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?

Átomo, materia y energía

Para comprender el funcionamiento de la electricidad que circula en nuestras instalaciones eléctricas residenciales, es indispensable estudiar la naturaleza del átomo. Seguramente has visto en algún lugar la famosa ecuación de Albert Einstein E=mc². Significa que la cantidad de energía (E) que contiene un objeto cualquiera es igual a su masa (m) multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c²); la velocidad de la luz en el vacío es de 300 mil km por segundo.

La ecuación de Einstein tiene muchas implicaciones de gran importancia para la ciencia que no es posible abordar aquí; lo importante para nuestra materia es que la ecuación demuestra sin lugar a duda lo siguiente:

1. Incluso los objetos más pequeños contienen una gran cantidad de energía.
2. La materia y la energía son dos caras de la misma moneda, o bien; son dos manifestaciones del mismo fenómeno y ambas están relacionadas con el átomo.

Actualmente sabemos con certeza que el átomo está integrado por dos partes fundamentales: un núcleo, circundado por una nube de electrones que traza órbitas muy precisas alrededor del primero.

Ver también: La material y el átomo. 

El núcleo es  la parte más pesada del átomo; está constituido por dos diminutas partículas llamadas protones y neutrones. El electrón es mucho más ligero con relación la núcleo.

El átomo es la parte fundamental de toda la materia y energía del Universo. Todo lo que conocemos está hecho de estas diminutas partículas. Los átomos individuales reciben el nombre de elementos químicos, y tienden a combinarse entre sí de manera natural para formar estructuras más complejas llamadas moléculas. Por ejemplo, un átomo de oxígeno que se combina con dos de hidrógeno forman una molécula de agua, y una gota de agua contiene millones de moléculas. A su vez, las moléculas se combinan entre sí para dar forma a estructuras más complejas, incluyendo a todos los seres vivos y objetos inanimados.

Cabe preguntarnos: ¿cómo se mantienen unidas estas tres partículas (protones, electrones y neutrones)?¿Por qué no salen disparados los electrones? ¿Por qué no se desintegra el núcleo del átomo?

La respuesta es sencilla: porque están cargados de energía, como lo indica la fórmula de Einstein. La escencia de este fenómeno radica en que son cargas de energía contrarias, pero en equilibrio: los electrones tienen una carga predominante negativa, los protones positiva y en los neutrones no predomina ninguna, por eso se dice que son neutros. Ambas cargas energéticas reciben el nombre de cargas electrostáticas y la fuerza que une a las tres partículas se conoce como fuerza atómica.

Las cargas electrostáticas son el principio básico de la electricidad: su naturaleza, funcionamiento y control. De hecho, la electricidad es un fenómeno natural que sucede cuando los electrones se mueven libremente por el espacio. Un rayo, por ejemplo, es una fuerte descarga eléctrica natural que se mueve libremente a través del aire. El estudio de la electricidad consiste en aprender las técnicas para generar, transmitir, controlar y transformar esta poderosa fuerza natural.

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Organización del átomo

La material está formada por átomos. Un átomo es un conjunto de partículas eléctricamente neutro, en el que se distingue el núcleo central y la región periférica.

Considerado como esfera, tiene un radio entre 1 y 2 angstroms, es decir, entre 0.1 y 0.2 namómetros.

El núcleo contiene varias partículas subatómicas entre las que sobresalen los protones y los neutrones. Ambos constituyen los nucleones. El protón tiene carga eléctrica positiva. El neutrón no tiene carga. La masa del protón es 1.6×10⁻²⁷ kg, igual a la del neutrón. La masa total del átomo es la suma de protones y neutrones.

El número de protones se conoce como número atómico, y es utilizado para clasificar los distintos átomos.

Ver también: La materia tiene carga eléctrica.

La periferia está compuesta por los electrones con carga eléctrica negativa y que giran al rededor del núcleo en órbitas. La masa total del electrón es de 9.1×10⁻³¹ kg. Como el átomo es eléctricamente neutro, debe haber en la periferia tantos electrones como protones tiene el núcleo.

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5 hipótesis sobre la estructura de la materia

El hombre en su afán de conocer el mundo, ha elaborado a lo largo de la historia numerosas hipótesis sobre la estructura de la materia que en síntesis son las siguientes:

1. Demócrito afirmába que la materia toda está formada por diminutas partículas que no podemos ver. Dichas partículas no pueden reducirse más y se llaman átomos (del griego: indivisible).
   
2. Aristóteles decía que las miles de cosas existentes en la tierra deben ser combinaciones de ciertos elementos básicos: aire, fuego, tierra y agua. Cada elemento cuenta con dos propiedades. Así por ejemplo el agua es fría y húmeda, el fuego es seco y caliente, etc.
   
3. Los alquimistas, en los siglos siguientes, se esforzaron por descubrir una combinación de elementos que produjese oro.
   
4. John Dalton en 1808 declaró que "con los conocimientos de química que poseemos no podemos transformar en oro otros elementos, porque el oro es uno de los elementos básicos y los átomos propios de cada elemento son distintos de los átomos de los demás elementos".
   
5. Niels Bohr en 1913 expuso la teoría: "un átomo es como un sistema solar en miniatura, en el que los electrones (planetas) giran al rededor de un núcleo (sol).
   

Ver también: La materia tiene carga eléctrica.

Actualmente sabemos que la materia está compuesta de átomos de diferentes clases, los cuales tienen una estructura algo más compleja que un sistema solar, sin embargo, para explicar de forma sencilla cómo se comporta la electricidad en nuestras instalaciones electricas residenciales, se aceptan las ideas de Bohr.

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La ley de Charles Coulomb

Charles-Agustín de Coulomb fue un físico e ingeniero francés del siglo XVIII. En su honor, la unidad de medida de los electrones lleva su nombre: coulomb que se simboliza con la letra C. Dado que el electrón es una partícula extremadamente pequeña no es posible medirlo por unidad (uno por uno) por lo cual, el coulomb representa un enorme conjunto de electrones: un coulomb equivale a 6.28 trillones de electrones.

En el átomo, las cargas electromagnéticas corresponden a partículas específicas: protones, positiva (+) y electrones, negativa (-).

Ver tambíén: La material tiene carga eléctrica.

Si el átomo está constituido por un núcleo de carga positiva predominante (protones), rodeado de una nube de electrones con carga negativa, y los objetos con cargas distintas se atraen, entonces ¿por qué los electrones no se precipitan sobre el núcleo?

La explicación es sencilla: sus fuerzas electrostáticas están en equilibrio, como lo explica la Ley de Coulomb, que establece: "La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos con cargas electrostáticas es proporcional a la intensidad de la carga presente en cada uno de ellos, dividida por el cuadrado de la distancia que los separa".

En cargas contrarias significa que mientras mayor sea la magnitud de cada una, mayor será la fuerza de atracción entre ellas y mientras más cerca esté una de otra, la atracción se incrementará. Lo mismo aplica a cargas iguales, pero con repulsión.

Dentro del átomo, por cada protón en el núcleo existe un electrón en la nube circundante, de tal manera que el total de sus cargas se anula, es decir, queda en equilibrio.

Por ejemplo, el átomo de Boro tiene en su núcleo 5 protones (+5) y es circundado por 5 electrones (-5), de modo que 5-5=0, es decir, no predomina ninguna carga electromagnética y el átomo está en equilibrio. Además, la distancia a la que se encuentran las órbitas de los electrones es la exacta para permitir la estabilidad.

En el estudio de la electricidad y las instalaciones eléctricas residenciales es fundamental conocer la Ley de Coulomb, ya que explica cómo se genera la corriente eléctrica como consecuencia de la distancia entre los electrones de la última órbita y el núcleo.

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La energía eléctrica, la materia y la energía

Para comprender el funcionamiento de las instalaciones eléctricas residenciales debemos comprender a la electricidad. Sabemos que la electricidad es energía, energía eléctrica, así como también son energía la luz (energía luminosa), el calor (energía calorífica), el sonido (energía sonora) y el movimiento (energía mecánica). Pero la energía eléctrica como tal no nos sirve para nada. Se vuelve útil hasta que entra a los aparatos electrodomésticos y en ellos se transforma en esos otros tipos de energía (luz, calor, sonido, movimiento) que nos proporcionan comodidades.

Entonces, para comprender la electricidad debemos comprender a la energía. Pero la energía es imposible de ver o tocar. Por ejemplo, nadie puede agarrar con las manos el sonido, doblarlo y meterlo en el bolsillo, ya que la energía es en sí invisible. Sin embargo podemos percibirla a través de su acción sobre la materia. Por lo tanto, para conocer, comprender y controlar a la energía, tenemos que comprender primero a la materia.

Ver también: 6 tipos de energías renovables

Se dice que la materia es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio, se puede presentar en diferentes estados en la naturaleza (sólido, líquido, gaseoso) y puede manifestar varias propiedades físicas. Por ejemplo, tomemos una galleta de chocolate. Esta galleta tiene una serie de propiedades físicas (color, olor, sabor, textura, temperatura) que la hacen única y diferente de las demás galletas. Si la partimos a la mitad, cada parte seguirá teniendo las mismas propiedades. Si la partimos nuevamente, cada porción habrá cambiando en tamaño, pero seguirá conservando las mismas propiedades físicas. Si seguimos partiendo la galleta podríamos llegar a obtener la partícula más pequeña, casi imperceptible, que todavía conserve todas las propiedades físicas de la galleta original. Esta última partícula que conserva todas las propiedades físicas de la materia original reciben el nombre de molécula. Existen moléculas famosas, como la del agua (H₂O, una mezcla de hidrógeno y oxígeno) o la de la sal (NaCl, o cloruro de sodio).

Como podemos observar con los ejemplos del agua y la sal, las moléculas están formadas por la unión de otras partículas más pequeñas. En el caso del agua tenemos  las del hidrógeno y el oxígeno, y en el caso de la sal tenemos las del cloro y el sodio). Estos "ingredientes básicos" reciben el nombre de elementos químicos. A diferencia de las moléculas, que están formadas por la unión de partículas diferentes, los elementos químicos son un tipo de materia constituida por partículas de la misma clase, todas iguales.

Antiguamente se pensaba que las partículas que formaban a los elementos era indivisibles, por eso recibieron el nombre de átomos (del griego ἄτομον o "átomon", que significa "sin división"). Como las moléculas que forman la materia están hechas de átomos, podemos concluir que toda la materia en el universo está hechas de átomos. Por lo tanto, para comprender a la electricidad, debemos comprender a los átomos.

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