Fundamentos de electricidad: átomos y fuerzas eléctricas
¿Qué es la electricidad? La electricidad se define como "el flujo de electrones a través de algún material conductor "o" esa fuerza que mueve o impulsa a los electrones. La electricidad es producida por partículas muy pequeñas llamadas electrones. Estas partículas son demasiadas pequeñas para ser vistas, y existen como partículas subatómicas en el átomo. Para entender cómo se comportan y se relacionan con la electricidad, primero hay que entender la estructura del átomo.
Los elementos (hidrógeno, helio, oxígeno, carbono...) son los bloques básicos para la construcción de toda la materia. El átomo es la partícula más pequeña a la que la materia puede ser reducida, y aún así continua manteniendo sus propiedades. Un átomo consiste en un núcleo cargado positivamente rodeado de carga negativa, de modo que el átomo como un conjunto es eléctricamente neutro, el núcleo se compone de dos tipos de partículas subatómicas: protones y neutrones, como se muestra en la Figura 1. El protón posee la misma magnitud de carga que el electrón, pero esta última es negativa. Los neutrones son levemente más pesado que los protones y son eléctricamente neutros, como su nombre lo indica. El electrón es la carga fundamental negativa (-) de la electricidad y gira alrededor del núcleo o centro del átomo en órbitas concéntricas.
 |
| Fig.1 - Partes del átomo |
El protón es la carga positiva fundamental (+) de la electricidad y está situado en el núcleo. El número de protones en el núcleo de cualquier átomo especifica el número atómico del átomo. Por ejemplo, el átomo de carbono contiene seis protones en su núcleo. Por lo tanto, el número atómico del carbono es seis, como se muestra en la Figura 2.
 |
| Fig. 2 - Estructura del átomo de carbono |
En su estado natural, un átomo de cualquier elemento contiene un número igual de electrones y protones. La carga negativa (-) de cada electrón es igual en magnitud a la carga positiva (+) de cada protón. Por lo tanto, las cargas se anulan, y el átomo se dice que es eléctricamente neutral.
Fuerzas electrostáticas
Uno de los misterios del átomo es que el electrón y los protones del núcleo se atraen entre sí. Esta atracción se llama fuerza electrostática, y es la fuerza que mantiene a el electrón en su órbita. Esta fuerza puede ser ilustrado con las líneas como se muestra en la Figura 3.
 |
| Fig. 3 - Líneas de fuerza electrostáticas del átomo |
Sin esta fuerza electrostática, el electrón, que se desplaza a gran velocidad, no podría quedarse en su órbita. Los cuerpos que se atraen entre sí de esta manera se denominan cuerpos cargados, como se ha mencionado previamente, el electrón tiene una carga negativa, y el núcleo (debido al protón) tiene un positivo cargar.
Primera ley de electrostática
Como ya se mencionó, la carga negativa del electrón es igual, pero opuesta a, la carga positiva del protón. En la naturaleza, las cargas diferentes (como los electrones y protones) se atraen entre sí, y cargas iguales se repelen entre sí. Este hecho es conocido como La Primera Ley de la electrostática y se refiere a veces como la ley de las cargas eléctricas. Esta ley debe ser recordado porque es uno de los conceptos fundamentales de la electricidad.
Algunos átomos pueden perder electrones y otros pueden ganar electrones. Por lo tanto, es posible transferir electrones de un objeto a otro. Cuando esto ocurre, la distribución equitativa de cargas negativas y positivas ya no existe. Si un objeto contiene un exceso de electrones, este se dice que está cargado negativamente, mientras que si tiene deficiencia de electrones, este está cargado positivamente.
Estos objetos, que pueden contener miles de millones de átomos, siguen la misma ley de electrostática de atracción o repulsión. Los electrones que se pueden mover todo dentro de un objeto se dice que son los electrones libres y se discutirá con más detalle en una sección posterior.
Campo electrostático
Entre las cargas existes una fuerza eléctrica. Las fuerzas de este tipo son el resultado de un campo electrostático que existe alrededor de cada partícula cargada u objeto. Este campo electrostático, y la fuerza que crea, puede ser ilustrado con líneas llamadas "líneas de la fuerza "como se muestra en la Figura 4. Las líneas de fuerza en las cargas negativas entran hacia la carga, mientras que en las positivas salen de la carga.
 |
| Fig. 4 - Líneas de fuerza en el electrón y protón |
Los objetos cargados se repelen o se atraen entre sí debido a la forma que interatúan estas líneas de fuerza. Esta fuerza está presente con cada objeto cargado. Cuando se ponen dos objetos de carga opuesta cerca uno de otro, el campo electrostático se concentra en el área entre ellos, atrayéndose las cargas, como se muestra en la Figura 5. La dirección de las flechas pequeñas muestra la dirección de la fuerza, ya que sería actuar sobre un electrón si se libera en el campo eléctrico.
 |
| Fig. 5 - Atracción de cargas eléctricas |
Cuando dos objetos de carga diferente son llevados uno cerca de otro, las líneas de fuerza se repelen entre sí, como se muestra en la Figura 6.
 |
| Fig. 6 - Repulsión de dos cargas con igual signo |
Ley de Coulomb
La fuerza de atracción o de repulsión depende de dos factores: (1) la magnitud total de la carga del cuerpo u objeto, y (2) la distancia entre los objetos. Cuanto mayor sea la carga de los objetos, mayor será el campo electrostático. Cuanto mayor es la distancia entre los objetos, más débil es el campo electrostático entre ellos, y viceversa. Esto nos lleva a la ley de atracción electrostática, comúnmente conocida como la Ley de Coulomb de cargas electrostáticas, lo cual establece que la fuerza de atracción electrostática, o repulsión, es directamente proporcional al producto de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos como se muestra en la ecuación
F = fuerza electrostática de atracción o repulsión (newtons)
K = constante de proporcionalidad (coulomb
^2/Nm
^ 2 )
q1= carga de la primera partícula (coulombs)
q2= carga de la segunda partícula (coulombs)
r = distancia entre las partículas (metros)
Si q1 y q2 son a la vez, ya sea positiva o negativamente cargada, la fuerza es repulsiva. Si q1 y q2 son de polaridad opuesta , la fuerza es atractiva.
Diferencia de potencial (voltaje o tensión)
La diferencia de potencial es el término que se utiliza para describir cuán grande es el fuerza electrostática entre dos objetos cargados. Si un cuerpo cargado se coloca entre dos objetos con una diferencia de potencial, el campo electrostático tratará de mover la carga en una dirección, dependiendo de la polaridad del objeto. Si un electrón se coloca entre un cuerpo cargado negativamente y un cuerpo cargado positivamente, la acción debido a la diferencia de potencial es empujar el electrón hacia el objeto cargado positivamente. El electrón, siendo cargado negativamente, será repelido desde el objeto cargado negativamente y atraído por el objeto cargado positivamente, tal como se muestra en la Figura 7.
 |
| Fig. 7 - Diferencia de potencial entre dos cuerpos cargados |
Debido a la fuerza de su campo electrostático, estas cargas eléctricas tienen la capacidad de hacer el trabajo por mover otra partícula cargada por la atracción y / o repulsión. Esta capacidad de hacer trabajo se llama "potencial". Por lo tanto, si una carga es diferente de otra, existe una diferencia de potencial entre ellas. La suma de las diferencias de potencial de todas las partículas cargadas del campo electrostático se denomina fuerza electromotriz (EMF).
Los electrones se están moviendo rápidamente alrededor del núcleo. Mientras que la fuerza electrostática está tratando hacer que caiga el electrón hacia el núcleo, el electrón está en movimiento y tratando de alejarse debido la fuerza centrifuga. Estos dos efectos hace que se mantenga el electrón en su órbita.
Electrones libres o de valencia
Los electrones se encuentran en diferentes niveles de energía en las órbitas del átomo. El nivel de energía de la órbita de un electrón es proporcional a su distancia desde el núcleo. El núcleo es el centro de todas las órbitas. Las órbitas están nombras con las letras: K, L, M, N, O, P y Q. Cada órbita tiene un número máximo de electrones que puede contener. Por ejemplo, la capa K lleva un máximo de dos electrones y la capa L lleva un máximo de ocho electrones. Como se muestra en la Figura 8, cada órbita tiene un número específico de electrones que puede llevar un átomo en particular.
 |
| Fig. 8 - Niveles de energía de las órbitas de los átomos y cantidad de electrones admisibles |
Un punto importante a tener en cuenta, es que cuando la capa exterior de un átomo contiene ocho electrones, el átomo se vuelve muy estable, o muy resistente a los cambios en su estructura. Esto también significa que los átomos con uno o dos electrones en su capa exterior pueden perder electrones mucho más fácilmente que átomos con capas exteriores completas. Los electrones en la capa más externa se denominan electrones de valencia. Cuando la energía externa, como el calor, la luz o energía eléctrica, se aplica a ciertos materiales, los electrones ganan energía, se excitan, y pueden pasar a un nivel de energía más alto. Si se aplica la energía suficiente al átomo, algunos de los electrones de valencia dejarán el átomo. Estos electrones son llamados electrones libres. El movimiento de los electrones libres es la corriente eléctrica en un material conductor. Un átomo que ha perdido o ganado uno o más electrones se dice que está ionizado. Si el átomo pierde uno o más electrones, quedándose cargado positivamente, se conoce como un ion positivo. Si un átomo gana uno o más electrones, este se convierte en carga negativa, y se conoce como un ion negativo.
Si tienes alguna duda u opinión deja tu comentario.
ConversionConversion EmoticonEmoticon