Clase 2: LAS INTERACCIONES ELÉCTRICAS

 

Introducción

La Electricidad está en casi todo lo que nos rodea y nos ofrece muchas ventajas a los seres humanos en la actualidad. Con ella se consigue luz en lámparas, calor con cocinas y calefacciones, frio con los frigoríficos, fuerza motriz en diversos motores. La electricidad también permite que funcionen los sistemas de información, automatización y telecomunicaciones con microprocesadores, sistemas robotizados, etc. 

La Electricidad es un fenómeno físico relacionado con la presencia y acción de cargas.

Las cargas eléctricas y los átomos.

Se llama “Carga” a una de las propiedades fundamentales de la materia: Es decir que no se conocen sus verdaderas causas, pero sí sus efectos. En principio, existen dos tipos de cargas, llamadas “carga positiva” (+) y “carga negativa” (-). Las cargas del mismo signo se repelen; las cargas del mismo signo se atraen, a través de interacciones denominadas fuerzas eléctricas y que actúan a distancia. Estos principios fueron comprobados a través de investigaciones experimentales.

Aunque los fenómenos eléctricos se conocían desde hace mas de dos mil años, recién  hace poco más de un siglo se descubrió que la electricidad es una manifestación física que tiene que ver con las modificaciones que se dan en las partes más pequeñas de la materia: los ÁTOMOS y las MOLÉCULAS.

Estos son los hechos más importantes acerca de los ÁTOMOS: 1. Todo átomo tiene un núcleo con carga positiva, que está rodeado de electrones con carga negativa, ubicados en diferentes niveles de energía (también llamados “orbitales” u “órbitas”). 2. El núcleo se compone de protones y neutrones, (excepto el átomo común de hidrógeno, que no tiene neutrones). El protón tiene carga positiva, de igual magnitud que la carga negativa del electrón; sin embargo, el protón tiene una masa casi 2000 veces la del electrón. El neutrón no tiene carga, y tiene una masa ligeramente superior al del protón. 3. A pesar que los protones del átomo se repelen entre sí, se mantienen unidos gracias a la “fuerza nuclear fuerte”, aportada principalmente por los neutrones. 4. Las cargas eléctricas se conservan: no pueden ser creadas ni se destruidas.

Un átomo en estado neutro posee el mismo número de electrones que de protones, debido a al equilibrio entre las fuerzas de carácter eléctrico que se dan entre las partículas de dicho átomo. Si el átomo pierde electrones, se produce un desequilibrio entre las fuerzas eléctricas y el exceso resultante de protones le confieren a dicho átomo una carga neta positiva.  De la misma manera, si se agregan electrones a un átomo neutro, también se produce un desequilibrio de fuerzas eléctricas, pero esta vez el átomo tendría una carga neta negativa. Así, todo objeto con carga eléctrica tiene un excedente o un déficit de electrones.

Por lo tanto, cuando los átomos ganan o pierden electrones se producen muchos fenómenos eléctricos, que también dependen si las cargas netas se encuentran en reposo (electricidad estática) o en movimiento, asociadas a la corriente eléctrica.  Los materiales también se clasifican según conduzcan la electricidad con facilidad o con dificultad, como los denominados conductores o aislantes.

Conductores y Aislantes

La experiencia demuestra que los electrones se mueven en unos materiales con más facilidad que en otros. Los electrones exteriores de los átomos de un metal no están ligados a ningún núcleo en particular, sino que son libres de desplazarse por todo el material. A los metales y a otros materiales de comportamiento similar se los consideran buenos conductores del movimiento de cargas eléctricas.

En otros materiales, como el vidrio, los electrones de están ligados firmemente a sus átomos y permanecen en ellos. No tienen libertad para moverse a otros átomos del material. Tales materiales son malos conductores de la electricidad, o buenos aislantes.

A esta clasificación se agregan los materiales llamados semiconductores, los cuales son buenos aislantes cuando se encuentran en estado cristalino puro, pero conducen la electricidad cuando se sustituyen solo algunos átomos del cristal con otros.

A temperaturas cercana al cero absoluto (-273ºC), algunos conductores no ofrecen oposición al flujo de cargas y son llamados superconductores.

Distintos materiales permiten producir electricidad para luego aprovechar sus diversos efectos, generalmente vinculados al uso de dispositivos eléctricos.

Producción de electricidad

Se puede hacer una clasificación atendiendo a las características propias derivadas  de las diferentes formas productivas de electricidad.

Producción por inducción magnética

Consiste en hacer mover un conductor eléctrico a través de un campo magnético, que inducirá en el conductor una corriente eléctrica. Esta corriente es proporcional a la intensidad del campo y a la velocidad con que se mueve el conductor en el interior dicho campo magnético. En los sistemas industriales son los generadores los encargados de producir electricidad de esta forma (alternadores y dinamos)

Producción por reacciones químicas

Éste es el caso de las pilas y acumuladores, que, aprovechando la energía que se desarrolla en determinadas reacciones químicas, producen electricidad.

Producción por efectos de la luz. Fotoelectricidad

Es necesaria la utilización de elementos semiconductores. Al incidir la luz sobre el material semiconductor,  se produce el desprendimiento de electrones en las ultimas orbitas de sus átomos, provocando una diferencia de carga entre sus caras, y por lo tanto una diferencia de energía potencial que produce la energía eléctrica. Los dispositivos se llaman células fotovoltaicas.

 Producción por efectos de la presión mecánica. Piezoelectricidad

Existen ciertos materiales, como los cristales de cuarzo, que al ser presionados entre sus caras, produce electricidad en proporción a la presión aplicada.

 

Producción por efectos del calor. Termoelectricidad.

En este caso, se utiliza un par de metales distintos y unidos, que al ser calentados, manifiestan una diferencia de potencial al serle aplicado calor, produciendo electricidad. Esto se debe a que uno de los metales desprende más electrones que el otro por efecto del calor; por lo que genera una diferencia de cargas entre sus extremos, proporcional a la temperatura de la unión bimetálica.

Producción de electricidad por frotamiento.

Los electrones pueden pasar de un material a otro por simple contacto. Cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con un objeto neutro, parte de la carga se transfiere a éste. Sin embargo, si entre ciertos materiales neutros se produce fricción entre sus superficies, las orbitas electrónicas se entrecruzan y ocurren transferencias de electrones desde un material hasta el otro.

Efectos de la electricidad

La electricidad suele considerarse como una forma de energía que por lo general el ser humano suele transformar en otro tipo de energía a la que puede dar la más diversa utilidad, dependiendo del efecto físico final que se genere.

Efecto térmico

La producción de calor a partir de la electricidad  se consigue como consecuencia de la circulación de ésta a través de ciertos materiales, que oponen resistencia al paso de la corriente. Estos materiales de naturaleza resistiva, generan calor en función de la electricidad recibida. El efecto térmico puede ser deseado o no, dependiendo de los dispositivos que producen este efecto.

Efecto luminoso

Cuando la electricidad atraviesa ciertos materiales resistivos, se calientan hasta temperaturas tan elevadas que irradian luz, como el caso de los filamentos de una lámpara eléctrica.

Efecto químico

Al fluir la corriente eléctrica sobre ciertos líquidos, estos se disgregan, y con ello se pueden conseguir productos químicos, metales, galvanizados y recarga de baterías. Este efecto se relaciona con el proceso de electrólisis

Actividad Razonamiento y de Investigación, clase 2.

1. Dar una lista de 10 materiales conductores y 10 materiales aislantes.
2. ¿Qué sustancias cristalinas pueden ser convertidas en semiconductoras?
3. ¿Qué futuras aplicaciones podrían tener los superconductores si se logra que funcionen a temperatura ambiente?
4. Explicar brevemente que son los alternadores y las dinamos.
5. ¿Para qué usos prácticos se puede aprovechar la producción de electricidad por frotamiento?