La electricidad y el carácter eléctrico de la materia

 

Hablemos de la electricidad y el carácter eléctrico de la materia. Al frotar una barra de hule con un pedazo de lana, tanto la barra como la lana se electrizan o se cargan eléctricamente. Ahora, si dos barras de hule que se han frotado con lana se colocan una cerca de la otra, se observa una fuerza de repulsión entre las dos. Frotemos, a continuación, dos barras de vidrio con un pedazo de seda. Al ponerlas una cerca de la otra, observaremos otra vez una fuerza de repulsión entre las barras de vidrio. Pero si acercamos una de las barras de hule a una barra de vidrio, previamente electrizadas, veremos que existe ahora una fuerza de atracción.

La carga de todo cuerpo electrizado puede compararse con la de tales barras. Y decimos que cuando se repelen por la barra de hule cargada tienen una carga negativa. Y cuando se repelen por la barra de vidrio electrizada tienen una carga positiva. La elección del signo de la carga, es decir, los adjetivos de positiva y negativa son arbitrarios. La convención establecida es la que se adopta en toda la física.

Experimentalmente se encuentra que la carga eléctrica no puede crearse ni destruirse. Cuando se crea una carga positiva siempre se genera una carga negativa de igual magnitud. Esta es una de las leyes fundamentales de la física y recibe el nombre de ley de la conservación de la carga eléctrica.

Sabemos que la materia está formada por átomos, los cuales constan de un núcleo, que a su vez está formado por protones y neutrones, y de electrones. Los protones tienen una carga positiva y los electrones una carga negativa. Así, el núcleo de un átomo está cargado positivamente, y los electrones están ligados a los núcleos formando una especie de atmósfera alrededor de ellos. Cuando el átomo se encuentra en su estado normal, el número de protones es igual al número de electrones, por lo que es eléctricamente neutro.

El carácter eléctrico de la materia

Es, a veces, conveniente pensar que un átomo es una especie de sistema solar en miniatura: el núcleo toma el ellugar del sol,y los electrones el lugar de los planetas. Aunque esta imagen se encuentra muy alejada de la realidad. En un átomo con varios electrones, algunos están cerca del núcleo, y los otros se encuentran a distancias mayores. Así, por ejemplo, el átomo de sodio tiene 11 electrones, de los cuáles dos se encuentran muy cerca del núcleo, ocho a una distancia mayor y el último está más lejos todavía. Este último no está muy fuertemente ligado al átomo y se puede remover muy fácilmente.

Ver también: El electromagnetismo

En general, un átomo con varios electrones tendrá algunos que dificilmente pueden removerse, y algunos otros, aunque en menor número, que pueden desprenderse muy fácilmente. Por ejemplo, los átomos de litio y de sodio tienen electrones externos que se pueden remover muy fácilmente. Otros átomos, como el helio, el neón y el argón, tienen electrones externos que sólo difícilmente pueden removerse. Las propiedades químicas de los elementos están determinadas por sus electrones externos.

Se observa que los átomos o moléculas de algunas substancias fácilmente capturan electrones y otras los ceden. Se dice, entonces, que la afinidad electrónica de las primeras es mayor que la de las segundas. Al p oner en contacto dos substancias de distinta afinidad electrónica, la que la tenga mayor absorberá electrones de la otra. La primera quedará cargada negativamente y la segunda positivamente.

¿Qué opinas sobre la relación que existe entre la electricidad y el carácter eléctrico de la materia?

¿A qué velocidad viaja la electricidad en los cables de tu casa?

Cuando encendemos un aparato electrodoméstico en nuestras instalaciones eléctricas residenciales, algo llamado corriente eléctrica empieza a suceder. El aparato es atravesado por la corriente. La corriente es el movimiento de algo. ¿Qué tan rápido se mueve ese algo?

Dentro de los cables, ese algo se mueve muy, muy lentamente: tan lentamente como el minutero del reloj. La corriente eléctrica fluye como el almíbar. Incluso el almíbar se mueve rápido en comparación; por lo tanto, no es una buena analogía. Las cargas eléctricas fluyen tan lentamente como un río manso de "masilla". Y en los circuitos de AC (corriente alterna), después de todo tampoco se mueven, si no que oscilan en torno a un punto.

Sin embargo la energía eléctrica fluye rápido, porque los metales están llenos de esa "masilla": los electrones libres. Si tú empujas uno de ellos en un extremo, el electrón del otro extremo se moverá al instante. Por lo tanto la energía eléctrica sí fluye muy rápido, aunque la corriente eléctrica se desplace muy lentamente.

Dentro de los metales existe una sustancia que se puede mover. Esta sustancia tiene distintos nombres: mar de cargas, mar de electrones o nube electrónica. Además, el mar de electrones existe en todos los objetos metálicos, todo el tiempo, independientemente de si forman o no parte de un circuito eléctrico. Llamar "electricidad" a esta nube, puede conducir a confusiones, porque mucha gente llama "electricidad" a la energía; y los electrones, no son energía. Por lo tanto, será mejor llamarlo mar de electrones.

	Ver también: La corriente eléctrica

Imaginemos una linterna. Al encenderla, el mar de electrones circula por su circuito interno. Si la apagamos, dicho movimiento cesa. Recordar que aunque no exista tal movimiento, el mar de electrones no desparece del metal del circuito interno. Si añadimos una segunda bombilla en paralelo a la que tiene, y suponemos que las pilas pueden alimentarlas, por cada bombilla circula la misma corriente que antes. En total, circulará el doble de corriente y tendremos el doble de luz. Y lo más importante: ahora el mar de electrones circulará el doble de rápido.

La velocidad de las cargas es proporcional al valor de la corriente eléctrica (amperios). Pequeñas corrientes significan flujos de carga lentos, grandes corrientes, flujos rápidos. Si no existe corriente eléctrica, las cargas están en reposo, y por tanto, no existe flujo.

Además de la intensidad, otro factor que influirá en la velocidad es la sección del cable: a menor sección, mayor velocidad. Sucede lo mismo que el agua en los ríos: si un río se estrecha, el agua se mueve más rápido; y cuando se ensancha, disminuye su velocidad.

Y por último está la densidad del mar de electrones. Si tenemos dos cables con el mismo diámetro, uno de cobre y otro de aluminio, las cargas fluyen más lentamente en el de cobre. Esto se debe a que el mar de electrones es más denso en el cobre. En el aluminio, al ser menos denso, los electrones podrán moverse con más libertad, y su velocidad aumentará.

En el siguiente vídeo, publicado originalmente en el canal de YouTube de oso27, nos comentan a qué velocidad viaja la electricidad en el interior de los conductores eléctricos.

La corriente eléctrica

Ya sabemos que la corriente eléctrica es generada por el movimiento de los electrones libres dentro de un cuerpo, que saltan de la banda de conducción de un átomo a otro cuando se les aplica energía (calor, luz o electricidad). Ahora verás cómo ocurre este fenómeno y sus consecuencias.
Imagina un cable de cobre al que se le aplica una carga negativa en un extremo y una positiva en el otro.

Todos los electrones libres del cobre serán repelidos por la carga negativa porque las cargas iguales se repelen; y más importante aún: serán atraídos por la carga positiva, porque cargas contrarias se atraen. Como consecuencia, los electrones libres comenzarán a moverse en una misma dirección y todos al mismo tiempo.

Ver también: ¿Qué es la valencia de un átomo?

Al movimiento continuo de electrones desde la carga negativa hacia la carga positiva se le conoce como flujo de corriente, y la corriente eléctrica siempre fluye en la misma dirección: desde el punto donde existe un exceso de electrones (-) hacia el punto donde hay escasez de los mismos (+). Dado que el flujo de corriente está determinado por la cantidad de electrones libres en movimiento, se mide con la unidad coulomb (C). Como recordarás, un coulomb equivale aproximadamente a 6.28 trillones de electrones libres; con esa base decimos que un coulomb que pasa por un punto fijo cada segundo equivale a un amperio (representado por la letra A), y esta relación la expresamos con una sencilla fórmula: 1C/s = 1A.

No es importante calcular la cantidad exacta de electrones que corren por un cuerpo. Lo importante es comprender que el flujo de corriente eléctrica se mide en amperios o bien, que el amperio es la unidad de medida de la corriente eléctrica, y un amperio representa la cantidad de electrones pasen por un punto dado cada segundo, mayor será el amperaje y viceversa. Finalmente, el flujo de corriente (o corriente para abreviar), también se le conoce como Intensidad, y se representa en diagramas y fórmulas con la letra i mayúscula (I).

¿Qué es la "banda de conducción" de un átomo?

Los electrones giran alrededor del núcleo en diferentes órbitas (cuyo nombre correcto es niveles energéticos). En cada nivel, los electrones se alejan más del núcleo y la fuerza de atracción disminuye. Como es lógico, en el último nivel energético la atracción del núcleo sobre los electrones es más débil.

A este último nivel se le conoce como banda de conducción y los electrones que se encuentran en ella reciben el nombre de electrones libres, porque pueden saltar de dicha banda y desplazarse de un átomo a otro dentro del cuerpo que los contiene. Este fenómeno ocurre cuando el átomo es excitado por medio de calor, luz o electricidad, de manera que algunos de sus electrones absorben energía en exceso y eso provoca el salto.

El movimiento de electrones libres es lo que crea la corriente eléctrica, pues al saltar de la banda de conducción liberan un poco de su energía negativa, que vuelven a recuperar cuando llegan al siguiente átomo. El proceso se repite millones y millones de veces. Entre más electrones vaguen libremente por el cuerpo que los contiene, mayor será la energía que se genere.

Ver también: Corriente eléctrica.

Movimiento de electrones libres

Este proceso no es desorganizado, de hecho está regulado de manera natural por la estructura misma de los átomos. Tal mecanismo regulador es llamado regla de octetos y consiste en lo siguiente:

En todo átomo, la última órbita (banda de conducción) admite un máximo de ocho electrones para completar su estructura y todos los átomos tienden a llenarla. Los átomos que tienen entre uno y tres electrones en la última órbita tienden a cederlos a otros que los requieran para completar el octeto (ocho electrones).

La exactitud del funcionamiento de la banda de conducción y la regla del octeto son fundamentales para comprender la generación de la corriente eléctrica que circula por nuestras instalaciones eléctricas residenciales.

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Conductores, semiconductores y aislantes

Anteriormente mencionamos la estructura del átomo y las partículas que lo componen. Los protones se encuentra en el núcleo del átomo que es su parte central, tienen carga eléctrica positiva y son muy difíciles de separar del átomo, y aunque son mucho más pequeños que un electrón, son 1840 veces más pesados.

Los electrones se encuentra girando en órbitas alrededor del núcleo del átomo, su carga eléctricas es negativa y como son mucho más ligeros que los protones, se mueven con relativa facilidad.

En cada átomo existen un número de electrones dependiendo del elemento que se trate, pero los electrones que giran en órbitas más cercanas al núcleo tienen menos energía que los que se encuentran más alejados, de esta manera, si transmitimos energía a su átomo, un electrón abandonará su órbita original para colocarse en la inmediata superior, pero si se transmite energía suficiente, podemos hacer que el electrón más alejado del núcleo se salga de su órbita y se separa del átomo al que estaba ligado. Éste electron que logra desprenderse del átomo recibe el nombre de électron libre.

Ver tambien: La electricidad y el átomo

La capa de electrones que se encuentra más alejada del núcleo puede contener hasta ocho electrones y cuando aplicamos energía a un átomo, esta se reparte entre todos ellos; por eso, dependiendo de la cantidad de electrones que tengan en su última órbita los átomos de un material, los podemos clasificar en conductores, semiconductores o aislantes.

Los materiales conductores son aquellos cuyos átomos tienen menos de 4 electrones en la última capa. Los que tienen 1 electrón (el electrón libre) son los mejores conductores, un ejemplo son el oro, la plata y el cobre.

Los materiales semiconductores son los que tienen en su útima órbita exáctamente la mitad de los que puede contener, o sea 4 electrones. Por esta caracteristica podemos decir que conducen la electricidad mejor que los materiales aislantes, pero no tan bien como los materiales conductores. Ejemplos de materiales semiconductores son el silicio, el selenio y el germanio.

Los materiales aislantes son los que tienen desde 5 hasta 8 electrones en su última capa, por lo que no será fácil liberarlos de ésta ya que la energía que se le aplique se distribuirá entre todos ellos. Los mejores aislantes son los materiales compuestos que tienden a formar moléculas estables, es decir, con ocho electrones en su útima capa y aunque no existe un aislante perfecto, estos materieles tienden a no liberar electrones cuando se les aplica energía. Algunos ejemplos son el vidrio, el hule, la cerámica y los plásticos.

En terminos sencillos, la electricidad no es otra cosa que electrones libres en movimiento. Así, cuando estos se mueven entre los átomos de la materia, se crea una corriente eléctrica. Es lo que sucede en los cables que llevan la electricidad hasta nuestros hogares: a través de ellos van pasando los electrones libres, y lo hacen casi a la velocidad de la luz.

Sin embargo, es conveniente saber que la electricidad fluye mejor en algunos materiales que en otros. Por ejemplo, la resistencia que un cable ofrece al paso de la corriente eléctrica depende y se mide por su grosor, longitud, metal de que está hecho y temperatura de operación. A menor resistencia del cable, mejor será la conducción de la electricidad en el mismo. El oro, la plata y el cobre son excelentes conductores eléctricos. Los dos primeros resultarían demasiado caros para ser utilizados en los millones de kilómetros de líneas eléctricas que existen en el planeta; de ahí que el cobre sea más que cualquier otro metal en las instalaciones eléctricas residenciales.

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La estructura del átomo

Como hemos visto anteriormente, los átomos son esas partículas diminutas, indivisibles e inalterables, de que están formados los elementos existentes en la naturaleza.

Se han desarrollado muchos  modelos de la estructura del átomo para poder estudiarlo, algunos muy simples, otros muy complejos. Como electricistas, no necesitamos conocer los modelos más complejos de la estructura del átomo para entender el comportamiento de la electricidad en las instalaciones eléctricas residenciales. Vamos a analizar el modelo propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, ya que es uno de los modelos más sencillos de entender, pues compara la estructura del átomo con la del sistema solar.

Según este modelo, los átomos tienen una forma similar a la del sistema solar, con unas partículas alojadas en un centro llamado Núcleo, y otras partículas girando en trayectorias cerradas alrededor del núcleo llamadas Órbitas.

El núcleo está formado por varías partículas, pero las que nos interesan reciben el nombre de protones, a las cuales se les ha asignado un valor positivo, también llamado carga positiva.

A diferencia del sistema solar, donde el sol, ubicado en el centro del sistema, es el astro más grande, las partículas en el núcleo del átomo son mucho más pequeñas que aquellas girando en las órbitas; sin embargo, estas partículas concentran la mayor parte del peso del átomo. Es decir, los protones son las partículas más pequeñas del átomo, pero también son las más pesadas. Podríamos compararlas con pequeñas canicas, con tanto peso que se pegan entre sí, como si estuvieran unidas con “Kola-loka”. Esto evita que se muevan, de hecho, los protones siempre permanecen en su sitio.

La cantidad de protones en el núcleo de un átomo recibe el nombre de número atómico. Este número le otorga a cada átomo su identidad química. Un átomo con un protón es un átomo de hidrógeno, uno con dos protones es helio, con tres protones litio y así sucesivamente siguiendo la escala. También define su ubicación en la llamada tabla periódica de los elementos. Por ejemplo, el cobre tiene 29 protones en el núcleo, y ocupa el lugar número 29 en la tabla periódica.

Ver también: La materia y el átomo

En las órbitas se encuentran las partículas llamadas electrones, a las cuales se les ha asignado el valor o carga negativa. A pesar de ser partículas relativamente grandes, comparadas con los protones, también son las más ligeras; podríamos compararlas con enormes burbujas de jabón, con tan poquito peso, que pueden girar fácilmente alrededor del núcleo.

Un átomo en su estado natural es neutro y tiene un número igual de electrones y protones. Sin embargo, cada órbita puede contener un cierto número máximo de electrones: la primera órbita puede contener hasta 2 electrones, la segunda hasta 8 electrones, la tercera puede tener hasta 18 electrones, la cuarta hasta 32 electrones, la quinta hasta 50 electrones, la sexta hasta 72 electrones y la séptima hasta 98 electrones.  

Los átomos tienen la tendencia a completar sus últimas órbitas con una cantidad de 8 electrones. Esta propiedad es conocida como la regla del octeto. En estos casos, los electrones de la última capa literalmente hacen una “valla” alrededor del átomo e impiden que cualquier fuerza externa que se llegue a presentar los desprenda de su órbita. Cuando algunos átomos se combinan comparten las órbitas externas dando lugar a una especie de órbita común; si esta órbita común adquiere la configuración de 8 electrones, las molécula resultantes reciben el nombre de aislantes. 

Átomo de neón, con diez protones en el núcleo y diez electrones en las órbitas. La última órbita contiene ocho electrones haciéndolo un elemento muy estable.

Cuando existe un solo electrón en la última órbita, este puede desprenderse más fácilmente del átomo, por eso se le llama electrón libre. Si se manifiesta una fuerza que logre arrancar a los electrones libres de sus órbitas y hacer que se desplacen hacia otros átomos, entonces se produce la carga eléctrica de un cuerpo. Podemos decir que la electricidad está hecha de electrones libres. Los materiales que presentan electrones libres se llaman conductores.

Átomo de sodio, con electrón libre en la última órbita

Si queremos controlar a la electricidad, primero debemos poder medirla. Como la electricidad está hecha de electrones libres, la unidad elemental para medir carga eléctrica es el electrón libre. ¿Te imaginas cuantos electrones libres hay por ejemplo en un pedazo de alambre de cobre? Sería imposible de contar ya que el electrón libre es una es una unidad muy pequeña; sería casi como contar la cantidad de arena de una playa grano por grano. Sin embargo, cuando necesitamos contar  cantidades de partículas pequeñas (por ejemplo el arroz, el frijol, el maíz o la arena misma) se utilizan "paquetes" (bolsas o cajas) que aunque se miden por volumen, suponemos que pueden contener aproximadamente la misma cantidad de partículas. Por ejemplo, se calcula que en una bolsa con un kilogramo de arroz hay aproximadamente unos 30000 granos. De forma similar, el el sistema internacional de unidades, para medir la carga eléctrica se utiliza una unidad llamada Coulomb (en honor al físico francés Charles Coulomb). Esta unidad equivale a tener agrupados unos 6 billones de billones de electrones libres.

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