La corriente eléctrica.
En este segundo tema de electrotecnia, hablaré de las formas de energía, pero nos centraremos en la energía eléctrica que es la que utilizaremos en nuestro propósito de descubrir el camino del electrón.
Antiguamente se creía que la electricidad era un fluido en base a que se consideraba que la materia era un ente continuo. Pasaron muchos siglos para que la ciencia demostrara que la materia está formada por billones de pequeñísimas partículas.
Toda la electricidad y los movimientos derivados de ella (luz, calor, movimiento, magnetismo, etc.), están apoyados en estas pequeñas partículas llamadas átomos, y a las sub partículas que conforman su estructura atómica y que vas conociendo poco a poco.
En esta parte del curso de electrotecnia, vas a conocer los términos de energía cinética y potencial, la cual está muy relacionada con el poder del átomo y los electrones.
Aprenderás que cada átomo tiene ligada una energía en forma de campo eléctrico, y que ese campo eléctrico, tiene una fuerza y una intensidad; origen pues de la electricidad estática y principal causa de la electricidad. Curiosamente, ese campo eléctrico del átomo, genera un campo magnético en el desplazamiento del mismo a través de la materia.
Energía cinética y potencial.
Es una realidad confirmada que las propiedades de las sustancias no se mantienen constantes, sino que varían; este hecho de cambiar o modificar una o más propiedades de la materia se conoce como fenómeno.
La fermentación del mosto de la uva, el agriarse de la leche, la caída de un cuerpo en el espacio, la evaporación, la gravedad, etc. son ejemplos de fenómenos que podemos apreciar o sentir.
Para que se produzca un fenómeno, tiene que haber alguna influencia o efecto que lo cause. Por ejemplo arrojamos una piedra al aire aplicando una fuerza; la piedra vuelve al suelo porque la atracción de la tierra sobre la piedra es mayor que nuestro impulso al tirar la piedra. Este fenómeno se denomina gravedad.
En este caso al hablar de energía potencial estamos refiriéndonos a la energía potencial que tienen los cuerpos en el espacio y respecto la gravedad del universo y de la tierra.
Pero eso no significa que toda partícula, por ínfima que sea, tenga una energía potencial asociada; es más, de hecho la parte de la física que estudia la energía potencial de los átomos y sus partículas se dice llamar física cuántica y estudia, entre otras cosas la energía potencial electrostática de las partículas atómicas.
La energía y la materia son dos conceptos que están íntegramente ligados entre sí.
Esto es debido a que la energía se define como la propiedad o aptitud de producir trabajo que posee todo cuerpo o materia, cualquiera que sea la forma en que este trabajo se realice.
La energía, que se presenta de muy distintos aspectos y que puede sufrir variaciones y transformaciones, puede ser de dos clases:
energía potencial
La Energía potencial es la que posee un cuerpo a una determinada altura o posición, es decir la energía respecto al eje vertical de la tierra.
energía cinética
La energía cinética es la que poseen los cuerpos en movimiento.
La energía de los electrones.
Un electrón es una de las partículas atómicas más interesante del átomo desde el punto de vista de la electrónica y la electricidad, ya que esta misma partícula es la responsable del fenómeno de la electricidad.
Un electrón tiene una carga eléctrica de 1,602×10-19 Culombios y opuesta a la carga eléctrica del protón.
La masa del electrón es de 9,11×10-31 Kilogramos.
Para que te hagas una idea del peso de un electrón, un pelo humano de 1 centímetro de diámetro y 0,5 milímetro de grosor, pesa más de cien billones de veces más que el electrón.
Entonces, si el electrón pesa poco, la carga eléctrica es una nimiedad respecto a la necesaria para excitar, por ejemplo un diodo Led. Entonces ¿Cómo es posible que gracias a estas cosillas se pueda obtener un flujo constante de electricidad?
La respuesta es fácil; la unión hace la fuerza.
Un electrón en el medio, es una canica en medio del sistema solar; es decir enseguida se pierde en el ambiente, y no tiene ningún efecto sobre el medio que lo rodea.
Ahora te pongo en situación; por media universal cada centímetro cuadrado de universo tiene un átomo de hidrógeno. Cada átomo de hidrógeno tiene un electrón. Si uniésemos todos los átomos de hidrógenos del sistema solar y pudiésemos coger sus electrones para obtener energía, esa energía iluminaría una galaxia entera durante millones de años.
Si, los electrones tienen poca energía, pero cuando se unen esa energía se suma logarítmicamente. Para medir la energía que tiene un electrón en su órbita atómica, habría que estudiar química y física cuántica, pero yo te voy a describir el proceso por el cual, el electrón absorbe energía del medio.
A groso modo:
En el átomo de la imagen es un átomo de Cobre. Tiene 29 protones y 29 electrones.
El átomo intenta mantener la estabilidad eléctrica para no convertirse en ión positivo. Pero la gran mayoría de las veces, una forma de energía externa como el calor, un campo magnético o una inducción, puede ceder energía al átomo y desestabilizarlo.
Como ya hemos hablado con anterioridad, la capa de valencia es la última capa en la cual existen electrones girando alrededor del núcleo atómico.
Los electrones de valencia, en un estado atómico de reposo, mantiene la estabilidad del átomo siempre que no les afecte una fuente de energía externa al átomo en cuestión.
Cuando una fuente de energía externa les afecta, que el átomo se convierta en un ión depende exclusivamente del número de electrones de valencia que tiene en su capa de valencia:
Si tiene de cinco a ocho electrones (mayor número de electrones), es difícil que pierda electrones, ya que el átomo tiene la suficiente energía como para retener a sus electrones de valencia y permanecer neutro.
Si tiene de tres a un electrón, lo más seguro es que cuando se aplique una energía al átomo, éste ceda sus electrones de valencia para alcanzar la estabilidad en una capa inferior, convirtiéndose en ión positivo, ya que tendría más protones que electrones.
Existe otro caso especial y es cuando en la capa de valencia, hay cuatro electrones. En este caso, un energía externa al átomo podría hacer que perdiera electrones o no, ya que por norma general, los átomos que tienen cuatro electrones en su capa de valencia comparten sus electrones con otros átomos similares en forma de enlace covalente para mantenerse estables ambos átomos, lo que resultaría más difícil de romper la unión de sus electrones.
Este último caso, lo estudiarás más adelante cuando estudiemos los semiconductores.
Volviendo a nuestro átomo de Cobre, gracias a la formula de los niveles cuánticos habitados, deducimos que
Por lo que en la primera capa l = 1 caben 2 electrones.
En la segunda capa m = 2 caben 8 electrones.
En la tercera capa n = 3 caben 18 electrones.
Si calculamos los electrones en las tres primeras capas, podemos ver que estos están completos con sus electrones. en total 28 electrones.
Pero el Cobre tiene 29 electrones, por lo que el electrón que falta está en la última capa, la cuarta. Teniendo en cuenta que en esta capa caben 32 electrones, como el electrón está solo en ésta capa, se comportará como un electrón libre que se desprenderá rapidamente del átomo.
En la teoría vamos a definir la valencia atómica como la última capa ocupada por electrones y estudiaremos sus efectos de acuerdo a esto.
Pero realmente, el átomo está configurado en orbitales y el último orbital suele tener una cierta estabilidad química.
Para averiguar correctamente el número de electrones en su capa de valencia, deberíamos de recurrir a la configuración electrónica del Cobre y que es la siguiente
Tendríamos que visualizar una tabla periódica de los elementos para que nos indicara la posición relativa del Cobre, ya que la tabla de los elementos organiza los átomos según su configuración electrónica.
No te voy a explicar cómo hacer la configuración electrónica de un elemento, pues esa no es la finalidad del curso, pero si te puedo decir que el último orbital ocupado por electrones es el orbital S (con dos electrones) en el cuarto nivel, y que la penúltima capa (la capa N), tiene un total de 17 electrones, en vez de 18.
Con esto, el átomo adquiere cierta estabilidad en su orbital 4s, que está completo. Pero repito, a efectos teóricos, para no entrar en el estudio de la cuántica, la capa de valencia no tendrá más de 8 electrones y será la última capa.
Ionización del átomo
A estas alturas ha quedado claro que la naturaleza del átomo está caracterizada por la composición del núcleo, con sus protones y neutrones, y por los electrones.
Los electrones más próximos al núcleo, que están fuertemente atraídos por este, giran siguiendo las orbitas de los niveles interiores de energía, mientras que los electrones del nivel exterior se hallan menos aferrados al núcleo, más suelto. La totalidad de electrones equilibra a los protones, dotando al átomo de un estado de equilibrio estable.
Si se realiza, o provoca, la pérdida de un electrón exterior, por ejemplo por medio de un aumento de temperatura o un frotamiento, como no puede perderse al mismo tiempo un protón en su núcleo, el átomo queda desequilibrado, convirtiéndose en un ión positivo o catión. Si, por el contrario, el átomo ganase un electrón en su nivel exterior, se establece el predominio de las cargas negativas, convirtiéndose el átomo en un ión negativo o anión.
Estas dos situaciones han de quedar bien claras en electrónica:
Electrostática.
Se llama electrostática a la parte de la electrotecnia que estudia los fenómenos y acciones que ejercen entre sí los cuerpos electrizados.
Desde hace siglos se conoce la propiedad que tienen algunas sustancias, como el ámbar, que después de ser frotadas, atraen a otros cuerpos pequeños. Los griegos, que ya conocían este fenómeno, llamaban al ámbar electrón, por lo que a la misteriosa fuerza de atracción de la sustancia la denominaron electricidad.
Los cuerpos electrizados se comportan de modo distinto de los no electrizados o neutros. Conviene aclarar que la denominación de positivo o negativo dada a dos cargas eléctricas, según sea por falta o exceso de electrones, es una denominación convencional, cuyo motivo fue la creencia equivocada de que había dos tipos de electricidad. Hoy en día se mantiene dichos términos para identificar las fuerzas eléctricas aplicadas a los circuitos.
Los cuerpos electrizados se atraen o rechazan según el tipo de carga. Utilizaremos la denominación de carga positiva con el signo (+), y la carga negativa con el signo (-). Las cargas de signo igual, se rechazan, y las de signo contrario se atraen.
Campo eléctrico
Se llama campo eléctrico de un cuerpo al espacio donde se hace sentir la influencia de la carga eléctrica que posee. Esta influencia se pone de manifiesto en todas direcciones, y su magnitud o proporción se conoce como intensidad del campo eléctrico.
Las cargas eléctricas se concentran en la superficie de los cuerpos, y con mayor densidad en las puntas y extremos; así pues, en un cuerpo perfectamente esférico como en el caso anterior, la carga se distribuye por toda su superficie uniformemente.
Así pues podemos hablar de cargas de distintos tipos de carga:
positivas y negativas; siendo las del mismo tipo las que se rechazan y las de tipo opuesto las que se atraen.
Estas cargas, se interrelacionan formándose líneas de fuerzas electrostáticas que siendo de atracción o repulsión adoptan distintas formas (si las cargas se atraen, las líneas forman un campo eléctrico mayor que el de la carga en unitario; pero si se rechazan, el campo eléctrico se deforma.
La atracción o la repulsión eléctrica que aparece entre dos cuerpos cargados son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que separa dichos cuerpos.
La atracción o la repulsión eléctrica son proporcionales al producto de las cantidades de electricidad que poseen los dos cuerpos.
Estos dos fenómenos de la corriente eléctrica dan lugar a que dos cuerpos cargados de electricidad de signo contrario, las cargas de ambos se concentran, por efecto de la atracción, en las caras o lados que se enfrentan entre sí. Este es el efecto del condensador o de capacidad que más tarde estudiareis.
Cualquier átomo en la materia posee un campo eléctrico y otro campo magnético gracias al estado de sus partículas.
Los protones con carga positiva, atraen a los electrones con carga negativa. Eso proporciona al átomo de un campo eléctrico que tiene su origen y destino en su núcleo y gracias a los electrones.
Pero como los electrones se tienen que mover alrededor del núcleo atómico para no caer en él, además del campo eléctrico del átomo, generan un campo magnético.
Por esto, cada átomo está formado por un campo electromagnético ligado a él.
Corriente eléctrica.
Ya hemos establecido el fundamento de la electricidad y hemos comprobado su presencia en cuerpos bajo ciertas condiciones. Ahora vamos a establecer cómo se desplazan los electrones, dando origen a la corriente eléctrica.
Si, la electricidad es una circulación de electrones por un conductor. La electricidad estática, en los cuerpos, tiende a establecerse en la superficie de los mismos y su distribución se produce de acuerdo a la curvatura que lo caracteriza en sus distintos puntos. Si la curvatura es uniforme en todos sus puntos, la distribución de las cargas también los son.
Sin embargo en un cono, tridimensional, la distribución va a ser desigual, como pasaría en un tubo esférico en donde las cargas se concentrarían más en los laterales del mismo y muy poco en el centro.
Pero si tomamos dos cuerpos cargados uno positivamente y otro negativamente, y lo vamos acercándolos, llegará un momento en que el campo eléctrico de ambos interactúen entre sí formando un campo eléctrico mayor. Pero si se siguen acercando estos cuerpos el campo eléctrico, y las líneas de fuerzas, llegará un momento que se desestabilizará el campo y las cargas eléctricas se consumirán las unas con las otras, neutralizando los cuerpos cargados. La neutralización de los cuerpos se producen al acercar los mismos hasta el instante en que el campo eléctrico está lo suficientemente polarizado como para que las cargas negativas salten de un cuerpo al otro en forma de chispa eléctrica.
Pues ya hemos definido otro fenómeno como la corriente eléctrica. Dicha corriente está integrada por dos parámetros:
Fuerza electromotriz (FEM)
Es la fuerza que produce el desplazamiento de cargas eléctricas, en este caso, los electrones ya que son las únicas cargas que se desplazan en los átomos.
Intensidad
De corriente, que es la cantidad de electrones que se desplazan por un conductor eléctrico por unidad de tiempo. Dependiendo de la cantidad de electrones por segundo que se desplacen y el tipo de conductor, podemos hablar también de densidad de corriente.
Toda corriente que se desplace por un medio, tiene que vencer una oposición a su paso; en el caso de los conos cargados, la corriente eléctrica vence el propio aire existente entre ambos conos; la corriente salta en forma de chispa eléctrica al polarizarse con el aire existente entre los conos. Pero en los circuitos eléctricos, la corriente tiene otra oposición; la resistencia eléctrica.