Buenas, en esta entrada prentendo compartir, recordar o aprender algunos conceptos que nos servirán para los proyectos personales.
Física: Polaridad, electrones, protones y características eléctricas
La electricidad en sí misma puede explicarse en términos de carga eléctrica, voltaje y corriente.
Podemos apreciar los efectos de la electricidad en muchos escenarios en los que intervienen las partículas básicas con carga eléctrica y diferente polaridad. Todos los materiales que conocemos, incluyendo sólidos, líquidos y gases, contienen dos partículas básicas con carga eléctrica: el electrón y el protón. El electrón es la partícula más pequeña con carga eléctrica teniendo una característica que llamamos polaridad negativa. El protón es una partícula básico con polaridad positiva.
Las polaridades positivas y negativas indican dos características opuestas fundamentales en todas las aplicaciones físicas. Al igual que los imanes tienen un polo norte y un polo sur, las cargas eléctricas tienen polaridades opuestas etiquetadas como negativas y positivas.
Este conjunto de electrones y protones como partículas básicas de la electricidad determina las características eléctricas de todas las substancias. Como ejemplo: un folio de papel tiene electrones y protones dentro de él. No hay evidencia de electricidad porque el número de electrones es igual al número de protones, y en tal caso las fuerzas eléctricas opuestas se cancelan haciendo que el papel sea eléctricamente neutro. La condición neutral significa que las fuerzas con carga opuestas (electrones y protones) se encuentran exactamente equilibradas.
Cuando queremos usar fuerzas eléctricas asociadas con cargas positivas y negativas que hay en toda la materia, hay que desempeñar un esfuerzo o un trabajo para separar los electrones y los protones, cambiando el equilibrio de las fuerzas y por tanto produciendo una evidencia de electricidad. Una pila por ejemplo puede hacer un trabajo eléctrico porque su energía química separa las cargas eléctricas para producir un exceso de electrones en su terminal negativo y un exceso de protones en su terminal positivo. Con la separación y las cargas opuestas en los dos terminales de la pila, la energía eléctrica puede utilizarse en un circuito conectado a la misma.
Aunque hay un conjunto infinito métodos posibles por los cuales electrones y protones puede agruparse, se ensamblan en una combinaciones atómicas específicas . Cada combinación estable de electrones y protones constituye un tipo particular de átomo. La distribución de electrones en anillos orbitales determina la estabilidad eléctrica del átomo aunque es una visión simple que nos permite servir de referencia para explicar el fenómeno de la electricidad hay que indicar que la concepción del átomo que se ha tenido a lo largo de la historia ha variado de acuerdo a los descubrimientos realizados en el campo de la física y la química. En cualquier caso lo que se conoce hoy en día deja claro que la estructura del núcleo atómico y de las propias partículas que forman el núcleo son mucho más complicadas que la estructura electrónica de los átomos. Dado que las propiedades químicas dependen exclusivamente de las propiedades de la estructura electrónica, se considera que las teorías actuales explican satisfactoriamente las propiedades químicas de la materia.
Conductores
La combinación de electrones y protones formando estructuras atómicas resulta en diferentes sustancias elementales que tiene características específicas. Unos pocos ejemplos familizares son los elementos del hidrógeno, oxígeno, cargono, cobre y hierro. Un elemento se dfeini como un sustancia que no puede ser descompuesta mediante una acción química posterior. El átomo es la partícula más pequeña de un eleemento que tiene todavía las mismas características que el elemento. Cuando los electrones pueden moverse fácilmente desde un átomo a otro en un material, el material se denomina conductor. En general, todos los metales son buenos conductores, con la plata en la primera posición y el cobre en la segunda. Su estructura atómica permite movimientos libres desde los electrones orbinales de la capa más externa. El cable de cobre se utiliza generlamente para conductores en la práctica porque su coste es mucho menor que el de la plata. El propósito de usar conductores es permitir que la corriente eléctrica fluya con la menor oposición posible.
Moléculas
Un grupo de dos o más átomos forma una molécula. Por ejemplo, dos átomos de hidrógeno forman una molécula de hidrógeno (H+H = H2). Cuando el hidrógeno se une químicamente con el oxigeno, el resultado es agua (H2O), que es un compuesto. Un compuesto, por tanto, está constituído por dos o más elementos. La molécula es la unidad más pequeña de un compuesto con unas características químicas similares.
Carga eléctrica estática. El Coulomb (C).
Si frotas una goma contra una hoja de papel, la goma atraerá una esquina del papel si está los suficientemente cerca. El papel y la goma proporcionan por tanto una evidencia de carga eléctrica estática. El trabajo empleado en el frotamiento implicó una separación de electrones y protones para producir una carga de exceso de electrones en la superficie de la goma y una carga de exceso de protones en el papel. Debido a que el papel y la goma son materiales dieléctricos, retienen su electrones o protones adicionales, y las cargas eléctricas resultantes proporcionan la fuerza de atracción entre los dos materiales. Esta fuerza mecánica de atracción y repulsión entre cargas es un método fundamental por el cual la electricidad se hace evidente.
Cualquier carga es un ejemplo de electricad estática porque los electrones o protones no están en movimiento. La carga de muchos billones de electrones o protones es necesaria para las aplicaciones comunes en Electricidad. De esta manera, es conviniente definir una unidad práctica llamada Coulomb (C) como igual a la carga de 6.25*10^18 de electrones o protones almacenados en un dieléctrico.
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| Relación entre la intensidad, diferencia de potencial y resistencias |
Diferencia de potencial. Voltio. Amperio.
Si dos cuerpos cargados pequeños se ubican de tal manera que les resulta fácil moverse uno cerca del otro, uno puede ser atraído por el otro cuando las dos cargas tiene polaridad opuesta. Cuando dos cuerpos tienen una cantidad de carga similar con la misma polaridad, se repelen entre ellos.
La habilidad de una carga eléctrica de atraer o repeler a otra carga es una fuerza fisica. Cuando consideramos dos cargas no iguales, éstas manifiestan un diferencia de potencial. Una carga es el resultado del trabajo desempeñado en separar electrones y protones. Cuando una carga es diferente de la otra hay un diferencia de potencial entre ellas.
Una carga eléctrica puede tener polaridad negativa o postiiva, etiquetada como Q (-) o Q(+), con un exceso de electrones o protones, respectivamente. Una condición neutral se considera como carga cero.
La unidad del voltio relativa a la diferencia de potencial es una medida de la cantidad de trabajo o energía necesaria para mover una carga eléctrica. Cuando la diferencia de potencial entre dos cargas fuerza a una tercera carga a moverse, la carga en movimiento es una corriente eléctrica. Para producir corriente, la carga debe moverse debido a una diferencia de potencial. En los materiales sólidos, como el cable de cobre, los electrones libres son cargas que pueden ser forzadas a moverse con relativa facilidad por una diferencia de potencial, puesto que precisan relativamente poco trabajo para ser movidas.
Puesto que hemos definido la corriente como el movimiento de cargas, la unidad para indicar la cantidad de corriente se define como la tasa de flujo de carga. Cuando la carga se mueve a razón de
6.25* 10^18 electrones que pasan por un punto dado por segundo, el valor de la corriente
es un amperio (A). Esto es lo mismo que un culombio de carga por segundo
El hecho que un cable que conduce corriente pueda calentarse es una evidencia de que el trabajo hecho para aplicar voltaje en producir corriente debe lograrse contra alguna forma de oposición. Esta oposición, que limita la cantidad de corriente que puede producirse por el voltaje aplicado se llama Resistencia (símbolo R). Los materiales conductores tienen muy poca resistencia.
Lo opuesto a la resistencia es la conductividad. Cuanto menor es la resistencia, mayor es la conductividad. Su símbolo es G y su unidad es el siemens (S). El voltaje puede existir sin corriente pero la corriente no puede existir sin voltaje.
Corriente Contínua (Direct Current, DC) y Corriente Alterna (Alternating Current, AC)
El flujo de electrones en una única dirección se denomina corriente contínua. La razón de una corriente unidireccional es que las pilas mantienen la misma polaridad del voltaje de salida a lo largo de sus dos terminales. El flujo de cargas en una dirección y la polaridad fijada en la aplicación del voltaje son las características de un circuito de corriente contínua.
Una fuente de voltaje alternativa invierte o alterna de forma períodica la polaridad. El resultado es la corriente alterna, de esta manera de forma períodica invierte la dirección. En términos de flujo de electrones, la corriente siempre fluye de un terminal negativo de una fuente de votaje, hacia el circuito y regresa al terminal positivo, pero cuando un generador alterna la polaridad, la corriente debe invertir su dirección. La línea de suministro de corriente de 50 ciclos por segundo (50 Hertzios) de corriente alterna en la mayoría de los hogares en Europa es un ejemplo común. Esta frecuencia significa que la polaridad del voltaje y la dirección de la corriente varían 50 veces durante un segundo (60 Hertzios en EEUU).
Una de las ventajas de la corriente alterna es su relativamente económico cambio de voltaje. Además, la pérdida inevitable de energía al transportar la corriente a largas distancias es mucho menor que con la corriente continua.
Métodos para producir electricidad
Hay electrones y protones en los átomos de todos los materiales, pero para hacer un trabajo útil, las cargas debe separarse para producir una diferencia de potencial que puede fabricar flujo de corriente. Algunos de los métodos comunes para proporcionar efectos eléctricos son:
Mediante fricción
En este método, los electrones y un aislante pueden separarse frontando para producir cargas eléctricas opuestas que permanecen en el dieléctrico.
Conversión de Energía Química (Pilas o baterías)
Aquí la reacción química produce cargas opuestas en dos metales disimilares que sirven como terminales positivos y negativos.
Electromagnetismo
Electricidad y magnetismo se encuentran estrechamente relacionados. Cualquier movimiento de carga tiene asociado un campo magnético y también cualquier cambio del campo magnético puede producir corriente. Un motor es un ejemplo que muestra como la corriente puede reaccionar con un campo magnético para producir movimiento.
Fotoelectricidad
Algunos materiales son fotoeléctricos, esto quiere decir que pueden emitir electrones cuando la luz choca contra su superficie. El elemento Cesio es a menudo utilizado como fuente de fotoelectrones. También, las células fotovoltaicas or células solares usan silicio para generar un voltaje de salidad a partir de la luz que les llega.
Resistencias Eléctricas. Ley de Ohm.
Asociación de resistencias
Tipos de resistencias
- Resistencias variables: Son las que presentan un valor que nosotros podemos variar modificando la posición de un contacto deslizante. A este tipo de resistencia variables se le llama Potenciómetro.
- Resistencias especiales: Son las que varían su valor en función de la estimulación que reciben de un factor externo (luz, temperatura...). Por ejemplo las LDR son las que varían su valor en función de la luz que incide sobre ellas.
Ecuaciones básicas de circuitos eléctricos en Corriente Contínua. Potencia eléctrica.
Por ejemplo, una toma de corriente de 16A (16 amperios) quiere decir que podremos conectar a esa toma receptores cuya suma de sus potencias sea: P = 230 x 16 = 3.680w; recuerda que la tensión en las viviendas en Europa es de 230V (en EEUU es de 120 V), siempre la misma, aunque aparezca en la etiqueta de la regleta 250 V.
Cuidado, si conectamos más potencia a ese enchufe se calentará y podríamos provocar un incendio. Nunca sobre pasar la intensidad (potencia) para la que está preparado. La intensidad máxima viene siempre en los enchufes, regletas, etc.
Fuentes:
- De Thalia Inga - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19639017
- De http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Chanchocan - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2440769
- De !Original: José Luis GálvezVector: Josemontero9 - File:OndaSenoidal.PNG, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5610617
- De Derivative work: Josemontero9Tensión_corriente_continua.png - Tensión_corriente_continua.png, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5624060
- https://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica
- De Andrej Jakobčič - Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=481864
- https://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica
- https://www.youtube.com/watch?v=57_FZ92uwT8&list=PLb_ph_WdlLDny2cGloFSxyRgO8B733jeo&index=2
Gracias por tu tiempo y atención.