TEORIA BASICA DE LA ELECTRICIDAD

Teoría Básica de la Electricidad

Teoría atómica

Todos los cuerpos del Universo están formados por materia, ya sean estos sólidos, líquidos o gaseosos. Por ejemplo, una barra de acero, un trozo demadera, un litro de agua, el aire que respiramos, etc.

El átomo es la porción más pequeña en que se puede dividir la materia conservando sus propiedades como elemento químico (*). A su vez, los átomos están compuestos por ciertas partículas subatómicas (electrones, protones, neutrones, etc.).

La parte central del átomo se denomina "núcleo atómico" y las partículas que se encuentran en esta zona se llaman "nucleones". Los nucleones fundamentales son el portón (carga positiva) y el neutrón (carga neutra).

La región que rodea al núcleo atómico se denomina "nube electrónica" o "envoltura electrónica" y contiene de manera exclusiva a los electrones (carga negativa).

Figura Nº 1. Estructura atómica

El átomo más simple que existe es el átomo de hidrógeno (H), el cual está compuesto por un protón y un electrón. Existen otros elementos cuyos átomos contienen más partículas. Por ejemplo, el átomo de oxígeno (O) tiene ocho protones, ocho neutrones y ocho electrones.

(a) (b)

Figura Nº 2. Átomo de hidrógeno (a) y átomo de oxígeno (b)

Cuando los átomos se combinan, se forman nuevas sustancias (compuestos químicos), por ejemplo, cuando dos átomos de hidrógeno (H) se combinan con un átomo de oxígeno (O), se forma agua (H2O).

Figura Nº 3. Molécula de agua

Cargas positivas y negativas

Los átomos usualmente presentan igual cantidad de protones y electrones, en este caso decimos que se trata de un átomo eléctricamente neutro. Sin embargo, bajo ciertas circunstancias un átomo puede ganar o peder uno o más electrones. Cuando un átomo gana uno o más electrones (exceso de electrones) queda cargado negativamente y cuando un átomo pierde uno o más electrones (exceso de protones) queda con carga eléctrica positiva.

Por tanto llegamos a la conclusión de que existen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las cargas eléctricas de signo contrario se atraen.

(a) (b)

Fig. Nº 4. Cargas de igual signo se repelen (b) y cargas de signo diferente se atraen (b)

Medición de la carga eléctrica

Ya sabemos que cuando un cuerpo está electrizado posee un exceso de protones (carga positiva), o bien, un exceso de electrones (carga negativa). Por ese motivo, el valor de la carga de un cuerpo, representada por , se puede medir por el número de electrones que el cuerpo pierde o gana. Pero esta forma de expresar el valor de la carga no resulta práctica, pues se sabe que en un proceso común de electrización el cuerpo pierde o gana un número muy elevado de electrones. De este modo, los valores de estarían expresados por números sumamente grandes.

En la práctica se procura utilizar una unidad de carga más adecuada. En el Sistema Internacional de Unidades (SIU), la unidad de carga eléctrica es el coulomb (símbolo C).

Cuando decimos que un cuerpo posee una carga de 1 C, ello significa que perdió o gano 6.25 × 1018 electrones.

Generalmente se suele trabajar con cargas eléctricas mucho menores que 1 C. En este caso, es costumbre expresar los valores de las cargas de los cuerpos electrizados mediante submúltiplos, en milicoulombs (mC) o bien en microcoulombs (μC).

1 mC = 10–3 C

1 μC = 10–6 C

La unidad de carga más pequeña conocida en la naturaleza es la carga del electrón (que es igual en magnitud a la del protón), su valor es: .

Ley de Coulomb

Consideremos dos cuerpos electrizados con cargas y (en coulombs), separados una distancia (en metros) y situadas en el vacío, tal como semuestra en la figura Nº 5. Supóngase que las dimensiones de dichos cuerpos son despreciables (cargas puntuales). La ley de Coulomb establece que estas cargas se atraen o repelen mediante una fuerza eléctrica (en newtons), la cual es inversamente proporcional al cuadrado de la separación y directamente proporcional al producto de las cargas y .

Matemáticamente la ley de Coulomb está dada por:

Donde es la constante electrostática del vacío, en el SIU su valor es 9.0 × 109 N m2 C–2.

Si las cargas son colocadas en el interior de un medio material cualquiera (por ejemplo agua, aire, aceite, etc.), se observa que el valor de la fuerza deinteracción entre ellas sufre una reducción, mayor o menor, dependiendo del medio. Este factor de reducción se denomina "constante dieléctrica del medio", y se representa por la letra . Luego la fuerza de interacción entre las cargas es:

Medio material Constante dieléctrica ( )

Vacío 1.0000

Aire 1.0005

Gasolina 2.3

Ámbar 2.7

Vidrio 4.5

Aceite 4.6

Mica 5.4

Glicerina 43.0

Agua 81.0

Observar que la fuerza entre dos cargas prácticamente no se altera cuando pasan del vacío al aire.

Figura Nº 5. Fuerza de atracción entre dos cargas puntuales de signos opuestos

Conductores y aislantes

Como ya dijimos en la sección anterior, los átomos se combinan para formar compuestos; así cuando varios átomos se reúnen para formar ciertos sólidos, como los metales por ejemplo, los electrones de las órbitas más alejadas del núcleo no permanecen unidos a sus respectivos átomos, y adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres. Por tanto, en materiales que poseen electrones libres es posible que la carga eléctrica sea transportada por medio de ellos, y por lo tanto, decimos que estas sustancias son "conductores eléctricos".

Por otro lado, existen situaciones de conducción no metálica (por ejemplo en algunos baños químicos) en las que las cargas son conducidas a través de una solución (electrolito).

Al contrario de los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos; es decir, estas sustancias no poseen electrones libres. Por tanto, no será posible el desplazamiento de carga eléctrica libre a través de estos cuerpos, los que se denominan "aislantes eléctricos" o "dieléctricos". La porcelana, el caucho (hule), la mica, el plástico, la madera, el vidrio, etc., son ejemplos típicos de sustancias aislantes.

Corriente eléctrica

La corriente eléctrica consiste en el flujo de cargas eléctricas a través de un conductor. En el

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