Conceptos de Electricidad Básica (1ª Parte)

Transcripción

1 Con este artículo sobre la electricidad básica tenemos la intención de iniciar una serie de publicaciones periódicas que aparecerán en esta página Web de forma trimestral. Estos artículos tienen la intención de contribuir a la formación y divulgación entre los aficionados y los profesionales del mundo del automóvil, y aliviar en la medida de lo posible la curiosidad entorno a las nuevas tecnologías, acercándoselas con claridad y sencillez de conceptos. Entrega Nº 1 Conceptos de Electricidad Básica (1ª Parte) La teoría electrónica EL ÁTOMO De acuerdo con la teoría electrónica, todos los fenómenos eléctricos y electrónicos son causados, bien por el movimiento de los electrones de un lugar a otro, bien por la existencia de un número excesivo o insuficiente de electrones en un determinado lugar y en un instante dado. Representación de un átomo. Toda la materia está compuesta de átomos cuyos tamaños, grados de complejidad estructural y peso pueden ser muy diferentes, pero todos ellos se parecen en lo referente a su composición, ya que están formados por un núcleo (que es diferente de uno a otro átomo entre los correspondientes a los 116 elementos químicos existentes en la naturaleza o que han sido creados por el hombre) y de un número variable de electrones que se mueven alrededor de este núcleo.

2 La estructura del átomo Tenemos ahora el átomo más pequeño de la naturaleza, el hidrógeno. Para verlo sería necesario una enorme ampliación. Si pudiéramos verlo por un microscopio, aparecería como un sol con un planeta girando alrededor de él. El sol representa el núcleo del átomo y el planeta el único electrón que posee el átomo de hidrógeno. Este electrón (lo mismo que todos los que se pueden encontrar en cualquier parte del universo) tiene una carga negativa de electricidad, mientras el núcleo tiene una carga positiva. En todos los átomos, los electrones cargados negativamente giran alrededor de su núcleo cargado positivamente a distancias muy grandes si las comparamos con los tamaños de los núcleos y de los propios electrones, lo que significa que la mayor parte del volumen que ocupa cualquier átomo, por pequeño que sea, está formado por espacio vacío. El núcleo de un átomo contiene a su vez un cierto número de partículas llamadas protones, cada una de las cuales posee una carga positiva de electricidad (conjuntamente con un número de otras partículas que no posen carga eléctrica). El número de protones del núcleo es exactamente igual al número de electrones que giran en órbitas alrededor de él; la consecuencia es que, en condiciones normales, el átomo está eléctricamente equilibrado, es decir, el número de cargas eléctricas positivas es el mismo que el de negativas. Corriente eléctrica. Los componentes de los átomos permanecen agrupados por el efecto de poderosas fuerzas de atracción existentes entre el núcleo y sus electrones. Los electrones situados en las órbitas exteriores de un átomo son atraídos por su núcleo con menos fuerza que los electrones cuyas órbitas están más cercanas al núcleo. En ciertos materiales (denominados conductores eléctricos) estos electrones exteriores están débilmente ligados al núcleo, que pueden separarse fácilmente de él y quedar errantes entre los otros átomos, moviéndose fortuitamente. Estos electrones se denominan electrones libres, y es precisamente el movimiento de estos electrones libres lo que constituye la corriente eléctrica.

3 COMO SE PRODUCE LA ELECTRICIDAD En los átomos de cada trocito de material existentes en el universo hay enormes cantidades de electricidad latente o, por decirlo así, durmiendo. Sin embargo, en tanto que estos átomos permanezcan eléctricamente equilibrados, esta electricidad no puede ser liberada ni aprovechada en el uso práctico. Para que esto ocurra es necesario que sea aplicada de una forma de energía externa a una cantidad dada de átomos, de modo que separe de su núcleo positivo algunos de sus electrones negativos. De esta manera, la energía externa aplicada originará energía eléctrica. Las seis fuentes de energía externa que son capaces de separar los electrones negativos de los núcleos positivos de un átomo son: El calor El rozamiento La acción química La luz La presión El magnetismo COMO PRODUCE ELECTRICIDAD EL CALOR La primera fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es el calor y la manera más usual de aplicar el calor para este fin es aplicarlo en la zona donde dos metales diferentes están unidos. Por ejemplo, si se retuercen los extremos de un hilo de cobre y un hilo de hierro formando una unión, y se calienta esta unión, aparecerá una carga eléctrica. El que esta carga sea mayor o menor dependerá de la diferencia de temperatura entre la unión y los extremos opuesto de los hilos, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la carga. Una unión de este tipo se llama termopar y producirá electricidad mientras se le aplique calor. Esta relación puede emplearse para la medida precisa de temperaturas mediante un termopar en el que una de las uniones se mantiene a una temperatura de referencia conocida (por ejemplo, un baño de hielo) y la otra se coloca en el lugar cuya temperatura quiere medirse.

4 COMO PRODUCE ELECTRICIDAD EL ROZAMIENTO La segunda fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es el rozamiento. Si se frotan entre sí materiales diferentes, se puede conseguir que los electrones que pertenecen a uno de los dos materiales salgan de sus órbitas, transferirlos al otro material y retenerlos en él. Naturalmente el material que pierde los electrones adquiere una carga positiva y el material que los captura, adquiere una carga negativa. La distribución resultante de carga eléctrica recibe el nombre de electricidad estática. Entre los materiales que adquieren fácilmente electricidad estática se incluyen el vidrio, el ámbar, el caucho, las ceras, la franela, la seda, el rayón y el nylon.

5 COMO PRODUCE ELECTRICIDAD LA ACCIÓN QUÍMICA La tercera fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es la acción química. La acción o reacción química que tiene lugar en las pilas y baterías se aprovecha en la práctica para producir electricidad. Cuando dos o más pilas se conectan entre sí se forma una batería. Observando las partes de una pila y los electrones, veríamos que el líquido llamado electrolito está expulsando los electrones de una de las placas y conduciéndolos a la otra placa. El resultado de esta acción es un exceso de electrones, o carga negativa, en una de las placas, por lo que el hilo unido a esta placa se llama Terminal negativo. La otra placa se pierde electrones y se carga positivamente, por lo que el hilo unido a ella se le denomina Terminal positivo.

6 COMO PRODUCE ELECTRICIDAD LA LUZ La cuarta fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es la luz. La manera más usual de utilizar la luz para producir electricidad, consiste en emplear una clase especial de célula o pila que contiene material fotosensible, el cual tiene la propiedad de crear una carga eléctrica cuando la luz incide en él. Esta fotocélula consiste en un conjunto metálico en forma de disco que s e compone de tres capas de material diferentes. Una de las capas exteriores es de hierro y la otra está formada por una película de material a través del cual puede pasar la luz. La capa interior o intermedia del conjunto está formada por una aleación de selenio. COMO PRODUCE ELECTRICIDAD LA PRESIÓN La quinta fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es la presión. Cuando hablamos por teléfono o delante de cualquier otro tipo de micrófono análogo, las ondas de presión de la energía sonora que la voz genera ponen en movimiento a un diafragma. El movimiento del diafragma se puede utilizar para generar una carga eléctrica de la manera siguiente: Existen en la naturaleza ciertos materiales cuyos cristales generan una carga eléctrica cuando se ejerce presión sobre ellos (como ocurre cuando se mueve el diafragma). Son ejemplos el cuarzo, la turmalina, las sales de Rochelle. Si se colocase un cristal de uno de estos materiales entre las placas metálicas y se ejerciese presión sobre las placas de la manera ilustrada en la figura, aparecerían cargas eléctricas opuestas en las placas. La cantidad de estas cargas eléctricas dependerá de la magnitud de la presión ejercida.

7 COMO PRODUCE ELECTRICIDAD EL MAGNETISMO La sexta fuente (y la más comúnmente utilizada) de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es el magnetismo. El propio magnetismo no se utiliza como fuente directa de esta energía externa. Son producidas grandes cantidades de energía eléctrica en las máquinas giratorias llamadas generadores, en virtud de una acción que tiene lugar entre el devanado del generados y algunos potentes imanes colocados en éste de manera apropiada. Como es natural para que el generador entregue energía eléctrica, debe recibir energía mecánica. Esta energía mecánica puede serle suministrada mediante una turbina hidráulica, un motor de combustión interna o una turbina de vapor. Al girara el generador, hace uso de las propiedades del magnetismo para la suficiente energía externa al átomo para separar de él alguno de sus electrones, lo que hace posible la obtención de la corriente eléctrica.

8 En resumen, se produce energía eléctrica cuando un electrón de la orbita exterior de un átomo es obligado a salir de ella por una fuente externa de energía. Las seis fuentes de energía externa que actualmente se pueden utilizar para producir la electricidad son las siguientes: CALOR. Se produce la electricidad calentando la unión de un termopar. ROZAMIENTO. Se produce electricidad estática mediante el roce o fricción de dos materiales. ACCIÓN QUÍMICA. En una pila o en un acumulador eléctrico. LUZ. Se produce electricidad cuando la luz incide en un material fotosensible. PRESIÓN. Se produce electricidad aplicando presión a ciertas clases de cristales. MAGNETISMO. Se produce electricidad mediante movimiento relativo de un imán y una bobina de hilo conductor cuando son cortadas las líneas del campo magnético del imán por el hilo conductor.