UNIDAD 3: PRINCPIOS DE ELECTRICIDAD

UNIDAD 3: PRINCPIOS DE ELECTRICIDAD.
¿Qué ocurre en un cable eléctrico cuando encendemos un foco?... Hasta ahora se sabe que dentro de un
cable eléctrico se genera un flujo de electrones o cargas eléctricas. Estos electrones, como ya se ha
estudiado, son las partículas atómicas que giran en torno del núcleo del átomo. Estos electrones a veces
fluyen en forma directa (sin variar el sentido); pero a veces alternan el sentido. La intensidad de la
corriente, que se debe al flujo de electrones, se mide en amperios. Un amperio corresponde al paso de
unos 6 250 000 000 000 000 000 electrones por segundo por una sección determinada del circuito (la ruta
de la corriente, el cable). Otra magnitud es la resistencia del circuito. ¿Cómo podemos detectar si por un
cable se efectúa un flujo de electrones? Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable, éste se
calienta. Si el flujo de electrones sigue aumentando, el cable puede calentarse hasta fundirse. De esta
manera se han producido muchos incendios en nuestro país. Para evitarlo se usan los llamados fusibles.
Estos fusibles poseen una banda de metal que se funde a determinada temperatura, cortando así el flujo
eléctrico en el circuito. También el flujo de electrones se puede detectar mediante una brújula; esta
brújula, colocada cerca del cable, se desvía al detectar el flujo, apuntando en dirección perpendicular al
cable. Esto significa que se genera un campo magnético. Pero ¿cómo se mueven los electrones?,
¿fluyen con la misma facilidad en un cable de oro que en uno de cobre?, ¿qué es el magnetismo?...
Preguntas como estas intentaremos responder en el transcurso de esta unidad.
1.1 Las cargas eléctricas y su movimiento
Las cargas eléctricas. El átomo posee dos partículas con carga eléctrica: el electrón y el protón. Los
electrones poseen carga negativa, mientras que los protones poseen carga positiva. Tanto los electrones
como los protones son cargas eléctricas. En un átomo, el número de electrones es igual al número de
protones, y como la magnitud de la carga es la misma, el átomo resulta eléctricamente neutro. Se
considera la carga elemental igual a la carga del electrón, y se designa así –e; de manera que la carga
del protón es +e. La unidad con que se mide la carga eléctrica es el culombio (C). La magnitud de la
-19
carga de un electrón (o protón) es de 1.6 X10
C; y toda carga eléctrica siempre es múltiplo de esta
cantidad. Así por ejemplo, si después de frotar una sustancia, ésta pierde o gana un millón de electrones,
-19
-13
6
la carga total será de 1X10 (1.6 X10
C) = 1.6 X10 C. La carga será positiva si ha perdido electrones
(corriente positiva), y negativa si los ha ganado (corriente negativa). Debe quedar claro que sólo los
electrones se desplazan, los protones permanecen siempre en el núcleo del átomo. La intensidad de la
corriente depende del número de electrones que pasan por segundo por una sección determinada del
circuito. Por ejemplo, si la intensidad es de 1 amperio, significa que pasan 6 250000 000000 000 000
18
electrones por segundo por una sección determinada del circuito. Es decir, una carga de 6.25X10
-19
18
(1.6 X10
C) = 1 C. (es decir que 1 C es la carga de 6.25X10 electrones)
Las cargas de igual signo se repelen, mientras que las cargas contrarias se atraen. Esto
significa que el electrón y el protón se atraen; mientras que dos electrones o dos
protones se repelen. Sin embargo parece que en un átomo electrones y protones
permanecen sin alterarse, sin atraerse. Esto se debe a fuerzas muy grandes (más
grandes que las fuerzas eléctricas) llamadas fuerzas atómicas.
Movimiento de los electrones. La corriente eléctrica (aclaremos que no es un vector)
se transporta cuando los electrones fluyen por un sólido (los protones no fluyen). En
algunos materiales los electrones se liberan con facilidad y fluyen; pero en otros
materiales esto no ocurre u ocurre muy poco. Los materiales en los que los electrones
fluyen con facilidad se denominan conductores. El cobre y la plata, y en general los
metales, son buenos conductores. Los materiales en los que los electrones están fuertemente ligados a
los átomos, de manera que no se liberan para fluir, se conocen como aislantes, no conductores o
dieléctricos. Son aislantes el vidrio, la madera seca, las telas y el plástico. Ahora ya sabes por qué los
cables del tendido eléctrico se cubren con plástico.
No existen los conductores perfectos. Es decir, sustancias que ofrezcan cero resistencia al paso de la
corriente. De igual manera, no existen los aislantes perfectos. Sin embargo, a temperaturas muy bajas,
cercanas a al cero absoluto, la mayoría de los materiales pierden su resistencia. Este fenómeno se
conoce como superconductividad.
Algunos materiales no son conductores ni aislantes, por lo que se les llama semiconductores. Son
materiales que se vuelven conductores bajo ciertas condiciones; por ejemplo, al agregarles átomos de
silicio, germanio e iridio. Los semiconductores son de gran importancia en las computadoras.
Tipos de corriente. La corriente puede ser directa (continua o no continua) o alterna (periódica o
aperiódica) Es directa cuando los electrones fluyen por un conductor siempre en el mismo sentido. Por
ejemplo las pilas son generadores químicos de corriente directa. Por lo tanto, los equipos que utilizan
pilas se activan mediante corriente directa: juguetes y lámparas de mano. En la corriente alterna, el
sentido del flujo de los electrones se alterna; es decir que a veces fluye en un sentido (de izquierda a
derecha, por ejemplo) y a veces en el sentido contrario (de derecha a izquierda). La corriente que llega a
nuestras casas es alterna. El tiempo que le toma al flujo volver al sentido contrario se llama período o
ciclo; y el número de ciclos por segundo se conoce como frecuencia, y se mide en hertz (Hz) En nuestras
casas recibimos una corriente de 50 Hz.
Movimiento de iones. Recordemos que un átomo, si pierde o gana electrones, se convierte en un ión
positivo o negativo, respectivamente. En un sólido, la corriente se transporta
por los electrones que fluyen; pero en una solución, la corriente se transporta
por medio de los iones. Por ejemplo, en una solución salina, se forman
Agua
iones sodio y iones cloro (Na+ y Cl -) Estos iones transportan la corriente.
Una práctica sencilla prueba esto. En el gráfico, los cables eléctricos se
separan por un recipiente de agua pura. Como en el agua pura no se forman
iones, el foco no se encenderá; pero si le agregamos unos gramos de sal al
agua, entonces el foco se encenderá. Esto ocurre porque en la solución
salina se forman iones Na y iones Cl.
Foco
Batería
Electrización. Como ya sabemos, los electrones giran en torno del núcleo del átomo. Es en el núcleo
donde se encuentran los protones y los neutrones. Estos últimos forman una especie de aislante para
evitar la repulsión entre los protones. Al frotar ciertos materiales, se da entre ellos una ganancia o pérdida
de electrones; este desequilibrio forma cargas eléctricas positivas o negativas: el que gana electrones se
carga negativamente, y el que pierde se carga positivamente (queda con un exceso de protones). Por
ejemplo, al frotar plástico con piel, el plástico le gana electrones a la piel, de manera que se carga
negativamente y la piel positivamente. En cambio al frotar vidrio con seda, el vidrio pierde electrones y se
carga positivamente. Un ejemplo del primer caso se puede experimentar al frotar un peine de plástico en
nuestro cabello: el peine se carga negativamente y el cabello positivamente. Decimos, entonces, que el
material se ha electrizado. Sin embargo las cargas se conservan: no se forman nuevos electrones.
Estas cargas no están en movimiento, por lo que se conocen como cargas eléctricas estáticas o
electrostáticas. Como cargas opuestas se atraen, observaremos que el peine atrae los cabellos, pero
pasado algún tiempo, esa atracción termina. Esto se debe a que los electrones ganados por el peine
vuelven al cabello y se reestablece el equilibrio (neutralidad eléctrica). Pero también podemos observar
que el peine atrae pedacitos de papel, que se supone que tienen carga neutra. Si los pedacitos de papel
no poseen carga, surge, entonces, la pregunta: ¿por qué son atraídos por el peine?... Lo que ocurre es lo
siguiente: al acercar el peine al papel, sus electrones repelen los electrones de la capa superficial de los
átomos del papel y atraen los protones. Se dice, entonces, que la superficie del papel se cargó por
inducción. Hay que aclarar que la capacidad de levantar pedacitos de papel depende del número de
electrones en el peine; es decir, de la intensidad de la carga eléctrica.
El griego Tales de Mileto (siglo VI a. C) observó que el ámbar, después de frotarlo con lana, atraía
pedacitos de paja. Como en griego ámbar es electrón, Tales le llamó al fenómeno electrización.