Marie Ampère, formulador de una

de las primeras teorías sobre el electromagnetismo.

Magnitudes de Medida Eléctrica 2. Voltaje

El voltaje mide la diferencia de potencial eléctrico entre dos

puntos y básicamente representa la diferencia en la cantidad de

cargas eléctricas entre esos dos puntos. Se mide en Voltios, unidad

nombrada en honor a Alessandro Volta, inventor de la primera batería

química.

Magnitudes de Medida Eléctrica 3. Resistencia

La resistencia mide la resistencia al pasaje de corriente eléctrica

de un determinado material. Se mide en Ohmios, unidad

nombrada en honor a Georg Simon Ohm , quien redactó la ley que lleva

su nombre (ley de Ohm) y que relaciona estas tres magnitudes

fundamentales.