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Principios básicos de electricidad

Átomos y electrones

Toda la materia del universo está constituida por átomos. La Tabla Periódica de los Elementos enumera todos los tipos conocidos de átomos y sus propiedades. El átomo está compuesto de tres partículas básicas:

• Electrones: Partículas con carga negativa que giran alrededor del núcleo

• Protones: Partículas con carga positiva.

• Neutrones: Partículas sin carga (neutras).

Los protones y los neutrones se combinan en un pequeño grupo llamado núcleo. Para poder comprender mejor las propiedades eléctricas de los elementos/materiales, busque "helio" (He) en la tabla periódica. El número atómico del helio es 2, lo que significa que tiene 2 protones y 2 electrones. Su peso atómico es 4. Si se le resta el número atómico (2) al peso atómico (4), se puede determinar que el helio también tiene 2 neutrones.

El físico danés Niels Bohr desarrolló un modelo simplificado para ilustrar el átomo. Si los protones y los neutrones de un átomo tuvieran el tamaño de una pelota de fútbol Nro. 5, en el medio de un estadio de fútbol, la única cosa más pequeña que la pelota serían los electrones. Los electrones tendrían el tamaño de una cereza, y estarían orbitando cerca de los últimos asientos del estadio. En otras palabras, el volumen total de este átomo, incluido el recorrido de los electrones, tendría el tamaño del estadio. El núcleo del átomo donde se encuentran los protones y los neutrones tendría el tamaño de la pelota de fútbol.

Una de las leyes de la naturaleza, denominada Ley de la Fuerza Eléctrica de Coulomb, especifica que las cargas opuestas reaccionan entre sí con una fuerza que hace que se atraigan. Las cargas de igual polaridad reaccionan entre sí con una fuerza que hace que se repelan. En el caso de cargas opuestas y de igual polaridad, la fuerza aumenta a medida que las cargas se aproximan. La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de separación. Cuando las partículas se encuentran muy cerca una de la otra, la fuerza nuclear supera la fuerza eléctrica de repulsión y el núcleo se mantiene unido. Por esta razón, las partículas del núcleo no se separan.

Si la ley de Coulomb es verdadera, y si el modelo de Bohr describe los átomos de helio como estables, entonces deben intervenir otras leyes de la naturaleza. ¿Cómo es posible que ambas sean verdaderas?

• Ley de Coulomb: Las cargas opuestas se atraen y las cargas iguales se repelen.

• Modelo de Bohr: Los protones tienen cargas positivas y los electrones tienen cargas negativas.

Hay más de 1 protón en el núcleo. Los electrones se mantienen en órbita aun cuando los protones atraen a los electrones. Los electrones tienen la velocidad justa y necesaria para mantenerse en órbita y para no caer en el núcleo, tal como ocurre con la Luna con respecto a la Tierra.

Los protones no se repelen entre sí porque existe una fuerza nuclear que está relacionada con los neutrones. La fuerza nuclear es una fuerza increíblemente poderosa que actúa como si fuera un pegamento que mantiene unidos a los protones.

Los protones y los neutrones permanecen unidos entre sí mediante una fuerza muy poderosa. Sin embargo, una fuerza mucho más débil es la que mantiene a los electrones en su órbita alrededor del núcleo. Los electrones de algunos átomos, como los de los metales, pueden liberarse del átomo y ponerse en movimiento. Este mar de electrones, débilmente unidos a los átomos, es lo que hace que la electricidad sea posible. La electricidad es un flujo libre de electrones.

Se denomina electricidad estática a los electrones libres que permanecen en un lugar, sin moverse y con una carga negativa. Si estos electrones estáticos tienen la oportunidad de saltar hacia un conductor, se puede producir una descarga electrostática (ESD).

La ESD, aunque por lo general no es peligrosa para las personas, puede producir graves problemas en los equipos electrónicos sensibles. Una descarga electrostática puede dañar los chips o los datos del computador, o ambas cosas, de forma aleatoria. Los circuitos lógicos de los chips de los computadores son sumamente sensibles a las descargas electrostáticas.

Se puede hacer referencia a los átomos, o a los grupos de átomos denominados moléculas, como materiales. Los materiales pueden clasificarse en tres grupos, según la facilidad con la que la electricidad, o los electrones libres, fluya a través de ellos.

La base de todo dispositivo electrónico es el conocimiento de cómo los aislantes, los conductores y los semiconductores controlan el flujo de los electrones y trabajan juntos en distintas combinaciones.

Voltaje

El voltaje se denomina a veces "fuerza electromotriz" (EMF) La EMF es una fuerza eléctrica o presión que se produce cuando los electrones y protones se separan. La fuerza que se crea va empujando hacia la carga opuesta en dirección contraria a la de la carga de igual polaridad. Este proceso se produce en una batería, donde la acción química hace que los electrones se liberen de la terminal negativa de la batería.

Entonces, los electrones viajan a la terminal opuesta, o positiva, a través de un circuito EXTERNO.

Los electrones no viajan a través de la batería en sí. Recuerde que el flujo de electricidad es, en realidad, el flujo de los electrones. También es posible crear voltaje de tres otras formas: La primera es por fricción o electricidad estática. La segunda es por magnetismo o un generador eléctrico. La última forma en que se puede crear voltaje es por medio de la luz o las células solares.

El voltaje está representado por la letra V y, a veces, por la letra E, en el caso de la fuerza electromotriz. La unidad de medida del voltaje es el voltio (V). El voltio es la cantidad de trabajo por unidad de carga necesario para separar las cargas.

Resistencia e impedancia

Los materiales a través de los cuales fluye la corriente presentan distintos grados de oposición, o resistencia, al movimiento de los electrones. Los materiales que presentan muy poca o ninguna resistencia se denominan conductores. Aquellos que no permiten que la corriente fluya, o que restringen severamente el flujo, se denominan aislantes. El grado de resistencia depende de la composición química de los materiales.

Todos los materiales que conducen electricidad presentan un cierto grado de resistencia al movimiento de electrones a través de ellos. Estos materiales también tienen otros efectos denominados capacitancia e inductancia, asociados a la corriente de electrones. Las tres características constituyen la impedancia, que es similar e incluye la resistencia.

La atenuación se relaciona a la resistencia al flujo de electrones y la razón por la que una señal se degrada a medida que recorre el conducto.

La letra R representa la resistencia. La unidad de medición de la resistencia es el ohmio (Ω). El símbolo proviene de la letra griega "Ω", omega.

Los aislantes eléctricos, o aislantes, son materiales que no permiten que los electrones fluyan a través de ellos sino con gran dificultad o no lo permiten en absoluto. Ejemplos de aislantes eléctricos son el plástico, el vidrio, el aire, la madera seca, el papel, el caucho y el gas helio. Estos materiales poseen estructuras químicas sumamente estables, en las que los electrones orbitan fuertemente ligados a los átomos.

Los conductores eléctricos, generalmente llamados simplemente conductores, son materiales que permiten que los electrones fluyen a través de ellos con gran facilidad. Pueden fluir con facilidad porque los electrones externos están unidos muy débilmente al núcleo y se liberan con facilidad. A temperatura ambiente, estos materiales poseen una gran cantidad de electrones libres que pueden proporcionar conducción.

La aplicación de voltaje hace que los electrones libres se desplacen, lo que hace que la corriente fluya. La tabla periódica clasifica en categorías a algunos grupos de átomos ordenándolos en columnas. Los átomos de cada columna forman familias químicas específicas. Aunque tengan distintas cantidades de protones, neutrones y electrones, sus electrones externos tienen órbitas similares y se comportan de forma similar, al interactuar con otros átomos y moléculas. Los mejores conductores son metales como el cobre (Cu), la plata (Ag) y el oro (Au), porque tienen electrones que se liberan con facilidad.

Entre los demás conductores se incluyen la soldadura, una mezcla de plomo (Pb) y estaño (Sn), y el agua ionizada. Un ion es un átomo que tiene una cantidad de electrones que es mayor o menor que la cantidad de protones en el núcleo del átomo.

Aproximadamente un 70% del cuerpo humano consta de agua ionizada, lo que significa que el cuerpo humano también es conductor. Los semiconductores son materiales en los que la cantidad de electricidad que conducen puede ser controlada de forma precisa. Estos materiales se agrupan en una misma columna de la tabla periódica. Entre los ejemplos de estos materiales se incluyen el carbono (C), el germanio (Ge) y la aleación de arseniuro de galio (GaAs). El semiconductor más importante, que permite fabricar los mejores circuitos electrónicos microscópicos, es el silicio (Si).

El silicio es muy común y se puede encontrar en la arena, el vidrio y varios tipos de rocas. La región alrededor de San José, California, se denomina Silicon Valley (Valle del Silicio) porque la industria informática, que depende de los microchips de silicio, se inició en esta área.

Corriente

La corriente eléctrica es el flujo de cargas creado cuando se mueven los electrones. En los circuitos eléctricos, la corriente se debe al flujo de electrones libres. Cuando se aplica voltaje, o presión eléctrica, y existe un camino para la corriente, los electrones se desplazan a lo largo del camino desde la terminal negativa hacia la terminal positiva. La terminal negativa repele los electrones y la terminal positiva los atrae.

La letra “I” representa la corriente. La unidad de medición de la corriente es el Amperio (A). Un Amperio se define como la cantidad de cargas por segundo que pasan por un punto a lo largo de un trayecto.

Si se piensa en el amperaje o corriente como la cantidad o volumen de tránsito de electrones que fluyen, entonces, se puede pensar que el voltaje es la velocidad del tránsito de los electrones. La combinación de amperaje y voltaje es equivalente al vatiaje. Los dispositivos eléctricos tales como las ampolletas, los motores y las fuentes de alimentación para computadores se clasifican en términos de vatios.

Un vatio es la cantidad de energía que un dispositivo consume o produce. Es la corriente o el amperaje de un circuito eléctrico la que en realidad hace el trabajo.

Por ejemplo, la electricidad estática tiene un voltaje muy alto, tanto que puede saltar una brecha de una pulgada o más. Sin embargo, tiene muy bajo amperaje y, como resultado, puede producir un choque pero no daños permanentes. El motor de arranque de un automóvil opera a tan sólo 12 voltios pero requiere un amperaje muy alto para generar la energía suficiente para hacer que el motor del auto arranque. Un rayo tiene un voltaje muy alto y un amperaje alto y así puede causar graves daños o lesiones.

Circuitos

La corriente fluye en bucles cerrados denominados circuitos. Estos circuitos deben estar compuestos por materiales conductores y deben tener fuentes de voltaje. El voltaje hace que la corriente fluya, mientras que la resistencia y la impedancia se oponen a ella. La corriente consiste en electrones que fluyen alejándose de las terminales negativas y hacia las terminales positivas. El conocimiento de estos hechos permite controlar el flujo de la corriente.

La electricidad fluye naturalmente hacia la tierra cuando existe un recorrido. La corriente también fluye a lo largo de la ruta de menor resistencia. Si el cuerpo humano provee la ruta de menor resistencia, la corriente pasará a través de él.

Cuando un artefacto eléctrico tiene un enchufe con tres espigas, una de las tres espigas sirve como conexión a tierra, o de cero voltios. La conexión a tierra proporciona una ruta conductora para que los electrones fluyan a tierra, ya que la resistencia que presenta el cuerpo suele ser mayor que la resistencia que opone la vía que conduce directamente a tierra.

Por lo general, una conexión a tierra significa un nivel cero de voltios, al realizar las mediciones eléctricas. El voltaje se crea mediante la separación de las cargas, lo que significa que las mediciones de voltaje se deben realizar entre dos puntos.

La analogía del sistema de suministro de agua ayuda a explicar los conceptos de la electricidad. Cuanto mayor sea la altura del agua, y cuanto mayor sea la presión, mayor será el flujo de agua. La corriente de agua también depende del tamaño del espacio que debe atravesar.

De igual manera, cuanto mayor sea el voltaje y cuanto mayor sea la presión eléctrica, más corriente se producirá. La corriente eléctrica se encuentra entonces con una resistencia que, al igual que el grifo, reduce el flujo. Si la corriente se produce en un circuito de CA, entonces la cantidad de corriente dependerá de la cantidad de impedancia presente.

Si la corriente se produce en un circuito de CC, entonces la cantidad de corriente dependerá de la cantidad de resistencia presente. La bomba de agua es como una batería. Suministra presión para que el flujo continúe en movimiento.

La relación entre el voltaje, la resistencia y la corriente es voltaje (V) = corriente (I) multiplicada por resistencia (R). En otras palabras, V=I*R. Esta es la Ley de Ohm, llamada así en honor al científico que investigó estos temas.

Las dos formas en que fluye la corriente son: Corriente Alterna (CA) y Corriente Continua (CC).

La corriente alterna (CA) y sus correspondientes voltajes varían con el tiempo, cambiando su polaridad o dirección. La CA fluye en una dirección, luego invierte su dirección y fluye en sentido contrario para luego repetir el proceso. El voltaje de la CA es positivo en una terminal y negativo en otra. Entonces, el voltaje de la CA invierte su polaridad, de modo que la terminal positiva se convierte en negativa y la terminal negativa en positiva. Este proceso se repite de forma continua.

La corriente continua (CC) siempre fluye en la misma dirección, y los voltajes de CC siempre tienen la misma polaridad. Una terminal es siempre positiva y la otra es siempre negativa. Estas direcciones no se modifican ni se invierten.

El osciloscopio es un dispositivo electrónico que se utiliza para medir las señales eléctricas en relación al tiempo. Un osciloscopio expresa las ondas, los pulsos y los patrones eléctricos en forma de gráfico. Tiene un eje "x" que representa el tiempo y un eje "y" que representa el voltaje. Generalmente existen dos ejes "y" que corresponden a dos voltajes de entrada para que se puedan observar y medir dos ondas al mismo tiempo.

Las líneas de alimentación transportan electricidad en forma de CA porque ésta puede ser conducida por largas distancias, de forma eficiente. La CC se encuentra en las baterías para linternas, baterías de automóviles y como energía para los microchips de la motherboard de un computador, donde sólo necesita recorrer una corta distancia.

Los electrones fluyen en circuitos cerrados, o bucles completos. Los procesos químicos que se producen en la batería causan una acumulación de cargas. Esto proporciona un voltaje o presión eléctrica que permite que los electrones fluyan a través de los distintos dispositivos. Las líneas representan un conductor, que por lo general es un cable de cobre. Se puede considerar a un interruptor como dos extremos de un solo cable que se puede abrir o interrumpir para evitar que los electrones fluyan.

Cuando los dos extremos están cerrados, fijos o puestos en cortocircuito, los electrones pueden fluir. Por último, la lamparilla presenta resistencia al flujo de electrones, lo que hace que liberen energía, en forma de luz. En los sistemas eléctricos de CA y CC, los electrones siempre fluyen desde una fuente con una carga negativa hacia una fuente con una carga positiva. Sin embargo, para que se produzca un flujo controlado de electrones, es necesario que haya un circuito completo.