Home

      Comment post English
x

Select your language

EnglishEspañol

Curso de electrónica - Parte 2


4 people like this


TEORÍA DE LA CORRIENTE CONTINUA

 

CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE LA ELECTRICIDAD

<< Volver a Curso de Electrónica - Primera parte
 

Aislantes, conductores y flujo de electrones

 
Los electrones de diferentes tipos de átomos tienen distintos niveles de sujeción a sus núcleos, con lo que pueden desprenderse y así moverse de un lado a otro en un material. En algunos tipos de materiales, como muchos de los metales, los electrones de la última órbita externa o capa (también llamada capa de valencia) se encuentran "sujetos" o atraídos por los protones del núcleo con menor fuerza, por lo que la energía térmica de la temperatura ambiente causa que dichos electrones externos se desprendan de sus átomos y se muevan de un lugar a otro del metal entre los distintos átomos que forman el material. Puesto que dichos electrones de las capas externas tienen la capacidad de desprenderse de sus respectivos átomos y moverse en el espacio interatómico (entre los distintos átomos adyacentes), se los llama electrones libres.

En otro tipo de materiales, como la goma o vidrio, los electrones de sus átomos no se pueden mover tan fácilmente entre los átomos adyacentes y por lo tanto de un lugar a otro como en los metales. Aunque fuerzas externas como el frotamiento físico pueden lograr arrancar los electrones de las órbitas externas y hacer que se transfieran o salten a objetos de otros materiales que los atraen; no pueden moverse de un lugar a otro entre los átomos que forman parte de dichos materiales con la misma facilidad.

Esta relativa movilidad de los electrones dentro de un material se denomina conductividad. La conductividad es determinada por los tipos de átomos (elementos químicos) que forman parte de un material específico; y por la forma en que están vinculados entre ellos los átomos del material. Los materiales con muchos electrones libres, que se mueven de un lado a otro entre los átomos que forman parte de los mismos se denominan materiales conductores; mientras que aquellos materiales con pocos o ningún electrón suelto moviéndose de un lugar a otro entre sus átomos se denominan materiales aislantes. 

A continuación se muestran dos listas con materiales conductores y aislantes:
 
Materiales Conductores:

  • Plata
  • Cobre
  • Oro
  • Aluminio
  • Hierro
  • Acero
  • Latón
  • Bronce
  • Mercurio
  • Grafito
  • Agua sucia
  • Concreto

Materiales aislantes:

  • Vidrio
  • Goma
  • Aceite
  • Asfalto
  • Fibra de vidrio
  • Porcelana
  • Cuarzo
  • Algodón seco
  • Papel seco
  • Madera seca
  • Plástico
  • Aire
  • Agua pura

Imagen de un conductor electrico

PARA VER EN MAYOR TAMAÑO PRESIONAR LA IMAGEN
Corte transversal de un cable de cobre, donde se puede ver cómo los electrones sueltos se mueven hacia una dirección cuando son influenciados por una fuerza exterior que causa repulsión entre ellos y por consiguiente un movimiento uniforme hacia una determinada dirección. En la imagen, una fuente de electricidad introduce un electrón en un cable de cobre, repeliendo a los electrones más cercanos, los cuales a su vez repelen a otros; causando un efecto de propagación de dicha repulsión que se mueve hacia la izquierda a casi la velocidad de la luz (aproximadamente 300.000 km/s). También se muestra la estructura de un átomo de cobre, elemento del cual está compuesto el cable y que pierde con mucha facilidad el único electrón de su capa externa.

Es importante aclarar que no todos los materiales conductores tienen el mismo nivel de conductividad, ni todos los aislantes son igualmente resistentes a los movimientos de electrones.

Una analogía a la conductividad eléctrica que se puede hacer es la de la transparencia a la luz de ciertos materiales. Los materiales que conducen con facilidad la luz, se denominan transparentes; mientras que aquellos que no lo hacen, se denominan opacos. Sin embargo no todos los materiales tienen un mismo nivel de conductividad a la luz. Por ejemplo los vidrios conducen mejor la luz que la mayoría de los plásticos o que la fibra de vidrio. Lo mismo ocurre con los conductores eléctricos, siendo unos mejores que otros.
 
Por ejemplo la plata es el mejor material conductor, ofreciendo mayor facilidad de desplazamiento a los electrones que cualquier otro material. El agua sucia y el concreto también se encuentran en la lista de los conductores, pero éstos a su vez son mucho menos conductores que cualquier otro metal.

Las dimensiones físicas también influyen en la conductividad de un objeto. Por ejemplo, si se toman dos cables del mismo material conductivo y misma longitud, uno fino y otro grueso o de mayor diámetro, este último conducirá mejor la electricidad que el cable fino. Por otro lado, si se toman dos cables del mismo material conductor, ambas con mismo grosor o diámetro pero distintas longitudes; el cable más corto conducirá mejor la electricidad que el más largo. Una analogía que se puede utilizar es la de tubos de agua, mientras los tubos de mayor diámetro permiten un mayor paso de agua que los angostos, los tubos cortos facilitan un mayor paso de agua que los largos; siempre que las demás dimensiones se mantengan iguales.

También es importante mencionar que muchos materiales experimentan cambios en sus propiedades eléctricas bajo diferentes condiciones. Por ejemplo el vidrio es un muy buen aislante a temperatura ambiente pero se vuelve conductor cuando se calienta a temperaturas muy altas. Los gases como el aire, por su parte, son aislantes pero se vuelven conductores si también se calientan a temperaturas muy altas. Sin embargo la mayoría de los metales pierden conductividad o se vuelven peores conductores cuando son calentados y mejores cuando son enfriados. Muchos materiales se vuelven perfectos conductores de electricidad cuando se enfrían a temperaturas extremadamente bajas (este fenómeno se denomina superconductividad y los materiales enfriados superconductores).

Mientras el movimiento normal de los electrones en un material conductor es aleatorio, sin una dirección o velocidad específica; dichos electrones pueden ser influenciados para moverse en una forma coordinada a través del material conductor. Este movimiento uniforme de los electrones es lo que llamamos corriente eléctrica o electricidad. También se la puede denominar electricidad dinámica en contraste a la electricidad estática que es una acumulación de carga eléctrica inmóvil y que se describió en el capítulo anterior. Así como el agua que fluye por el espacio de un tubo vacío, los electrones se mueven dentro y entre los átomos de un material conductor. Los objetos conductores pueden parecer sólidos a simple vista, pero en realidad como todo material que está compuesto por átomos son en su mayoría espacios vacíos; ya que cada protón es 1836 veces más grande que cada electrón y estos últimos, con su tamaño diminuto, giran alrededor del núcleo (especialmente los de orbitales exteriores) a una distancia que puede llegar a ser aproximadamente 100.000 veces superior al radio del núcleo atómico; por lo que todo lo que hay entre los electrones y el núcleo es espacio vacío.

Otra particularidad de la electricidad, es que cuando cada electrón se mueve uniformemente a través de un material conductor, empuja a otro electrón que tiene delante suyo (por el fenómeno de repulsión causado por el hecho de tener mismas cargas eléctricas negativas), y este a su vez a otro, produciendo un efecto en cadena de propagación del movimiento que hace que todos los electrones sueltos se muevan juntos en grupo. La transferencia de movimiento de electrones, o sea el fenómeno o causa de movimiento, se transmite casi instantáneamente del primer electrón en moverse hasta el último ubicado en la otra punta de la línea del material conductor, a pesar que la velocidad de movimiento de cada electrón sea mucho menor. Una buena analogía a utilizar sería la de un tubo lleno de punta a punta con canicas o bolitas.

Analogia de tubo con canicas

El tubo se encuentra lleno de canicas, así como un material conductor está lleno de electrones sueltos capaces de moverse por una influencia o fuerza exterior. Si por ejemplo se inserta una canica del lado izquierdo del tubo, inmediatamente otra intentará salir del lado derecho del mismo. A pesar que cada canica se mueve apenas unos centímetros, el efecto o fuerza que mueve a todas ellas, se transfiere o propaga de la primera a la última canica casi instantáneamente sin importar la longitud del tubo. Con la electricidad sucede igual, los electrones de un cable conductor no se mueven tan rápido cuando son excitados, sin embargo la energía que los mueve se propaga de una punta a otra del hilo conductor a una velocidad cercana a la luz (cerca de 300.000 km / segundo).

A diferencia de un tubo de agua, donde son las moléculas del líquido las que se mueven de un punto a otro a una cierta velocidad, la electricidad es comparable, como ya se dijo, a un tubo lleno de canicas; donde lo que se mueve a altísimas velocidades no son los electrones en sí (canicas), sino la fuerza de empuje o impulso que causa el movimiento de los electrones a través del cable y transporta la energía eléctrica.

Los electrones cuando giran u orbitan alrededor del núcleo atómico, lo hacen a velocidades de aproximadamente 2 millones de metros por segundo (2000 km / segundo). Sin embargo cuando se encuentran en un conductor no excitado, por ejemplo un cable de cobre suelto, estos electrones sueltos se mueven de un lado a otro, llenando por un instante los intersticios o espacios vacíos de los átomos (en la capa u orbital exterior) y luego soltándose nuevamente, chocando con los átomos y rebotando, cambiando de trayectoria constantemente. Hasta que son excitados por una fuerza exterior, que los alinea y los mueve uniformemente en una dirección. Dicha fuerza hace que se muevan apenas a aproximadamente 0,3 milímetros por segundo (aproximadamente 1 m / hora), mientras que la fuerza en sí se propaga a casi 300.000 km /segundo.

Así, un electrón necesitaría meses para viajar desde la central eléctrica hasta los aparatos eléctricos en nuestros hogares. Sin embargo por experiencia sabemos que por ejemplo una bombilla o lámpara eléctrica se enciende casi instantáneamente tras presionar un interruptor. Esto es porque lo que realmente se propaga a una velocidad cercana a la de la luz (casi 300.000 km/s) es un impulso o energía eléctrica que proviene de la red de electricidad, y que causa un movimiento de electrones en su origen, en la central, propagándose casi instantáneamente hasta nuestros hogares y causando el movimiento de los electrones que se encuentran en los conductores de los dispositivos y electrodomésticos hogareños.

La energía eléctrica o impulso que causa el movimiento de los electrones, en realidad está compuesta por ondas electromagnéticas y dichas ondas viajan a casi la velocidad de la luz (ya que la luz también está compuesta por ondas electromagnéticas).

Pero como ya se ha dicho, este impulso o energía electromagnética, en los conductores viaja a casi la velocidad de la luz y no exactamente a dicha velocidad; esto es porque depende del tipo de conductor que se está utilizando para transferir la electricidad. Los materiales con mayor cantidad de electrones sueltos podrán transmitir la electricidad con mayor velocidad y eficiencia. Por ejemplo en el cobre hay 8,5 x 1022 electrones sueltos por cm3, mientras que en el aluminio hay 6 x 1022 electrones sueltos por cm3, lo cual significa que la energía eléctrica se propagará más lentamente en el aluminio que en el cobre.

Si se quiere que los electrones fluyan o circulen en una dirección determinada, hay que proveerle el "camino" a la energía electromagnética para que "empuje" a los electrones hacia una dirección determinada; así como un plomero debe instalar primero las cañerías para hacer que el agua se dirija hacia donde uno quiere. Con la electricidad en lugar de caños se utilizan cables, los cuales están hechos de metales altamente conductores como cobre o aluminio en una gran variedad de dimensiones.

Pero los electrones solamente pueden circular si hay un camino continuo de material conductor (por ejemplo un cable) sin interrupciones o cortes, para que la energía electromagnética que mueve o impulsa a los electrones sueltos pueda propagarse a través del mismo. Acudiendo nuevamente a la analogía del tubo lleno de canicas; solamente se pueden introducir nuevas canicas del extremo izquierdo, y por ende mover hacia la derecha todas las canicas, si no se encuentra bloqueada la salida en el extremo derecho del tubo para que pueda salir la última canica. Si el tubo se encuentra bloqueado en su lado derecho, las canicas simplemente se apilarán dentro del tubo y no podrán circular a través del mismo. Con la electricidad ocurre lo mismo; para que el impulso o energía electromagnética que mueve o impulsa a los electrones libres del material conductor pueda propagarse, se requiere que el cable no esté cortado en el camino de circulación. Veamos la imagen para ilustrar mejor su funcionamiento:
 

 Simbolo de cable en electronica

Una línea delgada y sólida, como la que se muestra arriba, es el símbolo utilizado para definir un pedazo de cable. Dado que los cables están compuestos de materiales conductores, como cobre, sus átomos tienen electrones sueltos que pueden moverse a través de los cables. Sin embargo no puede haber un movimiento continuo o uniforme de electrones a menos que haya un punto de origen y otro punto de destino. Por lo que debemos agregar una hipotética fuente de electrones y un destino:

  Movimiento de electrones en un cable

Entonces, con una fuente de electrones, por ejemplo del lado izquierdo; pueden empujarse o introducirse en el cable nuevos electrones así la circulación o corriente a través del cable puede darse (como se indica en la imagen con las flechas de izquierda a derecha). Sin embargo, la corriente eléctrica puede interrumpirse si el cable se corta en algún punto: 

  Cable cortado

Dado que el aire es un material aislante, si se corta un cable, el espacio de aire que se encuentra entre las dos partes del cable cortado, impide la circulación de los electrones y por ende de la energía electromagnética que los impulsa desde fuente u origen a destino. Esto sería como cortar un tubo de agua en dos partes y tapar sus puntas cortadas, provocando que el agua no pueda fluir, ya que no puede salir de una de las partes del tubo cortado. Cuando un cable está intacto la electricidad fluye o circula bien y se obtiene continuidad eléctrica, pero si éste se corta y sus partes se separan, la electricidad se detiene.

Pero si se toma otro cable y a través de éste se forma un puente entre la porción de cable unida a la fuente de electricidad y la porción de cable unida a un destino, se obtiene un camino continuo para la circulación de electrones y de la energía electromagnética que los mueve. Los puntos de la imagen indican contactos físicos entre las piezas de cable con el origen y destino de la electricidad.

  Cable puente

Ahora ya se tiene continuidad a través del cable puente entre el punto de origen (izquierda) y destino (derecha), para que pueda circular la electricidad; la cual ya no se dirige hacia el segmento cortado por no formar parte del camino entre los puntos de origen y destino, desviándose hacia el cable puente que sí los conecta.

Es importante mencionar que los cables no se gastan con la corriente eléctrica, a diferencia de los tubos de agua que con el tiempo se corroen y gastan por la prolongada circulación de agua. Los electrones que salen por un lado son sustituidos por los que entran del otro lado del cable. Sin embargo, en los cables los electrones pueden encontrar cierto nivel de fricción mientras se mueven, pero dicha fricción solamente causa calor en el material conductor, ya que la energía eléctrica se convierte en cinética (de movimiento) de los electrones y ésta a su vez en térmica. Pero por ahora no hay que preocuparse de ello; más adelante, en capítulos posteriores, hablaremos de ese tema con mucho mayor detalle.

Resumiendo lo tratado en este capítulo:
 

  • En materiales conductores, los electrones de la última capa de los átomos pueden soltarse y moverse de un lugar a otro del material, por lo que se denominan electrones sueltos o libres.
  • En materiales aislantes, los electrones de la última capa de los átomos no se sueltan con tanta facilidad, por lo que no se encuentran muchos electrones moviéndose de un lugar a otro de los materiales no conductores.
  • Todos los metales son conductores eléctricos.
  • Se denomina electricidad dinámica o corriente eléctrica a la circulación o movimiento de electrones a través de un conductor. La electricidad estática es una carga eléctrica acumulada e inmóvil que se forma por exceso o deficiencia de electrones en un objeto.
  • Para que los electrones y la energía eléctrica que causa su movimiento circulen o se muevan a través de un conductor, se necesita que éste no se encuentre cortado en ningún punto para que los puntos de origen y destino de la electricidad estén conectados.

Continúa en Curso de electrónica - Parte 3 >>


4 people like this

Share
Related Articles

Photo Gallery
Photoalbum: 

Curso de electrónica


Suggested posts
Follow Youbioit






Comments

Post new comment

The content of this field is kept private and will not be shown publicly.