Sesión 1.1.

Proyecto Nº. 1  Diseño, análisis y construcción de luminarias. 

Sesión Nº. 1.1.   

PRINCIPIOS DE LA ELECTRICIDAD.

Sesión Nº. 1.1.   PRINCIPIOS DE LA ELECTRICIDAD.

ESTRUCTURA ATÓMICA

Toda la materia se compone de átomos, y todos los átomos se componen de electrones, protones y neutrones. En esta sección aprenderá acerca de la estructura de un átomo, lo cual incluye capas y órbitas de los electrones, electrones de valencia, iones y niveles de energía.

La configuración que presentan ciertos electrones en un átomo es el factor clave para determinar qué tan bien conduce la corriente eléctrica un material conductor o semiconductor.

Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva las características de dicho elemento. Cada uno de los 109 elementos conocidos tiene átomos que son diferentes de los átomos de todos los demás elementos. Esto da a cada elemento una estructura atómica única. Según el modelo básico de Bohr, en un átomo se visualiza como una estructura de tipo planetario que consta de un núcleo central rodeado por electrones que lo orbitan, tal como se ilustra en la figura.

 1-1. El núcleo se compone de partículas cargadas positivamente y llamadas protones, así como de partículas no cargadas que se denominan neutrones. Las partículas básicas de carga negativa se llaman electrones.

Cada tipo de átomo tiene un cierto número de electrones y protones que lo distingue de los átomos de todos los demás elementos.

Número atómico

Todos los elementos están dispuestos en la tabla periódica de los elementos en un orden que va de acuerdo con su número atómico. El número atómico es igual al número de protones presentes en el núcleo. Por ejemplo, el número atómico del hidrógeno es 1 y el del helio es 2. En su estado normal (o neutro), todos los átomos de un elemento dado tienen el mismo número de electrones y de protones; las cargas positivas igualan a las cargas negativas, y el átomo tiene una carga neta de cero que lo vuelve eléctricamente neutro.

Capas, órbitas y niveles de energía

Tal como se ha visto en el modelo de Bohr, los electrones describen órbitas alrededor del núcleo a ciertas distancias de éste y están restringidos a dichas órbitas específicas. Dentro del átomo, cada órbita corresponde a un nivel de energía diferente conocido como capa. Las capas se designan con 1, 2, 3, y así sucesivamente, siendo la capa 1 la más cercana al núcleo. Los electrones más alejados del núcleo están a niveles de energía más altos.

De acuerdo con el modelo de Bohr para el átomo, las líneas espectrales del hidrógeno muestran que los electrones sólo pueden absorber o emitir una cantidad de energía específica que representa la diferencia exacta entre los niveles de energía.

Electrones de valencia

Los electrones que se localizan en órbitas alejadas del núcleo están dotados de más energía y se encuentran menos estrechamente ligados al átomo que aquellos cercanos al núcleo. Esto se debe a que la fuerza de atracción entre el núcleo positivamente cargado y el electrón negativamente cargado disminuye al incrementarse la distancia al núcleo. Electrones con los niveles de energía más altos existen en la capa más externa de un átomo y su ligazón a éste es relativamente holgada. Esta capa más alejada se conoce como capa de valencia y los electrones presentes en ella se llaman electrones de valencia.

 Los electrones de valencia contribuyen a las reacciones químicas y al enlace desarrollados dentro de la estructura de un material, y determinan las propiedades eléctricas de éste.

Niveles de energía y energía de ionización

Si un electrón absorbe un fotón que posea energía suficiente, escapa del átomo y se convierte en un electrón libre. Esto se indica mediante el nivel de energía de ionización mostrado en la figura

1-3. En todo momento que un átomo o grupo de átomos permanece con una carga neta se le conoce como ion. Cuando un electrón escapa del átomo de hidrógeno neutro (designado H), el átomo queda con una carga neta positiva y se convierte en un ion positivo (designado H+). En algunos casos,  un átomo o grupo de átomos puede adquirir un electrón, en cuyo caso se llama ion negativo.

El átomo de cobre

El cobre es el metal más comúnmente utilizado en aplicaciones eléctricas. El átomo de cobre tiene 29 electrones que orbitan el núcleo en cuatro capas. El número de electrones presentes en cada capa sigue un patrón predecible de acuerdo con la fórmula 2N2, donde N es el número de la capa.

La primera capa de cualquier átomo puede tener hasta 2 electrones, la segunda capa hacia arriba hasta 8 electrones, la tercera capa hacia arriba hasta 18 electrones, y la cuarta capa hacia arriba hasta 32 electrones.

La figura 1-2 ilustra un átomo de cobre. Advierta que la cuarta o más alejada capa, la capa de valencia, tiene sólo un electrón de valencia. Cuando el electrón de valencia presente en la capa más externa del átomo de cobre adquiere suficiente energía térmica, puede liberarse del átomo padre y convertirse en electrón libre. En un pedazo de cobre a temperatura ambiente, un “mar” de estos electrones libres está presente. Tales electrones no están ligados a un átomo dado sino que son libres de moverse en el material de cobre. Los electrones libres hacen del cobre un excelente conductor y posibilitan la corriente eléctrica.

El número de electrones presentes en cada capa sigue un patrón predecible de acuerdo con la fórmula

Donde N es el número de la capa.

CARGA ELÉCTRICA

Como se sabe, un electrón es la partícula más pequeña que exhibe carga eléctrica negativa. Cuando en un material está presente un exceso de electrones, existe una carga eléctrica negativa neta. Cuando hay deficiencia de electrones, existe una carga eléctrica positiva neta.

La carga de un electrón y la de un protón son iguales en magnitud. La carga eléctrica, una propiedad eléctrica de la materia que existe en virtud de exceso o deficiencia de electrones, es simbolizada mediante Q. La electricidad estática es la presencia de una carga positiva o negativa neta en un material. Todo mundo ha experimentado los efectos de la electricidad estática de vez en cuando, por ejemplo, cuando se intenta tocar una superficie metálica o a otra persona, o cuando las prendas de vestir puestas en una secadora se adhieren entre sí.

Los materiales con cargas de polaridad opuesta se atraen entre sí, y los materiales con cargas de la misma polaridad se repelen, como se muestra en la figura 2-5. Entre las cargas actúa una fuerza, evidenciada por la atracción o la repulsión. Esta fuerza, llamada campo eléctrico, se compone de líneas de fuerza invisibles, como indica la figura.

    

Qué es la corriente eléctrica?

 La corriente eléctrica es un movimiento de electrones. Así de simple, si movemos electrones de un átomo a otro, generamos corriente eléctrica. La cantidad de electrones que se mueven por segundo sería la Intensidad de la Corriente Eléctrica (I) y se mide en Amperios (A).

 Para generar corriente eléctrica necesitamos mover electrones de un átomo a otro por el interior de un material conductor, como por ejemplo el cobre. Un átomo cede un electrón a otro átomo próximo a él, dejando un hueco en el primero y así sucesivamente.

El sentido de los electrones es de la parte que está cargada negativamente (le sobran electrones) hacia la parte que esta con carga positiva (falta de electrones). Pero ojo el sentido de la corriente eléctrica en los circuitos se considera al revés, del positivo al negativo.

 ¿Cómo se Produce la Corriente Eléctrica?

 Los átomos de la materia o de los materiales están formados por protones con carga positiva, neutrones sin carga y electrones con carga eléctrica negativa.

 Los electrones están girando por la parte de fuera del átomo, en lo que se llaman órbitas. Estos electrones son precisamente los que producen el fenómeno de la corriente eléctrica. Tenemos que robar algún electrón de estos para producir corriente eléctrica.

Si de alguna forma le robamos un electrón al átomo de un material, este se quedará con un hueco. Cómo a los átomos no les gusta tener huecos, le robará un electrón al átomo de al lado y ahora será este último el que tendrá un hueco,por lo que le robará un electrón al que tiene a su lado y así sucesivamente. Si pudiéramos ver este fenómeno como en una película veríamos lo siguiente:

Nota: que a los átomos no les guste tener huecos significa que a los átomos no les gusta tener carga eléctrica. Los átomos son neutros eléctricamente, ya que la carga positiva de los protones anula a la de los electrones. Si le robamos un electrón, entonces tiene más protones y el átomo tendrá carga positiva. Lo que quiere decir que si tiene un hueco (carga positiva) le va a robar el electrón al de al lado para no tener carga, y este electrón robado pasará a estar en el hueco que había dejado el electrón robado.

 Nuestro problema es robar electrones para tener corriente eléctrica, o tener un cuerpo que le sobren electrones, otro que le falten y unirlos por un conductor, que será el camino por el que los electrones que sobran irán a donde hay falta de ellos.

 Entonces necesitamos tener un cuerpo con carga positiva (con átomos que le falten e-) a un lado y a otro lado un cuerpo con carga negativa (que le sobren e-). carga = potencial; potencial positivo y potencial negativo.   el cuerpo con carga positiva tiene huecos, el cuerpo con carga negativa exceso de electrones.

 Si ahora los unimos con un material conductor, es decir un material que por él pasen o se muevan los e- fácilmente, como es el caso del cobre, ya tenemos la solución.

Como puedes observar para generar la corriente eléctrica necesitamos una diferencia de carga, o lo que se llama "Diferencia de Potencial", que en tecnología se conoce con el nombre de "Tensión o Voltaje".

  Mientras mantengamos esa diferencia de potencial o tensión, tendremos corriente eléctrica. Precisamente los generadores eléctricos son lo que generan, o son capaces de mantener una tensión en sus bornes (extremos)

Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva las características de dicho elemento. Cada uno de los 109 elementos conocidos tiene átomos que son diferentes de los átomos de todos los demás elementos. Esto da a cada elemento una estructura atómica única. Según el modelo básico de Bohr, en un átomo se visualiza como una estructura de tipo planetario que consta de un núcleo central rodeado por electrones que lo orbitan, tal como se ilustra en la figura El núcleo se compone de partículas cargadas positivamente y llamadas protones, así como de partículas no cargadas que se denominan neutrones. Las partículas básicas de carga negativa se llaman electrones.