1.1: Principios básicos
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A través de los siglos los científicos han descubierto que la electricidad es predecible y medible. Estar familiarizado con los fundamentos de la electricidad te ayudará a entender cómo y por qué funcionan los circuitos eléctricos.
La electricidad es una forma de energía. Para entender la electricidad, es importante que primero entiendas la estructura de la materia. Cualquier cosa que ocupe espacio y tenga peso se llama materia. Todos los líquidos, gases y sólidos son ejemplos de materia en diferentes formas. La materia está hecha de unidades más pequeñas llamadas átomos. Los átomos se pueden agrupar en compuestos para formar moléculas.
Teoría atómica
Los átomos son la parte más básica de la materia y difieren en estructura atómica entre sí. La estructura del átomo puede describirse de manera muy similar a la del sistema solar. En lugar del Sol en el centro, hay un núcleo. Este núcleo está formado por dos partículas básicas: protones y neutrones.
Los neutrones constituyen la masa (o equivalencia ponderal) del átomo, no tienen carga eléctrica y se consideran neutros. Los protones son partículas que tienen una carga eléctrica positiva (+) y no pueden separarse del núcleo. Rodeando el núcleo en órbitas hay electrones. Se trata de partículas diminutas con una carga eléctrica negativa (—). La Figura 1 muestra un modelo de un átomo de carbono.
- Átomo de carbono
Figura\(\PageIndex{1}\): (CC BY-NC-SA; Autoridad de Capacitación de la Industria BC) - Átomos de hidrógeno y cobre
Figura\(\PageIndex{1}\): (CC BY-NC-SA; Autoridad de Capacitación de la Industria BC) - Atracción eléctrica
Figura\(\PageIndex{1}\): (CC BY-NC-SA; Autoridad de Capacitación de la Industria BC) - Transmisión de impulso
Fuentes de fuerza eléctrica
Acabas de aprender que si hay un excedente de electrones en un extremo de un conductor y una deficiencia en el otro extremo, fluye una corriente en el conductor. Hay dispositivos que crean esta diferencia de carga para que fluya una corriente. Estos dispositivos son referidos como fuentes de fuerza electromotriz. Estas fuentes incluyen:
- químico
- inducción electromagnética
- fricción
- calor
- presión
- luz
Químico
Una batería es una fuente de fuerza eléctrica debido a la reacción química que tiene lugar entre las placas y un electrolito. Esta reacción provoca una acumulación de iones positivos en una placa y iones negativos en la otra. Esta diferencia eléctrica entre las placas también se conoce como diferencia de potencial.
Inducción electromagnética
La fuerza eléctrica se puede generar mediante el uso de un campo magnético. Este es el método por el cual se produce la mayor parte de la energía eléctrica que utilizamos. Un ejemplo es un alternador o generador.
Fricción
La fricción puede hacer que los electrones libres se muevan de un cuerpo a otro y se almacenen allí temporalmente. Cuando caminas por una alfombra, los electrones se transfieren a los átomos de tu cuerpo y los devuelves a otros átomos cuando tocas un objeto metálico.
Calor
Si dos metales diferentes se colocan juntos y se calientan, producirán fuerza eléctrica. Un ejemplo es el termopar en un horno.
Presión
Ciertos cristales producirán electricidad si son exprimidos bajo presión extrema. Un ejemplo es un arrancador de barbacoa (también llamado generador piezoeléctrico).
Luz
Algunos cristales y semiconductores producirán fuerza eléctrica cuando se exponen a la luz. Un ejemplo es la fotocélula en una calculadora.
Todas estas seis fuentes de EMF logran lo mismo. Se separan cargo por:
- impartir energía a los electrones
- empujándolos contra un campo electrostático
- causando un excedente de electrones (carga negativa) en un terminal de la fuente y una deficiencia de electrones (carga positiva) en el otro terminal
En cierto sentido, el proceso puede compararse con comprimir un resorte. La energía almacenada en el resorte comprimido se puede utilizar posteriormente para realizar trabajos útiles. Lo mismo ocurre con las cargas separadas: almacenan energía que se puede utilizar para realizar trabajos útiles.
La energía eléctrica siempre proviene de alguna otra forma de energía. La fuente de EMF es simplemente el dispositivo que realiza la conversión de alguna otra forma de energía a energía eléctrica.