ELECTRICIDAD

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Los átomos tienen la misma cantidad de protones que de electrones. Sin embargo, los  electrones pueden desplazarse de un átomo a otro. El átomo que recibe electrones, tiene  carga negativa, y el átomo cede electrones, tiene carga positiva.  Existen dos formas en que puede manifestarse la electricidad: estática o dinámica,  también llamada corriente eléctrica.  La electricidad estática puede obtenerse simplemente por frotamiento o por inducción.  En cambio, para obtener corriente eléctrica se necesita una fuerza especial que permita  a los electrones escapar del átomo que los contiene y mantenerlos en movimiento. A  esta fuerza se la llama diferencia de potencial y se obtiene armando un circuito eléctrico  que recibe energía de un generador, una pila o una batería.

La electricidad es la rama de la física que describe e interpreta tanto los fenómenos relacionados con la distribución estática de las cargas eléctricas sobre los cuerpos, como en los fenómenos determinados por los movimientos de las propias cargas.

La electricidad es un fenómeno físico originado por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de las mismas.

Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos.

Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento relativos de las partículas con carga.

En lo que respecta a los efectos eléctricos, estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas.

La electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente, como los protones, que se repelen mutuamente, y de las partículas cargadas negativamente, como los electrones, que también se repelen mutuamente. En cambio, las partículas negativas y positivas se atraen entre sí. Este comportamiento puede resumirse diciendo que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se atraen .

La corriente eléctrica

¿Qué sucede si tomamos un conjunto de cargas eléctricas y las sometemos a una diferencia de potencial o de voltaje? Por lo discutido anteriormente, sabemos que se moverán en la dirección en que el valor de la diferencia de potencial sea mayor.

Por tanto, la única forma de mover cargas en el espacio es sometiéndolas a una diferencia de potencial, o, dicho de otra forma, permitiendo que estas sientan la presencia de un campo eléctrico. A su vez, cuando tenemos un conjunto de cargas moviéndose en el espacio, hablamos de que en ese lugar existe una corriente eléctrica.

El término “corriente” se refiere al transporte o movimiento de “algo” a través del espacio. Y en física se ocupa en forma análoga a como se utiliza en otras áreas de la ciencia. Por ejemplo, en ciertas regiones del océano observamos que hay grandes masas de agua moviéndose a través del mar. En tal caso, se habla de corrientes marinas. Cuando atravesamos un pasillo junto a un grupo de personas, podemos decir que en ese lugar existe una corriente de seres humanos. Análogamente, cuando hablamos de la corriente eléctrica nos referimos al movimiento de partículas cargadas a través de un medio o material.

Un material –por ejemplo, un sólido– está compuesto por átomos. A su vez, los átomos poseen electrones, que se encuentran orbitando en torno al núcleo del átomo. Pues bien, existen algunos electrones que no siempre se encuentran orbitando en torno a un mismo núcleo, sino que se van moviendo a través de los átomos del material. A estos electrones se les llama electrones libres o de conducción. Por lo tanto, las corrientes eléctricas se producen por el transporte y desplazamiento de los electrones libres o de conducción en un material que puede conducir electricidad.

Si un material posee electrones libres, entonces se dice que es un conductor eléctrico, ya que permite el paso de energía eléctrica. Es el caso de los metales, como el oro, la plata, el cobre, el aluminio y el hierro, así como distintas aleaciones metálicas, que son excelentes conductores y se emplean para realizar las partes activas de los circuitos eléctricos (ver infografía).

Por otra parte, si el material no posee electrones libres (es decir, no hay electrones que se puedan mover en el material), se dice que es un aislante eléctrico. Algunos de estos materiales son el aire, los plásticos, la goma, la porcelana y el vidrio. Se utilizan para proteger y aislar a las partes del circuito eléctrico por las que no se desea que circule la corriente eléctrica.

Modelo del “juego de las manzanas verdes”

Si sometemos un material conductor a una diferencia de potencial o voltaje, tendremos entonces que los electrones libres presentes en el material, al moverse, generarán una corriente eléctrica.

Para visualizar lo anterior, imaginemos un modelo simple. Supongamos que existe un gran grupo de personas sobre un campo de fútbol, jugando el juego de las “manzanas verdes”. Además, junto a ellas existen unos gigantescos cajones llenos de manzanas verdes. Pues bien, el juego de las “manzanas verdes” consiste en que cada individuo del grupo debe mantener, mientras dure el juego, una manzana verde en cada una de sus manos. Imaginemos que, de pronto, entra un niño travieso al campo de fútbol, y le quita, de una de las manos, una de las manzanas a un individuo del grupo que se encuentra en el extremo opuesto del campo al lugar donde están los cajones. Obviamente, como este individuo no desea perder el juego, le quitará una manzana a otro individuo que sea vecino suyo, quien, a su vez, le quitará una manzana a otro, y este a otro, y así sucesivamente, hasta llegar a los individuos que se encuentran al lado del cajón de manzanas, quienes directamente extraerán manzanas desde el cajón. Ahora bien, si el niño travieso decide juntar muchas manzanas, solo le bastará quitárselas a los individuos del grupo, lo que generará entonces una corriente de manzanas verdes que va desde el cajón hasta el niño travieso.

Existe otra forma de entender la corriente en el campo de fútbol. Si alguien en las graderías del estadio se fija solamente en las manos de los individuos, ¿qué observará? Si te fijas solo en las manos de los individuos, verás que existe una corriente de manos vacías a través del campo, la cual va desde el niño travieso hasta el cajón de manzanas.

Pensemos ahora acerca de cómo es el movimiento de las manzanas en el campo. Obviamente, no es lo mismo tomar una gran máquina –de esas que usan las empresas frutícolas– y transportar las manzanas a través del campo, desde los cajones hasta las manos del niño travieso, que transportarlas utilizando el “juego de las manzanas verdes”. Esto, pues el solo hecho de que cada manzana vaya pasando de individuo en individuo implica que el transporte es más lento. Además, entre tanta gente, muchas de las manzanas se caerán al suelo y jamás llegarán a manos del niño travieso. También puede suceder que, de tanto trabajar, muchos de los individuos comiencen a mascar algunas de las manzanas, por lo que estas no llegarán en óptimas condiciones al niño travieso, quien no se las comerá; es decir, serán manzanas perdidas para el niño.

Entonces, podemos afirmar que: en el juego de las manzanas verdes no se transportan o “conducen” tan bien las manzanas, a través del campo, como lo haría una máquina frutícola.

¿De qué nos sirve el modelo del “juego de las manzanas verdes”?... Nos permite entender lo que sucede cuando existe una corriente eléctrica en un medio que es conductor de la electricidad, o, dicho de otra forma, lo que sucede con partículas cargadas moviéndose al interior de un material conductor.

Un material conductor es como el campo de fútbol en el “juego de las manzanas”. A su vez, las manzanas son como partículas cargadas moviéndose en un conductor, y los individuos son como los átomos que componen dicho conductor. En base al modelo del “juego de las manzanas verdes”, ¿puedes imaginarte cómo es el proceso de conducción de partículas cargadas al interior de un material conductor?

 

Circuitos eléctricos . Conceptos básicos .         Conductor eléctrico.        Corriente eléctrica.     Intensidad de la corriente     Resistencia eléctrica.     Efectos de la corriente.     Generador de corriente.     Ley de Ohm.     Circuito de corriente continua.         Conductor eléctrico.    Es un cuerpo que , por su estructura , deja que los electrones se muevan por él con gran facilidad . Ej : los metales .     Un aislante se caracteriza por la escasa movilidad de las cargas citadas . Ej : El vidrio .     Para caracterizarlos hablaremos de conductividad y resistividad.    Corriente eléctrica .    En general , la corriente eléctrica no es más que el movimiento de cargas eléctricas debido a una diferencia de potencial .     En los conductores metálicos , es el movimiento ordenado de los electrones entre dos puntos con distinto potencial  ( de - a + ) .     En algunos semiconductores la corriente se debe al movimiento de cargas positivas y en los electrolitos y gases ionizados al de ambos tipos de cargas .     Intensidad de la corriente .    Es la cantidad de carga que pasa por la sección de un conductor, en una unidad de tiempo . I = DQ / Dt         Se mide en Amperios    Una corriente continua que transporta una carga eléctrica de un columbio en un segundo se dice que tiene una intensidad de 1 Amperio .     Si la intensidad es constante durante todo el tiempo , la corriente es continua , en caso contrario se llama variable . Si no se produce almacenamiento ni disminución de carga en ningún punto del conductor la corriente es estacionaria .     Se mide con un galvanómetro que , calibrado en Amperios , se llama - amperímetro - y en el circuito se coloca en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir .     Resistencia eléctrica .     Todos los conductores no dejan pasar la corriente eléctrica  con igual facilidad . Se llama resistencia eléctrica a la dificultad que presenta un conductor al paso de la corriente . Depende de varios factores : Naturaleza del material con el que está hecho el conductor . Su geometría .     Para conductores rectilíneos de sección uniforme : Resistencia = resistividad x longitud / sección R = r L/S Se mide en ohmios - W - .   Las resistencias se pueden asociar en Serie            R.equiv. = S R i   Paralelo        1/R.equiv. = S 1/R i         En la práctica , muchas resistencias son aparatos que transforman la energía  eléctrica en otra diferente . Ej : lavadoras , máquinilla de afeitar , plancha , hornillos etc...        Efectos de la corriente.    El más conocido es el efecto calorífico . De acuerdo con la ley de Joule , la energía calorífica que se desprende en un conductor de resistencia -R- , entre cuyos extremos hay una diferencia de potencial VA-V B , cuando durante un tiempo -t- circula una corriente de intensidad -I- ,                                           vale : Q = I2 . R . t    ( Julios )     Su potencia será la energía producida en una unidad de tiempo                                   P = Q / t = I2. R            ( J/s = watio)     Al pasar las cargas por la resistencia , su energía disminuye y aparece en forma de energía calorífica ; puesto que la energía de la corriente disminuye , para mantenerla es necesario suministrar la energía perdida y de ello se encarga el     Generador de corriente .    Es el aparato que establece y mantiene la diferencia de potencial entre dos puntos . Ej : Las pilas eléctricas , las dinamos ...     Pueden  generar corriente alterna o continua .     Se caracterizan por su Fuerza electromotriz - f.e.m.- que es la energía que le comunican a cada unidad de carga que los atraviesa .                     Energía / Carga --> Julio/Culombio = Voltio     Poseen una resistencia interna -ri- en la que se disipa energía .     Ley de Ohm.    Para un conductor  :          VA-V B = I . Rt Para un generador :          VA-V B = E - r. I                                      Para un circuito :               I = E / R + r                                  Ley de Ohm generalizada :           I = S E / S (R + r)     Circuito de corriente continua .     El conjunto formado por un generador de corriente y los conductores y resistencias que unen sus extremos es un circuito cerrado . Símbolos de los componentes  de un Circuito . Sus nombres Generador de corriente continua Interruptor   Resistencia Generador de corriente alterna   Nudo Voltímetro   Bombilla Amperímetro Toma de tierra Condensador Y su colocación    Generadores : Asociados en serie       oposición      paralelo     Resistencias en : serie      paralelo                    asociación mixta     Aparatos de medida :                                 Amperímetro : En serie con el conductor cuya intensidad se desea medir .                                 Voltímetro : Es un galvanómetro , con una gran resistencia conectada en serie y calibrado en Voltios . En el circuito , se coloca en paralelo con la rama que contiene los puntos entre los que se desea medir la diferencia de potencial .